Анализ перспективных систем охлаждения аккумуляторных батарей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК621.3

AT1 = Tb2 - V

(3)

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

СЛАБОСПИЦКИИ Р.П., ХАЖМУРАДОВ М.А., ЛУКЬЯНОВА В.П.

Приводится анализ и обзор существующих и разрабатываемых систем охлаждения аккумуляторных батарей.

1. Введение

Системы охлаждения применяются в компьютерной, космической и военной технике, в домашних и промышленных кондиционерах, на железнодорожном, водном и воздушном транспорте, а также в электромобилях. В наших работах [1-4] рассмотрены системы охлаждения аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях.

2. Аналитический метод расчета

Расчеты проведены аналитическим методом для конкретной конструкции аккумуляторной батареи, где охлаждаются ячейки батареи потоком воздуха через прямоугольные каналы. Проведены расчеты для случаев, когда ячейки охлаждаются потоком воздуха снизу, сверху и сбоку. Расчеты проведены как для системы охлаждения с равномерным распределением тепла в ячейках батареи - 15 Вт выделяется по всей высоте ячейки (рис. 1,а), так и с неравномерным распределением тепла - 15 Вт распределены по высоте ячейки согласно рис 1,б (в верхних частях ячеек батареи температура выше, чем в нижних). Если в какой-либо части ячейки батареи температура превышает допустимые условия ее работы (+5 0°С), то необходимы дополнительные меры по охлаждению батареи.

При расчетах аналитическим методом [5,6] использовалось уравнение баланса энергии (1) для батареи с размерами L = 220 мм, b = 150 мм, а = 2, 3, 4, 5 мм:

qc = hc •A АТ2 = m • Cp ATb (1)

где qc - тепловой поток, поступающий в канал; hc -коэффициент теплопередачи; A = 2b • L - общая площадь поверхности контакта воздуха с теплопередающей поверхностью; АТ2 - разность температуры между поверхностью ячейки Ts и средней температурой потока; m - массовый расход воздуха; Cp - удельная теплоемкость; АТ1 - изменение температуры потока между входом в канал и выходом из него.

В уравнении (1):

АТ2 =

ґ T Tb1 + Tb2 ]

Ts v 2 у

(2)

здесь Ts - средняя температура стенки; Tb1 - температура потока на входе канала; Tb2 - температура потока на выходе из него.

Рис. 1. Воздушное охлаждение через прямоугольные каналы: а - с равномерным [1], б - с неравномерным

распределением мощности [4]; T (i=1,j,4) - темпера-

si

тура поверхности частей батареи

Массовый расход воздуха через канал равен

m = Р-B • Vm,

(4)

где р - плотность воздуха; B = a • b - площадь канала; Vm - средняя скорость движения воздуха.

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

h

c

k • Nu

(5)

здсь k - коэффициент теплопроводности воздуха; Nu

- число Нуссельта; Dh - гидравлический диаметр.

Число Нуссельта для ламинарного движения вычисляется по формуле

Nu лам = 1,86(Re- Pr)

0,33

Ґ Dh' N 0,33 Ґ

vL У v

/ л0,14

v Н s у

(6)

а для турбулентного движения - по формуле

Nu Турб = 0,023 Re0’8 • Pr0,3, (7)

где Rе - число Рейнольдса; Pr - число Прандтля; Dh -

гидравлический диаметр; L - длина канала; H b , Hs -коэффициенты динамической вязкости воздуха при разных температурах (+20 оС и +50 оС) соответственно. Число Рейнольдса вычисляется по формуле

Re =

V • D.

m h

V

(8)

РИ, 2013, № 2

8

где Vm - средняя скорость движения воздуха; v -коэффициент кинетической вязкости.

Расчеты выполнены при скорости подачи воздуха Vm = 1...20 м/с, различных значениях зазора между ячейками (a = 2, 3, 4 и 5 мм), разных направлениях подачи охлаждающего потока воздуха в батарею (сбоку, снизу, сверху) [1-4]. Некоторые результаты расчетов приведены в табл. 1.

