Technologie tepelného managementu lithium-iontových baterií
Lithium-iontové baterie zaujímají důležitou pozici na globálním trhu s elektřinou a spotřebitelskými bateriemi, takže jejich technologii tepelného managementu se v průmyslu vždy dostalo velké pozornosti. Tyto technologie se vyvíjejí od jednoduchého chlazení bez vzduchu ke kombinovanému chlazení a každá technologie má své vlastní charakteristiky a výzvy. Níže jsou podrobně představeny různé technologie chlazení.
chlazení vzduchem.
Vzduchové chlazení lze rozdělit na pasivní přirozené chlazení a aktivní nucené chlazení. Obě metody využívají proudění vzduchu k odvádění tepla generovaného baterií, aby se dosáhlo chlazení. Mezi jeho přednosti patří jednoduchá konstrukce, nízká cena, ochrana životního prostředí a žádné znečištění.
Přirozené chlazení: Jedná se o technologii pasivního chlazení, která vyžaduje pouze návrh potrubí chladicího vzduchu. Tento způsob chlazení využíval například raný elektromobil Nissan Leaf. Tato metoda je však obtížné splnit požadavky na účinné chlazení napájecích baterií a může ovlivnit životnost baterie.
Nucené chlazení vzduchem: Ve srovnání s přirozeným chlazením tato technologie zvyšuje proudění vzduchu a zlepšuje chladicí účinek přidáním ventilátorů a dalšího vybavení. Znamená to ale také zvýšenou hlučnost a spotřebu energie. Kromě toho lze úpravou tvaru vzduchového kanálu dále zlepšit chladicí účinek.
Technologie kapalinového chlazení
Kapalinové chlazení využívá chladicí kapalinu k výměně tepla z baterie, která efektivně a rychle odvádí teplo. Tato technologie se dělí na přímé kapalinové chlazení a nepřímé kapalinové chlazení. Při přímém kapalinovém chlazení je chladicí kapalina v přímém kontaktu s baterií, jako je například imerzní kapalinové chlazení. Nepřímé kapalinové chlazení dosahuje chladicího účinku prostřednictvím specifických součástí, jako jsou chladicí desky.
Chladicí deska kapalinové chlazení
Ve srovnání s chlazením vzduchem je technologie chlazení chladicích desek účinnější a chladicí desky jsou většinou vyrobeny z hliníku nebo hliníkové slitiny a náklady jsou relativně nízké. Hlavním směrem výzkumu je optimalizace struktury a charakteristik proudění kapaliny chladicí desky, aby se zjednodušil výrobní proces a zvýšila jeho účinnost.
Nedávný výzkum se zaměřil na návrh kanálů chladicí kapaliny a směr proudění chladicí kapaliny. Někteří odborníci například navrhli nový typ kapalinové chladicí desky založené na hadovitém průtokovém kanálu. Tato nová konstrukce může za určitých podmínek výrazně zlepšit účinnost chlazení. Někteří odborníci také navrhli chladicí desku s voštinovou strukturou založenou na čtvercových bateriích. Tato konstrukce zlepšuje účinek odvodu tepla přidáním chladicích kanálů. Všechny tyto studie poukázaly na to, že rozumná konstrukce kanálu chladicí kapaliny a směr proudění jsou rozhodující pro rovnoměrnost teploty. Celkově je technologie chlazení chladicími deskami poměrně vyspělá a široce používaná v různých elektrických zařízeních.
Celkově je technologie chlazení chladicích desek kapalinou velmi účinná pro většinu aplikačních scénářů. Jeho hlavní materiály, jako je měď a hliník, mají dobrou tepelnou vodivost a jsou středně nákladově efektivní, takže jsou ideální pro použití v elektrických vozidlech nebo jiných zařízeních s vysokými požadavky na chlazení. V praktických aplikacích je pro zajištění kvalitních chladicích účinků nutné navrhnout vhodné chladicí kanály a vybrat vhodné materiály podle typu a konstrukce baterie.
