מחקר על טכנולוגיית ניהול תרמי של סוללות ליתיום עבור כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה

1. מאפייני סוללות ליתיום לרכבי אנרגיה חדשים

לסוללות ליתיום יש בעיקר יתרונות של קצב פריקה עצמית נמוך, צפיפות אנרגיה גבוהה, זמני מחזור גבוהים ויעילות תפעולית גבוהה במהלך השימוש. שימוש בסוללות ליתיום כמקור חשמל עיקרי לאנרגיה חדשה שווה ערך להשגת מקור חשמל טוב. לכן, בהרכב הרכיבים העיקריים של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה, חבילת סוללות הליתיום הקשורה לתא סוללת הליתיום הפכה למרכיב הליבה החשוב ביותר שלה ולחלק הליבה המספק חשמל. במהלך תהליך העבודה של סוללות ליתיום, ישנן דרישות מסוימות לסביבה הסובבת. על פי תוצאות הניסוי, טמפרטורת העבודה האופטימלית נשמרת על 20°C עד 40°C. ברגע שהטמפרטורה סביב הסוללה עולה על המגבלה שצוינה, ביצועי סוללת הליתיום יופחתו משמעותית, וחיי השירות יקצרו משמעותית. מכיוון שהטמפרטורה סביב סוללת הליתיום נמוכה מדי, קיבולת הפריקה הסופית ומתח הפריקה יסטו מהתקן שנקבע מראש, ותהיה ירידה חדה.

אם טמפרטורת הסביבה גבוהה מדי, הסיכוי לבריחת חום של סוללת הליתיום יגדל משמעותית, והחום הפנימי יצטבר במיקום מסוים, ויגרום לבעיות חמורות בהצטברות חום. אם חלק זה של החום לא יועבר 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 במהלך העבודה. ניתן לראות שכאשר חוקרים שולטים בטמפרטורת סוללות הליתיום, עליהם להשתמש באופן רציונלי במכשירים חיצוניים כדי לייצא חום ולשלוט בטמפרטורת העבודה האופטימלית של סוללות ליתיום. לאחר שבקרת הטמפרטורה תגיע לתקנים המתאימים, יעד הנהיגה הבטוחה של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה כמעט ולא יהיה מאוים.

2. מנגנון יצירת חום של סוללת ליתיום חדשה להפעלת רכב באנרגיה

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. לדוגמה, סוללת עופרת-חומצה מספקת מספיק חשמל לענף הביניים, אך היא תגרום נזק רב לסביבה הסובבת במהלך פעולתה, ונזק זה יהיה בלתי הפיך בהמשך. לכן, על מנת להגן על הביטחון האקולוגי, המדינה הכניסה סוללות עופרת-חומצה לרשימה האסורה. במהלך תקופת הפיתוח, סוללות ניקל-מטאל הידריד קיבלו הזדמנויות טובות, טכנולוגיית הפיתוח התבגרה בהדרגה, וגם היקף היישום התרחב. עם זאת, בהשוואה לסוללות ליתיום, חסרונותיהן ברורים מעט. לדוגמה, קשה ליצרני סוללות רגילים לשלוט בעלות הייצור של סוללות ניקל-מטאל הידריד. כתוצאה מכך, מחירן של סוללות ניקל-מימן בשוק נותר גבוה. חלק ממותגי רכבי האנרגיה החדשים השואפים לביצועי עלות כמעט ולא ישקלו להשתמש בהן כחלקי רכב. חשוב מכך, סוללות Ni-MH רגישות הרבה יותר לטמפרטורת הסביבה מסוללות ליתיום, וסביר יותר שיישרפו עקב טמפרטורות גבוהות. לאחר השוואות מרובות, סוללות ליתיום בולטות וכיום נמצאות בשימוש נרחב בכלי רכב המונעים אנרגיה חדשה.

