Folyadékhűtéses rendszer tervezése elektromos járművek akkumulátorához és ESS hőszabályozásához

Az elektromos járművek akkumulátorainak és az ESS alkalmazások folyadékhűtéses rendszerének kialakítása a cellák kémiai tulajdonságaitól, a modul feszültségarchitektúrájától, a csúcshő-elvezetési sebességtől és a hőmérséklet-egyenletesség követelményeitől függ. Akkumulátor hűtőlemezei mérsékelt hőáramot osszon el nagy, sík felületeken. Ugyanakkor a cellák közötti hőmérséklet-paritást szűk tűréshatárokon belül kell tartania. Ez a két követelmény vezérli minden upstream döntést – a hideglemez csatorna geometriájától a hűtőfolyadék kiválasztásáig.

Az Trumonytechs-nél mérnöki csapatunk a Sanghaji Jiao Tong Egyetemmel folytatott K+F együttműködésre támaszkodik. Emellett elektromos járművek, energiatakarékos rendszerek, szórakoztató elektronikai termékek és 5G bázisállomások hőkezelési programjaiban szerzett gyártási tapasztalatainkra is támaszkodunk. Az útmutatóban szereplő tervezési paraméterek és ellenőrzési módszerek a többmodulos gyártási modellek mintáit tükrözik.

Ez a cikk az elektromos járművek akkumulátorcsomagjainak és helyhez kötött energiatároló rendszereinek (ESS) közvetett folyadékhűtéses rendszereinek tervezésével foglalkozik 48 V és 1000 V közötti feszültségtartományban. Az elektromos és az ESS alkalmazások közös hideglemez-tervezési alapokon nyugszanak. Azonban eltérőek az alkalmazandó szabványokban, a telepítési környezetekben és a biztonsági érvényesítési követelményekben. Ez a cikk nem foglalkozik a hidrogén üzemanyagcellák hőkörökkel, az áramlásos akkumulátorok hűtésével vagy a nagy ipari rezgés-fáradási terhelésnek kitett rendszerekkel.

Hogyan működik a folyadékhűtéses hurok egy akkumulátorcsomagban

Alapvető összetevők és szerepük

Egy működő folyadékhűtő hurok négy fő részből áll. Először is, a hideglemezek termikusan érintkeznek a cellafelületekkel. Másodszor, egy szivattyú biztosítja az áramlási nyomást. Harmadszor, egy hőcserélő leadja a hőt. Negyedszer, az ellátó és visszatérő elosztók elosztják az áramlást a párhuzamos lemezkörök között. Minden alkatrész nyomásesést okoz. Személyszállító elektromos járművekben a mérnökök általában 50 kPa alatti teljes hideglemez-hálózati nyomásesést céloznak meg. A megfelelő határérték a szivattyú kiválasztásától, a rendszer architektúrájától és a parazita energiaköltségvetéstől függ.

Az épületfelügyeleti rendszer (BMS) a cellahőmérséklet-érzékelő adatai alapján indítja el a szivattyú aktiválását. A szabályozási küszöbértékek a cella kémiájától, a C-sebességtől, a csomag hőtömegétől és a környezeti profiltól függően változnak. Ezek nem univerzális tervezési állandók. A termisztorok modulon belüli elhelyezése – nem csak a csomag bemeneténél és kimeneténél – biztosítja a forró pontok korai észleléséhez szükséges térbeli felbontást. A kábelköteg-elvezetés véglegesítése előtt ellenőrizzük az érzékelőelhelyezési térképeket a CFD-vel előre jelzett forró pontokkal szemben. Ennek a lépésnek a kihagyása gyakori a harmadik féltől származó tervekben. Az eredmény aszimmetrikus hőmérséklet-eloszlás a modulsorok között.

Egyhurkos vs. kéthurkos architektúra

Az egykörös rendszerek az akkumulátor hűtőfolyadékát a jármű többi hőterhelésével közös hőcserélőn vezetik keresztül. Ez csökkenti az alkatrészek számát és a költségeket. Ugyanakkor megszünteti a hőfüggetlenséget. A kétkörös rendszerek külön hűtővel és tágulási szeleppel választják el az akkumulátor áramkörét. Ez precíz akkumulátorhőmérséklet-szabályozást biztosít a környezeti viszonyoktól vagy az utastér igényeitől függetlenül.

