전원 배터리는 전기 자동차의 중요한 부분이며 그 성능은 차량의 전원, 안전 및 경제성을 직접적으로 제한합니다. 파워 배터리의 에너지 밀도는 전기차의 주행거리를 결정하고, 파워 밀도는 최대 경사도와 최대 속도를 결정하며, 사이클 수명과 비용은 차량의 비용과 사용의 경제성에 영향을 미치며, 전기/열 안전성에 영향을 미칩니다. 전원 배터리의 환경 적응성이 전기 자동차를 결정합니다. 차량 안전 및 환경 적응성의 핵심 요소.
리튬 이온 배터리는 니켈-금속 수소화물 배터리의 업그레이드 버전입니다. 그들은 높은 에너지 밀도(약 250 Wh/kg)와 전력 밀도(약 1500 W/kg)를 가지고 있으며 항속 거리와 사용 수명 측면에서 강력한 이점을 가지고 있습니다. 그것은 현재 연구 개발 및 산업화의 초점입니다.
리튬이온 배터리 시스템은 복잡한 흐름과 열 전달 과정을 가진 전기화학적 전원입니다. 온도는 성능에 영향을 미치는 핵심 요소이며 주로 세 가지 측면에 반영됩니다. (1) 온도 상승은 배터리 용량 감소를 악화시킵니다. 열 폭주 원인; (2) 온도가 너무 낮으면 배터리의 전력과 용량이 크게 감소하고 충전 및 방전 효율이 감소합니다. (3) 배터리 팩의 서로 다른 배터리 사이의 온도 차이는 셀의 내부 저항과 용량의 불일치와 고르지 않은 속도 노화로 이어져 전체 배터리 시스템의 성능과 수명에 짧은 보드를 형성합니다.
따라서 전원 배터리의 작동 성능은 온도에 크게 영향을 받습니다. 합리적인 열 관리 시스템 구조를 설계하고 고급 열 관리 제어 전략을 개발하여 전원 배터리가 적절한 온도 범위 내에서 작동하고 셀 간의 온도 차이를 효과적으로 제어해야 합니다. , 따라서 전원 배터리의 성능을 향상시킵니다.
이 백서에서는 먼저 리튬 이온 배터리의 발열 메커니즘과 성능에 대한 온도의 영향을 소개하고 배터리 팩의 열 관리의 중요성과 열 관리 시스템의 설계 요구 사항을 설명합니다. 히트파이프 기술의 배터리 열관리 연구; 마지막으로 히트파이프 기술 기반 배터리 열관리 연구에서 해결해야 할 핵심 이슈와 연구 전망을 제시한다.
01 리튬이온 배터리 발열 특성 및 열관리 요건
리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 과정의 본질은 이온 이동 및 화학 반응입니다. Li plus는 그림 1과 같이 층상 탄소 재료 및 금속 산화물에 삽입 및 추출됩니다. 정상적인 작동 조건에서 배터리 열원에는 옴 열, 전기 화학 반응 열 및 분극 열이 포함됩니다. 온도가 상승함에 따라 배터리 내부에서는 전해질 분해, 음극 열분해, 음극과 전해질 간의 반응, SEI 피막 분해 반응 등 일련의 발열 화학 반응이 발생합니다. 과도한 온도는 열 폭주로 이어질 수 있습니다. 배터리 내부에서 일어나는 반응은 그림 2에 나와 있습니다.
그림 1 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 중 이온 이동의 개략도
그림 2 서로 다른 온도에서 리튬 이온 배터리 내부의 전기화학 반응
온도는 배터리 성능과 수명에 영향을 미치는 전기화학적 성능의 변화를 일으킵니다. 온도가 상승함에 따라 전기 화학 반응 속도가 증가하여 배터리 용량 감쇠가 심해집니다. 저온 환경은 또한 배터리 성능 감쇠를 일으키고 전극 활물질에서 리튬 이온의 이동 능력이 약해지고 충전 및 방전 용량이 급격히 떨어집니다.
또한 너무 높거나 낮은 온도는 배터리 노화를 가속화하고 배터리 수명에 영향을 미칩니다. 특히 고속 충방전의 경우 온도가 배터리 수명에 미치는 영향이 더 크다. 연구에 따르면 Sony 18650 리튬 배터리의 용량 손실은 25도에서 800회 사용 후 30%, 50도에서 800회 사용 후 거의 60%입니다. 보관 온도가 너무 높거나 너무 낮으면 리튬 배터리 용량이 감소하고 노화가 가속화됩니다.
