1. Конструкция жидкостного охлаждения промышленных и коммерческих систем хранения энергии. Для высокоскоростного процесса зарядки и разрядки крупногабаритных аккумуляторных блоков охлаждающая способность системы воздушного охлаждения не может удовлетворить потребность аккумуляторных блоков в отводе тепла. Жидкость имеет более высокую удельную теплоемкость и более высокую теплопроводность, чем воздух, а скорость охлаждения жидкостного охлаждения выше, что существенно влияет на снижение локальной максимальной температуры и улучшение стабильности температуры аккумуляторного модуля. В то же время жидкостное охлаждение обеспечивает лучший контроль шума, чем воздушное. Рассеивание тепла с жидкостным охлаждением в будущем станет важным направлением исследований по терморегулированию мощных литиевых батарей в сложных условиях работы, но система жидкостного охлаждения также имеет недостатки, такие как большое энергопотребление, высокие требования к герметизации и сложная система. структура, и фактическое применение систем хранения энергии сложнее, чем воздушное охлаждение. Основными факторами, влияющими на систему жидкостного охлаждения, являются: расположение и конструкция трубы охлаждающей жидкости или охлаждающей пластины, а также скорость потока охлаждающей жидкости. 1.1 Конструкция канала для жидкости

Основными моментами проектирования каналов с жидкостным охлаждением являются соотношение длины и ширины канала, форма и количество каналов, а также решение проблемы разницы температур между входом и выходом. Исследование этих проблем для обычных каналов показывает, что увеличение количества каналов может уменьшить разницу температур между максимальной температурой и температурой аккумуляторного модуля, но улучшение ограничено, и потребление энергии увеличивается при увеличении количества каналов. Увеличение соотношения сторон канала в определенном диапазоне также может эффективно снизить максимальную температуру литий-ионного аккумуляторного блока и уменьшить разницу температур. В то же время предлагаемая волнистая труба может увеличить площадь контакта и повысить эффективность рассеивания тепла. Чтобы устранить разницу температур между входом и выходом воды, трубу можно разделить на две части и установить противоположное направление входа воды. Кроме того, если количество батарей в аккумуляторном модуле велико, следует использовать параллельную систему охлаждения. Исследован канал жидкостного охлаждения с продольными ребрами и сопоставлено влияние различного соотношения длины и ширины ребер на производительность системы охлаждения. Диаграмма поперечного сечения показана на фиг. 3. Четыре разработанные схемы показаны в таблице 5. В статье сравниваются коэффициент теплопередачи, гидротермальные характеристики, массовый расход, мощность накачки и коэффициент энергопотребления, в котором индекс эффективности гидротермального охлаждения рассчитывается по уравнению. Как показано в таблице 6, наилучший эффект дает схема 4, что доказывает реализуемость конструкции. Более того, с увеличением количества ребер эффективность рассеивания тепла улучшается, в то время как улучшение, вызванное изменением соотношения сторон ребер, является небольшим.

