מחקר על טכנולוגיית ניהול תרמי של סוללת ליתיום עבור רכבי אנרגיה חדשים

1. מאפיינים של סוללות ליתיום לרכבי אנרגיה חדשים

לסוללות ליתיום יש בעיקר את היתרונות של קצב פריקה עצמית נמוך, צפיפות אנרגיה גבוהה, זמני מחזור גבוהים ויעילות תפעול גבוהה במהלך השימוש.שימוש בסוללות ליתיום כהתקן הכוח העיקרי לאנרגיה חדשה שווה ערך להשגת מקור כוח טוב.לכן, בהרכב המרכיבים העיקריים של רכבי אנרגיה חדשים, ערכת סוללות הליתיום הקשורה לתא סוללת הליתיום הפכה למרכיב הליבה החשוב ביותר שלה ולחלק הליבה המספק כוח.במהלך תהליך העבודה של סוללות ליתיום, ישנן דרישות מסוימות לסביבה הסובבת.על פי תוצאות הניסוי, טמפרטורת העבודה האופטימלית נשמרת בין 20°C עד 40°C.ברגע שהטמפרטורה סביב הסוללה חורגת מהמגבלה שצוינה, הביצועים של סוללת הליתיום יפחתו מאוד, וחיי השירות יצטמצמו מאוד.מכיוון שהטמפרטורה סביב סוללת הליתיום נמוכה מדי, יכולת הפריקה הסופית ומתח הפריקה יחרגו מהתקן שנקבע מראש, ותהיה ירידה חדה.

אם טמפרטורת הסביבה גבוהה מדי, ההסתברות לבריחה תרמית של סוללת הליתיום תגדל מאוד, והחום הפנימי יאסוף במיקום מסוים, ויגרום לבעיות הצטברות חום חמורות.אם לא ניתן לייצא חלק זה של החום בצורה חלקה, יחד עם זמן העבודה הממושך של סוללת הליתיום, הסוללה נוטה להתפוצץ.סכנה בטיחותית זו מהווה איום גדול על הבטיחות האישית, ולכן סוללות ליתיום חייבות להסתמך על התקני קירור אלקטרומגנטיים כדי לשפר את ביצועי הבטיחות של הציוד הכולל בעת העבודה.ניתן לראות שכאשר חוקרים שולטים בטמפרטורה של סוללות ליתיום, עליהם להשתמש באופן רציונלי במכשירים חיצוניים כדי לייצא חום ולשלוט בטמפרטורת העבודה האופטימלית של סוללות ליתיום.לאחר שבקרת הטמפרטורה תגיע לסטנדרטים המקבילים, יעד הנהיגה הבטוחה של רכבי אנרגיה חדשים כמעט ולא יהיה מאוים.

2. מנגנון יצירת חום של סוללת ליתיום כוח רכב אנרגיה חדשה

למרות שניתן להשתמש בסוללות אלו כמכשירי חשמל, בתהליך היישום בפועל, ההבדלים ביניהן ברורים יותר.לחלק מהסוללות יש חסרונות גדולים יותר, ולכן יצרני רכבי אנרגיה חדשים צריכים לבחור בקפידה.למשל, סוללת העופרת-חומצה מספקת כוח מספיק לענף האמצעי, אך היא תגרום לנזק רב לסביבה הסובבת במהלך פעולתה, ונזק זה יהיה בלתי הפיך בהמשך.לכן, על מנת להגן על הביטחון האקולוגי, המדינה שמה סוללות עופרת-חומצה כלולות ברשימה האסורת.במהלך תקופת הפיתוח, סוללות ניקל-מתכת הידריד השיגו הזדמנויות טובות, טכנולוגיית הפיתוח הבשילה בהדרגה, וגם היקף היישום התרחב.עם זאת, בהשוואה לסוללות ליתיום, החסרונות שלה מעט ברורים.למשל, ליצרני סוללות רגילים קשה לשלוט בעלות הייצור של סוללות ניקל-מתכת הידריד.כתוצאה מכך, המחיר של סוללות ניקל-מימן בשוק נותר גבוה.כמה מותגי רכב אנרגיה חדשים שרודפים אחרי ביצועי עלות כמעט לא ישקלו להשתמש בהם כחלקי חילוף לרכב.חשוב מכך, סוללות Ni-MH רגישות הרבה יותר לטמפרטורת הסביבה מאשר סוללות ליתיום, והן נוטות יותר להתלקח בגלל טמפרטורות גבוהות.לאחר השוואות מרובות, סוללות ליתיום בולטות ונמצאות כיום בשימוש נרחב ברכבי אנרגיה חדשים.

