1. การออกแบบระบายความร้อนด้วยของเหลวของระบบกักเก็บพลังงานอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ สำหรับกระบวนการชาร์จและการคายประจุของชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ในอัตราสูง ความสามารถในการทำความเย็นของระบบระบายความร้อนด้วยอากาศไม่สามารถตอบสนองความต้องการการกระจายความร้อนของชุดแบตเตอรี่ได้ ของเหลวมีความจุความร้อนจำเพาะสูงกว่าและมีการนำความร้อนสูงกว่าอากาศ และความเร็วในการทำความเย็นด้วยของเหลวก็เร็วกว่า ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการลดอุณหภูมิสูงสุดในท้องถิ่นและปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของโมดูลแบตเตอรี่ ในขณะเดียวกัน การระบายความร้อนด้วยของเหลวก็มีการควบคุมเสียงรบกวนได้ดีกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ การกระจายความร้อนในการระบายความร้อนด้วยของเหลวจะเป็นทิศทางการวิจัยที่สำคัญสำหรับการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมกำลังสูงภายใต้สภาพการทำงานที่ซับซ้อนในอนาคต แต่ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวก็มีข้อบกพร่องเช่นกัน เช่น การใช้พลังงานขนาดใหญ่ ความต้องการการปิดผนึกสูง และระบบที่ซับซ้อน โครงสร้างและการประยุกต์ใช้ระบบกักเก็บพลังงานจริงนั้นยากกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศ ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว ได้แก่ โครงร่างและการออกแบบท่อน้ำหล่อเย็นหรือแผ่นทำความเย็น และอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็น1.1 การออกแบบช่องของเหลว

ประเด็นหลักของการออกแบบช่องระบายความร้อนด้วยของเหลวคืออัตราส่วนความยาวต่อความกว้างของช่อง รูปร่างและจำนวนช่อง และการแก้ไขความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางเข้าและทางออก การวิจัยปัญหาเหล่านี้สำหรับช่องสัญญาณทั่วไปแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มจำนวนช่องสัญญาณสามารถลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุณหภูมิสูงสุดและโมดูลแบตเตอรี่ได้ แต่การปรับปรุงนั้นมีจำกัด และการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มจำนวนช่องสัญญาณ การเพิ่มอัตราส่วนภาพของช่องสัญญาณภายในช่วงที่กำหนดยังสามารถลดอุณหภูมิสูงสุดของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดความแตกต่างของอุณหภูมิอีกด้วย ในเวลาเดียวกัน ท่อหยักที่นำเสนอสามารถเพิ่มพื้นที่สัมผัสและปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อนได้ เพื่อแก้ปัญหาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างช่องเติมน้ำและช่องจ่ายน้ำ ท่อสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน และทิศทางของช่องเติมน้ำจะถูกตั้งค่าเป็นตรงกันข้าม นอกจากนี้ เมื่อแบตเตอรี่ในโมดูลแบตเตอรี่มีจำนวนมาก ควรใช้โครงสร้างการระบายความร้อนแบบขนาน มีการศึกษาช่องระบายความร้อนด้วยของเหลวที่มีซี่โครงตามยาว และเปรียบเทียบผลกระทบของอัตราส่วนและจำนวนความยาวซี่โครงต่อความกว้างที่แตกต่างกันต่อประสิทธิภาพของระบบทำความเย็น แผนภาพภาคตัดขวางถูกแสดงไว้ในรูปที่ 3. รูปแบบทั้งสี่ที่ออกแบบจะแสดงไว้ในตารางที่ 5 กระดาษจะเปรียบเทียบค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ประสิทธิภาพความร้อนใต้พิภพ อัตราการไหลของมวล กำลังสูบ และอัตราส่วนการใช้พลังงาน ซึ่งดัชนีประสิทธิภาพการทำความเย็นด้วยความร้อนใต้พิภพคำนวณโดยใช้สมการ ดังที่แสดงในตารางที่ 6 ผลของโครงการที่ 4 นั้นดีที่สุดซึ่งพิสูจน์ความเป็นไปได้ของการออกแบบ นอกจากนี้ ด้วยการเพิ่มจำนวนซี่โครง ทำให้ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนดีขึ้น ในขณะที่การปรับปรุงที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนภาพของซี่โครงมีขนาดเล็ก

แผนภาพของช่องจ่ายน้ำหล่อเย็นแบบริบ

พารามิเตอร์ช่องน้ำหล่อเย็นแบบริบ

1.2 อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็น

Liquid cooling and heat management systems generally use water, ethylene glycol or water-ethylene glycol mixture as the cooling medium. Changing the flow rate of coolant is an important factor in the research of liquid cooling system, and changing the flow rate can achieve different heat exchange efficiency, which is a key factor in the design of liquid cooling system. A battery thermal management system combining phase change material (PCM) and liquid cooling was studied. The latent heat of PCM was removed by coolant. The effects of different coolant flow rates on the performance of the thermal management system were compared. The experiment compared the maximum temperature and temperature difference of the lithium-ion battery pack at different flow rates between 0.05 and 0.4 m/s under the condition of charging rate of 0.5 C and discharge rate of 3 C (taking the average value of 3 cycles). The ambient temperature and inlet temperature are set to 40 °C. The experimental results show that as the flow rate increases from 0.05 m/s to 0.2 m/s, Tmax decreases from 49.17 ℃ to 47.5 ℃, and ΔTmax decreases from 7.43 ℃ to 6.41 ℃. When the speed is increased from 0.2 m/s to 0.4 m/s, the degree of reduction is reduced, and the increase in the flow rate can improve the heat dissipation performance of the system, but with marginal effect. Increasing the flow rate can reduce the maximum temperature of the battery module, but it may increase the maximum temperature difference between units of the battery, because the increase in the flow rate causes the coolant to take away more heat at the inlet, so that the battery near the outlet is not effective heat dissipation. In order to ensure the temperature consistency of the battery module, a set of gradient flow rate optimization strategy was proposed for the vertically distributed liquid cooling thermal management system. As shown in FIG. 4, the number of pipes around the battery is divided into three categories. Different categories of pipes are set with different flow rates, and a larger flow rate is set in the area with large heat dissipation demand. (2) The ambient temperature is 60 ° C, and the liquid medium temperature is 30 ° C. The experimental results show that there is little difference between Tmax and ΔTmax when the battery module reaches steady state. The heat exchange is mainly affected by the contact area and temperature difference, and the change of flow rate only affects the steady-state time of the battery module, but has little effect on the steady-state value. The experimental results show that increasing the flow gradient can reduce the ΔTmax of the module before the steady state stage, which is significantly improved compared with the case without the gradient flow rate. The gradient flow rate design also plays an obvious role in balancing the heat transfer efficiency of each part of the battery module.

