थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टम म्हणजे काय?

थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टम म्हणजे काय?

बॅटरी थर्मल मॅनेजमेंट, बॅटरीच्या कार्यक्षमतेवर तापमानाच्या प्रभावावर आधारित, बॅटरीची इलेक्ट्रोकेमिकल वैशिष्ट्ये आणि उष्णता निर्माण यंत्रणा, आणि विशिष्ट बॅटरीच्या इष्टतम चार्ज/डिस्चार्ज तापमान श्रेणीमध्ये ग्राउंड केलेले, हे तंत्रज्ञान आहे जे बॅटरीच्या उच्च किंवा कमी तापमानामुळे उष्णतेचे अपव्यय किंवा थर्मल पळून जाणे यास संबोधित करते. हे तर्कसंगत डिझाइनद्वारे साध्य केले जाते आणि ते साहित्य विज्ञान, इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री, उष्णता हस्तांतरण, आण्विक गतिशीलता आणि इतर विषयांवर आधारित आहे. चांगली कार्यक्षमता राखण्यासाठी बॅटरी पॅकसाठी वाजवी ऑपरेटिंग तापमान श्रेणी राखणे आवश्यक आहे. त्यामुळे, बॅटरी सिस्टीमच्या एकूण कार्यक्षमतेत सुधारणा करण्यासाठी लिथियम-आयन बॅटरी पॅकसाठी वाजवी थर्मल मॅनेजमेंट स्कीम डिझाइन करणे खूप महत्त्वाचे आहे.

बॅटरी पॅक थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टममध्ये खालील पाच मुख्य कार्ये आहेत: ① अचूक मापन आणि बॅटरी तापमानाचे निरीक्षण; ② जेव्हा बॅटरी पॅक तापमान खूप जास्त असते तेव्हा प्रभावी उष्णता नष्ट करणे आणि वायुवीजन; ③ कमी-तापमानाच्या परिस्थितीत जलद गरम; ④ जेव्हा हानिकारक वायू तयार होतात तेव्हा प्रभावी वायुवीजन; आणि ⑤ बॅटरी पॅकमध्ये एकसमान तापमान वितरण सुनिश्चित करणे.

उच्च-कार्यक्षमता बॅटरी पॅक थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीसाठी पद्धतशीर डिझाइन दृष्टीकोन आवश्यक आहे. सध्या, थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीसाठी अनेक डिझाइन पद्धती अस्तित्वात आहेत. युनायटेड स्टेट्समधील नॅशनल रिन्युएबल एनर्जी लॅबोरेटरी (NREL) द्वारे डिझाइन केलेली बॅटरी पॅक थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टम सर्वात सामान्यपणे वापरली जाते, ज्याच्या डिझाइन प्रक्रियेत सात चरणांचा समावेश आहे:

1) थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टीमची स्वयं-कॅलिबर आणि आवश्यकता निश्चित करा. बॅटरीची तापमान वैशिष्ट्ये आणि योग्य ऑपरेटिंग तापमान श्रेणीच्या आधारे, थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीचे नियंत्रण स्व-कॅलिबर निर्धारित करा. उदाहरणार्थ, लिथियम-आयन पॉवर बॅटरीसाठी योग्य ऑपरेटिंग तापमान 10~40 अंश आहे, कमी-तापमान मर्यादा 0 अंश आणि उच्च{10}}तपमान मर्यादा 45 अंश आहे. त्यामुळे, थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टीमच्या डिझाइनने, बॅटरीचे अत्यंत ऑपरेटिंग तापमान पूर्ण करताना, बॅटरीच्या योग्य ऑपरेटिंग तापमान आवश्यकता पूर्ण करण्याचा प्रयत्न केला पाहिजे.

2) मॉड्यूल उष्णता निर्मिती आणि उष्णता क्षमता मोजा किंवा अंदाज लावा. बॅटरी चार्ज-डिस्चार्ज चाचण्यांद्वारे आणि बॅटरीच्या विशिष्ट उष्णता क्षमतेवर आधारित सिम्युलेशन गणनेद्वारे, उष्णता नष्ट होणे किंवा गरम करण्याची शक्ती निर्धारित करा.

3) थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टमचे प्रारंभिक मूल्यमापन, उष्णता हस्तांतरण माध्यम निवडणे आणि उष्णता नष्ट होण्याच्या संरचनेची रचना करणे. सामान्यतः, बॅटरी कूलिंग एअर कूलिंग किंवा लिक्विड कूलिंगद्वारे प्राप्त होते. एअर कूलिंग सिस्टीमची रचना तुलनेने सोपी आहे परंतु अकार्यक्षम आहे; लिक्विड कूलिंग सिस्टीमची रचना जटिल आहे परंतु अत्यंत कार्यक्षम आहे. गरम हवा गरम करणे, द्रव प्रवाह तापविणे आणि उष्णता स्त्रोतापासून थेट थर्मल रेडिएशन गरम करणे यासारख्या गरम करण्याच्या पद्धतींचे विविध प्रकार देखील आहेत.

4) मॉड्यूल आणि बॅटरी पॅकच्या थर्मल वर्तनाचा अंदाज लावा. बॅटरी पॅकच्या ऑपरेटिंग परिस्थितीच्या आधारावर, अनुप्रयोगादरम्यान उष्णतेचा अपव्यय आणि गरम आवश्यकतांचा अंदाज लावा आणि त्याचे मूल्यांकन करा.

5) थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीची प्राथमिक रचना. निर्धारित उष्णता माध्यम आणि थर्मल वर्तन मूल्यमापन परिणामांवर आधारित, थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीचे तत्त्व आणि अभियांत्रिकी डिझाइन आयोजित करा.

6) थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीची रचना आणि चाचणी. बॅटरी सिस्टीम आणि बॅटरी थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टमची स्केल-डाउन किंवा फुल-स्केल तयार करा आणि चाचणी बेंचवर सिम्युलेटेड वास्तविक ऑपरेटिंग परिस्थितींमध्ये थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टमची प्रभावीता सत्यापित करा.

7) थर्मल व्यवस्थापन प्रणाली अनुकूल करा. प्रायोगिक परिणामांवर आधारित थर्मल व्यवस्थापन प्रणाली सुधारा आणि अनुकूल करा.

बॅटरी उष्णतेच्या चांगल्या वाहक नसतात. बॅटरीची अंतर्गत थर्मल स्थिती पूर्णपणे समजून घेण्यासाठी केवळ पृष्ठभागाच्या तापमानाचे वितरण जाणून घेणे पुरेसे नाही. गणितीय मॉडेल्सचा वापर करून अंतर्गत तापमान क्षेत्राची गणना करणे आणि बॅटरीच्या थर्मल वर्तनाचा अंदाज लावणे हे बॅटरी थर्मल व्यवस्थापन प्रणाली डिझाइन करण्यासाठी एक अपरिहार्य पाऊल आहे. सध्या, मुख्य प्रवाहातील गणितीय मॉडेलमध्ये दोन-आयामी आणि त्रिमितीय मॉडेल समाविष्ट आहेत. यापैकी, त्रिमितीय मॉडेल, त्याच्या उत्कृष्ट अचूकतेमुळे आणि अनुकूलतेमुळे, असंख्य बॅटरी थर्मल व्यवस्थापन प्रणालींमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले गेले आहे. मॉडेल खालीलप्रमाणे आहे:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

जेथे टी तापमान आहे;

ρ ही सरासरी घनता आहे;

c_p ही बॅटरीची विशिष्ट उष्णता क्षमता आहे;

λ_x, λ_y, λ_z ही अनुक्रमे x, y आणि z दिशांमधील बॅटरीची थर्मल चालकता आहे;

q हा प्रति युनिट व्हॉल्यूम उष्णता निर्मितीचा दर आहे.

बॅटरी बॉक्समधील वेगवेगळ्या बॅटरी मॉड्यूल्समधील तापमानातील फरक बॅटरीच्या अंतर्गत प्रतिकार आणि क्षमतेमध्ये विसंगती वाढवतात. कालांतराने, यामुळे काही बॅटरी जास्त चार्ज होऊ शकतात किंवा जास्त डिस्चार्ज होऊ शकतात, त्यांचे आयुर्मान आणि कार्यप्रदर्शन प्रभावित होतात आणि सुरक्षा धोके निर्माण होतात. बॅटरी बॉक्समधील बॅटरी मॉड्यूलमधील तापमानातील फरक बॅटरी पॅकच्या व्यवस्थेशी जवळून संबंधित आहेत. साधारणपणे, मध्यभागी असलेल्या बॅटरीमध्ये उष्णता जमा होण्याचा कल असतो, तर कडांवर असलेल्या बॅटरीमध्ये उष्णता कमी होते. म्हणून, बॅटरी पॅकची रचना आणि उष्मा वितळण्याची रचना करताना, एकसमान उष्णतेचा अपव्यय सुनिश्चित करणे महत्वाचे आहे. एअर कूलिंगचे उदाहरण घेतल्यास, सामान्यत: दोन वायुवीजन पद्धती आहेत: एकसमान उष्णतेचा अपव्यय सुनिश्चित करण्यासाठी मालिका आणि समांतर. एअरफ्लो डिझाइनमध्ये फ्लुइड मेकॅनिक्स आणि एरोडायनॅमिक्सच्या मूलभूत तत्त्वांचे पालन करणे आवश्यक आहे.