차량 배터리 시스템은 일반적으로 수백 또는 수천 개의 배터리 셀로 구성되며 배터리 팩은 더 심각한 열 문제에 직면합니다. 열 전달 구조, 직렬-병렬 연결 모드 및 작동 조건과 같은 요인의 영향을 받아 배터리 팩의 각 단일 배터리의 온도는 작동 중 강한 불일치를 나타내며 내부 저항, 용량 감쇠 및 방전 깊이의 불일치로 이어집니다. 전체 배터리 팩 가용 용량과 수명 저하로 이어집니다(그림 3).
그림 3 온도 차이가 배터리 팩의 가용 용량에 미치는 영향
실제로 셀 온도의 일관성은 셀 수명의 활용률을 결정하는 중요한 매개변수이며, 이는 배터리 팩의 수명에 영향을 미칩니다(식 (1)). 따라서 셀 온도의 일관성을 유지하는 것이 특히 중요합니다.
배터리 팩 수명=배터리 수명 x 배터리 수명 사용률(1)
요약하자면 파워 배터리 팩의 온도를 제어하고 단일 셀 간의 온도 차이를 줄여 배터리 팩의 성능을 향상시키는 것은 매우 중요합니다. 현재 리튬 배터리의 최적 작동 온도 범위는 25~40도이며 셀 간의 온도 차이는 5도 미만인 것으로 알려져 있습니다. 현재 대부분의 열 관리 기술은 위에서 언급한 온도 및 온도 차이를 목표로 하며 열 관리 시스템의 구조 및 제어 방법을 설계하여 전원 배터리 팩의 작업 효율성 및 수명을 보장합니다.
02 일반적인 열 관리 방법
배터리 열 관리에는 고온 방열 및 저온 가열이 포함됩니다. 일반적인 배터리 방열 방법에는 기체(공기), 액체, 고체 상변화 물질(Phase Change Material, PCM) 및 히트 파이프 기반의 배터리 방열 기술이 포함됩니다. 배터리 모듈의 저온 가열 방식은 주로 유체 또는 PTC(Positive Temperature Coefficient)를 기반으로 하는 외부 가열과 배터리 자체에서 발생하는 열을 기반으로 하는 내부 가열이 있습니다.
2.1 배터리 냉각 기술
공기의 적용에는 주로 강제 대류와 자연 냉각이 포함됩니다. 연구진은 냉각 공기 덕트 구조 설계, 배터리 배치 설계, 환기 제어 전략 최적화를 통해 배터리 팩의 열전달 특성을 연구하고, 열전달을 강화하고 온도 균일성을 향상시키기 위한 방안을 제시했다. 저비용, 간단한 시스템 구조, 유지보수 용이 등의 장점으로 항속거리가 짧고 가성비가 높은 일부 모델에 공랭식 시스템을 적용하고 있다. 예를 들어 Nissan LEAF는 패시브 배터리 열 관리 시스템을 사용하여 리튬 이온 파우치 배터리 팩의 열을 분산시킵니다. , 또한 Toyota Prius, Kia Soul EV, SAIC Roewe MARVELX도 공랭식을 사용합니다. 그러나 대규모 리튬 이온 배터리 팩의 경우 공기 냉각은 배터리의 큰 열 부하와 긴 열 전도 완화 시간으로 인해 방열 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 특히 고온 환경에서는 공냉식 열 관리 기술의 열 전달 효율이 낮고 불일치가 커서 열 관리 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.
공기의 낮은 대류 열전달 계수로 인해 공기 대신 액체를 사용하는 것은 열전달을 향상시키는 불가피한 수단이 되었습니다. 연구에서는 일반적으로 열 분산을 위해 배터리 팩 하단이나 셀 사이에 액체 냉각판을 배치합니다. 현재 액체 냉각 시스템에 대한 대부분의 연구는 냉각 채널의 설계에 초점을 맞추고 있습니다: 냉각 액체 채널의 수를 늘리고, 냉각 채널의 구조를 개선하고, 채널에 핀을 배치하고, 열을 개선하기 위해 연결된 결합 냉각판을 설계합니다. 분산 및 온도 균일성. 최근에는 향상된 방열을 달성하기 위해 액체 금속, 나노 금속 유체 등을 사용하는 등 열 관리 냉각수로 새로운 냉매를 사용하는 연구도 일반적입니다.
