У каких батарей теплоотдача лучше: Какие радиаторы лучше греют, какая реальная теплоотдача

Содержание

Какие радиаторы лучше греют, какая реальная теплоотдача

Радиаторы в домашних условиях не дают той мощности, которая прописана в документации. Чтобы узнать реальную теплоотдачу от радиатора нужен небольшой расчет. Данные о мощности на прилавках скорее рекламируют изделие, чем информируют нас. Мы же можем рассчитывать на более скромную теплоотдачу, рассмотрим, как определить реальную мощность разных радиаторов.

 

Что означает мощность радиаторов указанная в документации

Мощность радиатора будет напрямую зависеть от их температуры. Чем она больше, и чем холоднее в комнате, тем больше тепла будет отдаваться.  Но сколько в действительности?

Открыв паспорт, прилагаемый к радиатору, можно узнать, что одна секция радиатора обладает тепловой мощностью, например, 180 Вт. Но при маленькой оговорочке, — при «Δt = 50 град».
Что это?

Обозначение в документации Δt, или dt, или DT, или «Разница Температур», —  это разница между средней температурой радиатора и температурой воздуха в комнате.

Например, 60 град, минус 20 град – получаем  Δt равную 40 град.

Производители указывают мощность своих радиаторов обычно при для  Δt равной 50 град. Но может ли такая разность температур  быть в реальности?

 

Какие реальные температуры отопления и воздуха

Что такое средняя температура радиатора?
Это среднее значение температур подачи и обратки.  Например, — подача 70 град, обратка 50 град. Тогда в среднем в радиаторах +60 град.

Котлы имеют ограничение нагрева +80 градусов. Но их на  максимум обычно никто не выкручивает и ограничиваются температурой подачи +70 град, чтобы не обжигаться о радиаторы, по крайней мере. Тогда реальная средняя температура в радиаторах окажется +60 град С.

Прохладный воздух в комнате +20 град обычно не устраивает жильцов,они стараются разогреть до +25- +27 град. В дальнейшем для расчетов примем скромные +23 град.

Таким образом, реальная Δt оказывается: 60 – 23 = 37 град.

 

Вычисление реальной мощности и количества радиаторов

Δt = 37 град – разница температур при «обычной» работе домашнего котла, и когда «не слишком то тепло» в доме.
Какая же будет мощность радиаторов при этом?
Оказывается, что в 1,5 раза меньше от заявленной мощности при Δt 50 градусов.

Для вычисления реальной теплоотдачи пользуются поправочными коэффициентами, чтобы не вдаваться сложные расчеты.
Если паспротная мощность указана при «Δt = 50 град», то метод вычилсения количества секций следующий.

  • Определяется количество секций по паспортной мощности радиатора.
  • Полученное значение умножается на  1,5.

Например, в комнату 10 кв. м с теплопотерями 1 кВт, нам нужно по расчету 6 секций с паспортной мощностью 180 Вт (указанной при Δt = 50 град). Тогда в реальности требуется установить, чтобы не перегревать котел, 6х1,5= 10 секций.

Но производители иногда указывают мощности и при условии «Δt = 70 град» (подача 100, обратка 80, комната 20). При Δt 70 лучше воспользоваться поправочными коэффициентами к указанной производителями мощности. Они зависят от реальной Δt.

Приведены реальная Δt в градусах, затем поправочный коэффициент.

40 – 0,48
42 – 0,51
45 – 0,56
47 – 0,60
50 – 0,65
55 – 0,73
60 – 0,82
65 – 0,91
70 – 1,0
75 – 1,09

Так, при реальной Δt 40 (63 — 23, например), нам нужно заявленную мощность умножить на 0,48, например, 210х0,48, получаем 100 Вт реальной теплоотдачи на одну секцию и отсюда вычисляем нужное количество секций.

 

Какая тепловая мощность у чугунных и стальных радиаторов

Мощность радиатора зависит не только от температур теплоносителя и воздуха в комнате, но и еще от двух параметров:

  • Площади поверхности радиатора (площадь теплоомбена).
  • Теплопроводности материла радиатора, — от того с какой скоростью передается тепло от теплоносителя к воздуху. Напомним, что у алюминия это значение примерно 170 Вт/м*К,  а у стали и чугуна около 70 — 90 Вт/м*К

Следовательно:

  • У алюминиевых и биметаллических радиаторов ощутимой разницы по площади оребрения, и в материале нет, их принято считать одинаковыми по теплоотдаче, если размеры сходные.
  • Для чугунного радиатора с такими же габаритами, как и у алюминьки, мощность будет на 20% меньше. Сказывается заниженная площадь теплообмена и материал. Поэтому, если нет паспортных данных на чугун, можно посчитать по аналогии с алюминием и умножить на 0,8.
  • Для стальных панельных, при одинаковых высоте и ширине с алюминиевым радиатором, но при глубине в 1,5 раза больше (тип 30), мощность будет примерно такой же, может чуть меньше. Большей глубиной у цельных панелей добирается недостающая им площадь теплообмена.

В целом же можно сказать, что все радиаторы «греют неплохо» и мощность не является решающей характеристикой при выборе…

Выводы

  • При проектировании расстановки радиаторов важно правильно посчитать их реальную теплоотдачу в условиях своего дома. Нужно определиться с приемлемыми температурами теплоносителя и воздуха. Чаще принимается +70 град подача и +25 в доме. Отсюда все остальные расчеты.
  • Оптимальным выбором для домов и квартир остаются алюминиевые радиаторы, но качественно сделанные, с хромовым покрытием внутри. Приборы дешевле биметалла на 20%,  удовлетворяют всем потребностям домашней сети отопления, имеют наибольшую удельную мощность с линейного размера, хоть это и не критически важно.
  • Для современных систем отопления важной характеристикой остается и тепловая инертность отопительного прибора. Чем она меньше, тем меньше температурные колебания воздуха в комнатах при обычном режиме котла «нагрел-остановился». Чугунные радиаторы в этом плане проигрывают — долго разогреваются и долго же остывают, утягивая за кривой своей тепловой инертности и наш комфорт в колебания…

 

Какие радиаторы отопления лучше: алюминиевые или чугунные

При монтаже новой или реконструкции старой отопительной системы часто возникает вопрос, какие радиаторы отопления лучше использовать: алюминиевые или чугунные. Эти виды приборов имеют существенные отличия по своим эксплуатационным характеристикам. Поэтому перед выбором очень важно сравнить чугунные и алюминиевые радиаторы с учетом особенностей системы отопления, в составе которой их предполагается использовать.

Система отопления как критерий выбора типа батарей

Чтобы выяснить, что лучше: алюминиевые радиаторы отопления или чугунные, необходимо в первую очередь определиться с системой отопления.

Алюминиевые радиаторы принципиально не подходят для установки в системах центрального отопления. Для этого есть сразу несколько причин:

  • слабая стойкость к гидроударам;
  • высокая чувствительность к химическому составу теплоносителя;
  • слабая стойкость к абразивному износу, который возникает в связи с наличием в составе теплоносителя примесей;
  • проходные каналы алюминиевой батареи имеют малый диаметр сечения и быстро засоряются при использовании загрязненного теплоносителя.

Учитывая эти факторы, батареи из алюминия можно использовать только в автономных системах отопления, где в качестве теплоносителя используется чистая вода и не возникает избыточных давлений и гидроударов.

Существенное преимущество чугунных радиаторов перед алюминиевыми заключается в том, что они могут эксплуатироваться в сложных условиях.

Качественные батареи из чугуна работают в составе централизованных систем отопления по 50 лет и более. Нет принципиальных ограничений на их использование и в составе автономных систем. Однако насколько эффективно они будут работать в данном случае?

Эффективность отопления батареями из алюминия и чугуна

Если сравнить чугунные и алюминиевые радиаторы по качеству и эффективности отопления, то безусловным будет преимущество батарей из алюминия. Они превосходят чугунные аналоги по всем наиболее важным параметрам.

В частности, значительно отличается теплоотдача чугунных и алюминиевых радиаторов. Тепловая мощность одной чугунной секции в зависимости от габаритов составляет 100-160 Вт. Для секции алюминиевого радиатора мощность может превышать 200 Вт. Это достигается за счет высокой теплопроводности алюминия и особой конструкции секции, которая имеет фигурную форму с ребрами, что повышает уровень теплоотдачи конвективным и лучевым способом. При этом благодаря меньшему размеру и габаритам секций, их количество в батарее может увеличиваться, что позволяет эффективно отапливать помещение большой площади.

Алюминиевые радиаторы также отличаются минимальной тепловой инерцией. Благодаря этому они набирают максимальную температуру и эффективно обогревают помещение практически сразу после запуска системы в работу.

Внутренний объем алюминиевой секции составляет от 0,7 до 1 литра, тогда как одна чугунная секция может вмещать от 4,5 до 6 литров воды. За счет этого разница в КПД алюминиевых и чугунных радиаторов является очень высокой.

При использовании в системе алюминиевых радиаторов котлу приходится нагревать в 4-5 раз меньший объем жидкости. Соответственно снижается и расход топлива. Кроме того, за счет меньшего объема воды снижается нагрузка на котел и насос, что повышает эксплуатационный ресурс оборудования.

Большим преимуществом алюминиевых радиаторов является их малый вес.

Масса одной секции составляет около 1 килограмма, что примерно в 8 раз меньше, по сравнению с чугуном. В результате значительно упрощаются работы по установке радиаторов, а монтировать их можно практически на любой стене.

Алюминиевые батареи имеют современный эстетичный дизайн, что позволяет отлично вписывать их практически в любой интерьер. Окрашиваются такие радиаторы в процессе производства, а значит, вам не нужно будет их красить перед установкой. При этом применяется технология порошковой окраски, которая позволяет получать очень прочное и долговечное покрытие, которое обеспечивает надежную защиту от коррозии и отличный внешний вид в течение многих лет.

Учитывая все характеристики, можно говорить, что алюминиевые радиаторы являются оптимальным вариантом для использования в системах автономного отопления. Они обеспечат максимально качественный и эффективный обогрев помещений с экономией энергоносителей.

При этом условия эксплуатации в индивидуальных системах позволяют обеспечить их долговечную службу.

Алюминиевые и чугунные батареи Ogint

Компания Ogint выпускает как чугунные, так и алюминиевые радиаторы, чтобы каждый наш клиент смог подобрать отопительные приборы с оптимальными параметрами и характеристиками.

Мы применяем передовые производственные технологии и используем только лучшие материалы. Это позволяет получать продукцию, отвечающую высоким требованиям качества и подходящую для эксплуатации в российских условиях, что подтверждается наличием всех необходимых сертификатов. При отличном качестве наших радиаторов они имеют выгодную стоимость.

Наша компания осуществляет оптовую продажу радиаторов из алюминия и чугуна. Обратившись к нам, вы имеете возможность получить высококачественные отопительные приборы по цене производителя, что позволит значительно снизить общую стоимость покупки. Для оформления заказа вы можете обратиться через контактную форму или позвонить по телефону.

Теплоотдача радиаторов отопления – таблица и сравнение моделей

Когда проводится проектирование системы отопления дома, проектировщики в первую очередь стараются определить, какое количество тепла необходимо будет использовать, чтобы в доме создались комфортные условия проживания. От чего это зависит? В первую очередь от такого показателя, как теплоотдача радиаторов отопления (таблица будет указана ниже).

Итак, что такое теплоотдача отопительной батареи? Это критерий тепловой энергии, которая выделяется за определенный промежуток времени. Измеряется она в Вт/м*К, некоторые производители в паспорте указывают другую единицу измерения — кал/час. По сути, это одно и то же. Чтобы перевести одну в другую, придется воспользоваться соотношением: 1,0 Вт/м*К= 859,8452279 кал/ч.

Что влияет на коэффициент теплоотдачи

  • Температура теплоносителя.
  • Материал, из которого изготавливаются отопительные батареи.
  • Правильно проведенный монтаж.
  • Установочные размеры прибора.
  • Размеры самого радиатора.
  • Тип подключения.
  • Конструкция. К примеру, количество конвекционных ребер в панельных стальных радиаторах.

С температурой теплоносителя все понятно, чем она выше, тем больше тепла прибор отдает. Со вторым критерием тоже более или менее понятно. Приведем таблицу, где можно ознакомиться, какой материал и сколько отдает тепла.

Материал для батареи отопления Теплоотдача (Вт/м*К)
Чугун 52
Сталь 65
Алюминий 230
Биметалл 380

Скажем прямо, это показательное сравнение говорит о многом, из него можно сделать вывод, что, к примеру, алюминий имеет теплоотдачу практически в четыре разы выше, чем чугун. Это дает возможность снижать температуру теплоносителя, если используются алюминиевые батареи. А это приводит к экономии топлива. Но на практике получается все по-другому, ведь сами радиаторы изготавливаются по разным формам и конструкциям, к тому же модельный ряд их настолько огромен, что говорить о точных цифрах здесь не приходится.

Теплоотдача в зависимости от температуры теплоносителя

Для примера можно привести вот такой разброс степени отдачи тепла у алюминиевых и чугунных радиаторов:

  • Алюминиевые – 170-210.
  • Чугунные – 100-130.

Во-первых, сравнительная степень резко упала. Во-вторых, диапазон разброса самого показателя достаточно большой. Почему так получается? В первую очередь из-за того, что производители используют различные формы и толщину стенки отопительного прибора. А так как модельный ряд достаточно широк, отсюда и пределы теплоотдачи с сильным разбегом показателей.