Imerzní kapalinové chlazení
Technologie imerzního kapalinového chlazení zcela ponoří baterii a další součásti generující teplo do chladicí kapaliny. Ve srovnání s tradičním vzduchovým chlazením tato technologie snižuje hluk a spotřebu energie a také lépe kontroluje teplotu baterie. I přes vynikající výsledky této technologie je její hlavní nevýhodou poměrně velká hmotnost a objem systému, což omezuje její uplatnění v elektromobilech. Ale pro elektrárny s pevnými zásobníky energie je tato technologie ideální.
Imerzní kapalinové chlazení používá jako chladicí kapalinu hlavně izolační olej a fluorovanou kapalinu, i když náklady jsou vyšší. Výzkum však prokázal, že tato technologie chlazení dokáže zajistit, že průměrný nárůst teploty baterie nepřekročí 5 stupňů a teplotní rozdíl mezi články je pouze 2 stupně. To pomáhá zlepšit životnost a bezpečnost elektráren akumulujících energii.
Technologie chlazení materiálu s fázovou změnou
Technologie tepelného managementu baterie založená na materiálech s fázovou změnou (PCM) je inovativní metoda, která udržuje baterii na optimální teplotě využitím vlastností akumulace a uvolňování tepla PCM. Výhod tohoto přístupu je několik: nevyžaduje žádnou další energii, nemá žádné pohyblivé části, je nenáročný na údržbu a dobře zajišťuje rovnoměrnou teplotu baterie.
V současné době jsou běžně používané materiály PCM v tepelném managementu: Organické materiály, jako jsou parafíny, alkany a organické kyseliny.
Anorganické materiály, jako jsou vodné roztoky, hydráty solí a roztavené soli.
Eutektické materiály
Tepelná vodivost samotného PCM však není vysoká, proto se obvykle přidávají další materiály jako měděná pěna, expandovaný grafit a nanočástice pro zlepšení jeho tepelné vodivosti. To může také vyřešit některé fyzikální problémy PCM, jako jsou problémy s tekutostí po změně fáze.
Abychom to pochopili intuitivněji, můžeme se odkázat na některé nedávné výzkumy. Někteří odborníci například vytvořili kompozitní materiál s fázovou změnou složený z kyseliny laurové a parafínového vosku v kombinaci s expandovaným grafitem. Tento materiál úspěšně snížil maximální teplotu určité baterie na 42,39 stupně. Jiné studie také ukázaly, že chladicí účinek PCM lze dále zvýšit, když se kombinuje s jinými metodami chlazení, jako je chlazení vzduchem.
Technologie termoelektrického chlazení
Termoelektrické chlazení je pokročilá technologie aktivního chlazení založená na Peltierově jevu. Jednoduše řečeno, když elektrický proud prochází konkrétním materiálem, na jedné straně pohlcuje teplo a na druhé ho uvolňuje, čímž vzniká chladivý efekt. Mezi hlavní výhody této technologie patří: žádné chladivo, nízká spotřeba energie, rychlý náběh, dobrá stabilita, nízká hlučnost a žádné pohyblivé části. Zjevné jsou však také výzvy, jako je nízká účinnost chlazení a potíže při výrobě velkých zařízení.
Vědci provedli velké množství experimentů s cílem optimalizovat aplikaci této technologie v systémech tepelného managementu baterií. Někteří odborníci například navrhli systém, který kombinuje dvojité křemičité chladicí desky s měděnou síťovinou a vzduchovým chlazením. Zjistili, že tloušťka křemičité chladicí desky souvisí s teplotním výkonem baterie a 1,5 mm byla stanovena jako optimální tloušťka. Jiná studie kombinovala termoelektrické chlazení s kapalinovým chlazením a experimenty ukázaly, že tato kombinace může účinně zlepšit chladicí účinek.