현재 자동차 회사마다 액체 냉각 및 방열에 대한 적용 방법이 다릅니다. Tesla 액체 냉각 시스템은 물과 에틸렌 글리콜의 질량 비율이 1:1인 혼합 냉각수를 사용하며 18650 배터리 스택의 냉각 파이프를 구불구불하게 배열합니다. 각 셀의 방열; Chevrolet Volt 파우치 배터리 모듈은 액체 냉각을 사용하여 열을 발산합니다. 그림 4에서와 같이 두 개의 파우치 셀마다 하나의 유닛을 구성하고 액체 냉각 유로가 있는 알루미늄 판이 두 셀 사이에 병렬 유로 설계가 채택되어 각 셀의 대면적 냉각을 실현합니다. . 또한, 액상변화 원리에 의한 배터리 방열방식이 있는데, 즉 공조시스템 증발기를 배터리 시스템 하단에 설치하고 배터리에서 발생하는 열을 냉매로 빼앗는다. 직접 냉각이라고도 하는 증발. 일반적인 애플리케이션은 BMW i3 시리즈입니다. 액체 냉각 및 열 관리는 현재 엔지니어링 응용 분야에서 비교적 일반적인 방법이지만 시스템이 더 복잡하고 질량이 더 크며 누출 가능성이 있습니다.
그림 4 볼트 배터리 냉각 시스템 및 냉각판 구조
고체-액체 상변화 물질을 기반으로 하는 배터리 열 관리는 현재 연구 초점 중 하나입니다. 원리는 PCM 상 변화를 사용하여 열을 흡수하여 배터리 온도를 낮추는 것입니다. PCM은 배터리 팩의 온도 균일성을 효과적으로 보장할 수 있지만 재료의 열전도율이 낮기 때문에 현재 연구는 주로 PCM 재료 준비 및 열전도율 향상에 중점을 둡니다. 또한 PCM의 무거운 무게는 배터리 팩의 에너지 밀도를 감소시킵니다. 위의 이유는 전원 배터리의 열 관리에서 상 변화 재료의 적용을 제한합니다.
2.2 배터리 가열 기술
리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 성능은 저온 환경에서 크게 저하됩니다. 따라서 성능 향상을 위해 배터리를 예열해야 합니다. 현재 난방 기술은 주로 내부 난방과 외부 난방의 두 가지 범주로 나뉩니다.
내부 발열은 배터리 내부 저항을 통한 발열 방식을 말하며, 외부 AC 발열, 배터리 간 상호 펄스 충방전 발열, 배터리 자체 방전 발열 등이 있습니다. 또한, Wang et al. 니켈 전극을 추가하고 전극 전환을 통해 빠른 배터리의 빠른 가열 시작을 달성하는 3 전극 배터리를 설계했습니다.
외부 가열에는 주로 공기 가열 방식과 액체 가열 방식이 있습니다. 전자는 전기 가열선을 사용하여 공기를 가열한 다음 배터리를 가열하므로 온도는 균일하지만 에너지 소비가 높습니다. 후자는 구조가 더 복잡하고 온도 상승이 더 느린 흐름 채널의 액체를 가열하여 배터리 팩을 가열합니다. 위에서 언급한 대류를 기반으로 한 가열 방법 외에도 PTC 또는 저전력 가열 필름을 사용하여 배터리 표면을 직접 가열할 수 있으며 이는 배터리 방열에 일정한 영향을 미칩니다. 또한 PCM의 열 흡수/방출 원리를 이용한 배터리의 열 관리 방법도 있다.
그림 5 히트 파이프 작동 원리의 개략도
배터리의 고온 방열/저온 가열을 위한 열 전달 요소로 히트 파이프를 사용하는 것은 새로운 열 관리 방법입니다. 히트파이프는 기체-액체 상변화 원리에 기반한 효율적인 열교환 소자이며 작동 원리는 그림 5에 나와 있습니다. 액체 작동 매체는 가열 끝에서 증발 및 기화하고 압력차, 응축 섹션에서 열을 응축 및 방출합니다. 액체 작동 매체는 모세관력을 통해 다공성 물질을 따라 증발 섹션으로 돌아가며 높은 열 전달 효율과 우수한 온도 균일성의 장점이 있습니다. .
