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
- 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
- Bhatia P.C. Thermal analysis of lithium-ion battery packs and thermal management solutions. The Ohio State University, 2013, 117 p.
- 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
- 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.
- Синицын А.А., Карпов Д.Ф., Павлов М.В. Теория и практика теплообмена. Вологда: ВоГТУ, 2013. 68 c.
- Руководящий технический материал 108.020.107-84. Расчёт и проектирование. Ленинград: НПО ЦКТИ имени И.И. Ползунова, 1986.
- Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчётам. Москва: Энергоатомиздат, 1990. 360 c.
- 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.
- Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Москва: Энергоиздат, 1981. 415 c.
- Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва: Энергия, 1977. 344 c.
- Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. 562 c.
- Кириллов П.Л., Богословская Г.П. Теплообмен в ядерных энергетических установках. Москва: Энергоатомиздат, 2008. 256 с.
- 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.
- Интенсификация теплообмена. Успехи теплопередачи, 2 / под ред. А.А. Жукаускаса, Е.К. Калинина. Вильнюс: Мокслас, 1988. 188 с.
- Жукаускас А., Улинскас Р. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас, 1986. 200 с.