Давайте рассмотрим несколько позиций (моделей), объединенных в одну таблицу, где будут указаны марки радиаторов и их показатели теплоотдачи. Это таблица не сравнительная, просто нам хочется показать, как меняется тепловая отдача прибора в зависимости от его конструкционных отличий.

Модель Теплоотдача
Чугунный М-140-АО 175
М-140 155
М-90 130
РД-90 137
Алюминиевый RIfar Alum 183
Биметаллический РИФАР Base 204
РИФАР Alp 171
Алюминиевый RoyalTermo Optimal 195
RoyalTermo Evolution 205
Биметаллический RoyalTermo BiLiner 171
RoyalTermo Twin 181
RoyalTermo Style Plus 185

Как видите, теплоотдача радиаторов отопления во многом зависит от модельных отличий. И таких примеров можно приводить огромное количество. Необходимо обратить ваше внимание на один очень важный нюанс – некоторые производители в паспорте изделия указывают теплоотдачу не одной секции, а нескольких. Но в документе все это прописывается. Здесь важно быть внимательным и не совершить ошибку при проведении расчета.

Тип подключения

Хотелось бы подробнее остановиться на этом критерии. Дело все в том, что теплоноситель, проходя по внутреннему объему батареи, заполняет его неравномерно. И когда дело касается теплоотдачи, то эта самая неравномерность очень сильно влияет на степень данного показателя. Начнем с того, что существует три основных типа подключения.

  1. Боковое. Чаще всего используется в городских квартирах.
  2. Диагональное.
  3. Нижнее.

Если рассматривать все три типа, то выделим второй (диагональное), как основу нашего разбора. То есть, все специалисты считают, что именно данная схема может быть взята за такой коэффициент, как 100%. И это на самом деле так и есть, ведь теплоноситель по этой схеме проходит от верхнего патрубка, спускаясь вниз к нижнему патрубку, установленного с противоположной стороны прибора. Получается так, что горячая вода движется по диагонали, равномерно распределяясь по всему внутреннему объему.

Теплоотдача в зависимости от модели прибора

Боковое подключение в данном случае имеет один недостаток. Теплоноситель заполняет радиатор, но при этом последние секции охватываются плохо. Вот почему теплопотери в этом случае могут быть до 7%.

И нижняя схема подключения. Скажем прямо, не совсем эффективная, теплопотери могут составлять до 20%. Но оба варианта (боковой и нижний) будут работать эффективно, если использовать их в системах с принудительной циркуляцией теплоносителя. Даже небольшое давление будет создавать напор, которого хватит, чтобы довести воду до каждой секции.

Правильная установка

Не все обыватели понимают, что отопительный радиатор должен быть правильно установлен. Существуют определенные позиции, которые могут влиять на теплоотдачу. И эти позиции в некоторых случаях должны выполняться жестко.

К примеру, горизонтальная посадка прибора. Это немаловажный фактор, именно от него зависит, как будет двигаться теплоноситель внутри, будут ли образовываться воздушные карманы или нет.

Поэтому совет тем, кто решается установить батареи отопления своими руками – никаких перекосов или смещений, старайтесь использовать необходимые измерительные и контролирующие инструменты (уровень, отвес). Нельзя допустить, чтобы батареи в разных комнатах устанавливались не на одном уровне, это очень важно.

И это еще не все. Многое будет зависеть от того, на каком расстояние от ограничительных поверхностей радиатор будет установлен. Вот только стандартные позиции:

  • От подоконника: 10-15 см (погрешность 3 см допустима).
  • От пола: 10-15 см (погрешность 3 см допустима).
  •  От стены: 3-5 см (погрешность 1 см).

Внимание! Если необходимо установить экраны для радиаторных батарей, то выбирайте лучшие из них!

Как может отразиться увеличение погрешности на теплоотдачу? Рассматривать все варианты нет смысла, приведем пример нескольких основных.

  • Увеличение в большую сторону погрешности расстояния между подоконником и прибором уменьшает показатель тепловой отдачи на 7-10%.
  • Уменьшение погрешности расстояния между стеной и радиатором уменьшает теплоотдачу до 5%.
  • Между полом и батарей – до 7%.

Казалось бы, какие-то сантиметры, но именно они могут снизить температурный режим внутри дома. Вроде бы снижение не такое уж и большое (5-7%), но давайте сравнивать все это с потреблением топлива. Оно на эти же проценты будет возрастать. За один день это не будет заметно, а за месяц, а за весь отопительный сезон? Сумма сразу вырастает до астрономических высот (учитывайте цены на 2020 год). Так что стоит и на это обратить особое внимание.

💯 Повышение теплоотдачи батарей: развенчиваем мифы

Пришли холода, включили отопление, а дома всё равно холодно? Знакомая многим ситуация. Первое, что приходит на ум – как заставить работать батареи на 100%? В сегодняшнем обзоре мы решили разобрать, какие из способов, которые можно найти в сети, действительно способствуют повышению теплоотдачи радиаторов, а какие являются вымыслом с научной и практической точки зрения. А поможет нам в этом специально приглашённый специалист.

Вот такую картину можно иногда наблюдать при проверке радиатора тепловизором

Читайте в статье

Уменьшение теплопотерь

К сведению! Сразу оговоримся, что данный пункт относится к проблеме в целом, а не к радиаторам конкретно.

Начнём мы наш анализ с банальной вещи – снижение теплопотерь. Для большинства не секрет, что на различного рода ограждения приходится до 60% тепловых потерь. Посмотрите на калькулятор ниже.

 

Давайте оставим параметры по умолчанию, но попробуем «поиграться» с характеристиками стены, пола, потолка и проёмов. Сравним идеальный случай, когда внешние стены утеплены, сверху и снизу находится отапливаемое помещение, имеется одно окно с двухкамерным стеклопакетом. В этом случае понадобится всего 1,2 кВт на отопление такого помещения. А теперь посмотрим случай, когда стены не утеплены, сверху и снизу неотапливаемые помещения, а окно обычное деревянное. В этом случае понадобится аж 4,69 кВт! Значительная разница, не правда ли?

Примерные величины теплопотерь через ограждающие конструкции

Именно поэтому первым-наперво необходимо обеспечить уменьшение теплопотерь всеми доступными способами, после чего переходить непосредственно к радиаторам.

Комментарий

Сергей Харитонов

Ведущий инженер по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха ООО «ГК «Спецстрой»

Задать вопрос

«В идеальном случае такие вещи предусматриваются ещё на этапе строительства дома или ремонта квартиры. В обязательном порядке должен быть выполнен теплотехнический расчёт всех помещений и подобрано оптимальное оборудование. В других случаях рекомендую произвести замену окон на современные стеклопакеты и выполнить качественное утепление помещения.»

 Выводэффективно на 100%.

Использование экранов-отражателей за радиатором

Пожалуй, самый часто обсуждаемый и противоречивый способ. Из аргументов против чаще всего приводится:

  • сдвиг точки росы или изотермы внутрь помещения;
  • охлаждение стены за радиатором и, как следствие, уменьшение температуры в самом помещении;

Давайте попробуем разобраться.

Принцип работы экрана-отражателя

Сдвиг точки росы

Тут нужно понимать, что площадь экрана за радиатором значительно ниже площади стены. Именно поэтому оказать хоть сколько-таки сильное влияние на смещение точки росы экран просто не в состоянии. На неё оказывают влияние слишком много параметров. Это и коэффициент теплопроводности ограждающей конструкции (на простом языке – материал стены), и вид утеплителя, и способ его монтажа, и влажность снаружи/внутри и т. д.

Изменение точки росы в зависимости от способа утепления

Охлаждение стены за радиатором

Очень сомнительный довод, прямо вытекающий из пункта выше. Участок стены за радиатором слишком небольшой, чтобы его нагрев/охлаждение оказал сильное влияние на общую температуру в помещении.

Так что же тогда? Эффективен ли экран за батареей? В большинстве случаев он всего лишь препятствует расходу тепла на обогрев стены за прибором. Это тепло может быть расходовано более эффективно, но и тут возникает проблема – как его распределить? Если радиатор установлен в нише, да ещё и завешан шторами, то пользы от экрана не будет никакой.

Комментарий

Сергей Харитонов

Ведущий инженер по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха ООО «ГК «Спецстрой»

Задать вопрос

«Самый главный эффект от подобного экрана – это сохранение максимально возможного количества тепла в помещении. А вот как вы распределите это сохранённое тепло – уже совсем другая задача.»

 Выводэффективно, но требует идеальных условий эксплуатации.

Улучшение циркуляции воздуха

Как многие знают, в основе работы радиатора заложены процессы конвекции и излучения. Конвекция основана на простом законе физики: тёплый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх. Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Соотношение этих двух видов теплообмена будет очень сильно зависеть от вида источника тепла. Но для простоты пояснения скажем, что в обычном водяном радиаторе преобладает конвекция.

Процессы теплообмена в водяном радиаторе

То есть теоретически, установив за радиатором средства принудительной циркуляции, можно добиться лучшего смешения конвективных потоков в помещении, тем самым используя выделяемое батареей тепло более эффективно. В сочетании с предыдущим пунктом (экран-отражатель) радиатор будет работать более «качественно».

Многие домашние мастера приспосабливают для этих целей обычные компьютерные кулеры

Комментарий

Сергей Харитонов

Ведущий инженер по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха ООО «ГК «Спецстрой»

Задать вопрос

«Данное действие имеет хоть сколько-таки значимый эффект при очень многих условиях. Система отопления дома должна работать исправно, температура теплоносителя должна быть приближена к проектным параметрам, радиаторы не должны быть заставлены мебелью, техникой и шторами и т.д. Кроме этого, стоит учитывать, что кулеры могут издавать значительный шум, да и выглядят подобные самоделки не слишком эстетично.»

 Выводэффективно, но требует идеальных условий эксплуатации.

Окраска радиатора в тёмный цвет

Ещё одно мнение, которое блуждает в интернете, что покраска батареи в чёрный или коричневый цвет увеличивает теплообмен излучением. В большинстве случаев подобные суждения основаны на физическом понятии «абсолютно чёрного тела», которое сильнее всего поглощает и излучает. Всё это относится и к батарее отопления. Покрашенные светлой краской излучают меньше, чем покрашенные тёмной. Давайте прикинем, насколько.

Немного физики. По закону Стефана-Больцмана излучение абсолютно чёрного тела пропорционально абсолютной температуре в 4-й степени.

R (T) = σ × T4, где

σ = 5,67·10-8 Вт/(м2К4) — постоянная Стефана-Больцмана.

Реальные тела относятся к «серым». Для реального «серого» нужно учитывать его излучательную способность ε. Батарея и сама поглощает ИК-излучение из комнаты, и в учебниках приводится соответствующая формула, в которую входят температуры как батареи, так и комнаты (в кельвинах в 4-й степени). Легко показать, что если нагреть батарею от 20°С на 40 градусов, то её излучение увеличится в 81 раз. Расчёт (приблизительный, конечно) показывает следующее. Пусть батарея площадью 1 кв. м покрашена коричневой масляной краской (для нее ε ≈ 0,8). Температура воды в ней пусть будет 70°С, а комнаты — 20°С. Тогда мощность ИК-излучения такой батареи будет 300 Вт. Не так уж мало! Ещё сильнее будет греть батарея, покрашенная чёрной матовой (не глянцевой!) краской. А если краска будет белой, мощность излучения будет ниже. Но эстетические соображения обычно берут верх, и батареи (открытые) обычно красят светлыми красками.

Чёрные радиаторы также свободно можно найти в продаже

Комментарий

Сергей Харитонов

Ведущий инженер по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха ООО «ГК «Спецстрой»

Задать вопрос

«Физика прямо доказывает эффективность окраски радиатора в тёмные цвета, но всё это относится к идеальным условиям эксплуатации. Напомню, что в обычных водяных батареях преобладает конвективный теплообмен и на него цвет никак не влияет. Кроме этого, нужно быть уверенным в качестве работы всей системы отопления. Если вам в радиатор приходит 30°С, то крась не крась, толку не будет. Ну и не стоит забывать про эстетическую составляющую. Готовы ли вы каждый день созерцать чёрные «гробы» ради нескольких десятков лишних ватт?»

 Выводэффективно, но требует идеальных условий эксплуатации.

Изменение способа подключения радиатора

Знакома ли вам ситуация, когда половина батареи имеет высокую температуру, а половина холодная? Чаще всего в этом случае виноват способ подключения. Взгляните как работает прибор при одностороннем подключении радиатора с подачей теплоносителя сверху.

Обратите внимание, насколько хуже работают дальние секции

Теперь взглянем на схему одностороннего подключения с подачей теплоносителя снизу.

Видим тот же самый эффект

А вот двухстороннее подключение с подачей сверху и снизу.

Видим тот же самый эффектВидим тот же самый эффект

Если вы обнаружили у себя одну из представленных выше схем, то вам не повезло. Самым рациональным с точки зрения эффективности работы является диагональное подключение с подачей сверху.

Вся теплообменная площадь радиатора прогревается равномерно, радиатор работает на полную мощность

И как же быть в том случае, когда разводку труб менять не хочется или же невозможно? В этом случае мы можем посоветовать приобрести радиаторы, имеющие в своей конструкции некоторую хитрость. Эта специальная перегородка между первой и второй секцией, меняющая направление движения теплоносителя.