При подаче охлаждающего потока воздуха сбоку введена величина Т - средняя температура, как среднее значение для всей поверхности ячейки

Т... = і Т.4./4 И'

1 = 1

Анализ данных табл. 1 показывает, что самая высокая температура в верхней части (Ts4 ) поверхности

ячейки при охлаждении снизу (76,7 оС), несколько ниже температура поверхности нижней части ячейки

(TS1) при охлаждении сверху (68,8 оС), а лучше всего из наиболее горячих частей охлаждается поверхность верхней части ячейки Ts[p (58,4 °С) при

охлаждении сбоку. Хотя четвертая часть ячейки на выходе потока воздуха и имеет высокую температуру (79 оС), однако средняя температура верхней части всей ячейки не очень высокая (58,4 оС). По-видимому, это связано с тем, что ширина батареи (150 мм) меньше, чем ее высота (220 мм).

Общий вывод, который можно сделать в результате всех проведенных исследований (изменение скорости и направления подачи воздуха в батарею, зазоров между ячейками и др.), таков, что при малой

скорости потока воздуха Vm = 1 м/с не удается снизить температуру поверхности ячейки ниже +50 оС. Поэтому необходимо искать другие пути решения этой проблемы.

3. Поиски эффективных систем охлаждения

Создать условия, когда температура самых горячих частей поверхности ячейки будет меньше +5 0°С, можно

либо путем увеличения коэффициента теплопередачи hc , либо путем увеличения числа Нуссельта Nu . В наших работах [3-4] приведены графики зависимости величин hc и Nu от скорости поступающего воздуха Vm = 1...10 м/с при различных зазорах между ячейками (a = 2, 3, 4 и 5 мм). Из графиков видно, что с увеличением скорости Vm движение воздуха переходит от ламинарного в турбулентное, при котором поверхность ячейки лучше охлаждается. Из графиков также следует, что при малых скоростях Vm < 3 м/с величина коэффициента теплопередачи hc намного меньше, чем при больших скоростях. Это позволяет рассмотреть ряд возможных путей создания эффективных систем охлаждения, учитывая разработки, предложенные и опубликованные в мировой печати [7-9].

4. Использование нанопокрытий

В 2010 году американские ученые разработали и опубликовали [7] специальное покрытие, позволяющее в 3,5-4 раза увеличить теплопередачу охлаждающих поверхностей. Предварительные результаты расчетов температуры поверхности при разных скоростях потока воздуха Vm для a = 2 мм приведены на рис. 2 и 3. На рис. 2 даны результаты расчетов температуры четвертой (верхней) части ячейки для нижней и верхней подачи воздуха без нанопокрытия и с нанопокрытием. На рис. 3 приведены такие же зависимости, но для первой (нижней) части ячейки.

Из рис. 2, 3 видно, что при нанесении нанопокрытия снижается температура анализируемой поверхности ячейки. Температура в большинстве случаев становится ниже +50 оС. Однако даже при нанесении нанопокрытия, температура четвертой (верхней) части ячейки при нижней подаче воздуха и первой (нижней) части ячейки при верхней подаче

воздуха для Vm = 1 м/с превышает 50 оС. Без нанесения нанопокрытия температура поверхности ячеек значительно выше (белее чем на 10 оС).

Таблица 1. Результаты расчетов системы охлаждения при подаче потока

воздуха сбоку, снизу и сверху

a , Vm ,м/с Подача сбоку Подача снизу Подача сверху

мм ^Ч -fc. о О ^Ч -fc. 'to о о Т,4(3)°С Ts4(4) ’°С Ts ,°С snd ’ ^Ч о О ^Ч -fc. о О ич ч’ о о ^Ч -fc. о О

2 1 37,3 51,8 65,5 79 58,4 29,9 76,7 68,8 49,8

2 2 32 36 40,6 45 38,4 27,0 54,5 46,4 41,1

2 3 30 34 38 42 37,5 25,8 46,5 38,8 37,5

3 1 37,8 46,8 55,8 62,8 50,8 29,9 67,9 55,8 49,8

РИ, 2013, № 2

9

Рис. 2. Температура четвертой (верхней) части ячейки при нижней и верхней подаче воздуха без применения нанопокрытия (Ts4 — H) и (Ts4 — B) и с применением нанопокрытия (Ts4 — Н-нано) и (Ts4 — В-нано)

