Системы терморегулирования источников питания для летательных аппаратов на электрической тяге


Авторы

Васильев Л. Л.1*, Журавлёв А. С.2**, Васильев Л. Л.2

1. Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси , 220072, г. Минск, ул. П. Бровки, д. 15
2. Общество с ограниченной ответственностью "ЛЕД Интех", 220113, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Мележа, 1

*e-mail: lvasil@hmti.ac.by
**e-mail: zhuravl@hmti.ac.by

Аннотация

БПЛА и eVTOL все шире внедряются в гражданских и коммерческих приложениях, где электрические накопители энергии выступают ключевым элементом силового привода. Применение аккумуляторов в спутниках, БПЛА и eVTOL предъявляет разные требования к удельной накопленной энергии, мощности, скорости зарядки/разрядки и термической стабильности. При этом тепловой режим батарей остается критическим ограничением: интенсивное тепловыделение и перегрев негативно сказываются на безопасности, эффективности и ускоряют деградацию элементов. Это обуславливает необходимость разработки компактных и эффективных систем терморегулирования (BTMS), работающих в условиях жестких массогабаритных ограничений. Особый интерес представляют BTMS с двухфазным теплообменом, обеспечивающие высокую плотность отвода тепла при минимальных габаритах и массе. В статье анализируются механизмы тепловыделения и теплопереноса в литий‑ионных батареях и факторы, влияющие на эффективность BTMS.

Ключевые слова:

летательный аппарат на электрической тяге, система терморегулирования, система управления температурой аккумулятора (СУТА), тепловая труба, термосифон

Список источников

  1. Patnaik S. Overview of electrode advances in commercial Li-ion batteries // Ionics. 2024. Vol. 30. pp. 3069–3090. DOI: 10.1007/s11581-024-05579-1

  2. Pelz A., Grunebaum M., Wiemhofer H.-D. Hybrid electrolytes for lithium ion and post lithium ion batteries // Encyclopedia of Interfacial Chemistry. Surface Science and Electrochemistry. 2018. pp. 660–673. DOI: 10.1016/B9 78-0-12-409547-2.14190-3

  3. Kim J., Oh J., Lee H. Review on battery thermal mana-gement system for electric vehicles // Applied Thermal Engineering. 2019. № 149. pp. 192–212. DOI: 10.1016/j.ap plthermaleng.2018.12.020

  4. Shahid S., Agelin-Chaab M. A review of thermal runaway prevention and mitigation strategies for lithium-ion batteries // Energy Conversion and Management: X. 2022. Vol. 16. DOI: 10.1016/j.ecmx.2022.100310

  5. Ma S., Jiang M., Tao P. et al. Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review // Prog-ress in Natural Science: Materials International. 2018. Vol. 28. pp. 653–666. DOI: 10.1016/j.pnsc.2018.11.002

  6. Zhang Q., Wei F., Zhang P. et al. Research on the reversible and irreversible heat generation of LiNi1–x–yCoxMnyO2-based lithium-ion batteries // Fire Technology. 2023. Vol. 59. pp. 1029–1049. DOI: 10.1007/s10694-022-01220-7

  7. Schuster E., Ziebert C., Melcher A. et al. Thermal behavior and electrochemical heat generation in a commercial 40 Ah lithium ion pouch cell // Journal of Power Sources. 2015. Vol. 286. pp. 580–589. DOI: 10.1016/j.jp owsour.2015.03.170

  8. Du S.L., Lai Y.Q., Ai L. et al. An investigation of irreversible heat generation in lithium ion batteries based on a thermo-electrochemical coupling method // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 121. pp. 501–510. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.04.077

  9. Weragoda D.M., Tian G., Burkitbayev A. et al. A comp-rehensive review on heat pipe based battery thermal management systems // Applied Thermal Enginering. 2023. Vol. 224. URL: 10.1016/j.applthermaleng.2023.1 20070

  10. Bernardi D., Pawlikowski E., Newman J. A general energy balance for battery systems // Journal of Electrochemical Society. 1985. Vol. 132. № 1. pp. 5–12. DOI: 10.1149/1.2113792

  11. Xia G., Cao L., Bi G. A review on battery thermal mana-gement in electric vehicle application // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 367. pp. 90–105. URL: 10.1016/j. jpowsour.2017.09.046

  12. Feng X., Gooi H.B., Chen S.X. An improved lithium-ion battery model with temperature prediction considering entropy // 3rd IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe) Conference, Berlin, 2012. pp. 1–8.

  13. Newman J., Balsara N.P. Electrochemical Systems (The ECS Series of Texts and Monographs). (4th ed.). New York: John Wiley & Sons, 2021. 608 p.

  14. Pesaran A., Santhanagopalan S., Kim G.-H. Addressing the impact of temperature extremes on large format Li-ion batteries for vehicle applications // 30th International Battery Seminar, Ft. Lauderdale, Florida, March 11–14, 2013.

  15. Shen W., Wang N., Zhang J. et al. Heat generation and degradation mechanism of lithium-ion batteries during high-temperature aging // ACS Omega. 2022. № 7. pp. 44733−44742. DOI: 10.1021/acsomega.2c04093

  16. Liao Z., Zhang S., Li K. et al. A survey of methods for monitoring and detecting thermal runaway of lithium-ion batteries // Journal of Power Sources. 2019. Vol. 436. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.226879

  17. Foo Shen Hwang, Thomas Confrey, Colin Reidy, et al. Review of battery thermal management systems in electric vehicles // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2024. Vol. 192. DOI: 10.1016/j.rser.2023.114171

  18. Al Kindi A.S. Experimental and numerical analysis of air flow through heat sink fins // ISER International Conference, Hamburg, Germany, November 4–5, 2020. pp. 1–5.