הסיבה לכך שסוללות ליתיום יכולות לספק חשמל לרכבי אנרגיה חדשים היא דווקא משום שהאלקטרודות החיוביות והשליליות שלהן מכילות חומרים פעילים. במהלך תהליך ההטמעה והחילוץ המתמשכים של חומרים, מתקבלת כמות גדולה של אנרגיה חשמלית, ולאחר מכן, בהתאם לעקרון המרת האנרגיה, האנרגיה החשמלית והאנרגיה הקינטית משיגות את מטרת החילוף, ובכך מספקות כוח חזק לרכבי אנרגיה חדשים, וניתן להשיג את מטרת ההליכה עם המכונית. יחד עם זאת, כאשר תא סוללת הליתיום עובר תגובה כימית, תהיה לו פונקציה של ספיגת חום ושחרור חום כדי להשלים את המרת האנרגיה. בנוסף, אטום הליתיום אינו סטטי, הוא יכול לנוע ברציפות בין האלקטרוליט לסרעפת, ויש התנגדות פנימית קיטובית.

כעת, גם החום ישוחרר כראוי. עם זאת, הטמפרטורה סביב סוללת הליתיום של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה גבוהה מדי, מה שעלול בקלות להוביל לפירוק המפרידים החיוביים והשליליים. בנוסף, הרכב סוללת הליתיום החדשה מורכב ממספר סוללות. החום הנוצר על ידי כל חבילות הסוללות עולה בהרבה על החום של סוללה בודדת. כאשר הטמפרטורה עולה על ערך קבוע מראש, הסוללה נוטה ביותר לפיצוץ.

3. טכנולוגיות מפתח של מערכת ניהול תרמי של סוללות

עבור מערכת ניהול הסוללות של כלי רכב בעלי אנרגיה חדשה, הן בארץ והן בחו"ל הקדישו תשומת לב רבה, השיקו סדרת מחקרים והשיגו תוצאות רבות. מאמר זה יתמקד בהערכה מדויקת של עוצמת הסוללה הנותרת של מערכת ניהול התרמי של סוללות רכב בעלות אנרגיה חדשה, ניהול איזון הסוללה וטכנולוגיות מפתח המיושמות ב...מערכת ניהול תרמי.

3.1 שיטת הערכת הספק שיורי של מערכת ניהול תרמי של סוללה
חוקרים השקיעו אנרגיה רבה ומאמצים קפדניים בהערכת SOC, בעיקר באמצעות אלגוריתמים של נתונים מדעיים כגון שיטת אינטגרל אמפר-שעה, שיטת מודל ליניארי, שיטת רשת נוירונים ושיטת מסנן קלמן, כדי לבצע מספר רב של ניסויי סימולציה. עם זאת, שגיאות חישוב מתרחשות לעיתים קרובות במהלך יישום שיטה זו. אם השגיאה לא מתוקנת בזמן, הפער בין תוצאות החישוב יגדל ויגדל. על מנת לפצות על פגם זה, חוקרים בדרך כלל משלבים את שיטת ההערכה של Anshi עם שיטות אחרות כדי לאמת זו את זו, על מנת לקבל את התוצאות המדויקות ביותר. בעזרת נתונים מדויקים, חוקרים יכולים להעריך במדויק את זרם הפריקה של הסוללה.

3.2 ניהול מאוזן של מערכת ניהול תרמי של סוללה
ניהול האיזון של מערכת ניהול התרמי של הסוללה משמש בעיקר לתיאום המתח וההספק של כל חלק בסוללה. 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, זוהי טכניקת ניהול האיזון הנפוצה ביותר.

זה מחולק בעיקר לשני סוגים: שוויון פסיבי ושוויון אקטיבי. מנקודת מבט של יישום, עקרונות היישום המשמשים את שני סוגי שיטות השוויון הללו שונים למדי.

(1) איזון פסיבי. עקרון האיזון הפסיבי משתמש ביחס הפרופורציונלי בין הספק הסוללה למתח, בהתבסס על נתוני המתח של שרשרת סוללות אחת, וההמרה בין השניים מושגת בדרך כלל באמצעות פריקת התנגדות: האנרגיה של סוללה בעלת הספק גבוה מייצרת חום באמצעות חימום התנגדות, ולאחר מכן מתפזרת באוויר כדי להשיג את מטרת אובדן האנרגיה. עם זאת, שיטת איזון זו אינה משפרת את יעילות השימוש בסוללה. בנוסף, אם פיזור החום אינו אחיד, הסוללה לא תוכל להשלים את משימת ניהול החום של הסוללה עקב בעיית התחממות יתר.