그림 6 공기 냉각, 액체 냉각 및 히트 파이프 기반 열 관리 시스템의 성능 비교 개략도
히트 파이프는 에너지 및 화학 산업, 항공 우주, 전자 전력 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다. 배터리 열 관리 분야에서 히트 파이프는 방열/발열 속도 및 배터리 팩 온도 균일성 측면에서 강력한 이점이 있습니다(그림 6). 고온 방열 측면에서 강제 공기 냉각과 비교하여 히트 파이프를 통한 열 전도 및 공냉식 열 교환 방법은 배터리 온도를 20도 이상 낮출 수 있습니다(20Ah 정사각형 배터리, 5C 방전). 저온 발열 측면에서 히트파이프 열전도 기반 배터리는 PTC 직접 발열보다 발열률이 1.5배 높다. 특히 고전류 충전 및 방전 조건에서 히트 파이프는 더 우수한 열 전달 성능과 온도 균일성을 나타냅니다. 히트 파이프의 적용은 미래의 고성능 배터리 팩의 연구 개발을 실현하는 데 도움이 되며 최근 많은 관심을 받고 있습니다.
03 히트파이프 기술 기반 배터리 열관리 연구
무화과. 도 7은 열 전달 구성요소로서 히트 파이프를 사용하는 일반적인 배터리 열 관리 시스템의 개략도이다. 각 셀의 충방전 과정에서 발생하는 열은 직접(또는 알루미늄 판과 같은 열전도 매체를 통해) 셀 측면이나 바닥에 배치된 히트파이프로 전달되어 열을 빼앗는다. 히트 파이프의 콜드 엔드에 있는 방열 시스템에 의해 그림에서 시스템의 열 전달 성능에 영향을 미치는 주요 요인은 세 가지 측면을 포함한다는 것을 알 수 있습니다. (1) 전원 배터리의 작동 조건 및 열 생산, 즉 열원의 작동 조건의 영향 열 관리 시스템의 성능; (2) 히트파이프의 열전달 특성은 주로 히트파이프의 내부 구조 설계와 전원 배터리 팩의 배치가 시스템의 방열 성능에 미치는 영향을 포함합니다. (3) 히트 파이프의 냉단부에서의 방열은 주로 2차 열교환을 위한 직접 공기 냉각과 수냉의 두 가지 형태를 포함합니다. 또한 저온에서는 히트파이프를 PTC나 전열필름으로 국부적으로 가열한 후 열전도 형태로 배터리에 전달해야 한다. 연구의 이 부분은 난방 시스템 설계 및 난방 전략 연구를 포함합니다.
그림 7 히트파이프 기반 배터리 열관리 시스템 개략도
3.1 배터리 작동 조건 및 시스템 열 전달에 미치는 영향에 대한 연구
시스템의 작동 조건은 배터리의 발열 특성을 결정하며 시스템의 열 전달에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 배터리의 온도가 히트 파이프의 시동 온도까지 상승하기 전에 히트 파이프는 쉘을 통해 열 전도 형태로 열을 전달합니다. 온도가 시동 온도까지 상승하면 튜브의 작동 매체는 상 변화의 잠열을 사용하여 열을 흡수하기 시작하여 열전도율을 높이고 배터리 온도를 점차적으로 증가시킵니다. 더 안정적입니다.
연구에 따르면 배터리가 정률 방전 상태에서 초기 방전부터 안정적인 온도에 도달하는 데 필요한 시간은 약 400-2000s이며, 이는 배터리 방전 속도 및 열 발산 조건과 같은 요인과 관련이 있습니다. 히트 파이프의 차가운 끝. 배터리의 열 발생률은 방전률과 비선형적으로 증가합니다. 3, 5 및 8C 속도에서 10Ah 정사각형 배터리의 열 생성 속도는 각각 약 10.5, 25.4 및 54.4W입니다. 열원 조건의 변화는 히트 파이프의 다른 열 저항으로 이어지고 안정성을 달성합니다. 온도 분포도 다릅니다. 또한 콜드 엔드에서 열 전달량이 많을수록 히트 파이프가 안정화되는 데 필요한 시간이 짧아지고 안정적인 온도가 낮아집니다.
전기 자동차의 작동 환경은 복잡하고 변경 가능하며 가속, 산사태, 급제동 및 기타 상황에 언제든지 직면합니다. 전원 배터리의 열 특성은 정상 상태 조건의 열 특성과 상당히 다릅니다. 그림 8은 안정적인 작동 조건과 불안정한 작동 조건에서 배터리 온도와 온도차 변동 법칙의 차이를 보여줍니다. Tran et al. 차량의 주행 조건을 모사하기 위해 시변 화력을 이용하여, 히트파이프 기반 핀 공랭식과 핀 공랭식 2가지 조건에서 히팅 모듈의 온도 변동을 비교하였고, 히트파이프 결합 핀을 이용한 배터리 온도가 공기 냉각 그러나 변화 과정에서 온도와 열 유속의 변화 추세가 일정하지 않습니다. 열 관성의 영향을 받아 온도가 계속 상승했다가 하락하는 동안 열 발생률이 갑자기 떨어집니다.