बॅटरी थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टम डिझाइन करताना, फॅनचा प्रकार आणि शक्ती, तापमान सेन्सर्सची संख्या आणि मापन बिंदूंचे स्थान काळजीपूर्वक निवडले पाहिजे.

एअर कूलिंगचे उदाहरण म्हणून, कूलिंग सिस्टमची रचना करताना, विशिष्ट कूलिंग इफेक्ट सुनिश्चित करताना, फॅनचा आवाज आणि विजेचा वापर कमी करण्यासाठी प्रवाह प्रतिरोध कमी केला पाहिजे, ज्यामुळे संपूर्ण सिस्टम कार्यक्षमता सुधारते. प्रायोगिक, सैद्धांतिक गणना आणि फ्लुइड डायनॅमिक्स (CFD) पद्धती वापरून दाब कमी आणि प्रवाह दराचा अंदाज घेऊन पंख्याच्या वीज वापराचा अंदाज लावला जाऊ शकतो. जेव्हा प्रवाह प्रतिरोध कमी असतो, तेव्हा अक्षीय प्रवाह चाहत्यांचा विचार केला जाऊ शकतो; जेव्हा प्रवाह प्रतिरोध जास्त असतो, तेव्हा केंद्रापसारक पंखे अधिक योग्य असतात. अर्थात, पंख्याने व्यापलेली जागा आणि त्याची किंमत देखील विचारात घेणे आवश्यक आहे. इष्टतम पंखा नियंत्रण धोरण शोधणे हे थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीच्या कार्यांपैकी एक आहे.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

बॅटरी बॉक्समधील बॅटरी पॅकचे तापमान वितरण सामान्यतः असमान असते, म्हणून, गंभीर तापमान बिंदू निर्धारित करण्यासाठी वेगवेगळ्या परिस्थितीत बॅटरी पॅकचे थर्मल फील्ड वितरण जाणून घेणे आवश्यक आहे. अधिक तापमान सेन्सर अधिक व्यापक तापमान मापन प्रदान करतात, परंतु सिस्टमची किंमत आणि जटिलता वाढवतात. विशिष्ट अभियांत्रिकी संदर्भावर अवलंबून, सैद्धांतिकदृष्ट्या, मर्यादित घटकांचे विश्लेषण, प्रयोगांमधील इन्फ्रारेड थर्मल इमेजिंग किंवा वास्तविक-मल्टी-पॉइंट तापमान मॉनिटरिंगचा वापर बॅटरी पॅकच्या थर्मल फील्ड वितरणाचे विश्लेषण आणि मोजमाप करण्यासाठी केला जाऊ शकतो, बॅटरी मॉड्यूल्स, आणि वेगवेगळ्या बिंदूंच्या सेलची योग्य संख्या शोधण्यासाठी आणि वेगवेगळ्या बिंदूंचे तापमान मोजण्याचे क्षेत्र निश्चित करण्यासाठी. तापमान मोजमापांची अचूकता आणि स्थिरता सुधारण्यासाठी तापमान सेन्सर शीतलक वायुप्रवाहाच्या संपर्कात येत नाहीत याची खात्री सामान्य डिझाइनने केली पाहिजे. बॅटरीची रचना करताना, तापमान सेन्सर्ससाठी जागा आरक्षित केली पाहिजे; उदाहरणार्थ, योग्य जागा योग्य ठिकाणी डिझाइन केल्या जाऊ शकतात. टोयोटाच्या प्रियस हायब्रीड इलेक्ट्रिक वाहनाच्या बॅटरी पॅकमध्ये 228 वैयक्तिक सेल आहेत आणि तापमान निरीक्षण 5 तापमान सेन्सरद्वारे केले जाते. बीजिंग इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीने डिझाइन केलेली इलेक्ट्रिक बस पॉवर बॅटरी सिस्टम प्रति बॉक्स 6 तापमान मापन बिंदू वापरते (आकृती 8-16a मधील वर्तुळाकार क्षेत्र पहा), सकारात्मक आणि नकारात्मक टर्मिनल्स आणि बॅटरी बॉक्सच्या पॉवर लाइन आउटपुट बिंदूंवर व्यवस्था केली जाते, आकृती 8-16 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे.