Рис. 3. Температура первой (нижней) части ячейки при нижней и верхней подаче воздуха без применения нанопокрытия (Tsl — H) и (Tsl — B) и с применением нанопокрытия (Tsl — Н-нано) и (Ts1 — В-нано)

5. Оптимизация площади теплопередающей поверхности

Теплопередачу охлаждающей поверхности можно увеличить за счет площади теплопередающей поверхности (охлаждающие поверхности), т.е. за счет создания ребристости поверхности. Точные расчеты аналитическим методом сделать трудно, поэтому попытаемся оценить возможность увеличения теплопередачи за счет создания простых ребер на поверхности. Рассмотренный нами вариант приведен на рис. 4. В зазоре, по которому протекает воздух, создаются выступы (ребра). Ширина зазора a = 2 мм, ребра создаются с одной стороны охлаждаемой поверхности, высота ребер 1,5 мм и ширина 0,5 мм. Ширина 0,5 мм выбрана, исходя из того, чтобы тепло из ячейки могло достаточно хорошо проникнуть на всю длину ребра. Зазор между ребрами равен 1 мм, высота ячейки L=220 мм, длина ячейки b = 150 мм.

На длине ячейки b =150 мм поместится примерно 100 таких оребренных участков. Площадь одного такого оребренного участка Арс, включающего одно ребро и один зазор между ребрами, как это видно на рис. 4, в три раза больше площади неоребренной поверхности.

Чтобы определить температуру поверхности ячейки Ts, где Ts = ATj + Tb1 + AT1 /2 , необходимо вычислить величины AT1 и AT2 . Для вычисления 10

AT2 =

дс

hc • A

необходимо знать величину А - площадь

контакта воздуха с теплопередающей поверхностью канала. Величина A = 2b • L, где b и L - размеры ячейки батареи. Если в канале нет ребер, то А=0,066 м2.

Следовательно, если qc =15 Вт, hc =16,8 Вт/м2-град,

то AT2=13,5oС. Если в канале имеются ребра (см.рис. 4), то Арс - площадь стороны, на которой помещены ребра, будет в 3 раза больше, чем площадь стороны без ребер и общая площадь контакта воздуха с теплопередающей поверхностью канала будет в 4 раза больше, чем площадь одной стороны ячейки, когда нет ребер, т.е. Аобщ =0,132 м2 и, следовательно,

величина AT2 =6,80С.

Рис. 4. Батарея с ребристой охлаждающей поверхностью

q

Для вычисления ATi = ——необходимо знать мас-

m • Cp

совый расход воздуха через канал m = р- B • Vm . Плотность воздуха р и 1,1 кг/м3 и скорость протекания

воздуха Vm мы задаем равной 1 м/с. Площадь канала

равна B = a • b . Для случая, когда нет ребер в канале В=300 мм2 и массовый расход воздуха m = 0,33 г/с,

AT = qc

величина 1 m • C будет равна AT1 =45°С. Следо-

p

вательно, величина Ts = AT2 + T^ + AT1 / 2 =56°С.

Когда в канале есть ребра, площадь канала по которому проходит воздух, уменьшается от В=300 мм2 до В=225 мм2 и массовый расход воздуха через канал будет

m = 0,250 г/с. В этом случае AT, = ——— возрастет

m • Cp

до AT1=55°. Следовательно, величина

РИ, 2013, № 2

Ts =54,3°С, что несколько ниже, чем для случая, когда в канале отсутствуют ребра (Ts=56°C). Если теперь разобьем ячейку по высоте на 4 части (см.рис. 1б), то температура поверхности для первой части Tsi =30,4°С, для второй T =46°С, для третьей Ts3 =61,6°С и для четвертой Ts4 =78,9°С.