Специальная заглушка превращает нижнее двухстороннее подключение в нужное нам диагональное с верхней подводкойА этот вариант подходит для верхнего двухстороннего подключения

В случае одностороннего подключения показали свою эффективность специальные удлинители потока.

Принцип работы удлинителя потока

Существуют устройства и для оптимизации одностороннего нижнего подключения, но думаем общий принцип вам теперь стал ясен.

Комментарий

Сергей Харитонов

Ведущий инженер по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха ООО «ГК «Спецстрой»

Задать вопрос

«Способ подключения является одним из самых эффективных способов повысить теплоотдачу батареи или, если точнее выразиться, заставить радиатор работать так, как он должен. По понятным причинам такие вещи лучше всего предусматривать на этапе проектирования отопительной системы, чтобы не ломать голову потом. Ведь любая переделка потребует отключения стояка, навыков слесаря или денежных затрат, а в некоторых случаях и согласования с ЖЭКом.»

 Вывод:  эффективно на 100%.

В заключение

Как мы уже успели убедиться, почти все способы в той или иной степени способствуют улучшению температурного режима. Какие-то обязательны к внедрению, какие-то дадут очень маленький эффект. Но ведь и море состоит из капель:) Если вы знаете ещё способы улучшения эффективности работы батарей, то милости просим в комментарии.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? Поддержите нас и поделитесь с друзьями

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

BU-806a: Как нагрев и нагрузка влияют на срок службы батареи

Узнайте о температуре и о том, как режим «старт-стоп» сокращает срок службы стартерной батареи

Тепло убивает все аккумуляторы, но высоких температур не всегда можно избежать. Это в случае с аккумулятором внутри ноутбука, стартерным аккумулятором под капотом автомобиля и стационарными аккумуляторами в жестяном укрытии под жарким солнцем. Как правило, каждое повышение температуры на 8°C (15°F) сокращает срок службы герметичной свинцово-кислотной батареи вдвое.Это означает, что батарея VRLA для стационарных приложений, срок службы которой составляет 10 лет при температуре 25°C (77°F), прослужит только 5 лет при постоянном воздействии температуры 33°C (92°F) и 30 месяцев при постоянном хранении в пустыне. температура 41°C (106°F). Если батарея повреждена теплом, ее емкость не может быть восстановлена.

Согласно исследованию режима отказа BCI 2010 года, стартерные батареи стали более термостойкими. В исследовании 2000 года повышение температуры на 7 ° C (12 ° F) повлияло на срок службы батареи примерно на один год; в 2010 году допустимая температура была увеличена до 12 ° C (22 ° F).Другие статистические данные показывают, что в 1962 году стартерная батарея работала 34 месяца; технические усовершенствования увеличили ожидаемую продолжительность жизни в 2000 году до 41 месяца. В 2010 году BCI сообщила, что средний возраст стартерных батарей составляет 55 месяцев, при этом на более прохладном севере этот показатель составляет 59 месяцев, а на более теплом юге — 47 месяцев. Разговорные свидетельства в 2015 году показали, что батарея, хранящаяся в багажнике автомобиля, прослужила на один год дольше, чем если бы она находилась в моторном отсеке.

Срок службы батареи также зависит от активности, и срок службы сокращается, если батарея подвергается нагрузке с частыми разрядами.Проворачивание двигателя несколько раз в день создает небольшую нагрузку на стартерную батарею, но это меняет принцип старт-стоп микрогибрида. Микрогибрид выключает двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на красный свет светофора и перезапускает его, когда движение снова начинается, что приводит к примерно 2000 микроциклов в год. Данные, полученные от производителей автомобилей, показывают падение мощности примерно до 60 процентов после 2 лет использования. Для увеличения срока службы автопроизводители используют специальные системы AGM и другие системы (см. BU-211: Альтернативные аккумуляторные системы)

.

На рис. 1 показано падение емкости со 100 процентов до примерно 50 процентов после того, как батарея подверглась воздействию 700 микроциклов. Имитация старт-стоп теста была проведена в лабораториях Cadex. CCA остается высоким и показывает снижение только примерно после 2000 циклов.

Рис. 1. Падение емкости стартерной батареи в конфигурации «старт-стоп» [1]
Через 2 года эксплуатации емкость падает примерно на 50 процентов. Аккумулятор AGM более надежен.
Метод испытаний:

Батарея была полностью заряжена, а затем разряжена до 70 %, что напоминает SoC микрогибрида в реальной жизни.Затем аккумулятор был разряжен током 25 А в течение 40 секунд, чтобы имитировать выключенный двигатель при включенных фарах. Для имитации запуска и вождения аккумулятор был кратковременно разряжен при токе 400 А, а затем перезаряжен. CCA был получен с помощью Spectro CA-12.

При последовательном соединении напряжение каждой ячейки должно быть одинаковым, и это особенно важно в больших стационарных аккумуляторных системах. Со временем отдельные элементы выходят из строя, но применение уравнительного заряда каждые 6 месяцев или около того должно вернуть элементы к одинаковым уровням напряжения. (См. BU-404: Уравнительный заряд.) Что делает эту услугу такой сложной, так это предоставление правильного средства правовой защиты для каждой ячейки. В то время как выравнивание будет стимулировать нуждающиеся клетки, здоровая клетка будет подвергаться стрессу, если выравнивающий заряд применяется небрежно. Гелевые и AGM-аккумуляторы менее восприимчивы к перезарядке, чем залитые версии, и к ним применяются другие условия выравнивания.

Залитые свинцово-кислотные аккумуляторы являются одной из самых надежных систем и хорошо подходят для жаркого климата. При хорошем уходе эти батареи служат до 20 лет.К недостаткам можно отнести необходимость полива и хорошего проветривания.

Когда в 1980-х годах были представлены VRLA, производители заявляли, что ожидаемый срок службы такой же, как у затопленных систем, и телекоммуникационная отрасль была склонна перейти на эти необслуживаемые батареи. К середине 1990-х годов стало очевидно, что срок эксплуатации ВРЛА не соответствует затопленному типу; типичный срок службы VRLA составляет 5–10 лет, что составляет менее половины затопленного эквивалента. Кроме того, было замечено, что воздействие на батареи VRLA температур выше 40°C (104°F) может привести к тепловому разгону из-за высыхания.

Неисправности автомобильных аккумуляторов в Северной Америке

В 2005 году Douglas, East Penn., Exide Technologies и Johnson Controls провели исследование режимов отказа. Пул образцов батарей включал 2681 батарею, протестированную в период с 2003 по 2004 год. Основные моменты включают:

батареи.
  • Срок службы батареи в среднем составил 50 месяцев. Это улучшение по сравнению с предыдущими годами, когда было всего 41 месяц (2000 г.) и 34 месяца (1962 г.). Улучшенные материалы продлевают срок службы батареи.
  • Северные и южные районы Северной Америки имеют разную продолжительность жизни.Батареи в более теплом климате разряжаются раньше, чем в более прохладных регионах. См. Рисунок 2 .
  • Короткое замыкание ячеек и сбои в сети являются основными причинами сбоев аккумуляторов в этом опросе.
Рис. 2. Режим отказа в зависимости от региона и температуры [2]
Батареи, используемые в северной части Северной Америки, служат дольше, чем батареи на юге.

Отказ аккумуляторной батареи в Европе

На Рисунке 3 показано распределение отказов более чем 800 стартерных аккумуляторов AGM, проведенное Johnson Controls Power Solutions EMEA.Результаты были представлены на выставке AABC Europe 2017 в Майнце, Германия.

Рис. 3: Анализ типов отказов в Европе [3]
Крупнейшим отказом является массовый износ в зависимости от использования, отражающийся в уменьшении емкости и увеличении внутреннего сопротивления.

В таблице 1 приведены причины отказа, полученные в результате исследования JCI.

Соотношение Причина Диагностика
47. 8% Массовый износ, нормальная эксплуатация Потеря емкости, повышение сопротивления. Оценка емкости наиболее предсказуема
23% Батарея разряжена Использование вольтметра в разомкнутой цепи, когда батарея разряжена
14,6% Неисправность не обнаружена Улучшенные методы испытаний возвращают эти батареи в эксплуатацию
12,5% Высокое внутреннее сопротивление Может быть идентифицирован с помощью тестеров батарей, измеряющих внутреннее сопротивление
1.6% Контейнер поврежден В большинстве случаев ремонту не подлежит
0,5% Производственный брак Производители утверждают, что большинство гарантийных причин вызваны пользователем.
Таблица 1. Процентная доля причин отказа более 800 аккумуляторов AGM по истечении срока службы

Приведенное выше исследование JCI, определяющее окончание срока службы аккумуляторов, дает результаты, аналогичные результатам теста, проведенного немецким производителем автомобилей класса люкс примерно в 2007 г. с участием 175 стартерных аккумуляторов.В этом испытании батареи, вышедшие из строя из-за перегрева (высокое внутреннее сопротивление), были исключены, а результаты были нанесены на график Рисунок 4 . Горизонтальная ось представляет емкость; внутреннее сопротивление, соответствующее CCA, отложено по вертикальной оси. CCA измеряли в соответствии со стандартами DIN и IEC.

Окончание срока службы большинства батарей происходит при переходе через линию емкости, расположенную слева от зеленого поля в Рисунок 4 . Очень немногие батареи вышли из строя из-за падения через линию CCA.Исчезновение емкости происходит при нормальном использовании в основном из-за потери активной массы. Вспомогательное питание, такое как старт-стоп, нагревательные элементы и механическое управление дверью, ускоряют потерю мощности. Повышенное внутреннее сопротивление является побочным эффектом активной потери массы, но оценка емкости является более надежным предиктором окончания срока службы. Это выделено серой точкой с сидящими батареями. См. также: BU-806: Отслеживание емкости и сопротивления батареи в рамках процесса старения

Рис. 4: Емкость и CCA 175 стареющих стартерных аккумуляторов

Большинство аккумуляторов проходят через линию емкости; немногие терпят неудачу из-за низкого CCA.Аккумуляторы устанавливались на багажнике и эксплуатировались в умеренном климате.

Примечание: Тест был проведен немецким производителем автомобилей класса люкс. Аккумуляторы, поврежденные тепловым воздействием, были устранены.

Метод испытаний: Емкость и CCA были испытаны в соответствии со стандартами DIN и IEC.

Комментарии

Некоторые производители тестеров аккумуляторов заявляют, что измеряют емкость, считывая только внутреннее сопротивление. Рекламные функции, выходящие за рамки возможностей оборудования, сбивают промышленность с толку, заставляя поверить в то, что сложные тесты можно проводить с помощью базовых методов. Приборы, основанные на сопротивлении, могут идентифицировать умирающую или разряженную батарею, но то же самое может сделать и пользователь по плохой производительности запуска. См. также BU-905: Проверка свинцово-кислотных аккумуляторов

.

Каталожные номера

[1] Предоставлено Cadex, 2010
[2] Источник: Опрос, проведенный Douglas, East Penn., Exide Technologies и Johnson Controls Controls Power Solutions EMEA на выставке AABC Europe 2017 в Майнце, Германия

Батарейки в портативном мире

Материал по Battery University основан на обязательном новом 4-м издании « Аккумуляторы в портативном мире — Справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров », который доступен для заказа через Amazon.ком.

Исследование характеристик рассеивания тепла литиевой батареи Пространственное расположение AUV

Для удовлетворения потребностей в мощности автономных подводных аппаратов (AUV) источник питания обычно состоит из большого количества групп литиевых батарей высокой энергии. Свойства рассеивания тепла литиевой батареи не только влияют на характеристики подводного аппарата, но и несут некоторые риски для безопасности. Основываясь на широком применении литиевых батарей, литиевые батареи в AUV взяты в качестве примера для исследования характеристик рассеивания тепла пространственной компоновки литиевой батареи в AUV.С целью повышения безопасности литиевых аккумуляторов разработана модель процесса теплопередачи на основе уравнения сохранения энергии, а также проанализированы характеристики теплоотвода аккумуляторов пространственной компоновки. Результаты показывают, что наиболее подходящее расстояние между ячейками и перекрестное расположение лучше, чем последовательное расположение с точки зрения характеристик охлаждения. На температурный градиент и изменение температуры внутри кабины во времени в первую очередь влияет скорость плавания, но они мало связаны с температурой окружающей среды.

1. Введение

Поскольку автономные подводные аппараты (AUV) развиваются в направлении увеличения дальности и высокой скорости, для обеспечения навигации срочно требуется все больше энергии. Поскольку электрохимические реакции, происходящие в литий-ионных батареях, будут генерировать тепло, батарейный отсек автономных подводных аппаратов долгое время работает на крупномасштабных интегрированных литий-ионных батареях в ограниченном пространстве, и поэтому будут существовать проблемы с безопасностью и надежностью.В [1] тепло можно разделить на две части. С одной стороны, в аккумуляторной кабине происходит накопление тепла, так как тепло от аккумуляторной батареи не может своевременно отводиться. С другой стороны, аккумуляторная батарея, излучающая тепло неравномерно, вызовет локальную разницу температур, что приведет к неравномерной работе между батареями и, в конечном итоге, повлияет на общую производительность батарей.