(2) איזון אקטיבי. איזון אקטיבי הוא תוצר משודרג של איזון פסיבי, אשר מפצה על חסרונותיו. מנקודת מבט של עקרון המימוש, עקרון האיזון האקטיבי אינו מתייחס לעקרון האיזון הפסיבי, אלא מאמץ תפיסה חדשה ושונה לחלוטין: איזון אקטיבי אינו ממיר את האנרגיה החשמלית של הסוללה לאנרגיית חום ומפזר אותה, כך שהאנרגיה הגבוהה מועברת. האנרגיה מהסוללה מועברת לסוללה בעלת האנרגיה הנמוכה. יתר על כן, סוג זה של העברה אינו מפר את חוק שימור האנרגיה, ויש לו יתרונות של הפסד נמוך, יעילות שימוש גבוהה ותוצאות מהירות. עם זאת, מבנה ההרכב של ניהול האיזון הוא יחסית מסובך. אם נקודת האיזון אינה נשלטת כראוי, היא עלולה לגרום נזק בלתי הפיך לחבילת הסוללה עקב גודלה המוגזם. לסיכום, גם לניהול איזון אקטיבי וגם לניהול איזון פסיבי יש חסרונות ויתרונות. ביישומים ספציפיים, חוקרים יכולים לבצע בחירות בהתאם לקיבולת ולמספר המחרוזות של חבילות סוללות ליתיום. מארזי סוללות ליתיום בעלי קיבולת נמוכה ומספר נמוך מתאימות לניהול איזון פסיבי, ומארזי סוללות ליתיום בעלי קיבולת גבוהה ומספר הספק גבוה מתאימות לניהול איזון אקטיבי.

3.3 הטכנולוגיות העיקריות המשמשות במערכת ניהול תרמי של סוללות
(1) קביעת טווח טמפרטורות ההפעלה האופטימלי של הסוללה. מערכת ניהול התרמי משמשת בעיקר לתיאום הטמפרטורה סביב הסוללה, ולכן על מנת להבטיח את אפקט היישום של מערכת ניהול התרמי, טכנולוגיית המפתח שפותחה על ידי חוקרים משמשת בעיקר לקביעת טמפרטורת העבודה של הסוללה. כל עוד טמפרטורת הסוללה נשמרת בטווח מתאים, סוללת הליתיום יכולה תמיד להיות במצב עבודה מיטבי, ולספק מספיק כוח להפעלת כלי רכב המונעים באנרגיה חדשה. בדרך זו, ביצועי סוללת הליתיום של כלי רכב המונעים באנרגיה חדשה יכולים תמיד להיות במצב מצוין.

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

(3) בחירת מצע העברת חום. הביצועים המעולים של מערכת ניהול התרמי תלויים בבחירת מצע העברת החום. רוב כלי הרכב החדשים משתמשים באוויר/נוזל קירור כמדיום קירור. שיטת קירור זו פשוטה לתפעול, בעלות ייצור נמוכה ויכולה להשיג היטב את מטרת פיזור החום של הסוללה.מחמם אוויר PTC/מחמם נוזל קירור PTC)

(4) אימוץ תכנון מבנה אוורור ופיזור חום מקבילים. תכנון האוורור ופיזור החום בין חבילות סוללות הליתיום יכול להרחיב את זרימת האוויר כך שניתן יהיה לחלק אותו באופן שווה בין חבילות הסוללות, ובכך לפתור ביעילות את הפרש הטמפרטורה בין מודולי הסוללה.

(5) בחירת נקודות מדידה של מאוורר וטמפרטורה. במודול זה, החוקרים השתמשו במספר רב של ניסויים כדי לבצע חישובים תיאורטיים, ולאחר מכן השתמשו בשיטות מכניקת זורמים כדי לקבל ערכי צריכת חשמל של מאווררים. לאחר מכן, החוקרים ישתמשו באלמנטים סופיים כדי למצוא את נקודת מדידת הטמפרטורה המתאימה ביותר על מנת לקבל במדויק נתוני טמפרטורת סוללה.