Приведем еще данные для случая, когда для сохранения массы расхода воздуха m = 0,33 г/с, как это было во всех предыдущих расчетах [1-4], увеличена скорость протекания воздуха от Vm=1 м/с до Vm=1,32 м/с. Когда ячейка не делится на 4 части, получаем ЛTl=45°С, AT2 =6,8°С и величина Ts =49,3°С, что также несколько ниже, чем для случая, когда в канале отсутствуют ребра (Ts=56°С). Если теперь разобьем ячейку по высоте на 4 части, то получаем следующие значения: Ts =29,3°С; Ts2 =42,4°С; Ts =52,5°С и T =69,8°С. Эту величи-

2 ь3 s4

ну можно еще несколько снизить (до T =67,1°С),

s4

если учесть, что с выступами гидравлический диаметр Dh будет равен не 4 мм, а 3 мм и, следовательно, коэффициент теплопередачи возрастет с hc =16,8 Вт/м2-град до hc=22,4 Вт/м2-град. При дальнейшем увеличении площади охлаждающей поверхности за счет конструкторских решений можно еще несколько снизить температуру поверхности ячейки, но очевидно, что качественного уменьшения, т.е. на десятки градусов, температуры поверхности ячейки за счет любых выступов добиться не удастся. Снизить температуру поверхности ячейки более +50°С

можно только увеличив скорость воздуха Vm больше 2,5 м/с.

На рис. 5 приведены возможные варианты охлаждающих поверхностей батареи. Эффективность применения такого типа поверхностей аналитическим методом оценить довольно сложно и для их расчетов используются методы экспериментального и компьютерного моделирования.

Рис. 5. Примеры охлаждающих поверхностей

6. Охлаждение ячеек батареи жидкостью

Значительно эффективней охладить поверхность батареи можно, если охлаждать не воздухом, а водой. В табл. 2 приведены справочные данные физических характеристик тепловых процессов для воздуха и воды.

Таблица 2. Справочные данные характеристик некоторых физических величин для воздуха и воды

Наименование физической величины Воздух Вода

Плотность воздуха, Р ~ 1,1 кг/м3 ~ 1000 кг/м3

Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Cp 1014 Дж/кг-град 4181 Дж/кг-град

Коэффициент теплопроводности, k 0,0265 Вт/м-°С 0,658 Вт/м-°С

Сделаем расчеты для случая, когда через канал (a = 2 мм, Dh =4 мм) прокачивают воду со скоростью 1 м/с.

Проведенные расчеты показали, что если для воздуха число Рейнольдса Re=227, то для воды Re»2200. Число Нуссельта увеличивается до 12. При скорости

Vm =1 м/с масса прокачиваемой воды увеличивается примерно в 103 раз по сравнению с воздухом, поскольку р воды равно 983 кг/м3, а воздуха Р воздуха ~ 1,1 кг/м3. Для воды величина удельной теплоемкости Cp примерно в 4 раза больше, чем для

воздуха (см. табл. 2). Поэтому AT1 = ——— для воды

m • Cp

будет в 4-103 раз меньше, чем для воздуха, т.е. для воды AT « 0,01°С. Следовательно, если подавать в канал воду с температурой T^ =20°С, то на выходе из канала температура воды будет Tb2 =20,01°С. Коэф-

k • Nu

фициент теплопередачи hc = —d--- для воды из-за

того, что коэффициент теплопередачи k воды =0,658 Вт/ м°С значительно больше k воздуха =0,0265 Вт/м°С и

NU воды >Nu воздуха , будет равна hc “ 1974

что в 117 раз больше, чем для воздуха hc ~ 16,8 Вт/ м2°С. Увеличение коэффициента hc более чем в 100 раз приводит к тому, что величина AT2 будет равен AT2 ~ 0,13°С. В результате этих оценок получаем, что температура стенки ячейки Ts =20,15°С приблизи-