הסיבה לכך שסוללות ליתיום יכולות לספק כוח לרכבי אנרגיה חדשים היא בדיוק בגלל שהאלקטרודות החיוביות והשליליות שלהן מכילות חומרים פעילים.בתהליך של הטבעה והפקה מתמשכת של חומרים, מתקבלת כמות גדולה של אנרגיה חשמלית, ולאחר מכן על פי עקרון המרת האנרגיה, האנרגיה החשמלית והאנרגיה הקינטית להשיג את מטרת ההחלפה, ובכך לספק כוח חזק ל- רכבי אנרגיה חדשים, יכולים להשיג את מטרת ההליכה עם המכונית.יחד עם זאת, כאשר תא סוללת הליתיום יעבור תגובה כימית, תהיה לו תפקיד של ספיגת חום ושחרור חום להשלמת המרת האנרגיה.בנוסף, אטום הליתיום אינו סטטי, הוא יכול לנוע ברציפות בין האלקטרוליט לסרעפת, ויש התנגדות פנימית לקיטוב.

כעת, גם החום ישתחרר כראוי.עם זאת, הטמפרטורה סביב סוללת הליתיום של רכבי אנרגיה חדשים גבוהה מדי, מה שעלול להוביל בקלות לפירוק של המפרידים החיוביים והשליליים.בנוסף, ההרכב של סוללת הליתיום האנרגיה החדשה מורכב ממספר ערכות סוללות.החום שנוצר על ידי כל ערכות הסוללות עולה בהרבה על זה של הסוללה הבודדת.כאשר הטמפרטורה עולה על ערך שנקבע מראש, הסוללה מועדת מאוד להתפוצצות.

3. טכנולוגיות מפתח של מערכת ניהול תרמית סוללה

עבור מערכת ניהול הסוללות של רכבי אנרגיה חדשים, הן בבית והן בחו"ל, העניקו מידה גבוהה של תשומת לב, השיקו סדרת מחקרים והשיגו תוצאות רבות.מאמר זה יתמקד בהערכה מדויקת של כוח הסוללה שנותר של מערכת הניהול התרמית של הרכב האנרגיה החדש, ניהול איזון הסוללה וטכנולוגיות מפתח המיושמות ב-מערכת ניהול תרמית.

3.1 מערכת ניהול תרמית של סוללה שיטת הערכת הספק שיורי
חוקרים השקיעו הרבה אנרגיה ומאמצים קפדניים בהערכת SOC, בעיקר תוך שימוש באלגוריתמים של נתונים מדעיים כמו שיטת אמפר-שעה אינטגרלית, שיטת מודל ליניארי, שיטת רשת עצבית ושיטת סינון קלמן כדי לבצע מספר רב של ניסויי סימולציה.עם זאת, שגיאות חישוב מתרחשות לעתים קרובות במהלך היישום של שיטה זו.אם השגיאה לא תתוקן בזמן, הפער בין תוצאות החישוב יגדל וגדל.על מנת לפצות על הפגם הזה, חוקרים משלבים בדרך כלל את שיטת הערכת אנשי עם שיטות אחרות לאימות זו את זו, כדי להשיג את התוצאות המדויקות ביותר.בעזרת נתונים מדויקים, החוקרים יכולים להעריך במדויק את זרם הפריקה של הסוללה.

3.2 ניהול מאוזן של מערכת ניהול תרמית סוללה
ניהול האיזון של מערכת הניהול התרמי של הסוללה משמש בעיקר לתיאום המתח וההספק של כל חלק בסוללת החשמל.לאחר שימוש בסוללות שונות בחלקים שונים, ההספק והמתח יהיו שונים.בשלב זה, יש להשתמש בניהול איזון כדי לבטל את ההבדל בין השניים.חוסר עקביות.כיום הטכניקה הנפוצה ביותר לניהול איזון

הוא מתחלק בעיקר לשני סוגים: השוואות פסיביות והשוואה אקטיבית.מנקודת המבט של היישום, עקרונות היישום המשמשים את שני סוגי שיטות ההשוואה הם שונים למדי.

(1) איזון פסיבי.עקרון ההשוואה הפסיבי מנצל את היחס הפרופורציונלי בין כוח הסוללה למתח, המבוסס על נתוני המתח של מחרוזת סוללות בודדת, וההמרה של השתיים מושגת בדרך כלל באמצעות פריקת התנגדות: האנרגיה של סוללה בעלת הספק גבוה מייצרת חום באמצעות חימום התנגדות, ואז להתפזר באוויר כדי להשיג את המטרה של אובדן אנרגיה.עם זאת, שיטת השוויון זו אינה משפרת את יעילות השימוש בסוללה.בנוסף, אם פיזור החום אינו אחיד, הסוללה לא תוכל להשלים את משימת הניהול התרמי של הסוללה עקב בעיית התחממות יתר.