그림 8. 차량 조건에서 배터리 온도 변화의 개략도. (a) 안정적인 상태 (b) 불안정한 상태
위의 연구에서는 불안정한 작업 조건이 배터리에 미치는 영향과 모노머 수준에서 히트 파이프의 신뢰성에 대해 논의했습니다. 배터리 그룹의 동적 열 전달 특성은 단일 배터리의 동적 열 전달 특성과 상당히 다르며, 특히 열 관리 구조는 배터리 그룹의 온도 차이에 더 분명한 영향을 미칩니다.
배터리 팩의 온도 상승 및 온도 분포는 열 관리 시스템의 동적 열 전달 프로세스와 밀접한 관련이 있습니다. 현재 연구는 아직 열전달 효과 검증 단계에 있다. 열 관리 시스템이 고효율을 달성하기 위한 효과적인 실시간 제어 전략을 공식화하기 위해 배터리 팩의 작동 조건을 결합하는 방법. , 저에너지 배터리 열 관리는 더 해결해야 할 문제입니다.
3.2 히트파이프의 열전달 특성 분석 및 설계 연구
3.2.1 전원 배터리 기반 히트파이프 설계 및 최적화
히트 파이프 설계는 열 전달 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 열 전달 효과는 채널 크기, 액체 흡수 코어 구조 및 액체 충전 속도와 같은 요소와 밀접한 관련이 있습니다. 합리적인 히트 파이프 설계는 배터리 열 관리 효율성을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 전원 배터리의 열 발생 특성으로 인해 많은 학자들이 배터리용 히트 파이프 설계에 대한 연구를 수행했습니다. 장 외. 루프형 중력 히트 파이프의 열 전달 성능에 대한 다양한 작동 유체의 영향을 연구했습니다. 배터리 발열량이 50W인 경우 아세톤을 작동 유체로 사용하면 배터리의 평균 온도를 45도 이하로 제어할 수 있으며 이는 물을 작동 유체로 사용하는 것보다 낫습니다. 품질 냉각 효과. Putraet al. 작동 유체의 방열 효과가 배터리의 발열률과 밀접한 관련이 있음을 발견했습니다. 다른 열원에서 발생하는 열에 따라 다른 작동 유체를 사용하여 히트 파이프의 효율을 극대화할 수 있습니다. 배터리의 열 발생률이 1.61 W/cm2보다 크면 열 전달 효율이 가장 높은 작동 유체로 에탄올이 사용됩니다. Chi et al은 맥동 히트 파이프의 열전달에 대한 액체 충진율의 영향을 연구했으며, 배터리의 열 생성율이 증가함에 따라 히트 파이프의 최적 액체 충진율이 증가한다는 것을 발견했습니다. 따라서 최적의 열전달 효과를 얻기 위해서는 열원 조건에 따라 적절한 작동 유체의 종류와 액체 충진율을 선택해야 합니다.
현재 대부분의 연구는 작동유체 수준(작동유체의 종류, 액체 충진율)에서 파워배터리에 사용되는 히트파이프의 열전달 특성을 연구 및 최적화하고 있으며, 히트파이프의 성능을 향상시키는 문헌도 일부 존재한다. 구조의 관점에서. Swanepoel은 맥동 히트 파이프를 기반으로 배터리 열 관리 시스템을 설계하고 히트 파이프의 열 전달 성능에 대한 매체 및 파이프 폭의 영향을 분석했으며 히트 파이프의 작동 유체가 암모니아수일 때 열의 폭이 파이프는 배터리 열 관리 성능을 보장하기 위해 2.5mm 미만이어야 합니다. 시동 및 방열 효율.
중력 히트 파이프, 소결 히트 파이프, 맥동 히트 파이프, 평판 루프 히트 파이프, 평판 마이크로 히트 파이프 등과 같은 기존 전력 배터리의 열 관리 연구에서 다양한 유형의 히트 파이프가 사용되며, 통합된 선택이나 설계 방법이 없습니다. 구조적 관점에서 플랫 플레이트 히트 파이프는 파워 배터리 열 관리 시스템에서 우월성을 나타내며 파워 배터리 열 관리를 위한 첫 번째 선택이 될 것으로 예상됩니다. 그러나 현재 편평한 히트파이프 설계에 대한 연구는 거의 없다.
