1. Progettazione del raffreddamento a liquido del sistema di accumulo di energia industriale e commerciale Per il processo di carica e scarica ad alta velocità di pacchi batteria su larga scala, la capacità di raffreddamento del sistema di raffreddamento ad aria non è in grado di soddisfare la richiesta di dissipazione del calore dei pacchi batteria. Il liquido ha una capacità termica specifica e una conduttività termica più elevate rispetto all'aria e la velocità di raffreddamento del liquido è più rapida, il che ha un effetto significativo sulla riduzione della temperatura massima locale e sul miglioramento della consistenza della temperatura del modulo batteria. Allo stesso tempo, il raffreddamento a liquido ha un controllo del rumore migliore rispetto al raffreddamento ad aria. La dissipazione del calore con raffreddamento a liquido costituirà in futuro un'importante direzione di ricerca per la gestione termica delle batterie al litio ad alta potenza in condizioni di lavoro complesse, ma il sistema di raffreddamento a liquido presenta anche dei difetti, come un grande consumo di energia, elevati requisiti di tenuta e un sistema complesso struttura e l’effettiva applicazione dei sistemi di accumulo dell’energia è più difficile del raffreddamento ad aria. I principali fattori che influenzano il sistema di raffreddamento a liquido sono: la disposizione e il design del tubo del refrigerante o della piastra di raffreddamento e la portata del refrigerante. 1.1 Progettazione del canale del liquido

I punti principali della progettazione del canale raffreddato a liquido sono il rapporto lunghezza-larghezza, la forma e il numero del canale e la risoluzione della differenza di temperatura tra ingresso e uscita. La ricerca su questi problemi per i canali convenzionali mostra che l'aumento del numero di canali può ridurre la differenza di temperatura tra la temperatura massima e il modulo batteria, ma il miglioramento è limitato e il consumo di energia aumenta quando si aumenta il numero di canali. Aumentando le proporzioni del canale entro un certo intervallo è inoltre possibile ridurre efficacemente la temperatura massima della batteria agli ioni di litio e ridurre la differenza di temperatura. Allo stesso tempo, il tubo ondulato proposto può aumentare l'area di contatto e migliorare l'efficienza di dissipazione del calore. Per risolvere la differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita dell'acqua, il tubo può essere diviso in due e la direzione dell'ingresso dell'acqua è impostata nella direzione opposta. Inoltre, quando il numero di batterie nel modulo batteria è elevato, è necessario utilizzare una struttura di raffreddamento parallela. Viene studiato un canale di raffreddamento a liquido con nervature longitudinali e vengono confrontati gli effetti del diverso rapporto tra lunghezza e larghezza e numero delle nervature sulle prestazioni del sistema di raffreddamento. Il diagramma della sezione trasversale è mostrato in FIG. 3. I quattro schemi progettati sono mostrati nella Tabella 5. Il documento confronta il coefficiente di trasferimento di calore, le prestazioni idrotermali, la portata massica, la potenza di pompaggio e il rapporto di consumo energetico, in cui l'indice delle prestazioni di raffreddamento idrotermale viene calcolato mediante un'equazione. Come mostrato nella Tabella 6, l'effetto dello schema 4 è il migliore, il che dimostra la fattibilità del progetto. Inoltre, con l'aumento del numero di nervature, l'efficienza di dissipazione del calore migliora, mentre il miglioramento causato dal cambiamento del rapporto d'aspetto delle nervature è piccolo.

Schema del canale del liquido di raffreddamento scanalato

Parametri del canale del refrigerante scanalato

1.2 Portata del liquido refrigerante

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 Progettazione del sistema e strategia di controllo della gestione termica
Per il sistema di raffreddamento a liquido è stata proposta una strategia di controllo basata su un algoritmo PID fuzzy ed è stato stabilito un modello di massa centralizzato. Il modello termico della batteria è stato stabilito attraverso la relazione tra la resistenza interna della batteria e la temperatura, la relazione tra il coefficiente di scambio termico convettivo e la portata del liquido di raffreddamento. I risultati della simulazione mostrano che, rispetto alla tradizionale strategia di raffreddamento PID, la strategia di controllo fuzzy ha maggiore robustezza e tolleranza ai guasti. Alle stesse condizioni, il tempo di regolazione della strategia di raffreddamento PID fuzzy viene ridotto di 11 s e la differenza di temperatura massima viene ridotta di 0,14 K, il che migliora la capacità del sistema di resistere ai disturbi attuali. La struttura della strategia di raffreddamento PID fuzzy con raffreddamento a liquido è mostrata nella Figura 5. L'ingresso del controller è la differenza di temperatura e e il tasso di variazione della differenza di temperatura ec tra la temperatura effettiva del pacco batteria e la temperatura target, che vengono elaborati dal fuzing , ragionamento fuzzy e defuzing, ecc., e i parametri PID vengono modificati Δkp, Δki e Δkd(kp è il coefficiente di regolazione proporzionale. Migliora la velocità di risposta e la precisione di regolazione del sistema; ki è il coefficiente di regolazione integrale per eliminare i residui; kd è il coefficiente di regolazione differenziale per migliorare le prestazioni dinamiche del sistema), quindi il controller PID modificato risolve la portata del refrigerante richiesta v in base alla differenza di temperatura e. Questa strategia può regolare la capacità di dissipazione del calore in qualsiasi momento in base alla corrente di carico ed evitare situazioni di capacità di dissipazione del calore insufficiente o spreco di energia.

Strategia di raffreddamento PID fuzzy

1.4 Modalità applicativa del sistema di raffreddamento a liquido

I tre metodi comunemente utilizzati nell'applicazione pratica del sistema di raffreddamento a liquido sono mostrati nella Figura 6: Innanzitutto, il tubo contenente il refrigerante viene utilizzato per circondare e contattare ciascuna batteria nel modulo per ridurre la temperatura della batteria e la differenza di temperatura tra le batterie. . Questo schema è più adatto per le batterie cilindriche [Figura 6(a)]; In secondo luogo, il modulo batteria è immerso direttamente in un liquido refrigerante non conduttivo, che può raffreddare tutti i lati della batteria e contribuire a migliorare l'uniformità della temperatura. Attualmente è comunemente utilizzato nei server dei sistemi di supercalcolo, ma è raramente applicato nel campo dello stoccaggio energetico con alto rischio di perdite [Figura 6(b)]. In terzo luogo, una piastra di raffreddamento viene posizionata tra la batteria o il modulo batteria e nella piastra di raffreddamento è presente un microcanale di liquido. Questo schema è adatto per batterie prismatiche o batterie soft pack [Figura 6 (c)].

Tre metodi comunemente utilizzati nell'applicazione pratica del BTMS raffreddato a liquido