A kétkörös töltésre gyakran akkor van szükség, ha a gyorstöltéshez az akkumulátor bemeneti előkondicionálása szükséges a töltés megkezdése előtt. A mérnökök jellemző kiindulópontként akkor értékelik a kétkörös töltést, ha a csúcstöltési sebesség meghaladja a körülbelül 100 kW-ot. A tényleges küszöbérték az akkumulátor termikus időállandójától, az előkondicionálási követelményektől és a cellaelfogadási kritériumoktól függ.

Miért igényelnek az akkumulátor hideg lemezei más logikát, mint az inverter lemezei?

Az akkumulátor hideglemezének felületi követelményei a cellaszámtól, a hőáram sűrűségétől és a hőmérséklet-egyenletesség célértékeitől függenek. Ez a megkülönböztetés befolyásolja az anyagválasztást, a csatornasűrűséget és az elosztócső kialakítását – amelyek mindegyike más logikát követ, mint a ... hideglemezes kialakítás teljesítményelektronikai hőkezeléshez.

A hőáram-különbség

Egy 5 kW-ot elvezető inverter modul ezt a terhelést nagyjából 100–200 cm²-re koncentrálja. A hőáram jellemzően meghaladja a 25 W/cm²-t. Egy ugyanekkora 5 kW-ot elvezető akkumulátorcsomag ezt a terhelést 2000–10 000 cm² cellafelületen osztja szét. A kapott fluxus jóval 1 W/cm² alatt marad. Ebben a módban a 3003-as vagy 6063-as alumíniumötvözet megfelelő vezetőképességet biztosít. Rézre nincs szükség. A lemezanyag meghatározása előtt modulzónánként kiszámítjuk a hőáram-térképeket. Ez megakadályozza a lemezvezetőképesség túlzott mértékű meghatározását ott, ahol az áramláseloszlás a valódi korlátozó tényező.

Hogyan célozza meg a ΔT a hajtásgeometriát?

Az elektromos járművek és az elektromos járművek hideglemezes programjaiban a csomag teljes felületén 5°C alatti ΔT egy széles körben használt célérték. Ezen a szinten a cellák közötti öregedési sebességkülönbségek a legtöbb lítium-ion kémia esetében elfogadható határokon belül maradnak. Ennek eléréséhez elég szűk csatornaosztásra van szükség ahhoz, hogy megakadályozzuk a csatornák közötti hőmérsékleti csúcsokat. A prizmás cellák tipikus kiindulási paraméterei 8–15 mm között mozognak a párhuzamos csatornák között. A megfelelő osztás a hőáramtól, az áramlási sebességtől és a csatorna geometriájától függ. A ΔT érzékenységét a csatornaosztásra modellezzük, mielőtt bármilyen geometriát rögzítenénk a szerszámozásban.

Hűtési módszer kiválasztása: Folyadék vs. Levegő vs. Merülés

A léghűtés alacsony fogyasztású, álló ESS-kialakításokban működik. A kisütési sebességnek 1 °C alatt, a cellahőmérsékletnek pedig 40 °C alatt kell maradnia. A rendszer meghibásodik, ha gyorstöltés vagy szigorú ΔT-egyenletesség van érvényben a specifikációban. Nem javasoljuk a léghűtést olyan elektromos járművekhez, amelyek kompatibilisek az egyenáramú gyorstöltéssel.

A közvetlen bemerítés megszünteti a hideg lemez-cella határfelület hőellenállását. Ehhez azonban dielektromos folyadékra van szükség, növeli a rendszer súlyát, és kockázatokat okoz a cellabevonattal kapcsolatban. 400 V feletti tervekhez közvetett hűtést használunk alapként. Csak a következőket értékeljük: merülő folyadékhűtés Amikor az optimalizált TIM-kiválasztás nem tudja elérni a csomópont-ellenállási célokat, a dielektromos folyadék hőteljesítmény-büntetését össze kell vetni a csomópont-ellenállás csökkenésével, mielőtt az adott architektúrát választanánk.

Hideglemez-tervezés alapjai

Áramlási útvonal architektúra

A kígyózó áramlási útvonalak egyetlen folyamatos csatornán vezetik keresztül az összes hűtőfolyadékot. Ez maximalizálja az egységnyi áramlási sebességre jutó hőelvonást. Ugyanakkor hőmérsékleti gradienst hoz létre a bemenet és a kimenet között. Hosszabb csomagok esetén ez a gradiens sérti a ΔT célértékeket.