3.2.2 히트파이프 레이아웃 방식 설계
배터리 열 관리 시스템의 레이아웃은 히트 파이프의 열전도율에 영향을 미치는 또 다른 핵심 요소입니다. Tran et al. 수평 및 수직으로 배치했을 때 히트 파이프의 열전도도를 비교했습니다. 배터리 팩의 발열을 시뮬레이션하기 위해 38W 열원을 적용하면 히트 파이프의 증발 끝 부분의 온도가 가로로 배열하면 61도에 도달하고 세로로 배열하면 51도에 불과합니다. Rao Zhonghao는 맥동 열 파이프를 사용하여 실험을 수행하여 유사한 규칙을 얻었습니다. 그는 그림 9와 같이 배터리 열 관리 실험 테스트 플랫폼을 구축했습니다. 실험 결과 동일한 발열 전력에서 배터리를 수직으로 놓았을 때 배터리 표면의 온도 상승이 적고 국부적 온도 차이가 작을 때보다 작습니다. 수평으로 배치.
그림 9 맥동 히트 파이프 배터리 냉각 시스템의 개략도
또한 장치의 기울기 각도도 열 전달에 영향을 줍니다. 히트파이프를 수평으로 설치하면 배터리 표면의 온도차가 경사각에 크게 영향을 받습니다. 히트 파이프를 수직으로 설치하면 중력과 모세관력의 이중 효과로 인해 히트 파이프의 열 전달 저항이 감소하고 도로의 경사는 국지적 온도 차이에 거의 영향을 미치지 않습니다.
위의 연구들은 모두 히트파이프의 수직배열이 수평배열보다 방열과 온도균일 효과가 더 좋다는 것을 보여준다. Wang et al. 히트파이프를 수직으로 배열한 상태에서 히트파이프의 열전달 효과에 대한 배터리 배치 방향의 영향을 연구하여 튜브 내의 작동 유체가 고온단(전극)에서 응축단으로 열을 빠르게 전달할 수 있음을 보여주었고, 동일한 발열량에서 전극을 위로 향하게 하는 방식으로 온도 상승 시간을 지연시킬 수 있습니다.
히트 파이프의 열 전달 성능을 보장하기 위해 배터리 열 관리 시스템의 구조 설계는 열 전도율에 대한 히트 파이프 배열의 영향을 충분히 고려해야 합니다.
3.3 열관리 시스템의 방열구조 설계 및 열전달 해석
히트파이프는 배터리 열 관리를 위한 열 전달 부품으로 배터리 팩에서 정상적인 작동을 보장하기 위해 배터리에서 발생하는 열을 흡수하면서 열을 빠르게 발산해야 합니다. 일반적으로 히트 파이프의 콜드 엔드는 공기 냉각과 수냉의 두 가지 냉각 방법을 채택할 수 있습니다. 전자는 구조가 단순하고 구현이 용이한 반면, 후자는 구조가 비교적 복잡하지만 방열 수요가 클 때 더 좋은 성능을 보인다.
3.3.1 콜드 엔드에서 공냉식 열 분산
직접 공기 냉각은 히트 파이프의 응축 부분에 대한 가장 간단한 방열 방법입니다. Yeet al. 1C 방전 조건에서 배터리(LiFePO4, 18Ah)를 35도 미만으로 유지하기 위해 히트 파이프의 차가운 쪽에서 강제 공기 냉각을 사용했습니다. 콜드 엔드가 자연적으로 냉각되면 방전 종료 온도는 40도 이상입니다. 히트파이프의 방열능력을 강화하기 위해 콜드엔드 핀의 수를 늘리고, 콜드엔드 핀의 설계를 개선하고, 공기 냉각의 유속을 높이고, 응축 섹션을 사용할 수 있습니다.
히트 파이프의 수, 핀의 수 및 핀 사이의 간격도 방열 효과에 중요한 영향을 미칩니다. 배터리 표면에 히트파이프를 여러 개 배치하면 방열 효과를 높일 수 있지만 공기 흐름 방향에 따른 콜드 엔드의 평균 열전달 계수가 점점 낮아지기 때문에 배터리 표면 온도의 불균일성이 커진다. 첫 번째 히트 파이프 앞에 스포일러 튜브를 배치하여 배터리 표면의 온도 균일성을 향상시킬 수 있습니다(그림 10(d)).
그림 10 히트파이프 응축부의 설계도. (a) 응축 끝단은 베어 파이프입니다. (b) 핀 간격은 10mm입니다. (c) 핀 간격은 3mm입니다. (d) 냉각 말단에는 가상 히트 파이프가 있습니다.