В настоящее время отечественные и зарубежные ученые сосредоточили внимание на проблеме безопасности АНПА, использующих группу литиевых батарей, для проведения соответствующих исследований.В работах [2–7] проведено исследование стратегии управления тепловым балансом литиевой батареи и системы терморегуляции, рассчитанной на непостоянное влияние срока службы батареи. В работах [8–10] методом теплопередачи жидкость-твердое тело было использовано для создания математической физической модели процесса теплопроводности внутренней части аккумуляторной кабины АНПА применительно к задаче охлаждения батареи АНПА. Кроме того, ток разряда батареи и теплопроводность корпуса батареи навигационных устройств также были проанализированы в [11], в которой использовалось программное обеспечение для анализа методом конечных элементов ANSYS для анализа температурного поля группы литиевых батарей АНПА и обсуждения влияния разного времени разрядки. и граничные условия на поле температуры батареи.В [12] был выполнен анализ стационарного теплового моделирования кабины аккумуляторной батареи АНПА в соответствии с процессом теплопередачи ключевой точки пассивного теплового контроля конструкции конструкции. Что касается тепловых аспектов аккумуляторов в исследовательских работах, основное внимание уделяется электроэнергетике для транспортных средств на новых источниках энергии. В [13] была создана модель крупногабаритного аккумуляторного блока для исследования рассеивания тепла аккумуляторным блоком; в первую очередь он сосредоточился на области электроэнергии для транспортных средств на новой энергии.В работах [14, 15] была создана модель прогнозирования производительности литиевых батарей для электромобилей, и было проанализировано влияние различных групп на производительность батареи в том же режиме охлаждения с 9 одноэлементными батареями, что и батарея. пакет. Кроме того, с использованием принудительного воздушного охлаждения и материалов с фазовым переходом была проанализирована эффективность охлаждения аккумуляторной батареи силового автомобиля на основе метода вычислительной гидродинамики в [16, 17]. Подходящая модель батареи необходима для правильного проектирования и эксплуатации аккумуляторных систем с использованием BMS.Доступны несколько подходов к моделированию: эмпирические модели, статистические модели и электрические модели [18, 19]. В [20] исследовалось локальное тепловыделение в ячейке литий-ионного аккумулятора с одним блоком в зависимости от скорости и состояния заряда (SOC). В [21] комбинированная модель использовалась для изучения тепловыделения и тепловыделения, а также их влияния на температуру аккумуляторной батареи с вентилятором и без него при разряде постоянным и переменным током на основе вождения электромобиля (EV). циклы.

Существующие исследования в основном сосредоточены на разработке системы контроля теплового баланса батареи. Что касается исследований схемы охлаждения батареи AUV, анализы проводились только для навигации в пределах температурного поля аккумуляторного отсека, но существует мало связи с исследованиями структурной схемы по тепловым характеристикам аккумуляторной батареи. Кроме того, по сравнению с электромобилями аккумуляторная кабина АНПА представляет собой закрытое компактное пространство, и использование общепринятых методов охлаждения, таких как охлаждение холодным ветром и растворителем, ограничено.Теплопроводность аккумуляторной батареи может быть достигнута только через корпус аккумуляторной батареи и морскую воду, и связанные с этим физические проблемы заключаются в том, как реализовать охлаждение батареи за счет воздушного потока, вызванного локальными колебаниями температуры внутри аккумуляторной кабины и теплопроводящей конструкции.

Основной вклад этой статьи состоит в двух аспектах: (i) мы анализируем процесс теплообмена аккумуляторной батареи транспортного средства и устанавливаем модель естественной конвекции и теплообмена для замкнутого пространства аккумуляторного отсека и (ii) мы исследуем тепло передаточные характеристики литиевых батарей в различных пространственных распределениях.

2. Моделирование пространства литиевой батареи АНПА с внешним охлаждением

В соответствии с внутренней структурой аккумуляторной кабины АНПА и теоретическими знаниями о теплопередаче тепло, передаваемое от батареи внешней морской воде, можно обобщить в виде следующих трех аспекты теплопроводности. Первая часть теплопроводности включает в себя тепло, выделяемое аккумуляторной батареей, и процесс теплообмена между аккумуляторной кабиной и стенкой корпуса. Вторая часть процесса теплопроводности происходит между стенкой корпуса кабины и наружной стенкой корпуса.Наконец, третья часть теплопроводности – аккумуляторный теплообмен между наружной стенкой корпуса кабины и забортной водой. Процедура показана на рис. 1.


Для облегчения анализа распределения температуры в аккумуляторной кабине при различных условиях работы процесс теплообмена в аккумуляторной кабине был выдвинут и упрощен следующим образом: (1) Концы аккумуляторная кабина и внутренний аккумуляторный блок изолированы.(2)Распределение температуры внутри аккумуляторной кабины и аккумуляторного блока изменяется только в радиальном направлении и остается практически неизменным в осевом направлении.(3) Когда аккумуляторная кабина работает, тепловые параметры со временем не меняются.

На основании проведенного анализа модель теплоотвода замкнутого пространства аккумуляторной кабины эквивалентна задачам о постоянных свойствах, внутреннем источнике тепла и трехмерном нестационарном теплообмене.

2.1. Батарея внутри модуля Тепловой анализ

Внутренний процесс теплопередачи в литиевой батарее можно упростить до обычного физического трехмерного нестационарного процесса теплопередачи внутри источника тепла. По этой причине уравнение внутренней энергии литий/тионилхлоридной батареи может быть выражено как Граничные условия: где – скорость тепловыделения в общей батарее (), – теплопроводность батареи (Вт/(м·К)), – плотность батареи (), – число Био, – удельная теплоемкость батареи (Дж/(кг·К)), – диаметр батареи.

Если число Био батареи меньше 0,1 в условиях естественной конвекции, можно считать, что внутренняя температура батареи распределена приблизительно равномерно.По гипотезе Бернарди скорость тепловыделения в одиночной батарее постоянна, что можно приблизительно выразить следующим образом: где — объем одиночной батареи (), — напряжение холостого хода батареи (), — разряд напряжение батареи, внутреннее сопротивление батареи (), радиус батареи (), и ток одной батареи.

Тепловая конвекция отдельных ячеек происходит в основном за счет воздушной конвекции и радиационного теплообмена в соответствии с уравнением идеального газа: Плотность воздуха равна

Как показано вышеприведенным уравнением, изменение температуры может вызвать изменение плотности воздуха в аккумуляторная кабина, а естественная конвекция образуется под действием силы тяжести. Без учета влияния объемной силы и силы вязкости уравнение сохранения импульса воздуха в аккумуляторной кабине можно выразить следующим образом: где – кинематическая вязкость воздуха (Па·с), – ускорение свободного падения (9,8 м/с), – молярная масса воздуха, давление воздуха () и температура воздуха ().

Интегральное уравнение сохранения энергии в виде уравнения работы кабины аккумуляторной батареи можно выразить следующим образом: где — полное тепло, выделяемое аккумуляторной батареей (), — теплота, отводимая от аккумуляторной кабины наружу ( ), а – тепло, поглощаемое аккумуляторной кабиной ().

Теплопередача между аккумуляторной батареей и стенкой транспортного средства в основном за счет естественной конвекции воздуха, а тепло, выделяемое аккумуляторной частью, рассеивается в окружающую среду через кожух. Другая часть тепла поглощается корпусом автомобиля, что приводит к повышению температуры аккумуляторной кабины. Цель данного исследования направлена ​​на увеличение доли и снижение доли , тем самым снижая температуру аккумуляторного модуля: Граничные условия где — площадь теплопередачи внутренней стенки автомобиля (), — объем воздуха внутри аккумуляторной кабины (), – плотность воздуха (), – удельная теплоемкость воздуха (Дж/(кг·К)), – теплопроводность корпуса автомобиля (Вт/(м·К)), – коэффициент конвективной теплоотдачи воздуха в аккумуляторной кабине (Вт/(м 2 ·k)), температура забортной воды (°С), начальная температура в аккумуляторной кабине (°С).

2.2. Теплообмен между внутренней и наружной стенками аккумуляторного отсека

Теплопередачу от внутренней стены к наружной стенке аккумуляторного отсека можно рассматривать как теплопроводность цилиндрической стенки, которую можно выразить следующим образом:где тепла через переборку и водообмен (), – площадь теплопередачи внутренней стенки (), – эквивалентная теплопроводность стенки батареи (Вт/(м·К)), – температура внутренней части батареи. стенка (°С).

2.3. Теплообмен между наружной стенкой корпуса ТС и забортной водой

При подводном движении между наружной стенкой аккумуляторной кабины и забортной водой происходит вынужденный конвекционный теплообмен, который можно выразить следующим образом: где происходит теплообмен между аккумуляторной кабиной и морской воды (), – площадь теплопередачи внутренней стенки (), – наружный диаметр корпуса транспортного средства (), – температура наружной стенки (°C), – температура морской воды (°C), – коэффициент принудительной конвекции между наружной стеной и морской водой (Вт/(м 2 ·К)).

Коэффициент вынужденной конвекционной теплопередачи между наружной стенкой и морской водой связан со скоростью движения, которую можно определить по числу Рейнольдса и числу Нуссельта конвективной теплопередачи между наружной стенкой и морской водой: Без учета потока морской воды, где – теплопроводность морской воды (Вт/(м·К)), – число Нуссельта конвективного теплообмена между корпусом ТС и забортной водой, Re – число Рейнольдса конвективного теплообмена между корпусом ТС и забортной водой, Pr – Число Прандтля морской воды, кинематическая вязкость морской воды (), относительная скорость () между морской водой и транспортным средством, барицентрическая скорость транспортного средства () и характерная длина аккумуляторной кабины ().

3. Анализ влияния пространства и расположения на характеристики теплоотвода аккумуляторной батареи

На основе внешней тепловой модели литий-ионной аккумуляторной батареи для подводного космического пространства и поскольку аккумуляторный отсек АНПА представляет собой замкнутое и компактное пространство, Большое значение имеет расстояние между батареями и комбинирование типов для распределения температурного градиента внутри аккумуляторного отсека. В этой статье в качестве примера для анализа ячеек с разным пространством и разными перестановками выбрана литий-тионилхлоридная батарея с обмоткой под названием 18650.Численные параметры, связанные с одной батареей 18650, отображаются в таблице 1.

7 0,03-0,06

Value
Диаметр [M] 0,018
Длина [м] 0,065
Вес [кг] 0,048
Внутреннее сопротивление []
Плотность [кг · м -3 ] 2900
Удельная теплоемкость [J · KG -1 · K -1 · K -1 ] -1 ] -1 ] 100013 9013
Эквивалентная теплопроводность [W · M -1 · K -1 ] 3
Номинальное напряжение [В] 3. 3.1. Влияние расстояния между батареями на температурное поле блока батарей

Область описывается с помощью треугольных элементов, общее количество которых составляет приблизительно 20 000. Ближайшие к профилям батарей сетки уточнялись треугольными граничными элементами для достаточно точного описания граничного течения. Расстояние между двумя соседними ячейками одинаково, а расстояние между границей и батареями остается постоянным.Расстояния между батареями постоянно изменяются при условии формы и постоянного количества батарей.

С 5 одиночными батареями 18650 в качестве объектов изучается пространство между батареями (). Температура аккумуляторного отсека определяется при значениях , , , , , , , , , и (где – диаметр аккумулятора). Распределение температуры показано на рис. 2.

В таблице 2 представлены перепады температур внутри батарейного отсека при расположении батарей на разном расстоянии между ячейками.Вариации в отсеке температур в батарейном отсеке с различными расстояниями клетки показаны на рисунке 3.

9017

Размер ячейки (M)
Значение разности температур (°C) 0,68 0,63 3 1,59 9056 0.53 0.51 0.51 0.51 0.50 0.49 0.48 0.47 0,47

5

Таблица 2 и Рисунок 3 показывают, что в качестве расстояния между батареями увеличивается, внутренний градиент температуры постепенно снижается. Изменение температуры внутри батарейного отсека стабильно, и температура снижается на 0,01°C при увеличении расстояния между батареями, от .Поэтому оптимальное расстояние между батареями равно .

3.2. Влияние расположения батарей на температурное поле аккумуляторной батареи

Исходя из наиболее подходящего расстояния () батареи внутри модели, 15 одиночных батарей 18650 разделены на три части как объекты, каждая из которых состоит из 5 батарей и расстояние между батареями . В данной работе исследуется влияние последовательного и перекрестного расположения аккумуляторов на температурное поле аккумуляторной батареи.Первый ряд и третий ряд аккумуляторной батареи перемещаются влево на , а второй ряд перемещается вправо на . Распределение температурного поля в аккумуляторной батарее показано на рисунке 4.


(a) Последовательное расположение
(b) Перекрестное расположение
(a) Последовательное расположение
(b) Перекрестное расположение

Рисунок 4 показывает, что разница температур между аккумуляторными блоками составляет 1,19°C при последовательном расположении, а разница температур между аккумуляторными блоками равна 1. 06°C при поперечном расположении. Сравнение двух наборов данных показывает, что перекрестное расположение лучше, чем последовательное, с точки зрения температурного градиента.

4. Пространственное расположение аккумуляторной батареи подводного аппарата Анализ теплового моделирования

На основе предыдущего обсуждения возьмите батареи, расположенные крестообразно. Кроме того, выберите расстояние между батареями как ; команда проекта разработала для исследования литиевую батарею определенного типа (рис. 5).Изучена пространственная структура его батареи и компоновочное решение. Кроме того, проводится моделирование распределения температуры в аккумуляторном отсеке АНПА при разных скоростях и различной температуре моря для исследования влияния скорости автомобиля и температуры воды на распределение температуры в кабине.