A párhuzamos áramlású architektúrák több csatornán osztják szét az áramlást. Ez csökkenti a nyomásesést és a hőgradienst. Az egyenlőtlen csatorna-ellenállás azonban az alacsonyabb ellenállású ágakban áramlási megkerülést okoz. Hosszabb csomagelrendezésekhez ellentétes bemeneti/kimeneti pozícióval ellátott osztott áramlású konfigurációkat használunk. Ez kiegészítő hőmérsékleti profilokat hoz létre a párhuzamos ágakon, és ellensúlyozza a hőrétegződést. A csatorna orientációja egy kapcsolódó változó – egyenes csatorna vs. ferde csatorna geometria befolyásolja mind a nyomásesést, mind az egyenletességet az elektromos járművekre jellemző elrendezésekben.

 

Elosztó méretezése és áramláselosztás

Sok gyakorlati hideglapos programban az áramláseloszlás válik a domináns szűk keresztmetszetté az anyag- és csatlakozófelület-választások rögzítése után. Ez különösen igaz a sok párhuzamos ággal rendelkező hosszabb csomagok esetében. Az elosztó keresztmetszetének minden ágat megfelelően kell ellátnia anélkül, hogy túlterhelné a bemeneti ágakat.

A tervezési folyamat a párhuzamos ágak számával, a célzott ágáramlási varianciával és az elfogadható teljes nyomáseséssel kezdődik. A gyűjtőcső geometriájának a szerszámozáshoz való átadása előtt CFD áramlási hálózati elemzést végzünk. A korai CFD-ben a tűréshatáron kívüli eloszlás a gyűjtőcső elégtelen keresztmetszetére utal – nem csatornageometriai hibákra.

Csatorna geometriai paraméterek

A prizmás cellás hideglemezek tipikus kiindulási paraméterei 3–6 mm-es csatornaszélesség és 4–8 mm-es magasság. A Reynolds-szám célértékei a nyomásesés-kerettől, a csatorna hidraulikai átmérőjétől, a hőáramtól és a szivattyú teljesítménykorlátaitól függenek. A turbulens áramlás javítja a konvektív hőátadást. Egyes programok azonban elfogadják a lamináris áramlást nagyobb csatornás kialakításokban, ahol a nyomásesés a kötelező korlát. A szerszámgeometria véglegesítése előtt érzékenységi vizsgálatokat végzünk a csatorna hidraulikai átmérőjén és falvastagságán.

TIM érintkezési nyomás — A leginkább alábecsült változó

A gyártás során a hideg lemez és a cellaház közötti érintkezési nyomás tételenként változik. Ezt az eltérést a lemez síkfelületének rétegzettsége és a TIM vastagságtűrése okozza. Ennek eredményeként lokális hőmérsékletkülönbségek keletkeznek a szorosan és lazán érintkező cellák között. A TIM vezetőképességének kiválasztását és az érintkezési nyomás kezelését az összeszerelési terv részének kell tekinteni.

A síkfelület-tűréseket és a TIM-vezetőképesség minimumértékeit az adott cellafelület hőáteresztő képességének elemzéséből kell meghatározni. A 3,0 W/m·K feletti TIM-hővezetőképesség egy általános minimum a prizmás cellakialakítások esetében, amelyek célja az alacsony csatlakozási ellenállás a hűtőfolyadékkal szemben. Ez a küszöbérték a geometriától és a kialakítástól függ. A TIM érintkezési nyomásának egyenletességét a gyártási tételek között szabványos minőségi mérőszámként ellenőrizzük.

Anyag kiválasztása

A 3003-as alumíniumötvözet kiváló korrózióállóságot és alakíthatóságot kínál forrasztáshoz. Ez a standard választás a sajtolt és vákuumforrasztott hideglemezekhez személygépjármű-alkalmazásokban. A 6063-as ötvözet magasabb hővezető képességet biztosít – 200–210 W/m·K a 3003-as ötvözet 155–175 W/m·K-jával szemben. Akkor előnyös, ha a lemezen belüli hővezetési úthossz korlátozza a teljesítményt. Csökkentett korrózióállósága szigorúbb hűtőközeg-kémiai szabályozást igényel. A rezet csak akkor javasoljuk, ha a hőáram-sűrűség és a vezetési ellenállás elemzése megerősíti, hogy az alumínium nem tudja teljesíteni a hőterhelési célt.