उष्णता हस्तांतरण माध्यमाच्या आधारावर, बॅटरी पॅक थर्मल व्यवस्थापन प्रणालीचे कूलिंग तीन प्रकारांमध्ये विभागले जाऊ शकते: एअर कूलिंग, लिक्विड कूलिंग आणि फेज चेंज मटेरियल कूलिंग. मटेरियल रिसर्च आणि डेव्हलपमेंट आणि मॅन्युफॅक्चरिंग खर्च लक्षात घेता, सध्या सर्वात प्रभावी आणि सामान्यतः वापरली जाणारी उष्णता नष्ट करणारी यंत्रणा हवा ही उष्णतेचे अपव्यय माध्यम म्हणून वापरते.

उष्मा वितळवण्याच्या वायुप्रवाह संरचनेच्या आधारे, एअर कूलिंग सिस्टमला आणखी दोन प्रकारांमध्ये विभागले जाऊ शकते: अनुक्रमे आकृती 8-17 आणि 8-18 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, मालिका वायुवीजन आणि समांतर वायुवीजन.

मालिका कॉन्फिगरेशनमध्ये, उष्णता काढून टाकण्यासाठी हवा सामान्यत: बॅटरी पॅकच्या एका बाजूला वाहते. तथापि, हा वायुप्रवाह पूर्वी ज्या भागांतून जातो त्या भागांतून नंतर ज्या भागांतून जातो तेथे उष्णता वाहून नेतो, परिणामी विसंगत तापमान आणि लक्षणीय तापमान फरक होतो. समांतर कॉन्फिगरेशनमध्ये, मॉड्यूल्समधील हवेचा प्रवाह अनुलंब वाढतो, ज्यामुळे हवा अधिक समान रीतीने वितरीत होते आणि संपूर्ण बॅटरी पॅकमध्ये सातत्यपूर्ण उष्णता नष्ट होते.

थर्मल मॅनेजमेंट सिस्टममध्ये अंतर्गत हीटिंग किंवा कूलिंग डिव्हाइसेस आहेत की नाही यावर आधारित निष्क्रिय आणि सक्रिय प्रणालींमध्ये वर्गीकृत केले जाऊ शकते. निष्क्रिय प्रणाली कमी खर्चिक असतात आणि त्यांना सोप्या पायाभूत सुविधांची आवश्यकता असते; सक्रिय प्रणाली अधिक क्लिष्ट आहेत आणि त्यांना जास्त अतिरिक्त उर्जा आवश्यक आहे, परंतु चांगले कार्यप्रदर्शन देतात.

आकडे 8-19, 8-20, आणि 8-21 अनुक्रमे सक्रिय आणि निष्क्रिय हवा गरम करणे आणि उष्णता अपव्यय संरचनांचे योजनाबद्ध आकृती दर्शविते.

Thermal Management System Design and Implementation

आकृती 8-19 आणि 8-20 मध्ये, कारच्या एअर कंडिशनिंग किंवा हीटिंग सिस्टमद्वारे हवा थंड आणि गरम केली गेली असली तरीही ती निष्क्रिय प्रणाली मानली जाते. या निष्क्रिय प्रणालीसह, सादर केलेल्या सभोवतालच्या हवेच्या तापमानातील विसंगतीमुळे, योग्य थर्मल व्यवस्थापनासाठी सभोवतालची हवा विशिष्ट तापमान श्रेणी (10 ~ 35 अंश) मध्ये कार्य करणे आवश्यक आहे. अत्यंत थंड किंवा उष्ण परिस्थितीत काम केल्याने बॅटरी पॅकमध्ये जास्त असमानता येऊ शकते.

हीटिंग सिस्टममध्ये, बॅटरी पॅकमध्ये गरम हवा आणण्याव्यतिरिक्त, आकृती 8-22~8-25 (प्रिझमॅटिक बॅटरीसाठी) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, इतर पद्धती वापरल्या जाऊ शकतात.

Other heating methods