4.1. Пространственная схема конструкции аккумуляторной батареи подводного аппарата

Некоторые технические характеристики трансмиссии подводного аппарата показаны в Таблице 3. Согласно оценкам энергии, для силовой батареи требуется не менее 189 батарей при использовании литий-тионилхлоридных батарей 18650.

17 30 7 9013 9017
82

Value
9013
Полет 70 км
Power 180 W
Рабочее напряжение 21 V ~ 30 V





Формула для расчета количества батарей следующее: где требуется количество батарей, это перелет (), мощность АНПА (), скорость АНПА (), номинальное напряжение батареи 18650 (), номинальная емкость батареи 18650 ().

Аккумуляторный блок состоит из 189 аккумуляторов, разделенных на 7 последовательных групп, по 27 параллельных аккумуляторов в каждой группе. Аккумуляторный блок был установлен в аккумуляторной кабине диаметром 200 мм для обеспечения рабочего напряжения от 21 до 30 В.Конструкцию см. на Рисунке 6.


4.2. Анализ теплового моделирования литиевой батареи АПА

Согласно допущениям анализа, модель рассеивания тепла замкнутого пространства аккумуляторной кабины эквивалентна задачам о постоянных свойствах, внутреннем источнике тепла и двумерном нестационарном теплообмене.Поперечное сечение аккумуляторной кабины было взято в качестве области расчета, а программа предварительной обработки ANSYS использовалась для построения модели анализа методом конечных элементов путем выбора типа ячейки, определения параметров материала, геометрического моделирования и генерации ячейки.

Область описана треугольными элементами, общее количество которых приблизительно равно 72 000. Общее количество узлов составляет примерно 7300, а некоторые сетки, наиболее близкие к профилям батарей и навигационной оболочки, были уточнены треугольными граничными элементами для достаточно точного описания пограничного течения. Сетка модели была разделена, как показано на рисунке 7.


4.2.1. Влияние скорости плавания на изменение температуры внутри батарейного отсека во времени

Батареи для подводных кабин имеют разный нагрев в единицу времени при плавании с разной скоростью. После анализа направление, в котором транспортное средство испытывает сопротивление (направление скорости центра тяжести), противоположно направлению навигации. А именно, линия скорости находится в направлении, противоположном оси -.Безразмерные коэффициенты могут быть выражены как Мощность транспортного средства может быть выражена следующим образом: где — сопротивление транспортного средства, — коэффициент сопротивления, — плотность забортной воды, — максимальная площадь поперечного сечения транспортного средства.

Таким образом, ток через одну батарею есть где выходная мощность одной батареи () и ее номинальное напряжение (). это общее количество аккумуляторных элементов в организме.

Видно, что тепловыделение одной батареи связано со скоростью автомобиля. Выберите скорость транспортного средства 4 узла, 5 узла и 6 узла. Рабочие параметры батарей при различных скоростях приведены в таблице 4.

50 7 90 Вт/м


Скорость/кн Ток одиночной батареи/А Поверхностный коэффициент теплопередачи · K)) Тепловая скорость (w / m 3 )

4 0,27 1564 1564 172
5 0.52 2854 655
6 0,90 4094 4094 4094 1958 1958

После разряда батарей анализ моделирования показывает, что распределение температуры в аккумуляторная кабина показана на рис. 4 при температуре морской воды 15°C и скорости хода 4 узла, 5 узла и 6 узла. При этом кривая изменения максимальной температуры во времени представлена ​​на рисунке 8.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая зависимости максимальной температуры аккумуляторного отсека от времени показана на рис. 9.


Как показано на рис. время 10 ч. При скорости хода 4 узла разница температур составляет 1,58°С; при скорости 5 узл разница температур 4,60°С; а при скорости 6 узл разница температур составляет 10,96°С.

Таким образом, по мере увеличения скорости автомобиля максимальная температура внутри аккумуляторного отсека увеличивается, и соответственно увеличивается перепад температур.Причины этого явления сводятся к следующему: по мере увеличения скорости подводного аппарата тепловыделение больше, и в единицу времени выделяется больше тепла. Поскольку коэффициент поверхностной теплопередачи невелик, выделение тепла аккумулятором в единицу времени меньше, чем распределение тепла в корпусе в единицу времени, что приводит к увеличению концентрации тепла и максимальной температуры. Кроме того, минимальной температурой всегда является температура окружающей среды, которая остается неизменной, а температура аккумуляторного отсека увеличивается по мере увеличения скорости автомобиля.

4.2.2. Влияние различных температур окружающей среды на батарею внутри кабины Зависимость температуры от времени

Для точности выберите навигационные скорости 4 узла, 5 узла и 6 узла, чтобы изучить влияние температуры морской воды на распределение температуры внутри аккумуляторной кабины, когда температура воды 10°C, 15°C и 20°C соответственно.

После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что при крейсерской скорости транспортного средства 4 узла температура морской воды составляет 10°C, 15°C и 20°C, а также показано распределение температуры в аккумуляторном отсеке. на рисунке 10.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека в зависимости от времени показана на рисунке 11. Как показано на рисунках 10 и 11, после того, как подводный аппарат движется со скоростью 4 узла и непрерывно работает в течение 10 часов, разница температур внутри батарейного отсека составляет 1,57°C при температуре воды 10°C; разница температур внутри аккумуляторного отсека составляет 1,58°C при температуре воды 15°C; а разница температур внутри аккумуляторного отсека составляет 1.59°C при температуре воды 20°C.


После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что при крейсерской скорости транспортного средства 5 узлов температура морской воды составляет 10°C, 15°C и 20°C, а распределение температуры в аккумуляторном отсеке показана на рис. 12.

После непрерывной разрядки в течение 10 ч кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека в зависимости от времени показана на рис. 13. Как показано на рис. непрерывно работает в течение 10 ч, разница температур внутри батарейного отсека составляет 4.55°C при температуре воды 10°C; разница температур внутри аккумуляторного отсека составляет 4,60°C при температуре воды 15°C; а разница температур внутри батарейного отсека составляет 4,65°C при температуре воды 20°C.


После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что при крейсерской скорости транспортного средства 6 узлов температура морской воды составляет 10 °C, 15 °C и 20 °C, а распределение температуры в аккумуляторном отсеке показано на рисунке 14.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов максимальная температура внутри аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 15. Как показано на рисунках 14 и 15, после того, как подводный аппарат движется со скоростью 6 узлов и непрерывно работает в течение 10 часов , разница температур внутри батарейного отсека составляет 10,84°C при температуре воды 10°C; разница температур внутри аккумуляторного отсека составляет 10,96°C при температуре воды 15°C; а разница температур внутри батарейного отсека составляет 11.07°C при температуре воды 20°C.


Подводя итог, можно сказать, что температура воды практически не влияет на разницу температур внутри аккумуляторных отсеков. Причины этого явления сводятся к следующему: скорость тепловыделения аккумуляторов в единицу времени и коэффициент вынужденной конвекции теплообмена между наружной стенкой корабля и забортной водой неизменны и практически эквивалентны при постоянной скорости движения. При повышении температуры забортной воды общая температура в аккумуляторной кабине увеличивается, но разница температур практически не меняется.

5. Заключение

В этой статье, используя теоретический анализ в сочетании с реальной ситуацией и конечно-элементным программным обеспечением ANSYS, мы устанавливаем пространство литиевых батарей для подводной тепловой модели. Затем мы изучаем пространственное расположение тепловых характеристик и делаем следующие выводы: (1) Существует корреляция между температурой подводного батарейного отсека и расстоянием между батареями. По мере увеличения расстояния между батареями градиент температуры постепенно меняется, а при достижении определенного порога градиент постепенно стабилизируется. (2) Различные перестановки и комбинации между батареями влияют на температурный градиент. Перекрестное расположение лучше, чем последовательное, с точки зрения температурного градиента. (3) Скорость плавания влияет на изменение температурного градиента и максимальной температуры внутри аккумуляторной кабины с течением времени. Чем больше скорость и ток разряда аккумуляторов, тем больше тепла они выделяют. Затем температура увеличивается быстрее, и требуется меньше времени для достижения стационарного состояния.(4) Повышение температуры забортной воды может привести к повышению общей температуры в аккумуляторной кабине. Однако это почти не влияет на градиент температуры и однородность.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC) в рамках гранта 51509205 и Китайским фондом естественных наук провинции Шэньси 2015JQ5136.

Решение проблем с нагревом батареи с помощью теплопередачи

Аккумуляторные технологии являются неотъемлемой частью нашей жизни: от смартфонов до массивных электрохимических систем хранения энергии и от гибридных автомобилей до полностью электрических самолетов наша зависимость от аккумуляторов постоянно растет. Однако эта технология далека от совершенства, и оптимизация конструкции аккумуляторов, особенно с точки зрения регулирования температуры и теплопередачи, сегодня является ключевой задачей для инженеров и производителей.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи являются лучшими перезаряжаемыми батареями, доступными на сегодняшний день, они имеют два основных недостатка: (1) они разлагаются, хотя и медленно, и (2) они очень чувствительны к теплу. В этой статье мы сосредоточимся на втором аспекте — более конкретно, мы рассмотрим использование численного моделирования для понимания управления температурным режимом и теплопередачи в аккумуляторных технологиях. Хотя большая часть следующего обсуждения касается аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, оно применимо к любой технологии, использующей литий-ионную технологию.

Производительность и срок службы батареи зависят, среди прочего, от конструкции батареи, используемых материалов и рабочей температуры. Для аккумуляторных батарей, используемых в электрических или гибридных транспортных средствах, рабочая температура (обычно в диапазоне 20–35 °C) имеет решающее значение для обеспечения максимальной эффективности. Работа при более низких температурах влияет на емкость, а при более высоких температурах сокращается срок службы. Отчеты показывают, что пробег электромобилей может снизиться на целых 60%, когда температура окружающей среды падает ниже -6 °C, и примерно на 50% при эксплуатации при температуре 45 °C.Еще одним фактором, влияющим на срок службы аккумуляторных батарей, является распределение внутренней температуры. Разница более чем примерно в 5 °C в ячейке/модуле (многие из которых могут быть внутри упаковки) снижает общий срок службы, а также емкость. На рис. 01 показано распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке.

Рис. 01: Распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке. Температура отображается в Кельвинах. (Источник: общественные проекты SimScale)

Как показано, в нормальных условиях температура может находиться в диапазоне от 25 °C до 35 °C.Без сомнения, тепловое поведение аккумуляторов в реальных условиях эксплуатации оказывает сильное влияние на их полезность в разных приложениях, поэтому поддержание эффективного и точного управления температурным режимом имеет первостепенное значение.

Обзор подхода, основанного на моделировании

Численное моделирование систем управления температурным режимом зарекомендовало себя как отличный способ разработки и улучшения конструкции батареи при значительно меньших затратах, чем физические испытания.Четко определенный и продуманный подход к моделированию может помочь точно предсказать тепловую физику внутри батареи и, следовательно, может выступать в качестве полезного инструмента на ранних этапах процесса проектирования.

Для оценки тепловых характеристик аккумуляторной батареи использовалось множество различных имитационных моделей — от простых моделей с сосредоточенной емкостью на одном конце спектра до полноценных трехмерных имитационных моделей на другом. Однако все эти модели построены с использованием одних и тех же основных частей основного уравнения баланса энергии: (а) Каковы источники выработки тепла? (b) Каковы геометрические и тепловые свойства элементов батареи? И, наконец, (c) Какой механизм охлаждения используется? Различные модели учитывают эти компоненты с разной степенью точности, чтобы соответствовать желаемой точности и соображениям стоимости.

Тепло вырабатывается из двух источников:

  1. Электрохимическая операция, связанная с выделением тепла в результате химических реакций внутри батареи.
  2. Нагрев
  3. Джоулей, также известный как омический нагрев или тепло, выделяемое за счет потока электричества.

Оба этих источника необходимо рассматривать с точки зрения их собственных управляющих уравнений. Каждый из них зависит от свойств материала, местной температуры и, конечно же, применяемой геометрии. Однако общепринятой практикой является использование экспериментально проверенных уравнений модели для обоих этих аспектов, чтобы значительно сэкономить на некоторых вычислениях, а также упростить структуру моделирования.

Геометрия элементов батареи и всего блока также может играть потенциально важную роль в характеристиках теплопередачи системы. Становится все более распространенным использование полных трехмерных геометрий (предоставленных в виде моделей САПР) в качестве исходных данных для анализа, а не относительно упрощенного двумерного приближения. Свойства материалов различных компонентов получены из данных производителя или из других экспериментальных исследований.

Наконец, конвекция обычно является основным методом рассеивания тепла (излучение играет минимальную роль, если вообще играет) в окружающую среду.Кондуктивный теплообмен внутри батареи может учитываться или не учитываться в зависимости от желаемой точности моделирования.


Изучите три основных механизма теплопередачи на нашем семинаре по термическому анализу. Посмотрите наше тепловое моделирование прямо сейчас!


Собираем все вместе

Возможно, самым простым подходом является использование модели сосредоточенной емкости. Это переходный подход проводимости, который предполагает, что температура твердого тела пространственно однородна и является функцией только времени.Не вдаваясь слишком далеко в детали, нетрудно заметить, что в этих подходах отсутствуют существенные детали. Тем не менее, есть случаи, когда эти модели, если они тщательно реализованы, могут представлять довольно точные переходные данные при очень низких затратах.