РИ, 2013, № 2

11

тельно равна температуре воды, входящей в канал. Настолько же будет отличаться от этой температуры и температура отдельных участков стенок батареи. Отсюда следует, что вода и другие жидкости являются хорошими охладителями батареи, и большинство фирм, разрабатывающих электромобили, используют жидкости для охлаждения аккумуляторных батарей. Жидкостное охлаждение отводит тепло быстрее, чем воздушное, оно компактнее и даже способно справиться с небольшим возгоранием, но потенциально менее надежно, так как утечка жидкости из системы охлаждения может привести к выходу из строя аккумуляторной батареи. Опасно и использование жидкостей (вода и др.), которые замерзают при отрицательных температурах. Для преодоления этих проблем исследователи из института окружающей среды, безопасности и энергетических технологий общества Фраунгофера (ФРГ) создали водно-этиленгликоль-парафиновую систему охлаждения CryoSolplus [8]. Ее ключевые компоненты - вода, твердые парафиновые капли, этиленгликоль (обеспечивает незамерзание) и поверхностно-активные вещества. Последние не дают парафину всплывать на поверхность (он легче воды) и обеспечивают его равномерное распределение по всему объему смеси. Теплоемкость такой системы в три раза выше, чем у воды. Такая система не требует большого бака для хранения. В ближайшее время будут проведены полевые испытания этой разработки на экспериментальном автомобиле.

7. Новые типы аккумуляторных батарей

В настоящее время ученые разных стран работают над созданием аккумуляторных батарей для электромобиля, которые не нуждаются в охлаждении. Так, ученые из Массачусетса (США) разработали новый тип аккумуляторных батарей [9], которые не боятся отрицательных температур и не нуждаются в охлаждении. Новые батареи способны сохранять более 90% заряда при резкой смене температуры воздуха до -30оС. «Мы считаем, что новый тип аккумуляторов -это настоящий прорыв в производстве электромобилей. Отказ от использования дорогостоящих систем охлаждения, а также возможность эксплуатации электромобилей в суровых климатических условиях благоприятно скажутся на популяции этого класса автомобилей в мире», - заявил главный разработчик Девид Вью.

В итоге можно сказать, что в настоящее время в мире интенсивно проводятся новые разработки как по системам охлаждения аккумуляторов, так и по созданию новых типов аккумуляторов. Дальнейшие исследования покажут, какие системы окажутся более перспективными и будут использованы в новых электромобилях.

Литература: 1. Слабоспицкий Р.П., Хажмурадов М.А., Лукьянова В.П. Анализ и расчет системы охлаждения аккумуляторной батареи // Радиоэлектроника и информатика. 2011. №3. С.3-8. 2. Слабоспицкий Р.П., Хажмурадов М.А., Лукьянова В.П. Исследование системы охлаждения аккумуляторной батареи // Радиоэлектроника и информатика. 2012. №2. С.3-8. 3. Слабоспицкий Р.П., Хажмурадов М.А., Лукьянова В.П. Метод аналитических расчетов в исследовании различных систем охлаждения. Препринт ННЦ ХФТИ. 2012-6. 22 с. 4. Slabospitsky R.P., KhazhmuradovM.A., Lukyanova V.P., Prokhorets S.I. Using the analytical calculation method for cooling systems studying // Problems of atomic science and technology. Series: Nuclear Physics investigations. 2013. № 3(85). P. 303-311. 5. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М.: Мир, 1983. 512с.

6. Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник. М.: Атомиздат, 1979. 216с.

7. Hendricks T.J., Krishnan S. et all. Enhancement of poolboiling heat transfer using nanostructured surfaces on aluminum and cooper // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. Vol. 53. Issues 15-1. P. 3357-3365.

8. http://ecovoice.ru/blog/science-technology/4429/html.

9. http: //www.liotech.ru/sectorness_207_601.

Поступила в редколлегию 12.05.2013

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Кривуля Г.Ф.

Слабоспицкий Ростислав Павлович, д-р физ.-мат. наук, заместитель директора института Физики высоких энергий и ядерной физики (ИФВЭЯФ) Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт (ННЦ ХФТИ). Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-85, e-mail:

slabospitskiy@kipt.kharkov.ua

Хажмурадов Манап Ахмадович, д-р техн. наук, профессор, начальник отдела Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт (ННЦ ХФТИ). Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)335-68-46, e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua

Лукьянова Валентина Петровна, ведущий инженер-программист Национального Научного Центра Харьковский Физико-технический институт (ННЦ ХФТИ). Адрес: Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1, тел. (057)3 35-61-48. e-mail: khazhm@kipt.kharkov.ua

12

РИ, 2013, № 2