Вынужденное воздушное охлаждение литий-ионной батареи электромобиля «Polytech Solar»


DOI: 10.34759/tpt-2022-14-8-354-361

Авторы

Егоров М. Ю.1*, Касаткин И. И.1, Коваленко И. И.2, Кректунова И. П.2, Лавровская Н. П.2

1. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.
2. Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, ул. Большая Морская, 67, Санкт-Петербург, 190000, Россия

*e-mail: mikhail.yu.egorov@gmail.com

Аннотация

Цель работы — анализ процесса охлаждения аккумуляторной батареи электромобиля «Polytech Solar Team», созданного СПбПУ Петра Великого. Литий-ионная батарея накапливает и использует энергию солнечного излучения, собираемую фотоэлектрическими элементами. Выполнена оценка тепловыделения батареи, обусловленного тремя факторами: 1) внутреннее сопротивление; 2) потери в диффузионных и межфазных переходных процессах; 3) электрохимические реакции при разрядке.

По условиям надежной эксплуатации батареи необходимо поддержание ее режима в температурном диапазоне, не превышающем 45 °С, для чего требуется охлаждение. В работе проанализированы возможности жидкостного и воздушного охлаждения, сопоставлены свободный и вынужденный методы конвективного отвода теплоты.

Для номинального режима работы электромобиля и параметров окружающей среды на уровне до 40 °С выполнен критериальный расчет вынужденного воздушного охлаждения коридорной сборки из 405 батарей, обеспечивающий требуемую интенсивность теплоотвода.

Особое внимание уделено обсуждению и анализу экспериментальных исследований и расчетных рекомендаций по теплоотдаче сжатых коридорных пучков. Представляется, что интенсивность теплоотдачи от батарей исследуемой компоновки к воздуху наиболее представительно характеризуется зависимостью, предложенной группой А.А. Жукаускаса. Ее надежность обусловлена тем обстоятельством, что зависимость получена обобщением как результатов собственных экспериментов группы, так и других исследователей пучков, максимально приближенных к анализируемому. Она охватывает сжатый диапазон Re ~ (104...2·105), при этом расчетное число Re находится в центральной области этого диапазона. Показано, что при турбулентном режиме обеспечиваются относительно высокие значения интенсивности теплоотдачи на уровне 240 Вт/(м2К).

На основе анализа установившегося стационарного режима теплоотвода сделан вывод о том, что расход воздуха величиной 3.6·10–2 кг/с обеспечивает градиент температур, достаточный для охлаждения литий-ионной аккумуляторной батареи электромобиля «Polytech Solar Team».


Ключевые слова:

вынужденная конвекция, воздушное охлаждение, литий-ионная аккумуляторная батарея, электромобиль, теплоотдача сжатого коридорного пучка

Библиографический список

  1. Leng F., Tan C.M., Pecht M. Effect of Temperature on the Aging rate of Li Ion Battery Operating above Room Temperature. Scientific Reports, 2015, 6 August. DOI: https://doi.org/10.1038/srep12967
  2. Bhatia P.C. Thermal analysis of lithium-ion battery packs and thermal management solutions. The Ohio State University, 2013, 117 p.
  3. Борисевич А.В. Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния // Современная техника и технологии. 2014. № 5. URL: http://technology.snauka.ru/2014/05/3542
  4. Khateeb S.A. Design and simulation of a lithium-ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooter. Journal of Power Sources, 2004, vol. 128. no. 2, pp. 292–307.
  5. Синицын А.А., Карпов Д.Ф., Павлов М.В. Теория и практика теплообмена. Вологда: ВоГТУ, 2013. 68 c.
  6. Руководящий технический материал 108.020.107-84. Расчёт и проектирование. Ленинград: НПО ЦКТИ имени И.И. Ползунова, 1986.
  7. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчётам. Москва: Энергоатомиздат, 1990. 360 c.
  8. Будов В.М. Современные методы расчёта теплообменников // Материалы Международной школы-семинара «Гидродинамика и конвективный теплообмен в теплообменниках». Вильнюс: Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова АН БССР, 1981. С. 5–15.
  9. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Москва: Энергоиздат, 1981. 415 c.
  10. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва: Энергия, 1977. 344 c.
  11. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. 562 c.
  12. Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Теплообмен в ядерных энергетических установках. Москва: Энергоатомиздат, 2008. 256 с.
  13. Кириллов П.Л., Бобков В.П., Жуков А.В., Юрьев Ю.С. Справочник по теплогидравлическим расчётам в ядерной энергетике. В 3 т. Том 1. Теплогидравлические процессы в ядерных энергетических установках. Москва: Издательство по атомной технике, 2010. 776 с.
  14. Интенсификация теплообмена. Успехи теплопередачи, 2 / под ред. А.А. Жукаускаса, Е.К. Калинина. Вильнюс: Мокслас, 1988. 188 с.
  15. Жукаускас А., Улинскас Р. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас, 1986. 200 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024