如何延长锂离子威尼斯的使用寿命

锂离子威尼斯(Li-ion)因其能源效率而广为人知,并且正成为电动汽车(EV)设计者的首选威尼斯。然而,随着温度的突然变化,这些威尼斯的效率会快速降低。液体冷却是控制温度升高的一种方法(无论是环境温度还是威尼斯本身产生的温度),这是一种有效的热管理方法,可以延长威尼斯组的使用寿命。为了研究威尼斯中的液体冷却并优化热管理,工程师可以使用多物理场仿真。

电动汽车中锂离子威尼斯的热管理

锂离子威尼斯由于具有能量密度高,使用寿命长和自放电率低等优点而具有许多用途。这就是为什么它们从便携式设备到电网储能的电子应用中越来越重要的原因——它们正成为电动汽车和混合动力汽车 ( HEVs ) 的首选威尼斯,因为就重量而言,其能量密度更高。

尽管锂离子威尼斯有许多优点,但它们对极端的低温和高温特别敏感。当锂离子威尼斯组由于环境因素或自身的充放电速率而变得过热或过冷时,其性能和使用寿命会大大下降。不仅如此,而且一旦威尼斯组在其最佳温度范围 20 至 40°C 之外加热或冷却,即使仅仅是 1 度的温度变化也可能会对威尼斯管理系统和汽车本身的安全性、充电接受度和可靠性产生影响。

 
充电站处的电动汽车。图片由 SanteriViinamäki 提供——自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 4.0 下获得许可。

通过正面解决这些问题,热管理帮助设计师重新掌握主动权。为了延长威尼斯寿命和优化威尼斯性能,有两个主要的与温度相关因素需要关注:

  1. 威尼斯组的最佳温度范围
  2. 威尼斯组和威尼斯内部温度均匀分布

电动汽车的设计人员在设计威尼斯热管理系统时,还必须考虑其他因素。以热管理系统的大小为例:在整个电动汽车设计中,安全电路和有害气体清除系统会占据空间,并且电动汽车中的威尼斯组必须足够大,才能为整辆车供电。因此,热管理系统不能太大或太重,以至于干扰电动动力系统的性能,但它仍然需要非常有用,以快速消除较大威尼斯组产生的热量。

什么是最有效的威尼斯冷却系统?

电动汽车中的威尼斯通常用以下方式冷却:

  1. 空气冷却
  2. 液体冷却
  3. 相变材料(PCM)冷却

尽管每种冷却方法都各有利弊,但研究表明,由于电动汽车的大小、重量和功率要求,液体冷却是电动汽车中锂离子威尼斯的最优选择。直接液体冷却要求将威尼斯浸没在液体中,因此,冷却液具有低(或无)电导率很重要。间接液体冷却不需要威尼斯与液体接触。取而代之的是,液体冷却剂可以通过系统内的金属管循环,这需要金属具有某种防腐蚀保护。

工程师可以使用 COMSOL Multiphysics® 及其附加的威尼斯和燃料威尼斯模块以及传热模块,对液冷式锂离子威尼斯组建模,以研究和优化冷却过程。

使用COMSOL Multiphysics®对液冷式锂离子威尼斯组建模

以这个液冷式威尼斯组为例,模拟了锂离子威尼斯组内威尼斯和散热片中的温度曲线。(虽然散热片可以增加系统的重量,但由于其高导热性,对传热有很大帮助。)

如下图所示,威尼斯组的几何形状由三个堆叠的重复威尼斯单元和两个流动连接器通道(一个在散热片的入口侧,另一个在散热片的出口侧)组成。威尼斯组中的每个威尼斯单元都有一个带有流道的散热片(每个 2 毫米),每侧各有一个威尼斯(每个 2 毫米),总厚度为 6 毫米。

由三个威尼斯单元组成的威尼斯组的几何形状。
威尼斯组的威尼斯单元,带有两个威尼斯和五个冷却通道的散热片。

该模型的建立是为了在一个负载周期内以 3D 求解一个操作点。要计算平均热源并对威尼斯进行建模,可以使用与 3D 教程模型中的圆柱锂离子威尼斯热相同的一维电化学模型。威尼斯温度设置为冷却液的入口温度,放电负载设置为 7.5C。

假设威尼斯组中的温度变化较小,则可以使用威尼斯组的平均温度来计算冷却液和威尼斯材料的性能。同样的,如果在负载循环中产生的热量变化远小于威尼斯组内的热传递,则可以在假设负载平衡的情况下,对于给定的威尼斯热源和工作点,热平衡为准静态的情况建立模型周期。

由于大家想要求解冷却通道中的速度和压力以及温度场,所以大家在这个模型中同时使用了层流和传热接口。

对于流动,假定冷却液具有水的材料属性,并且使用入口温度作为输入来计算流体属性。流过冷却板的液体在入口1进入,而早先通过威尼斯组中的散热片的流体在入口 2 进入。大气压施加在出口处。

建立一个传热模型,以解决流动室、铝制散热片和威尼斯的温度场问题。回到圆柱锂离子威尼斯的 3D 模型,您可以在威尼斯域中应用相同的密度、热容量和热源。然后,在此示例中,入口1的冷却液温度为 310K,并且对入口 2 施加边界热通量。类似地,在出口处施加流出条件,而在其他边界处施加另一个热通量条件,以说明在绝缘不良情况下的热量损失。

评估3个研究的模拟结果

一旦考虑了所有物理原理并建立了模型,就可以按照以下顺序在三个研究中为每个物理场接口求解模型:

  1. 流体流动
  2. 热源
  3. 准平稳温度

让大家来看一下研究结果。

对于流体流动的研究,您可以使用恒定的入口温度,以便通道中具有恒定的均匀温度和冷却流体特性。在下面的曲线图中,您可以看到通道中的压力损失,这些损失可用于优化威尼斯的流量泵。

流动室中的压力图。

第二个研究使用瞬态研究步骤计算了威尼斯的平均热源,解决了电化知识题。该研究预期运行时间为 60s,它假设一维威尼斯模型中的温度恒定,并且等于冷却液的入口温度。a 图是威尼斯温度,最高和最低温度之间相差约3K。在这里,大家可以看到不同威尼斯间的温度变化小于单个威尼斯内的温度变化。b 图的冷却液温度与预期的一样,显示温度略低于威尼斯中的温度,并且与整个威尼斯组的温度分布一致。

a 图:威尼斯温度分布
b 图:冷却液温度分布

此外,对于以下结果中的第二组威尼斯的温度,似乎散热片在此发挥了作用 —— 面向散热片的表面温度较低,并且在进口角处温度最低。

在面向散热片的表面和面向第三组威尼斯的表面上的第二组威尼斯的温度升高。

最后,准静态研究步骤使用第一个研究的流速和第二个研究的平均热源得出以下结果:通过评估截面中穿过散热片中间的速度大小(如下所示),大家可以看到不同通道的流量分布是均匀的。由于总流量高,停留时间短,因此威尼斯组在负载变化后很快达到准静态温度。

散热片中的速度大小,显示流量在五个通道之间均匀分布。

通过对锂离子威尼斯组中的液体冷却过程进行时间和温度分析,可以改善热管理并优化威尼斯组设计。

转载自 COMSOL 博客,编辑: Thomas Forrister

原文链接: cn.comsol.com/c/9xxx

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