(2) מאזן פעיל.איזון אקטיבי הוא תוצר משודרג של איזון פסיבי, אשר מפצה על חסרונות האיזון הפסיבי.מנקודת מבטו של עקרון המימוש, עקרון ההשוואה האקטיבית אינו מתייחס לעקרון ההשוואה הפסיבית, אלא מאמץ תפיסה חדשה לגמרי: השוויון אקטיבי אינו ממיר את האנרגיה החשמלית של הסוללה לאנרגיית חום ומפזר אותה. , כך שהאנרגיה הגבוהה תועבר האנרגיה מהסוללה מועברת לסוללת האנרגיה הנמוכה.יתרה מכך, שידור מסוג זה אינו מפר את חוק שימור האנרגיה, ויש לו יתרונות של הפסד נמוך, יעילות שימוש גבוהה ותוצאות מהירות.עם זאת, מבנה ההרכב של ניהול המאזן הוא יחסית מסובך.אם נקודת האיזון אינה נשלטת כראוי, היא עלולה לגרום לנזק בלתי הפיך למארז הסוללות המתח בשל גודלה המוגזם.לסיכום, גם לניהול איזון אקטיבי וגם לניהול איזון פסיבי יש חסרונות ויתרונות.ביישומים ספציפיים, חוקרים יכולים לבחור בהתאם לקיבולת ולמספר המחרוזות של חבילות סוללות ליתיום.חבילות סוללות ליתיום בעלות קיבולת נמוכה ומספר נמוך מתאימות לניהול אקווליזציה פסיבי, וחבילות סוללות ליתיום בעלות קיבולת גבוהה ומספר גבוה מתאימות לניהול השוואות אקטיבי.

3.3 הטכנולוגיות העיקריות המשמשות במערכת הניהול התרמית של הסוללה
(1) קבע את טווח טמפרטורת הפעולה האופטימלי של הסוללה.מערכת הניהול התרמית משמשת בעיקר לתיאום הטמפרטורה סביב הסוללה, ולכן על מנת להבטיח את אפקט היישום של מערכת הניהול התרמית, טכנולוגיית המפתח שפותחו על ידי החוקרים משמשת בעיקר לקביעת טמפרטורת העבודה של הסוללה.כל עוד טמפרטורת המצבר נשמרת בטווח מתאים, סוללת הליתיום יכולה תמיד להיות במצב העבודה הטוב ביותר, ולספק מספיק כוח לתפעול רכבי אנרגיה חדשים.בדרך זו, ביצועי סוללת הליתיום של רכבי אנרגיה חדשים יכולים תמיד להיות במצב מצוין.

(2) חישוב טווח תרמי סוללה וחיזוי טמפרטורה.טכנולוגיה זו כוללת מספר רב של חישובי מודל מתמטי.המדענים משתמשים בשיטות חישוב מתאימות כדי לקבל את הפרש הטמפרטורה בתוך הסוללה, ומשתמשים בכך כבסיס לניבוי ההתנהגות התרמית האפשרית של הסוללה.

(3) בחירת מדיום העברת חום.הביצועים המעולים של מערכת הניהול התרמי תלויים בבחירת המדיום להעברת חום.רוב רכבי האנרגיה החדשים הנוכחיים משתמשים באוויר/נוזל קירור כמדיום הקירור.שיטת קירור זו פשוטה לתפעול, עלות ייצור נמוכה ויכולה להשיג את המטרה של פיזור חום הסוללה.(מחמם אוויר PTC/מחמם נוזל קירור PTC)

(4) לאמץ עיצוב מבנה אוורור ופיזור חום מקבילים.עיצוב האוורור ופיזור החום בין חבילות סוללות הליתיום יכול להרחיב את זרימת האוויר כך שניתן לפזר אותו באופן שווה בין מארזי הסוללות, ולמעשה לפתור את הפרש הטמפרטורה בין מודולי הסוללה.

(5) בחירת נקודת מדידת מאוורר וטמפרטורה.במודול זה, החוקרים השתמשו במספר רב של ניסויים כדי לבצע חישובים תיאורטיים, ולאחר מכן השתמשו בשיטות מכניקת נוזלים כדי להשיג ערכי צריכת הספק של המאווררים.לאחר מכן, החוקרים ישתמשו באלמנטים סופיים כדי למצוא את נקודת מדידת הטמפרטורה המתאימה ביותר על מנת לקבל במדויק נתוני טמפרטורת הסוללה.