Einleitung
In der heutigen, schnell voranschreitenden neuen Energiebranche sind Lithium-Eisenphosphat-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihrer Umweltfreundlichkeit und ihres fehlenden Memory-Effekts zur bevorzugten Energiequelle für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme geworden. Allerdings sind Lithium-Ionen-Batterien sehr temperaturempfindlich, und die Aufrechterhaltung einer effizienten Entladung und einer optimalen Leistung innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs ist eine technische Herausforderung. Unser Unternehmen widmet sich der Forschung und Entwicklung von Wärmemanagementtechnologien für Batterien und hat insbesondere bei der Phasenkühlung erhebliche Fortschritte erzielt. Dieser Artikel vergleicht die Phasenkühlung mit der Flüssigkeits- und der Luftkühlung und zeigt diese technologische Revolution anhand detaillierter Daten auf.
Inhaltsverzeichnis
- Forschungshintergrund
- Was ist Phasenwechselkühlung?
- Flüssigkeitskühlung: Hohe Kühleffizienz, aber kostspielig und schwierig zu warten
- Luftkühlung: Einfache Struktur, begrenzte Kühleffizienz
- Unsere Forschung und Ergebnisse
- Numerische Simulation und experimentelle Verifizierung
- Schlussfolgerung und Zukunftsaussichten
Forschungshintergrund
Lithiumbatterien erzeugen im Hochlastbetrieb eine erhebliche Menge an Wärme. Wenn diese nicht effektiv gehandhabt wird, kann sie die Leistung der Batterie beeinträchtigen und ihre Lebensdauer verkürzen. Herkömmliche Kühlmethoden wie Luft- und Flüssigkeitskühlung sind zwar effektiv, stoßen aber unter Bedingungen mit hohem Wärmefluss an ihre Grenzen. Daher hat unser Unternehmen ein Kühlsystem auf der Grundlage von Phasenwechselmaterialien (PCM) erforscht und entwickelt, um ein besseres Wärmemanagement zu erreichen.
Was ist Phasenkühlung?
Die Technologie der Phasenwechselkühlung (PCM) nutzt die Eigenschaft von Materialien, während des Phasenübergangs eine große Menge an latenter Wärme zu absorbieren, um die Wärme von Batterien effektiv zu verwalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Luft- und Flüssigkeitskühlungstechnologien hat die Phasenwechselkühlung folgende Vorteile:
Einfaches Design, hohe Verlässlichkeit
Die Kühlung mit Phasenwechselmaterialien erfordert kein komplexes Flüssigkeitszirkulationssystem, was das Wartungs- und Ausfallrisiko verringert.
Angemessene Temperaturregelung
Durch den Phasenübergang des Materials kann die Temperatur des Batteriesystems in angemessener Weise angepasst werden, so dass die Batterie innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs arbeitet.
Energie-Effizienz
Während des Phasenumwandlungsprozesses absorbiert das Material Wärme und verhindert so, dass die Oberflächentemperatur der Batterie schnell ansteigt. Umgekehrt gibt das Material Wärme ab, wenn die Temperatur der Batterie unter den Schwellenwert des Phasenwechselmaterials fällt, und verhindert so ein schnelles Absinken der Oberflächentemperatur der Batterie.
Flüssigkeitskühlung: Hohe Kühleffizienz, aber kostspielig und schwierig in der Instandhaltung
Bei der Flüssigkeitskühlung werden Flüssigkeiten mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, die zur Wärmeableitung mit dem Batteriemodul in Kontakt kommen. Im Vergleich zur Luftkühlung ist die Flüssigkeitskühlung effizienter, hat aber auch Nachteile, wie z. B. das hohe Gewicht, das zu einer geringeren Gesamtenergiedichte führt, die Systemkomplexität, die hohen Kosten und die schwierige Wartung, was ihre breite Anwendung einschränkt.
Luftkühlungstechnologie: Einfache Struktur, begrenzte Kühleffizienz
Bei der Luftkühlung wird die Batteriewärme über Luft abgeführt, was eine einfache Struktur und niedrige Kosten ermöglicht. Ihre Kühleffizienz ist jedoch begrenzt und kann die Anforderungen an das Wärmemanagement von Batteriepacks unter hohen Leistungs- und Hochgeschwindigkeitsbedingungen nicht erfüllen. Außerdem beanspruchen die Luftkanäle ein beträchtliches Volumen, was die Gesamtenergiedichte des Akkupacks verringert.
Unsere Forschung und Ergebnisse
Unser Forschungs- und Entwicklungsteam hat ein innovatives Kühlsystem entwickelt, das Phasenwechselmaterialien und Flüssigkeitskühlung kombiniert. Dieses System macht sich die hohe Wärmespeicherkapazität von Phasenwechselmaterialien zunutze und verbessert die Kühleffizienz durch Flüssigkeitskühlung. Die experimentelle Validierung zeigt, dass unser Kühlsystem die Batterietemperatur während des Entladevorgangs von Lithium-Eisenphosphat-Batteriepacks effektiv innerhalb eines idealen Bereichs kontrolliert und so die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie erheblich verbessert.
Als Kühlmedium wurde ein paraffinbasiertes Verbundphasenwechselmaterial (CPCM) mit hoher latenter Wärme und geeigneter Phasenübergangstemperatur ausgewählt. In Experimenten konnte durch die Verwendung von reinem Paraffin als Medium für das Wärmemanagement der Batterie (BTM) die maximale Temperatur der Batterie unter 3C-Entladebedingungen um 28,0 % gesenkt werden. Durch die Zugabe von expandiertem Graphit zum Paraffin konnten wir die Wärmeleitfähigkeit des CPCM auf 2,0 W/(m-K) erhöhen und so die maximale Batterietemperatur um weitere 5,42 °C senken.
Numerische Simulation und experimentelle Verifizierung
Zur Optimierung der Wärmemanagementleistung von Batteriepacks verwendeten wir die Software COMSOL Multiphysics für numerische Simulationen und kombinierten Experimente, um die Auswirkungen verschiedener Zellabstände und der Menge an Phasenwechselmaterial auf das Temperaturfeld des Batteriepacks zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass die Temperaturgleichmäßigkeit optimal war, wenn die Zellen gleichmäßig mit einem Abstand von 10 mm verteilt waren. Durch die Optimierung der Zellenanordnung und die systematische Verringerung des Abstands von der Mitte zum Rand des Batteriepacks konnten wir die Menge des Phasenwechselmaterials um 12 % reduzieren, wobei der maximale Temperaturanstieg unverändert blieb, während die maximale Temperaturdifferenz um 34 % sank.
Schlussfolgerung und Zukunftsaussichten
Durch eine Reihe von Studien und Experimenten ist es unserem Unternehmen gelungen, ein effizientes Phasenwechsel-Kühlsystem für Lithium-Batteriepacks zu entwickeln. Dieses System steuert nicht nur effektiv die Temperatur der Batterie, was die Leistung und Sicherheit verbessert, sondern reduziert auch den Materialverbrauch und die Kosten. In Zukunft werden wir die Erforschung und Optimierung von Phasenkühlsystemen fortsetzen, einschließlich der Entwicklung neuer hocheffizienter Phasenkühlmaterialien, der Verbesserung der Batterieanordnung und der Integration intelligenter Wärmemanagementsysteme.
Wir sind fest davon überzeugt, dass unser Unternehmen durch kontinuierliche Innovation und Forschung einen größeren Beitrag zur Zukunft der nachhaltigen Energie leisten und eine führende Position in der Lithiumbatterie-Wärmemanagementtechnologie einnehmen wird.