많은 연구자들은 히트 파이프와 상변화 물질을 사용하여 방열을 결합하여 배터리 표면 온도 균일성을 개선하고, PCM을 배터리 표면에 부착하고, 히트 파이프를 PCM에 내장하여 열을 제거하고, 콜드 엔드는 공기 냉각을 사용하여 열을 분산시킵니다. 그림 11은 일반적인 히트 파이프 - PCM이 공냉식 방열 시스템과 결합된 모습입니다. 이 구조는 2C 방전 후 배터리 팩의 최대 온도 차이가 2도보다 낮아지도록 할 수 있으며 냉각 풍속은 배터리의 최대 온도 상승에 영향을 미칩니다.
그림 11 각형 배터리 히트 파이프-PCM 결합 열 관리 시스템
응축 구간의 길이를 늘리는 것은 히트 파이프의 방열 능력을 향상시키는 또 다른 효과적인 방법입니다. 그러나 결로 구간의 길이를 늘리면 배터리 팩의 온도차가 커집니다. 응축 구간의 길이에는 최적의 값이 있습니다.
3.3.2 콜드 엔드에서 액체 냉각
공기의 낮은 비열 용량으로 인해 히트 파이프와 액체 냉각을 결합하여 열을 발산하면 공기 냉각의 부족을 보완할 수 있습니다. 히트 파이프의 냉단부와 액체 흐름 채널 사이의 접촉 모드에 따라 접촉 액체 냉각 열전달과 비접촉 액체 냉각 열전달로 나눌 수 있습니다. 접촉식 액체 냉각 시스템은 그림 12에 나와 있습니다. 히트 파이프의 차가운 끝 부분은 물 탱크에 담가 있고 일정한 유속의 액체가 내부로 유입됩니다. 2C에서 30분 연속 방전 후 배터리 온도는 42도를 초과하지 않아 히트 파이프와 액체 냉각 커플링의 방열 효과를 보여줍니다.
Fig.12 히트파이프의 냉단부에 있는 접촉 액체 냉각 열교환 시스템의 개략도
Zhao et al. 배터리의 방열 효율을 향상시키기 위해 콜드 엔드에서 물 분사를 사용했습니다. 두 개의 배터리 사이에 평평한 마이크로 히트 파이프를 배치하고 일정 빈도로 표면에 물을 뿌렸습니다. 배터리의 온도 상승은 2C의 연속 방전 조건에서 4도에 불과했습니다. , 3C 방전 조건에서의 온도차는 2.5도 미만입니다.
비접촉식 액체 냉각 시스템은 일반적으로 배터리 표면에 히트 파이프를 배치하고 액체 냉각 유로와 히트 파이프의 차가운 끝 부분의 접촉을 통해 열을 제거합니다. 히트 파이프의 차가운 끝 부분이 냉각액에 직접 잠기지 않아 안전성이 더 높습니다. Audi는 그림 13과 같이 배터리 열 관리 솔루션을 설계했습니다. 두 개의 배터리 사이에 동판이 배치되어 있으며 동판에는 4개의 소결 히트 파이프가 내장되어 있습니다. 마지막으로 열은 히트 파이프의 차가운 끝에 부착된 액체 냉각판을 통해 전달됩니다. 가져가. 400W 배터리 발열 전력 조건에서 시스템은 배터리 온도를 50도 이하로 유지할 수 있어 냉각 효과가 좋습니다.
그림 13 전원 배터리 히트 파이프의 방열 설계 방식
현재 연구의 대부분은 배터리의 온도 상승 및 온도 차이를 평가 지표로 사용합니다. 그러나 향상된 열 전달은 더 많은 에너지 소비와 시스템의 무게 증가를 가져오고 시스템 수준에서 설계 고려 사항이 거의 없습니다. 배터리 방전 특성, 방열 효과, 시스템 에너지 소비 및 경량화 및 기타 지표를 고려하고 열 관리 시스템을 위한 효율적인 방열 방식을 제안하는 방법은 향상된 배터리 방열에 대한 향후 연구의 초점입니다.
3.4 히트파이프를 이용한 배터리 발열 연구
위에서 언급한 바와 같이 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 효율은 저온 환경에서 크게 감소합니다. 현재 히트파이프를 열전달 부품으로 이용한 저온가열에 대한 연구가 많은 관심을 받고 있다.