Hűtőfolyadék kiválasztása elektromos járművekhez és energiatakarékos rendszerekhez

Víz-glikol keverékek

A legtöbb elektromos és elektromos jármű (EV) és elektromos töltőállomás (ESS) közvetett hűtési alkalmazásához szabványos az etilénglikol-víz keverék 40–60% koncentrációban. Ez a tartomány a koncentrációtól függően körülbelül −25 °C és −45 °C közötti fagyvédelmet biztosít. Az inhibitor csomag kiválasztása határozza meg az alumínium korrózióvédelmének időtartamát és a szervizintervallumot. Az OAT és HOAT csomagok hosszabb szervizintervallumokat biztosítanak, mint a hagyományos szilikát készítmények. A specifikus célértékek az inhibitor kémiájától, az üzemi hőmérséklettől és az OEM követelményeitől függenek.

Az alumínium hideglemezes rendszerekhez tipikus kiindulási alapként HOAT-gátló csomaggal ellátott gátolt etilénglikolt adunk meg. A hűtőfolyadék vezetőképességét az első feltöltéskor és a tervezett szervizintervallumokban ellenőrizzük. korrózió folyadékhűtő rendszerekben jellemzően az inhibitor kimerüléséből indul ki, hogy a vezetőképesség-monitorozás a látható károsodás megjelenése előtt észleli a hibát. Az elfogadható határérték az inhibitor kémiai tulajdonságaitól és a folyadék szállítójának specifikációjától függ.

Szivattyúméretezés és hidegindítási kockázat

A szivattyú kiválasztásához a szivattyúfej-áramlási görbének a teljes üzemi tartományban illeszkednie kell a rendszer ellenállásához. Alacsony környezeti hőmérsékleten a hűtőfolyadék viszkozitása jelentősen növelheti a rendszer ellenállását. Gyártásvalidációs programok során megfigyeltük, hogy a centrifugálszivattyú leállt alacsony környezeti hőmérsékleten, amikor a méretezést csak a meleg állapotú áramlási célokon alapulták. Az eredmény nulla vagy jelentősen csökkent áramlás egy vagy több hideglemezes ágon keresztül a kezdeti aktiválás során. A cellahőmérséklet-aszimmetria ezután az első töltési ciklusban is fennmarad.

Ennek elkerülése érdekében ellenőrizze a szivattyú méretezését mind meleg, állandósult állapotú, mind hidegindítási viszkozitás mellett. Értékelje az előkezelési stratégiákat is – például a bemelegítési megkerülő ágat, a fokozatos szivattyúaktiválást vagy a termosztatikus megkerülő ág útvonalát. A fogaskerék-szivattyúk jobban ellenállnak a leállásnak nagy viszkozitású körülmények között. Előnyösebbek olyan hurkokhoz, amelyek termosztatikus megkerülő szelepekkel rendelkeznek, amelyek dinamikusan változtatják a kör ellenállását.

Alkalmazandó szabványok és validációs keretrendszer

EV akkumulátorcsomag szabványok

• ISO 6469-1A fedélzeti REESS biztonsági követelményei, beleértve az elektromos biztonságot és a termikus rendszer kölcsönhatását
• ISO 12405-4Akkumulátorcsomagok és -rendszerek teljesítményvizsgálati eljárásai, amelyek biztosítják a tesztprogram struktúráját a hőteljesítmény és a tartósság validálásához
• 100. számú ENSZ-EGB-előírás: Akkumulátoros elektromos járművek biztonsági követelményei, amelyek a REESS biztonságát szabályozzák, beleértve a hőszabályozás kölcsönhatását is
• UL 2580Biztonsági értékelési keretrendszer elektromos járművek akkumulátorrendszereihez, amely kiterjed a hőrendszer tervezésével kölcsönhatásban álló visszaélésszerű tesztelési feltételekre

ESS szabványok

• IEC 62619Biztonsági követelmények ipari és helyhez kötött lítium-ion akkumulátor-alkalmazásokhoz; az elektromos járművek programjai esetében a közúti járművekre vonatkozó szabványok elsőbbséget élveznek.
• UL 9540AVizsgálati módszer a hőmegfutásos tűzterjedés értékelésére; az eredmények közvetlenül befolyásolják a hideglemez hőtömegét és a bypass áramlási rendelkezéseket
• NFPA 855Telepítési szabvány helyhez kötött energiatároló rendszerekre, amely az elhelyezési, elválasztási és tűzvédelmi követelményeket szabályozza

Validációs típus keretrendszer

Az ellenőrzés négy típust ölel fel. A tervvalidáció (DV) megerősíti, hogy a terv megfelel a követelményeknek meghatározott feltételek mellett. Lefedi a CFD áramláseloszlást, a hőteljesítmény-szimulációt és a prototípus hőkameráját. A teljesítményvalidáció (PV) megerősíti, hogy a gyártást reprezentáló konstrukciók megfelelnek a teljesítménycéloknak a teljes üzemi tartományban. A biztonsági validáció lefedi a hőmegfutás-ellenőrzést és az alkalmazandó visszaélési vizsgálati szabványokat. A telepítési és üzembe helyezési validáció lefedi a légtelenítési protokoll végrehajtását, a feltöltés utáni hőkamerát és az érzékelő kalibrálását.