С другой стороны, детальное тепловое моделирование (например, предоставленное SimScale) может обеспечить более целостный обзор вовлеченной термодинамики, учитывая поток жидкости и теплопередачу внутри модуля батареи или блока. При этом стало возможным разработать более совершенные системы охлаждения аккумуляторов.В этих симуляциях можно использовать точные спецификации свойств материалов, геометрических деталей, а также начальных и граничных условий. Если все настроено эффективно, можно ожидать очень точных результатов. Методы CFD с большим успехом применялись для термического анализа. Облачные инструменты моделирования позволяют значительно сократить общие вычислительные затраты, представляя при этом подробные пространственные и переходные данные. Это может иметь неоценимое значение для установления фундаментально правильного понимания вовлеченной теплофизики.

Моделирование конструкции батареи с помощью CFD

Пример успешного моделирования батареи CFD можно найти в работе Yi, Koo & Shin в их статье «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для гибридных электрических транспортных средств», опубликованной в журнале « Энергии». Модуль литий-ионной батареи был установлен, как показано на рис. 02.

Рис. 02: Настройка CFD для модуля батареи LIB (Источник: J. Yi, B. Koo и CB Shin, «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для гибридных электрических транспортных средств», Energies, об.7, стр. 7586 – 7601 (2014)

Результирующее распределение температуры внутри модуля после 1620 секунд разряда и теплопередачи показано на рис. 03.

Рис. 03: Распределение температуры элементов LIB после 1620-х годов (Источник: Дж. Йи, Б. Ку и С. Б. Шин, «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для гибридных электрических транспортных средств», Энергетика, том 7, стр. 7586 – 7601 (2014)

Выводы

Мультифизический характер этой проблемы означает, что в каждом из этих подходов были сделаны упрощения по нескольким аспектам.Поэтому всегда есть возможности для улучшения. В приведенном ниже списке показана лишь часть этих сложных аспектов:

  • Более точное моделирование химического состава батареи и циклов зарядки/разрядки;
  • Батареи, состоящие из широкого спектра материалов, включая тонкие слои металлов (покрывающие элементы), пористые материалы и т. д.;
  • Если в конструкции батареи используется несколько слоев различных материалов, внутренний материал может быть анизотропным по своей природе;
  • Если свойства материала конструкции батареи, как правило, не очень хорошо известны, это может существенно повлиять на точность моделирования; и
  • Моделирование потока охлаждающей жидкости всегда является сложной задачей из-за сложной геометрии и возможной турбулентности жидкости.

Увеличение вычислительной мощности позволило исследователям точно и эффективно учитывать большее количество этих аспектов. Повышение нашей уверенности в прогностических возможностях таких симуляций. Несмотря на остающиеся проблемы, численное моделирование внесло огромный вклад в разработку более совершенных систем управления температурным режимом для проектирования батарей и будет продолжать делать это в обозримом будущем!

Ознакомьтесь со всеми нашими блогами SimScale, чтобы найти больше полезных статей!


Тепловыделение Анализ системы жидкостного охлаждения в сочетании с плоской тепловой трубкой литий-ионного аккумулятора

2.

1. Различная скорость разряда

В этом Раздел, во-первых, моделируются и сравниваются различные методы охлаждения, и охлаждающие эффекты воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения и плоского нагрева охлаждение труб на аккумуляторной батарее при скорости разряда 1 C сравниваются. Данные о тепловыделении трех режимов охлаждения показаны в таблице 1. показывает максимальную температуру воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения и плоской батареи охлаждения с тепловыми трубками пакет под скоростью разряда 1 C. Видно, что охлаждающий эффект система управления теплом охлаждения с плоскими тепловыми трубками намного лучше чем два других метода охлаждения.

Максимальная температура аккумуляторной батареи при скорости разряда 1 С.

Таблица 1

Батарея питания Температурные данные Три метода охлаждения под 1 C

Метод охлаждения Max Temp Max Temp Max Temp Max Temp
Воздуховое охлаждение 31. 34 34.76 342
Жидкое охлаждение 25,96 28.06 2.10
охлаждение тепловых трубок 21,61 23,69 2,08
90 для двухслойного BTMS с жидкостным охлаждением, 23 , разница температур плоской тепловой трубы, управление тепловым режимом системы составляет всего 2,08 °C. Максимальная температура батареи пакет параллельной БТМС жидкостного охлаждения с разными путями потока составляет 27,98 °С. 24 Максимальная температура аккумуляторной батареи системы терморегулирования с плоскими тепловыми трубками всего 23. 69°С. Это связано с тем, что превосходная продольная способность теплопередачи плоской тепловой трубы терморегулирование система может передавать больше тепла.

Далее в этом разделе анализируется влияние различных разрядов кратные по равномерности распределения температуры мощности аккумуляторная система. — это температура схемы распределения мощности аккумуляторной системы по 1, 2 и 3 разряда C соответственно.

Распределение температуры мощности аккумуляторной системы под 1 С скорость разряда.

Распределение температуры силовой батареи система до 3 С скорость разряда.

Распределение температуры силовой батареи система под 2 C скорость разряда.

Сравнивая три температуры дистрибутивы, это видно что характеристики распределения температуры силовой батареи системы в основном одинаковы при разных кратных разрядах и общая равномерность распределения температуры хорошая. Выше скорость разряда, тем выше максимальная температура питания аккумуляторная система. При трехкратном разряде распределение температуры из четырех блоков батарей в системе силовых батарей аналогичны. Вдоль направления потока теплоносителя область высоких температур в каждый аккумуляторный блок сначала увеличивается, а затем остается в основном неизменным. Однако доля высокотемпературной зоны в целом аккумуляторный блок немного выше, чем у нет. 2 и нет. 3 батареи пакет в середине, чем у нет. 1 и нет. 4 батарейный блок.

В то же время два самых передовых аккумуляторных мономера в четыре аккумуляторных блока расположены рядом с входным отверстием пластины жидкостного охлаждения, что имеет наилучшие условия рассеивания тепла и наилучшее распределение температуры однородность, а самая высокая температура также значительно ниже чем у 10 мономеров задней батареи.1–4 высокая температура аккумулятора площадь в 6–9, 18–21, 30–33, 42–45 максимум аккумулятор мономер, аккумулятор от нет. 10, 12, вып. 34, нет. 46 мономер батареи назад амплитуда области высокой температуры немного вниз, это в основном из-за близкого попадания жидкости в рот, просто контакт с мономером батареи, температура охлаждающей жидкости подъем, эффект рассеивания тепла лучше, когда в нижней части охлаждающая жидкость течет через мономер батареи постепенно, температура постепенно повышаться, а температура мономерной батареи снижается, эффект рассеивания тепла, и для каждого блока батарей в задней части мономер батареи, потому что в конце батареи, по сравнению со средней частью батареи хорошо соприкасается с воздухом, поэтому область высокой температуры уменьшается. В направлении клетки высота, сверху вниз, четыре блока батарей показывают распределение характеристики постепенного снижения температуры.

Аналогичные характеристики распределения температуры четырех батарейные блоки указывают на то, что плоская тепловая трубка имеет хороший нагрев эффект переноса в аккумуляторную батарею и переносит накопленное тепло в верхнем и среднем положениях каждого аккумуляторного блока к жидкости охлаждающая плата и область более низкой температуры аккумуляторной батареи, так что общая равномерность распределения температуры мощности аккумуляторная система лучше.

Данные анализа в трех случаях представлены в таблице 2. максимальное повышение температуры и максимальное разница температур системы питания аккумуляторной батареи и максимальная Кривая разности температур средней температуры каждой ячейки при кратности разряда 1, 2 и 3 C. Как видно из рисунка, с увеличением скорости разряда максимальная температура, максимальная разница температур динамической аккумуляторной системы, и максимальная разность температур средней температуры каждого аккумуляторного блока продолжают увеличиваться.Из таблицы 2 можно видно, что для скорости разряда 1 C самая высокая температура составляет 23,69 °C, максимальная температура составляет 2,08 °C, а средняя максимальная температура мономера батареи составляет 0,97 °C. Для скорости разряда 2 C самая высокая температура составляет 30,14 ° C, максимальная температура составляет 4,33 ° C, а средняя температура максимальной температуры мономера батареи составляет 2,36 °C. Для 3 Скорость разряда C, самая высокая температура 37,96 ° C, максимальная температура составляет 8,11 °C, а средняя температура батареи максимальная температура мономера 3.26°С.

Температурные данные силовая аккумуляторная система под разным разрядом ставки.

Таблица 2

Температурные данные аккумуляторной батареи Система под разными скоростями разряда

9017
Уровень разряда (C) Макс. Максимальная разница Макс. Макс. Максимальная разница Макс. Макс. Средняя разница
1 23.69 0,97
2 30.14 4 4.33 2.36
3 3 37.96 8.11 8.11 326

Комбинированный с распределением температуры на схеме видно что плоская тепловая трубка полностью передает тепло от высокотемпературного область в середине каждого аккумуляторного блока к мономеру аккумулятора с более низкая температура окружающей среды и пластина жидкостного охлаждения, так что характеристики распределения температуры каждого мономера батареи в система батарей питания в основном одинакова.Однако после охлаждающая жидкость шунтируется пластинами жидкостного охлаждения многоядерной батареи упаковки охлаждающий эффект несколько снижается. Следовательно, контроль способность к максимальной температуре ослаблена. Когда разряд скорость батареи увеличивается, мощность тепловыделения увеличивается и максимальная температура системы силовых аккумуляторов увеличивается. Но на самом деле, средняя температура мономера батареи максимальная температура разница во времени разряда до 3 C, 1 C только увеличилась на 2.29 °C, является еще одним доказательством того, что каждый мономер батареи в система питания аккумуляторов в основном работает при тех же условиях температуры, равномерность распределения температуры хорошая, избегая коротких эффект доски.

2.2. Различная скорость потока на входе

Этот раздел изучает равномерность распределения температуры в силовой батарее системы при различных расходах охлаждающей жидкости на входе. Скорость разряда составляет 3 С, а время моделирования 1200 с. – диаграммы распределения температуры силовой батареи система.Из рисунка видно, что при скорости разряда 3 С увеличение расхода охлаждающей жидкости на входе мало влияет на распределение высоко- и низкотемпературных областей н.у.к. 1–4 батарейных блока.

Температура распределение мощности аккумуляторной системы при потоке производительность 700 л/ч.

Распределение температуры системы аккумуляторной батареи, когда поток производительность 800 л/ч.

Распределение температуры системы аккумуляторной батареи, когда поток производительность 750 л/ч.

Данные анализа в три случая показаны в таблице 3.показывает повышение температуры, максимальная температура разница, и кривая максимальной разницы температур среднего температура каждого аккумуляторного блока под входным потоком охлаждающей жидкости производительность 700, 750 и 800 л/ч аккумуляторной системы питания. Таблица 3 показывает, что для расход жидкости 700 л/ч, максимальная температура 36,45 °C, максимальная температура составляет 5,75 ° C, а средняя температура максимальной температуры мономера батареи составляет 3,23 °С. За 750 л/ч, максимальная температура 36.16 °C, максимальная температура составляет 5,62 °C, а средняя температура мономера батареи максимальная температура 3,17 °C. Для 800 л/ч самая высокая температура составляет 35,83 °С, максимальная температура составляет 4,94 °С, а средняя температура мономера батареи максимальная температура 3,14 °С.

Температурные данные аккумуляторной системы питания с различными вход скорости потока.

Таблица 3

Температурные данные аккумуляторной батареи Система с различными скоростями потока

950
скорость потока (л/ч) макс. повышение темп. макс. темп. разница средняя разница максимальной температуры
700 36.45 5 5.75 3.23
750 3616 36.16 3,62 3.17 5 3
800 35.83 4.94 3.14

Комбинированный с температурой распределения видно, что подъем охлаждающей жидкости в поток жидкости силовой батареи система невелика, влияние распределения температуры в тенденция к увеличению расхода жидкости с 700 до 800 л/ч, батарея мономер средняя максимальная температура разность температур равно 0.09 °С, а основные остаются без изменений. Однако подъем потока жидкости к аккумуляторной системе питания имел большую влияние на максимальную разницу температур; в потоке жидкости скорость 800 л/ч, максимальная разница температур ниже, чем 5°С; если более 700 л/ч, температура была снижена на 0,81 °С. Это в основном из-за увеличения охлаждающей жидкости. поток, что увеличивает теплоотдачу жидкости пластина охлаждения. В то же время из-за большой температуры разница между верхней и нижней частями пластинчатой ​​тепловой трубы, эффект теплопередачи усиливается и передается больше тепла на пластину жидкостного охлаждения за то же время.Из перспективы максимальной разности температур средней температуры каждой ячейки батареи видно, что распределение температуры характеристики каждого элемента батареи в основном одинаковы под три впускных потока жидкости.

2.3. Разные Температура подачи на входе

В этом разделе температура характеристики распределения исследована силовая батарея при различных температурах охлаждающей жидкости на входе. Скорость разряда 3 С, время моделирования 1200 с.Охлаждение жидкости до температуры жидкости 15, 25 и 30 °С приведены в таблице 4. – показать распределение температуры аккумуляторной системы питания. Из рисунка видно, что чем ниже температура охлаждающей жидкости на входе, тем ниже максимальная температура аккумуляторной системы.

Распределение температуры системы аккумуляторной батареи, когда на входе температура потока 15 °C.

Температура распределение мощности аккумуляторной системы при входе температура подачи 30 °С.

Температура распределение мощности аккумуляторной системы при входе температура подачи 25 °C.