  19. Mahendra M., Fathina S., Shariff M.H.B.M. et al. Design and CFD analysis of micro-fin heat sink // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2020. Vol. 9, № 7. pp. 1015–1021. DOI: 10.17577/IJERTV9IS070405

  20. Yang W., Zhou F., Zhou H. et al. Thermal performance of axial air cooling system with bionic surface structure for cylindrical lithium-ion battery module // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 161. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120307

  21. Choubey A. Evaluating latest techniques of battery cooling in electric vehicles. 2022.

  22. Weixiong Wu, Shuangfeng Wang, Wei Wu et al. A cri-tical review of battery thermal performance and liquid based battery thermal management // Energy Conversion and Management. 2019. Vol. 182. pp. 262–281. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.12.051

  23. Veragoda D.M., Tian G., Burkitbaev A. et al. A comprehensive review on heat pipe based battery thermal mana-gement systems. Applied Thermal Engineering. 2023;224. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.120070

  24. Rao Z., Wang S., Wu M. et al. Experimental investigation on thermal management of electric vehicle battery with heat pipe // Energy Conversation and Management. 2013. Vol. 65. pp. 92–97. DOI: 10.1016/j.enconman.2012.08.014

  25. Wu W., Yang X., Zhang G. et al. Experimental investigation on the thermal performance of heat pipe-assisted phase change material based battery thermal management system // Energy Conversation and Management. 2017. Vol. 138. pp. 486–492. DOI: 10.1016/j.enconman. 2017.02.022

  26. Ma Y., Chiang S.W, Chu X.D. et al. Thermal design and optimization of lithium ion batteries for unmanned aerial vehicles // Energy Storage. 2019. Vol. 1. № 1. DOI: 10.1002/est2.48

  27. Wang Q., Rao Z., Huo Y. et al. Thermal performance of phase change material/oscillating heat pipe-based battery thermal management system // International Journal of Thermal Sciences. 2016. Vol. 102. pp. 9–16. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2015.11.005

  28. Nazari M.A., Ahmadi M.H., Ghasempour R. et al. A review on pulsating heat pipes: From solar to cryogenic applications // Applied Energy. 2018. Vol. 222. pp. 475–484. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.04.020

  29. Burban G., Ayel V., Alexandre A. et al. Experimental investigation of a pulsating heat pipe for hybrid vehicle applications // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 50. № 1. pp. 94–103. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2012. 05.037

  30. Rao Z., Huo Y., Liu X. Experimental study of an OHP-cooled thermal management system for electric vehicle power battery // Experimental Thermal and Fluid Science. 2014. Vol. 57. pp. 20–26. DOI: 10.1016/j.expthermflusci. 2014.03.017

  31. Chi R.-G., Chung W.-S., Rhi S.-H. Thermal characteristics of an oscillating heat pipe cooling system for electric vehicle Li-ion batteries // Energies. 2018. Vol. 11. № 3. DOI: 10.3390/en11030655

  32. Chi R.-G., Rhi S.-H. Oscillating heat pipe cooling system of electric vehicle’s Li-ion batteries with direct contact bottom cooling mode // Energies. 2019. Vol. 12. № 9. DOI: 10.3390/en12091698

  33. Qu J., Wang C., Li X. et al. Heat transfer performance of flexible oscillating heat pipes for electric/hybrid-electric vehicle battery thermal management // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 135. pp. 1–9. DOI: 10.1016/j.a pplthermaleng.2018.02.045

  34. Chen M., Li J. Nanofluid-based pulsating heat pipe for thermal management of lithium-ion batteries for electric vehicles // Journal of Energy Storage. 2020. Vol. 32. DOI: 10.1016/j.est.2020.101715

  35. Васильев Л.Л., Журавлев А.С., Поддубко С.Н. и др. Системы терморегулирования теплонагруженного обо-рудования электротранспорта // Тепловые процессы в технике. 2021. Т. 13. № 7. С. 296–307. DOI: 10.347 59/tpt-2021-13-7-296-307

  36. Vasiliev L.L., Zhuravlyov A.S. Two-phase heat transfer devices for passive cooling of electric and hybrid aircraft onboard equipment // International Journal of Sustainable Aviation. 2023. Vol. 9. № 2. pp. 89–114. DOI: 10.1504/IJSA.2023.129938

  37. Васильев Л.Л., Журавлев А.С., Гракович Л.П. и др. Двухфазные устройства для терморегулирования теплонагруженных компонентов электротранспорта // Инженерно-физический журнал. 2025. Т. 98. № 1. С. 62–73.

  38. Vasiliev L., Zhuravlyov A., Sadchenko D. Two-phase heat conductors for passive thermal regulation systems of electric vehicles // Mechanical Engineering Advances. 2025. Vol. 3. № 2. DOI: 10.59400/mea2052

  39. Васильев Л.Л., Журавлев А.С., Кузьмич М.А. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в кольцевом термосифоне для терморегулирования силовых установок электрических летательных аппаратов // Теплоэнергетика. 2025. № 6. С. 75–81. DOI: 10.56304/S0040363625700857

  40. Васильев Л.Л., Кузьмич М.А., Садченко Д.И. и др. Двухфазные теплопередающие устройства в системах терморегулирования электрического транспорта // Вестник Фонда фундаментальных исследований. 2025. № 4. С. 122–137.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2026