A CFD szimulációs eredmények önmagukban nem elegendőek végső elfogadási bizonyítékként. A geometria szerszámozásba való kibocsátása előtt fizikai tesztkorrelációra van szükség.

Ellenőrzés a hideglemez-tervezési életciklus során

CFD szimuláció elfogadási kritériumai

A CFD-ellenőrzés három kritériumot céloz meg. Az ágáramlási varianciának az összes párhuzamos csatornán belül elfogadható határértékeken belül kell lennie. A teljes rendszer hőmérséklet-eloszlásának meg kell felelnie a ΔT egyenletességi célértéknek csúcshőterhelés alatt. A teljes rendszernyomásesésnek a rendszernyomás-kerethatáron belül kell maradnia. A CFD-eredmények alátámasztására a terv kiadása előtt hálófüggetlenségi vizsgálatokra és turbulenciamodell-validációra van szükség a fizikai vizsgálati adatokkal szemben.

Hőkamerás protokoll

Hőkamerás képalkotást írunk elő a hidegindítási tranziensek után – nem csak állandósult állapotban. A gőzzárlatos forró pontok nem észlelhetők, ha a képalkotást csak hosszabb üzemelés után végezzük. A légbuborékok hosszabb üzemelés során kiürülnek, de az első néhány hőciklusban lokalizált hőmérséklet-csúcsokat okoznak. Ezek a csúcsok a későbbi kapacitásmegtartási vizsgálatok során a cella korai degradációjával korrelálnak. Az elfogadási kritériumok megkövetelik, hogy az összes cellafelület hőmérséklete a ΔT egyenletességi sávon belül essen a harmadik hőcikluson belül.

Vérzési protokoll és határfeltételek

A nem megfelelő légtelenítés okozza az általunk vizsgált korai hőrendszeri terepi hibák többségét. A gyári kezdeti feltöltés három lépést igényel: vákuumrásegítéses feltöltés, statikus melegítés rendszernyomáson, és aktív szivattyúkeringetés legalább egy teljes hőcikluson keresztül. A légtelenítés utáni hőkamerás képalkotás megerősíti a teljes légtelenítést.

A terepi kiszolgálási forgatókönyvekhez meghatározott alternatív eljárásra van szükség, módosított elfogadási kritériumokkal. Többágú párhuzamos rendszerekben a légtelenítésnek minden ágat külön kell kezelnie. Az egypontos légtelenítés nem tisztítja ki teljesen az összes párhuzamos útvonalat. A légtelenítésnek a kötelező telepítési minőségbiztosítási küszöbként dokumentált megfelelőségét követeljük meg.

Következtetés

A legtöbb elektromos jármű akkumulátor-hűtőplatform-programban az áramláseloszlás egyenletessége válik a domináns szűk keresztmetszetté az anyag- és csatlakozófelület-választások rögzítése után. Három változó választja el leggyakrabban a sikeres terepi teljesítményt a korai hibáktól: az áramláseloszlás egyenletessége a párhuzamos ágakon, a TIM érintkezési nyomásának állandósága a gyártási tételek között, valamint a kifúvatási protokoll végrehajtásának minősége a telepítés során.

Az Trumonytechs-nél az áramláseloszlást elsődleges felülvizsgálati kritériumként kezeljük, mielőtt optimalizálnánk a csatorna geometriáját vagy az anyagválasztást. A teljes validációs keretrendszert alkalmazzuk – amely kiterjed a tervezésre, a teljesítményre, a biztonságra és az üzembe helyezésre –, mielőtt kiadásra kerülne a dokumentumunk. vízhűtő lemezek a gyártószerszámokhoz. Ossza meg akkumulátorcsomag-konfigurációját, cellaformátumát, feszültségarchitektúráját és kitöltési tényezőjét csapatunkkal. Áttekintjük a termikus peremfeltételeket, és előzetes tervezési iránymutatást adunk.

GYIK