Таблица 4

Температурные данные аккумуляторной батареи Система с различной температурой потока на входе

температура потока на входе (°C) макс. повышение темп. макс. темп. Разница Max Temp средняя разница
15 39 34.20 4,47 4,47 2,47
25 41.06 70135 70135 7.74 2,98
30 44.57 10.97 3,91 3,91

Данные анализа трех случаях, как показано в таблице 4, и 15, 25 и 30 °C охлаждающей жидкости в температура жидкости температура аккумуляторной батареи температура системы, максимальная температура разница, и максимальная разница температур между средней температура каждой кривой мономера батареи. Таблица 4 показывает, что при 15 °C самая высокая температура это 34.20°С, максимальная температура 4,47°С, а средняя температура мономера батареи максимальная температура 2,47°С. Для 25 °C самая высокая температура составляет 41,06 °C, максимальная температура составляет 7,74 ° C, а средняя температура максимальной температуры мономера батареи составляет 2,98 °C. На 30 °C, самая высокая температура 44,57 °C, максимальная температура составляет 10,97 °C, а средняя температура мономера батареи максимальная температура 3,91 °C.

Данные о температуре силовой батареи система с другим входом температуры потока.

В сочетании с распределением температуры видно, что улучшение охлаждающая жидкость в температуру жидкости уменьшает поверхность пластины способность рассеивания тепла, высокая температура в середине плоская тепловая трубка будет вызвана теплом батареи и поверхностной пластины переход к окружающему мономеру батареи, температура батареи сходятся в то же время нагреваться с высокой скоростью, в результате чего батарея только область в нижней части рассеивания тепла лучше, в то время как остальная часть при более высокой температуре.В жидкость при более низкой температуре, система аккумуляторной батареи самая высокая температура низкая, максимальная разница температур менее 5 °C, распределение температуры однородность каждого клеточного мономера также лучше.

(PDF) Исследование теплового взаимодействия и рассеивания тепла цилиндрическими элементами литий-ионной батареи

Yuqi Huang et al. / Energy Procedia 142 (2017) 4029–4036 4035

Yuqi Huang et al. / Energy Procedia 00 (2017) 000–000 7

Вторая модель оптимизировала методы расчета мощности тепловыделения.На основе зависимости омического сопротивления

, температуры ячейки и уровня SOC, зависимости сопротивления поляризации, температуры ячейки

и уровня SOC, связи электродинамического коэффициента вариации температуры с уровнем SOC

, Формула подгонки была установлена ​​и применена в УДФ. С принятием этой UDF результаты моделирования показали хорошее согласие с тестовыми данными.

Два блока батарей 336 в различных конфигурациях были дополнительно изучены для изучения влияния различных структур

.Результаты показали, что максимальное значение температуры в ступенчатой ​​модели было немного выше, чем у встроенных моделей

и

, но разница температур внутри встроенного аккумуляторного блока была ниже, чем у встроенной модели.

Это указывает на то, что шахматное расположение может обеспечить лучшую производительность при равномерном распределении температуры.

Благодарности

Авторы также хотели бы поблагодарить Совместный проект NSFC-RS за поддержку под номером гранта No.

5151101443 и IE/151256.

Ссылки

[1] L.H.Saw, Y.Ye, A.A.O. Тай, У. Т. Чонг, С.Х. Куан, М.К. Ю, Вычислительный гидродинамический и тепловой анализ

литий-ионного аккумулятора с воздушным охлаждением, Applied Energy, 177 (2016) 783-792.

[2] П. Чиккони, Д. Ланди, М. Германи, Термический анализ и моделирование литий-ионного аккумулятора для легкого коммерческого электромобиля

, Applied Energy, 192 (2017) 159-177.

[3] Б.E. Dickinson, D.H. Swan, EV Battery Pack Life: Pack Degradation and Solutions, in, SAE International, 1995.

[4] W. Tong, K. Somasundaram, E. Birgersson, A.S. Муджумдар, К. Яп, Термоэлектрохимическая модель принудительного конвекционного воздушного охлаждения

модуля литий-ионной батареи, Прикладная теплотехника, 99 (2016) 672-682.

[5] Т. Ван, К.Дж. Ценг, Дж. Чжао, Разработка эффективных стратегий воздушного охлаждения для модуля литий-ионной батареи

на основе эмпирической модели источника тепла, Applied Thermal Engineering, 90 (2015) 521-529.

[6] Ф. Самими, А. Бабапур, М. Азизи, Г. Карими, Анализ терморегулирования элемента литий-ионной батареи с использованием фазового материала

, наполненного углеродными волокнами, Energy, 96 (2016) 355- 371.

[7] Ф. Лю, Ф. Лан, Дж. Чен, Динамические тепловые характеристики тепловой трубы с помощью сегментированной модели теплового сопротивления для охлаждения аккумулятора электромобиля

, Journal of Power Sources, 321 (2016) 57-70.

[8] C. Lan, J. Xu, Y. Qiao, Y. Ma, Управление температурным режимом для литий-ионной батареи большой мощности с помощью миниканальных алюминиевых трубок

, Applied Thermal Engineering, 101 (2016) 284-292.

[9] X. Li, F. He, L. Ma, Тепловое управление цилиндрическими батареями, исследованное с использованием испытаний в аэродинамической трубе и

вычислительного гидродинамического моделирования, Journal of Power Sources, 238 (2013) 395-402.

[10] Л. Мартин-Мартин, Дж. Гастелуррутиа, Н. Ньето, Дж. К. Рамос, А. Ривас, И. Гил, Моделирование на основе проектирования систем управления тепловыми

для приложений вертикального подъема с питанием от литий-ионных аккумуляторов , Applied Thermal

Engineering, 102 (2016) 1081-1094.

[11] С. Басу, К.С. Харихаран, С.М. Колаке, Т. Сонг, Д.К. Sohn, T. Yeo, парная электрохимическая термическая обработка

Д-р Yiji Lu, родившийся в июне 1989 года, в настоящее время работает научным сотрудником в Университете Ньюкасла. Он

окончил Шанхайский университет Цзяо Тонг в 2011 году для получения степени бакалавра, он провел

степень магистра философии. и доктор философии в Университете Ньюкасла в 2012 и 2016 годах. Его докторская степень. программа была полностью

спонсирована EPSRC и была удостоена «Премии правительства Китая 2015 года за выдающихся

самофинансируемых студентов за границей» от Китайского стипендиального совета.Его исследовательские интересы включают

, но не ограничиваются передовыми технологиями рекуперации отработанного тепла, тепловым управлением двигателя,

передовой разработкой двигателей, технологиями выбросов двигателей, циклами хемосорбции и

расширительными машинами для системы производства электроэнергии. Его регулярно приглашают рецензировать рукописи

для научных журналов, включая Applied Energy, Applied Thermal

Engineering, Energy (The International Journal) и Energy for Sustainable Development.

Энтропия и выделение тепла литиевыми элементами/батареями

1. Введение

В соответствии с законами термодинамики энергия Гиббса представляет собой максимально возможную работу без расширения, совершаемую замкнутой системой в процессе с постоянными температурой и давлением. В замкнутой электрохимической системе выходом работы без расширения является электрическая энергия, поэтому при преобразовании химической энергии в электрическую энергию в обратимом процессе электрическая энергия равна энергии Гиббса, т. е. Δ G = – nFE .При преобразовании химической энергии в электрическую при необратимом процессе электрическая энергия меньше энергии Гиббса, т. е. nFE < –Δ G . Остаточная энергия Гиббса преобразуется в тепловую энергию. [ 1 ]

Во втором законе термодинамики энтропия представляет собой экстенсивную функцию состояния при обратимом процессе: d S ≡ d q / T , поэтому при обратимом процессе при постоянной температуре и давлении

и в замкнутой электрохимической системе Δ S = –Δ G / T = нФ ( E / T ).Тогда в замкнутой электрохимической системе тепловыделение Q = T Δ S = nFT ( E / T ) при обратимом процессе.

Основываясь на законах термодинамики, теоретический потенциал электрохимической системы можно рассчитать на основе данных об энергии Гиббса, а максимальная электрическая энергия, которая может быть доставлена ​​химическими веществами, хранящимися внутри или подводимыми к электродам в клетке, зависит от изменение энергии Гиббса Δ G электрохимической пары.Открытый потенциал клетки может быть получен экспериментально и меньше или равен теоретическому потенциалу. Как теоретический потенциал, так и открытый потенциал определяются типом электрохимических пар и электролитом, содержащимся в ячейке.

В практических элементах желательно, чтобы вся энергия Гиббса могла быть преобразована в полезную электрическую энергию во время разряда. Однако потери энергии из-за поляризации происходят при прохождении через ячейку тока нагрузки, сопровождающего электрохимические реакции.

Наиболее важным фактором, влияющим на потери энергии в клетке, являются поляризации. К суммарным поляризациям ячейки относятся: ( i ) Омическая поляризация, вызывающая падение напряжения при работе, а также расходующая часть полезной энергии в виде отработанного тепла. Полная омическая поляризация ячейки представляет собой сумму поляризаций, вызванных ионным сопротивлением электролита, электронными сопротивлениями электродов, токосъемников и электрических выводов обоих электродов, а также контактным сопротивлением между активными материалами и токосъемниками. .Омическая поляризация следует закону Ома с линейной зависимостью между током и падением напряжения. (ii) активационная поляризация, которая запускает электрохимическую реакцию на границе раздела электрод/электролит, и (iii) концентрационная поляризация, которая возникает из-за разницы концентраций между реагентами и продуктами на границе раздела электрод/электролит и разницы концентраций на границе раздела электрод/электролит. массы в результате массообмена.

Все эти поляризации вызывают потребление энергии Гиббса, которая выделяется в виде тепловой энергии в процессе заряда-разряда.

В литиевых элементах активные материалы являются пористыми, что позволяет вводить ионы лития в них или извлекать из них в процессе заряда-разряда, поэтому поляризация литиевых элементов более сложная, а выделение тепла в литиевых элементах также больше сложный из-за тепла, выделяемого при каждом физическом процессе.

Литиевые элементы имеют высокую удельную энергию, поэтому энергия Гиббса в элементах высока. Они будут генерировать высокую тепловую энергию, сопровождающую процесс преобразования энергии Гиббса в полезную электрическую энергию.Если такая тепловая энергия не может быть рассеяна, температура закрытого литиевого элемента/батареи повышается, что может повлиять на рабочие характеристики элемента/батареи.

Кроме того, из-за высокой энергии Гиббса в литиевых элементах, если происходят побочные реакции, больше тепловой энергии преобразуется из энергии Гиббса, повышая температуру. Когда температура литиевых элементов достаточно высока, чтобы вызвать разложение электродов или электролитов, может произойти авария.

Поэтому исследования энтропии в литиевых элементах были сосредоточены на оценке тепла и оценке деградации элементов, поскольку энтропия является обширной функцией состояния.Исследования тепла в литиевых элементах были сосредоточены на оценке и измерении тепла. Основываясь на оценке тепла и точных измерениях, управление литиевыми элементами/батареями/системами и управление ими могут осуществляться бесперебойно, а несчастных случаев может быть меньше. [ 2 ]

2. Энтропия 2.1. Определение энтропии

Согласно законам термодинамики, в замкнутой электрохимической системе Δ S = –Δ G / T = нФ ( E / T ), поэтому изменение энтропии (Δ S ) можно получить через наклон напряжения холостого хода (OCV) в зависимости от температуры.Изменение энтропии обычно можно определить потенциометрическим методом. [ 3 ] В таком методе элемент разряжается до требуемого состояния заряда (SOC), и после релаксации напряжение холостого хода становится равновесным, затем элемент подвергается ступенчатому изменению температуры, во время которого контролируется напряжение холостого хода. Типичные результаты потенциометрического метода включают кривую соответствующих OCV в зависимости от температуры и линию наклона графика зависимости OCV от температуры (рис.1).

Рис. 1.

Рис. 1. Кривые соответствующих OCV в зависимости от температуры клеток для NCA/sC. (а) SOC=0,122; (б) SOC=0,458; (в) SOC=0,644; (г) SOC=0,813.

Недавно Шмидт и др. . разработал метод спектроскопии электротермического импеданса для определения изменения энтропии, при котором времена измерения могут быть в 100 раз короче, чем при потенциометрическом методе. [ 4 ] Точность этого метода аналогична точности потенциометрического метода. В спектроскопии электротермического импеданса можно использовать взаимосвязь между тепловым потоком внутри ячейки и результирующим изменением температуры, используя источник синусоидального тока. Когда известна функция теплопередачи (тепловой импеданс) и измерена температура поверхности, можно рассчитать тепловой поток внутри ячейки. Изменение энтропии (Δ S ) можно рассчитать через линейную функцию между тепловым потоком и умножением тока на энтропию.Δ S в ячейках LiFePO 4 , определенные обычным потенциометрическим методом и с помощью спектроскопии электротермического импеданса, показали сходное поведение и находятся в хорошем соответствии. Однако наблюдается гистерезис Δ S из-за наложения зарядного и разрядного тока.

2.2. Применение в оценке тепла

Выделение тепла литиевыми элементами в процессе заряда и разряда можно отнести к двум основным источникам: обратимому теплу и необратимому теплу.Необратимая теплота является сложной и описывается в разных формах в различных моделях оценки теплоты, но обратимая теплота последовательно описывается как ) во всех моделях для измерения тепла.