Yeet al. 배터리 표면에 마이크로 플레이트 히트 파이프를 배치하고 다른 쪽 끝을 가열 요소로 가열했습니다(그림 14). 배터리가 -10, -20, -30도에서 0도로 가열되는 데 걸린 시간은 각각 350, 780 및 1100초였습니다. , 온도 상승률은 기존 바닥 가열 방식의 1.5 배입니다. 가열 과정에서 온도 차이는 기존 가열 방식(9도)보다 훨씬 낮은 3도 이하로 제어할 수 있습니다. Liang Jianan et al. 가열 전력을 높이면 배터리의 가열 속도가 증가할 수 있지만 동시에 배터리 표면의 온도 차이가 증가한다는 사실을 발견했습니다. 따라서 최적의 가열 전략을 결정하기 위해서는 가열 시간과 배터리의 온도차를 종합적으로 고려해야 합니다.
그림 14 히트파이프 기반 리튬이온전지 발열구조 개략도
Zouet al. 그림 15와 같이 배터리의 저온 가열과 고온 냉각을 모두 실현할 수 있는 히트 파이프-액체 결합 통합 열 관리 시스템을 설계했습니다. 파이프의 냉매는 PTC에 의해 가열되고 열 파이프를 통해 배터리로 열을 전달합니다. 가열 초기에는 배터리의 온도가 급격히 상승합니다. 히트파이프의 차가운 끝과 뜨거운 끝 사이의 온도차가 점차 줄어들면서 열전달 용량이 약해지고 최종 열전달 값은 일정한 값에 가까워집니다. 약 900초 후에 배터리 온도가 20도까지 올라갑니다.
그림 15 히트 파이프 가열 시스템의 개략도
히트 파이프 기반의 현재 배터리 가열 시스템은 일반적으로 전통적인 히트 파이프 또는 마이크로 채널 히트 파이프를 사용하여 배터리 표면에 배치하고 다른 쪽 끝은 온수 가열 또는 PTC 가열을 사용합니다. 대부분의 연구는 실험 검증 단계에 있습니다. 기존 연구 결과는 히트파이프 가열의 높은 효율을 충분히 입증하고 있습니다. 온도 균일성, 추가 연구는 저온 가열 전략에 중점을 두어야 합니다.
04 요약 및 전망
온도는 전원 배터리의 성능에 영향을 미치는 핵심 요소이며 효율적인 열 관리 시스템은 전기 자동차에 매우 중요합니다. 히트 파이프는 강력한 열 전달 및 온도 균일성 기능을 가지고 있으며 미래 배터리 열 관리 시스템을 위한 중요한 연구 방향입니다. 히트 파이프를 배터리 냉각/가열 요소로 사용하는 데 상당한 진전이 있었습니다. 그러나 열 관리 시스템에 대한 전기 자동차의 요구 사항이 개선됨에 따라 히트 파이프 적용 시 해결해야 할 몇 가지 문제가 여전히 남아 있습니다.
(1) 전원 배터리의 온도는 동적 열 생성 조건과 밀접한 관련이 있습니다. 효율적이고 낮은 에너지 배터리 열 관리를 달성하기 위한 효과적인 실시간 제어 전략을 공식화하려면 실제 차량 조건과 추가 연구가 결합되어야 합니다.
(2) 히트파이프의 열전달 측면에서 히트파이프의 열전달 성능에 영향을 미치는 요인은 많기 때문에 히트파이프의 내부 구조 설계 및 배터리 팩에서의 배치를 종합적으로 고려하여 최적의 히트파이프를 구성하는 것이 필요하다. 사용 중 열전달 성능, 특히 평판형의 경우 히트파이프의 열전달 특성 분석 및 최적 설계 연구는 향후 연구의 핵심 포인트 중 하나입니다.
(3) 히트 파이프 방열 측면에서 현재 대부분의 시스템 설계는 배터리 팩의 온도 상승 및 온도 차이를 줄이는 데 중점을 두고 있으며 시스템 에너지 소비 및 무게는 덜 고려합니다. 추가 히트 파이프 강화 방열 연구는 시스템 다목적 최적화, 포괄적인 시스템 열 및 전기적 특성, 시스템 에너지 소비 및 경량 및 기타 지표에 초점을 맞추고 열 관리 시스템 방열 솔루션을 제안해야 합니다.
(4) 히트파이프를 이용한 난방 연구에 있어서 현재 대부분의 연구는 그 효과를 시험하고 검증하는 단계에 있다. 다양한 환경에서 히트 파이프의 열 전달 특성에 대한 추가 연구, 특히 저온 환경에서의 가열 전략에 대한 연구는 향후 연구의 핵심 포인트 중 하나입니다. 하나.
전기 자동차의 발전과 파워 배터리 기술 및 히트 파이프 기술의 지속적인 발전으로 히트 파이프는 배터리 열 관리에 더 널리 사용될 것입니다.
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