Схема ребристого канала охлаждающей жидкости

Параметры ребристого канала СОЖ

1.2 Расход охлаждающей жидкости

Liquid cooling and heat management systems generally use water, ethylene glycol or water-ethylene glycol mixture as the cooling medium. Changing the flow rate of coolant is an important factor in the research of liquid cooling system, and changing the flow rate can achieve different heat exchange efficiency, which is a key factor in the design of liquid cooling system. A battery thermal management system combining phase change material (PCM) and liquid cooling was studied. The latent heat of PCM was removed by coolant. The effects of different coolant flow rates on the performance of the thermal management system were compared. The experiment compared the maximum temperature and temperature difference of the lithium-ion battery pack at different flow rates between 0.05 and 0.4 m/s under the condition of charging rate of 0.5 C and discharge rate of 3 C (taking the average value of 3 cycles). The ambient temperature and inlet temperature are set to 40 °C. The experimental results show that as the flow rate increases from 0.05 m/s to 0.2 m/s, Tmax decreases from 49.17 ℃ to 47.5 ℃, and ΔTmax decreases from 7.43 ℃ to 6.41 ℃. When the speed is increased from 0.2 m/s to 0.4 m/s, the degree of reduction is reduced, and the increase in the flow rate can improve the heat dissipation performance of the system, but with marginal effect. Increasing the flow rate can reduce the maximum temperature of the battery module, but it may increase the maximum temperature difference between units of the battery, because the increase in the flow rate causes the coolant to take away more heat at the inlet, so that the battery near the outlet is not effective heat dissipation. In order to ensure the temperature consistency of the battery module, a set of gradient flow rate optimization strategy was proposed for the vertically distributed liquid cooling thermal management system. As shown in FIG. 4, the number of pipes around the battery is divided into three categories. Different categories of pipes are set with different flow rates, and a larger flow rate is set in the area with large heat dissipation demand. (2) The ambient temperature is 60 ° C, and the liquid medium temperature is 30 ° C. The experimental results show that there is little difference between Tmax and ΔTmax when the battery module reaches steady state. The heat exchange is mainly affected by the contact area and temperature difference, and the change of flow rate only affects the steady-state time of the battery module, but has little effect on the steady-state value. The experimental results show that increasing the flow gradient can reduce the ΔTmax of the module before the steady state stage, which is significantly improved compared with the case without the gradient flow rate. The gradient flow rate design also plays an obvious role in balancing the heat transfer efficiency of each part of the battery module.

Gradient flow rate liquid cooling system

1.3 Проектирование системы и стратегия управления терморегулированием
Для системы жидкостного охлаждения была предложена стратегия управления, основанная на нечетком ПИД-алгоритме, и создана централизованная массовая модель. Тепловая модель батареи была установлена ​​через связь внутреннего сопротивления батареи с температурой, связь между коэффициентом конвективной теплоотдачи и расходом теплоносителя. Результаты моделирования показывают, что по сравнению с традиционной стратегией ПИД-охлаждения стратегия нечеткого управления обладает большей надежностью и отказоустойчивостью. В тех же условиях время настройки стратегии нечеткого ПИД-охлаждения сокращается на 11 с, а максимальная разница температур снижается на 0,14 К, что повышает способность системы противостоять токовым возмущениям. Структура стратегии нечеткого ПИД-регулирования жидкостного охлаждения показана на рисунке 5. Входными данными контроллера являются разность температур e и скорость изменения разницы температур ec между фактической температурой аккумуляторной батареи и целевой температурой, которые обрабатываются путем плавления. , нечеткое рассуждение и дефаззирование и т. д., а параметры ПИД изменяются Δkp, Δki и Δkd(kp – коэффициент пропорциональной регулировки. Улучшает скорость реагирования и точность регулировки системы; ki – интегральный коэффициент регулировки для устранения невязок; kd — коэффициент дифференциальной регулировки для улучшения динамических характеристик системы), а затем модифицированный ПИД-регулятор определяет требуемый расход охлаждающей жидкости v в соответствии с разницей температур e. Эта стратегия позволяет в любой момент отрегулировать мощность рассеивания тепла в соответствии с током нагрузки и избежать ситуации недостаточной мощности рассеивания тепла или потери энергии.

Стратегия охлаждения с нечетким ПИД-регулятором

1.4 Режим применения системы жидкостного охлаждения

Три метода, обычно используемые при практическом применении системы жидкостного охлаждения, показаны на рисунке 6. Во-первых, труба, содержащая охлаждающую жидкость, используется для окружения и контакта с каждой батареей в модуле, чтобы снизить температуру батареи и разницу температур между батареями. . Эта схема больше подходит для цилиндрических батарей (рис. 6(а)); Во-вторых, аккумуляторный модуль непосредственно погружен в непроводящую охлаждающую жидкость, которая охлаждает аккумулятор со всех сторон и помогает улучшить постоянство температуры. В настоящее время он широко используется в серверах суперкомпьютерных систем, но редко применяется в области хранения энергии с высоким риском утечки [рис. 6(б)]. В-третьих, между батареей или аккумуляторным модулем размещается охлаждающая пластина, и в охлаждающей пластине имеется микроканал для жидкости. Эта схема подходит для призматических батарей или батарей мягкой упаковки (рис. 6(c)).

Три метода, обычно используемые при практическом применении BTMS с жидкостным охлаждением.