В типичной электрохимико-термической модели [ 5 ] обратимая скорость тепловыделения описывается как

где a s , j — удельная межфазная поверхность электрода, 11248 n , j – поверхностная плотность тока, E j – потенциал холостого хода электродной реакции, N – отрицательный электрод, p .

В типичной эквивалентной схеме – тепловой модели [ 6 ] обратимая скорость тепловыделения описывается как

, где I представляет ток.

Следовательно, обратимая скорость тепловыделения может быть легко рассчитана по изменению энтропии или изменению d E /d T .

2.3. Применение в оценке деградации

Если состояния электрода или электрохимической системы изменяются, энтропия должна изменяться одновременно, поскольку энтропия является экстенсивной функцией состояния.Следовательно, изменение энтропии можно применять для характеристики изменений структуры электродов и оценки состояния элемента/батареи. Язами и др. . исследовал энтропийную кривую и кристаллическую структуру интеркалированного литием графита. [7, 8] Кривая энтропии показывает резкое повторное увеличение при x = 0,5 в Li x C 6 в ответ на переход от хорошо упорядоченного соединения стадии 2 LiC 12 в хорошо упорядоченное соединение стадии-1 LiC 6 , а наличие промежуточной фазы (фаз) между двумя стадиями интеркаляции с высоким содержанием лития подтверждается in situ XRD и спектрами комбинационного рассеяния во время интеркалирования иона лития в графит.Кроме того, отрицательное значение энтропии интеркаляции при x > 0 : 25 в Li x C 6 объясняется тем, что частота колебаний атомов лития в графите выше, чем в металлическом литии. Лу и др. . Исследован изменения энтропии Limn 2 , LI 4 , LI 1.156 MN 1,844 O 4 , а LI 4 MN 1.06 MN 1,89 AL 0.05 O 4 S 4 Шпинальные катодные материалы пополам -клеточные системы. [ 9 ] Результаты показывают, что профили энтропии различных шпинельных катодов во время циклирования хорошо коррелируют с фазовым переходом и изменениями порядка/беспорядка.

Кроме того, Махера и Язамиа разработали метод оценки состояния деградации литий-ионных элементов с помощью энтропии и термодинамического поведения. Они исследовали влияние перезарядки, циклического старения и теплового старения на энтропию литий-ионных аккумуляторов с использованием катодов из оксида лития-кобальта и графитовых анодов.Энтропия резко меняется в зависимости от приложенного напряжения отсечки (4,2–4,9 В). Эти изменения хорошо коррелируют с ухудшением кристаллической структуры катода и анода. [ 10 ] С увеличением числа циклов энтропия показывает более значительные изменения, чем те, которые наблюдаются на кривых разряда и потенциала холостого хода, особенно при определенных состояниях заряда и значениях потенциала холостого хода. Эти различия объясняются более высокой чувствительностью энтропийных функций состояния к изменениям кристаллической структуры катода и анода, вызванным циклическим старением. [ 11 ] Кроме того, энтропия показывает более очевидные изменения со временем старения, чем потенциал разомкнутой цепи, когда клетки хранятся при 60 °C и 70 °C. [ 12 ] Таким образом, они предполагают, что энтропию можно использовать для характеристики уровня деградации материалов электродов и, следовательно, для оценки состояния здоровья клетки (SOH). Кроме того, Wu et al. предполагают, что дифференциальная термовольтамперометрия (d T / d V ) может использоваться для отслеживания деградации литий-ионных аккумуляторов. [ 13 ]

3. Тепловыделение

Основными исследованиями тепловыделения являются исследования процессов и механизмов, помимо побочных реакций (реакций разложения) в литиевых элементах и ​​тепловой энергии, преобразованной из энергии Гиббса в каждом физический процесс и электрохимический процесс.

3.1. Процесс заряда-разряда

Оценка нагрева необходима для управления температурным поведением батареи в масштабируемых системах и для повышения эффективности систем охлаждения.Количественные измерения и тепловые расчеты являются полезными способами оценки тепла.

3.1.1. Количественные измерения тепловыделения

Калориметр ускоренной скорости (ARC), [ 14 – 17 ] , калориметр теплопроводности [ 18 ] и изотермический калориметр [ 19 ] использовались в исследованиях тепловыделения во время зарядки. -увольнять. В тесте ARC тепло не передается в окружающую среду, поэтому вся высвобождаемая энергия реакции относится только к самонагреву батареи.С другой стороны, как в калориметре теплопроводности, так и в изотермическом калориметре тепло, выделяемое во время заряда-разряда, передается количественно. Количественные измерения тепловыделения литиевых элементов важны для управления температурным режимом масштабируемых аккумуляторных систем.

Selman и др. С помощью прибора были измерены ячейки Panasonic (тип CGR 18650H), Sony (тип US18650), A&T (тип 18650) и x-18650 (LiCo 0,2 Ni 0,8 O 2 и графит в качестве катода и анода соответственно) при Скорость заряда/разряда C/6 с использованием ARC. [ 14 ] Сайто измерил элементы Sony (тип US14500, LiCoO 2 и твердый углерод в качестве катода и анода соответственно) при скорости разряда C/5, используя калориметр теплопроводности двойного типа. [ 18 ]

3.1.2. Тепловые расчеты

Расчеты тепловыделения при заряде-разряде получены с помощью моделей литиевых элементов/аккумуляторов. Среди них наиболее распространены схемно-тепловые модели замещения и электрохимико-термические модели.

В эквивалентных схемотехнических моделях литиевые элементы представлены схемами, состоящими из традиционных электрических компонентов.Тепло, выделяющееся при зарядке-разрядке, делится на обратимое тепло ( Q рев ) и необратимое тепло ( Q нереверс). Реверсивное тепло ( Q Rev ) рассчитывается путем изменения энтропии (δ S ): Q Rev = T δ S = NFT / E / т ), как обсуждалось выше. Существует два распространенных метода расчета необратимого тепла ( Q необратимое ). [ 20 , 21 ] Рассчитывается через омическое тепло: Q безвозврат = I 2 R , в котором R изменяется при изменении состояний ячеек, режима работы и условий окружающей среды [ 20 ] Другой метод заключается в расчете через сохранение энергии и напряжение: E cur ), где E — теоретический потенциал системы ячеек, а E cur — фактический потенциал с током. [ 21 ] Тепловые расчеты с использованием эквивалентной схемы – тепловых моделей являются краткими, поэтому они используются в большинстве систем управления теплом, а точность результатов зависит от сложности моделей.

Чой и др. рассчитал тепловыделение литий-ионных элементов, используемых в системах гибридных электромобилей (HEV), чтобы разработать простую модель для описания теплового поведения системы литий-ионных аккумуляторов с воздушным охлаждением, предложенную с точки зрения разработчика компонентов транспортного средства. Посмотреть. [ 20 ] Уокер и др. рассчитал тепловыделение литий-ионных элементов для космических приложений и соединил его со специализированным орбитально-тепловым программным обеспечением, термическим рабочим столом (TD), чтобы смоделировать профили зависимости температуры от глубины разряда (DOD) и температурные диапазоны для всех разрядов и вариации конвекции с минимальным отклонением. [ 18 ] Шринивасан и др. разработал модель для расчета тепловыделения по пяти различным внутренним параметрам: сопротивление электролита ( R s ), сопротивление анода ( R a ), сопротивление катода ( R c ) и энтропию. изменения в катоде (Δ S c ) и аноде (Δ S a ). [ 22 ] Эти пять параметров не зависят друг от друга; они зависят от состояния заряда и температуры окружающей среды. Харихаран разработал модель нелинейной эквивалентной схемы для ионно-литиевых элементов с использованием переменных резисторов, которые зависят от температуры элемента. Модель можно использовать для прогнозирования напряжения и температуры ячейки в широком диапазоне мощностей с глобальным набором параметров. [ 6 ]

В электрохимико-термических моделях процесс заряда-разряда разделяется на множество физико-химических процессов, например, диффузию иона лития в жидкости и твердом теле, перенос лития между жидкостью и твердым телом, поляризация на поверхности электродов и др.Тепло, выделяемое во время заряда-разряда, является тепловым эффектом каждого физического и химического процесса, который обычно можно рассчитать как [ 23 ]

, где E разомкнут : обрыв цепи электрода; S a : удельная поверхность пористой области; i loc : скорость поверхностной реакции; ϕ 1 : потенциал твердой фазы; ϕ 2 : потенциал жидкой фазы; T : Температура по Кельвину; : эффективная электронная проводимость твердой фазы; : эффективная ионная проводимость для жидкой фазы; R : постоянная идеального газа; F : постоянная Фарадея; f : среднемолярный коэффициент активности соли; c 2 : концентрация в растворе; и t + : число катионного переноса.

Расчет тепла, выделяемого при заряде-разряде, на основе электрохимико-термических моделей очень сложен, поэтому он используется в теоретических исследованиях, но редко в приложениях.

Кумаресан и др. . разработал тепловую модель для ионно-литиевых элементов LiCoO 2 /MCMB для прогнозирования характеристик разряда при различных температурах (15–45 ° C). [ 21 ] Палс и Ньюман разработали одномерную тепловую модель для литий-полимерного элемента для прогнозирования температурного профиля в пакете элементов Li/PEO разряд со скоростью 3 ч. [ 24 ] Баба и др. . разработали расширенную модель одной частицы, чтобы понять тепловое поведение литий-ионных элементов и распределить информацию, связанную с локальным выделением тепла по всей плоскости электрода, а также был разработан метод двустороннего электрохимически-термического связанного моделирования. [ 5 ]

3.1.3. Применение в системах управления

Управление нагревом/температурой является важной частью систем управления литиевыми батареями.Выделение тепла литиевыми элементами во время заряда-разряда является основой для управления теплом/температурой. Джулиано и др. показал, что система жидкостного охлаждения является жизнеспособным вариантом для управления температурным режимом. [ 25 ] Система охлаждения способна легко охлаждать аккумуляторы и приближаться к устойчивому состоянию значительно ниже максимальной рабочей температуры. Тонг и др. разработал активную систему терморегулирования, включающую принудительное жидкостное охлаждение, на основе электрохимических и тепловых характеристик биполярной батареи. [ 26 ] Более высокая скорость охлаждающей жидкости и толщина охлаждающей пластины позволяют контролировать максимальную температуру и температурную неравномерность; однако такой подход увеличивает паразитарную нагрузку, а также вес и объем стаи.

3.2. Тепловой выход из строя

При аварии химическая энергия электродов может преобразовываться в тепловую, а не в электрическую энергию, что может привести к тепловому выходу из строя литиевых элементов. [ 27 ] Существует несколько факторов, которые могут привести к тепловому разгону литиевых элементов, среди которых температура литиевого элемента является одним из ключевых определяющих факторов.Исследования выделения тепла при тепловом разгоне могут быть использованы для прогнозирования безопасности и критичности литиевых элементов/батарей.

Выделение тепла при тепловом разгоне можно измерить с помощью калориметров, способных выдержать взрыв литиевых элементов, таких как ARC (рис.  2 ). Измерения тепловыделения при тепловом разгоне позволяют получить выполнение теплового разгона из первых рук. Фэн и др. оценил характеристики теплового разгона крупноформатной призматической литий-ионной батареи емкостью 25 А·ч с катодом Li(Ni x Co y Mn z )O

2 8 ускоренный калориметр с увеличенным объемом (EV-ARC).Они обнаружили, что от резкого падения напряжения до мгновенного повышения температуры, когда происходит тепловой разгон, проходит 15–40 с. [ 28 ] Такой временной интервал можно использовать для раннего оповещения о тепловом разгоне.

Рис. 3.

Рис. 3. Рис. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ IIVEPO 4 / C Клетки с использованием сепараторов с различной температурой плавления, (а) результаты моделирования температуры кривые; (б) результаты моделирования кривых скорости нагрева.

Расчеты тепла, выделяемого в процессе теплового разгона, обычно основаны на тепловом поведении материалов в литиевой ячейке. Результаты расчетов могут быть использованы для изучения происхождения и последствий теплового разгона с целью повышения безопасности конструкции литиевых элементов.

Ричард и др. . предложил модель теплового разгона литий-ионного элемента 18650 углерод/Li 1+ x Mn 2– x O 4 , основанную на термической стабильности деинтеркалированного Li 1+ x Mn 2– x O 4 и электроды MCMB с интеркалированием лития в электролите LiPF 6 EC:DEC. [ 29 ] Модель использовалась для прогнозирования поведения ячейки при коротком замыкании и при воздействии печи. Результаты качественно согласуются с результатами экспериментов. Ким и др. расширил подход к одномерному моделированию, сформулированный Hatchard et al. [ 30 ] в трех измерениях. Результаты расчетов при испытаниях в печи ячеек с оксидно-кобальтовым катодом и графитовым анодом с электролитом LiPF 6 показывают, что тепловой разгон произойдет раньше или позже, чем в сосредоточенной модели, в зависимости от размера ячейки, и реакции первоначально распространяются в азимутальном и продольном направлениях с образованием полой цилиндрической реакционной зоны. [ 31 ] Ван и др. рассчитано тепло, выделяемое при тепловом разгоне элементов LiFePO 4 /C, и результаты показывают, что внутреннее короткое замыкание, вызванное расплавлением сепаратора, является основным фактором теплового разгона таких элементов, в которых сепаратор используется более низкая температура плавления. Однако, когда в ячейке LiFePO 4 /C используется сепаратор с более высокой температурой плавления, реакции разложения материала электрода становятся основным фактором безопасности.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.