1. تصميم التبريد السائل لنظام تخزين الطاقة الصناعية والتجارية بالنسبة لعملية الشحن والتفريغ عالية السرعة لحزم البطاريات واسعة النطاق، فإن قدرة التبريد لنظام تبريد الهواء لا يمكنها تلبية طلب تبديد الحرارة لحزم البطاريات. يتمتع السائل بقدرة حرارية محددة وموصلية حرارية أعلى من الهواء، وتكون سرعة تبريد التبريد السائل أسرع، مما له تأثير كبير على تقليل درجة الحرارة القصوى المحلية وتحسين اتساق درجة حرارة وحدة البطارية. وفي الوقت نفسه، يتمتع التبريد السائل بتحكم أفضل في الضوضاء من تبريد الهواء. سيكون تبديد حرارة التبريد السائل اتجاهًا بحثيًا مهمًا للإدارة الحرارية لبطاريات الليثيوم عالية الطاقة في ظل ظروف عمل معقدة في المستقبل، ولكن نظام التبريد السائل له أيضًا عيوب، مثل استهلاك الطاقة الكبير، ومتطلبات الختم العالية، والنظام المعقد الهيكل، والتطبيق الفعلي لأنظمة تخزين الطاقة أكثر صعوبة من تبريد الهواء. العوامل الرئيسية التي تؤثر على نظام التبريد السائل هي: تخطيط وتصميم أنبوب التبريد أو لوحة التبريد، ومعدل تدفق سائل التبريد. 1.1 تصميم القناة السائلة

النقاط الرئيسية لتصميم القناة المبردة بالسائل هي نسبة طول القناة إلى عرضها، وشكل القناة وعددها، وحل اختلاف درجة الحرارة بين المدخل والمخرج. يظهر البحث حول هذه المشاكل للقنوات التقليدية أن زيادة عدد القنوات يمكن أن يقلل فرق درجة الحرارة بين درجة الحرارة القصوى ووحدة البطارية، لكن التحسن محدود ويزداد استهلاك الطاقة عند زيادة عدد القنوات. يمكن أن تؤدي زيادة نسبة العرض إلى الارتفاع للقناة ضمن نطاق معين إلى تقليل درجة الحرارة القصوى لحزمة بطارية الليثيوم أيون بشكل فعال وتقليل فرق درجة الحرارة. وفي الوقت نفسه، يمكن للأنبوب المتموج المقترح زيادة مساحة الاتصال وتحسين كفاءة تبديد الحرارة. من أجل حل اختلاف درجة الحرارة بين مدخل المياه ومخرج المياه، يمكن تقسيم الأنبوب إلى قسمين، ويتم ضبط اتجاه مدخل المياه على الاتجاه المعاكس. بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون عدد البطاريات في وحدة البطارية كبيرًا، يجب استخدام هيكل تبريد متوازي. تمت دراسة قناة تبريد سائلة ذات أضلاع طولية، ومقارنة تأثير اختلاف نسبة طول الأضلاع إلى عرضها وعددها على أداء نظام التبريد. يظهر مخطط المقطع العرضي في الشكل. 3. المخططات الأربعة المصممة موضحة في الجدول 5. يقارن البحث بين معامل انتقال الحرارة والأداء الحراري المائي ومعدل التدفق الكتلي وقدرة الضخ ونسبة استهلاك الطاقة، حيث يتم حساب مؤشر أداء التبريد الحراري المائي بالمعادلة. وكما هو مبين في الجدول 6 فإن تأثير المخطط 4 هو الأفضل مما يثبت جدوى التصميم. علاوة على ذلك، مع زيادة عدد الأضلاع، يتم تحسين كفاءة تبديد الحرارة، في حين أن التحسن الناتج عن تغيير نسبة العرض إلى الارتفاع للأضلاع يكون صغيرًا.

رسم تخطيطي لقناة التبريد المضلعة

معلمات قناة سائل التبريد المضلعة

1.2 معدل تدفق سائل التبريد

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 تصميم النظام واستراتيجية التحكم في الإدارة الحرارية
تم اقتراح استراتيجية تحكم تعتمد على خوارزمية PID الغامضة لنظام التبريد السائل، وتم إنشاء نموذج جماعي مركزي. تم إنشاء النموذج الحراري للبطارية من خلال العلاقة بين المقاومة الداخلية للبطارية ودرجة الحرارة، والعلاقة بين معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري ومعدل تدفق سائل التبريد. تظهر نتائج المحاكاة أنه بالمقارنة مع استراتيجية التبريد PID التقليدية، فإن استراتيجية التحكم الضبابية تتمتع بمتانة أقوى وتحمل أكبر للخطأ. في ظل نفس الظروف، يتم تقصير وقت التعديل لاستراتيجية التبريد PID الغامض بمقدار 11 ثانية، ويتم تقليل الفرق الأقصى في درجة الحرارة بمقدار 0.14 كلفن، مما يعزز قدرة النظام على مقاومة الاضطراب الحالي. يظهر الشكل 5 هيكل استراتيجية التبريد PID الضبابي للتبريد السائل. مدخلات وحدة التحكم هي فرق درجة الحرارة e ومعدل تغير فرق درجة الحرارة ec بين درجة الحرارة الفعلية لحزمة البطارية ودرجة الحرارة المستهدفة، والتي تتم معالجتها عن طريق الصمامات ، والتفكير الغامض ونزع الصمامات، وما إلى ذلك، ويتم تعديل معلمات PID Δkp و Δki و Δkd(kp هو معامل التعديل التناسبي. تحسين سرعة الاستجابة ودقة ضبط النظام؛ ki هو معامل الضبط المتكامل للتخلص من المتبقي؛ kd هو معامل الضبط التفاضلي لتحسين الأداء الديناميكي للنظام)، ومن ثم تقوم وحدة التحكم PID المعدلة بحل معدل تدفق سائل التبريد المطلوب v وفقًا لفرق درجة الحرارة e. يمكن لهذه الإستراتيجية ضبط قدرة تبديد الحرارة في أي وقت وفقًا لتيار الحمل، وتجنب حالة عدم كفاية قدرة تبديد الحرارة أو إهدار الطاقة.

استراتيجية التبريد PID الغامضة

1.4 وضع تطبيق نظام التبريد السائل

الطرق الثلاث المستخدمة بشكل شائع في التطبيق العملي لنظام التبريد بالتبريد السائل موضحة في الشكل 6: أولاً، يتم استخدام الأنبوب الذي يحتوي على سائل التبريد لتطويق كل بطارية في الوحدة والاتصال بها لتقليل درجة حرارة البطارية وفرق درجة الحرارة بين البطاريات . هذا المخطط أكثر ملاءمة للبطاريات الأسطوانية [الشكل 6 (أ)]؛ ثانيًا، يتم غمر وحدة البطارية مباشرة في سائل تبريد غير موصل، والذي يمكنه تبريد جميع جوانب البطارية ويساعد في تحسين اتساق درجة الحرارة. حاليًا، يتم استخدامه بشكل شائع في خادم نظام الحوسبة الفائقة، ولكن نادرًا ما يتم تطبيقه في مجال تخزين الطاقة مع ارتفاع خطر التسرب [الشكل 6 (ب)]. ثالثًا، يتم وضع لوحة التبريد بين البطارية أو وحدة البطارية، وتوجد قناة سائلة صغيرة في لوحة التبريد. هذا المخطط مناسب للبطاريات المنشورية أو البطاريات الناعمة [الشكل 6 (ج)].

ثلاث طرق شائعة الاستخدام في التطبيق العملي لنظام BTMS المبرد بالسائل