Gradient flow rate liquid cooling system

1.3 การออกแบบระบบและกลยุทธ์การควบคุมการจัดการความร้อน
มีการเสนอกลยุทธ์การควบคุมโดยใช้อัลกอริธึม PID แบบคลุมเครือสำหรับระบบทำความเย็นด้วยของเหลว และได้สร้างแบบจำลองมวลรวมศูนย์ขึ้น แบบจำลองทางความร้อนของแบตเตอรี่ถูกสร้างขึ้นผ่านความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานภายในของแบตเตอรี่กับอุณหภูมิ ความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน และอัตราการไหลของสารหล่อเย็น ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อเปรียบเทียบกับกลยุทธ์การทำความเย็นแบบ PID แบบดั้งเดิม กลยุทธ์การควบคุมแบบคลุมเครือมีความทนทานและความทนทานต่อข้อผิดพลาดมากกว่า ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เวลาการปรับกลยุทธ์การทำความเย็นแบบ Fuzzy PID จะลดลง 11 วินาที และความแตกต่างของอุณหภูมิสูงสุดจะลดลง 0.14 K ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถของระบบในการต้านทานการรบกวนในปัจจุบัน โครงสร้างของกลยุทธ์การทำความเย็นแบบ Fuzzy PID ของการระบายความร้อนด้วยของเหลวแสดงอยู่ในรูปที่ 5 ข้อมูลเข้าของคอนโทรลเลอร์คือความแตกต่างของอุณหภูมิ e และอัตราการเปลี่ยนแปลงความแตกต่างของอุณหภูมิ ec ระหว่างอุณหภูมิจริงของก้อนแบตเตอรี่และอุณหภูมิเป้าหมาย ซึ่งถูกประมวลผลโดยการหลอมรวม การให้เหตุผลแบบคลุมเครือและการ defuzing ฯลฯ และพารามิเตอร์ PID ได้รับการแก้ไข Δkp, Δki และ Δkd(kp คือสัมประสิทธิ์การปรับตามสัดส่วน ปรับปรุงความเร็วการตอบสนองและความแม่นยำในการปรับของระบบ ki คือสัมประสิทธิ์การปรับอินทิกรัลเพื่อกำจัดค่าตกค้าง kd คือค่าสัมประสิทธิ์การปรับส่วนต่างเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพไดนามิกของระบบ) จากนั้นตัวควบคุม PID ที่ได้รับการปรับเปลี่ยนจะแก้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นที่ต้องการ v ตามความแตกต่างของอุณหภูมิ e กลยุทธ์นี้สามารถปรับความสามารถในการกระจายความร้อนได้ตลอดเวลาตามกระแสโหลด และหลีกเลี่ยงสถานการณ์ความสามารถในการกระจายความร้อนไม่เพียงพอหรือสิ้นเปลืองพลังงาน

กลยุทธ์การระบายความร้อน PID แบบคลุมเครือ

1.4 Application Mode ของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

วิธีการสามวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการใช้งานจริงของระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแสดงไว้ในรูปที่ 6: ขั้นแรก ท่อที่มีสารหล่อเย็นจะถูกใช้เพื่อล้อมรอบและสัมผัสกับแบตเตอรี่แต่ละก้อนในโมดูล เพื่อลดอุณหภูมิของแบตเตอรี่และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแบตเตอรี่ . รูปแบบนี้เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอกมากกว่า [รูปที่ 6(a)]; ประการที่สอง โมดูลแบตเตอรี่จะถูกจุ่มลงในสารหล่อเย็นที่ไม่นำไฟฟ้าโดยตรง ซึ่งสามารถทำให้แบตเตอรี่ทุกด้านเย็นลง และช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเซิร์ฟเวอร์ของระบบซูเปอร์คอมพิวเตอร์ แต่ไม่ค่อยมีการใช้ในด้านการจัดเก็บพลังงานที่มีความเสี่ยงสูงต่อการรั่วไหล [รูปที่ 6(b)] ประการที่สาม วางแผ่นทำความเย็นไว้ระหว่างแบตเตอรี่หรือโมดูลแบตเตอรี่ และมีช่องไมโครของเหลวอยู่ในแผ่นทำความเย็น รูปแบบนี้เหมาะสำหรับแบตเตอรี่แบบแท่งปริซึมหรือแบตเตอรี่แบบอ่อน [รูปที่ 6(c)]

สามวิธีที่ใช้กันทั่วไปในการใช้งานจริงของ BTMS ระบายความร้อนด้วยของเหลว