1. Design der Flüssigkeitskühlung für industrielle und kommerzielle Energiespeichersysteme Für den Hochgeschwindigkeitslade- und Entladevorgang von großen Batteriepacks kann die Kühlleistung eines Luftkühlsystems den Wärmeableitungsbedarf der Batteriepacks nicht decken. Flüssigkeit hat eine höhere spezifische Wärmekapazität und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft, und die Kühlgeschwindigkeit der Flüssigkeitskühlung ist schneller, was sich erheblich auf die Reduzierung der lokalen Maximaltemperatur und die Verbesserung der Temperaturkonsistenz des Batteriemoduls auswirkt. Gleichzeitig ist die Geräuschdämmung bei der Flüssigkeitskühlung besser als bei der Luftkühlung. Die Wärmeableitung durch Flüssigkeitskühlung wird in Zukunft eine wichtige Forschungsrichtung für das Wärmemanagement von Hochleistungs-Lithiumbatterien unter komplexen Arbeitsbedingungen sein, aber das Flüssigkeitskühlsystem weist auch Nachteile auf, wie z. B. hohen Energieverbrauch, hohe Abdichtungsanforderungen und komplexe Systemstruktur, und die tatsächliche Anwendung von Energiespeichersystemen ist schwieriger als bei der Luftkühlung. Die Hauptfaktoren, die das Flüssigkeitskühlsystem beeinflussen, sind: die Anordnung und das Design des Kühlmittelrohrs oder der Kühlplatte sowie die Durchflussrate des Kühlmittels. 1.1 Design des Flüssigkeitskanals

Die wichtigsten Punkte beim Design von flüssigkeitsgekühlten Kanälen sind das Verhältnis von Kanallänge zu Kanalbreite, die Form und Anzahl der Kanäle sowie die Lösung des Temperaturunterschieds zwischen Einlass und Auslass. Die Untersuchung dieser Probleme für herkömmliche Kanäle zeigt, dass eine Erhöhung der Kanalanzahl den Temperaturunterschied zwischen der Maximaltemperatur und dem Batteriemodul verringern kann, die Verbesserung jedoch begrenzt ist und der Energieverbrauch bei einer Erhöhung der Kanalanzahl steigt. Eine Erhöhung des Seitenverhältnisses des Kanals innerhalb eines bestimmten Bereichs kann auch die Maximaltemperatur des Lithium-Ionen-Batteriepacks effektiv senken und den Temperaturunterschied verringern. Gleichzeitig kann das vorgeschlagene gewellte Rohr die Kontaktfläche vergrößern und die Wärmeableitungseffizienz verbessern. Um den Temperaturunterschied zwischen Wassereinlass und Wasserauslass zu lösen, kann das Rohr in zwei Teile geteilt und die Richtung des Wassereinlasses in die entgegengesetzte Richtung eingestellt werden. Darüber hinaus sollte bei einer großen Anzahl von Batterien im Batteriemodul eine parallele Kühlstruktur verwendet werden. Ein Flüssigkeitskühlkanal mit Längsrippen wurde untersucht und die Auswirkungen unterschiedlicher Rippenlänge zu -breite und -anzahl auf die Leistung des Kühlsystems wurden verglichen. Das Querschnittsdiagramm ist in FIG. dargestellt. 3. Die vier entwickelten Schemata sind in Tabelle 5 aufgeführt. Das Dokument vergleicht den Wärmeübertragungskoeffizienten, die hydrothermale Leistung, den Massenstrom, die Pumpleistung und das Stromverbrauchsverhältnis, wobei der hydrothermale Kühlleistungsindex mit einer Gleichung berechnet wird. Wie in Tabelle 6 gezeigt, ist die Wirkung von Schema 4 die beste, was die Machbarkeit des Designs beweist. Darüber hinaus wird mit zunehmender Rippenanzahl die Wärmeableitungseffizienz verbessert, während die Verbesserung durch die Änderung des Seitenverhältnisses der Rippen gering ist.

Schema des gerippten Kühlmittelkanals

Parameter des gerippten Kühlmittelkanals

1.2 Kühlmitteldurchflussmenge

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 Systemdesign und Wärmemanagement-Regelungsstrategie
Für das Flüssigkeitskühlsystem wurde eine auf einem Fuzzy-PID-Algorithmus basierende Regelungsstrategie vorgeschlagen und ein zentralisiertes Massenmodell erstellt. Das Wärmemodell der Batterie wurde anhand der Beziehung zwischen dem Innenwiderstand der Batterie und der Temperatur sowie der Beziehung zwischen dem konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten und der Durchflussrate des Kühlmittels erstellt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Fuzzy-Regelungsstrategie im Vergleich zur herkömmlichen PID-Kühlstrategie robuster und fehlertoleranter ist. Unter denselben Bedingungen verkürzt sich die Anpassungszeit der Fuzzy-PID-Kühlstrategie um 11 s und der maximale Temperaturunterschied verringert sich um 0,14 K, was die Widerstandsfähigkeit des Systems gegenüber Stromstörungen verbessert. Die Struktur der Fuzzy-PID-Kühlstrategie mit Flüssigkeitskühlung ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Eingabe des Reglers ist die Temperaturdifferenz e und die Temperaturdifferenz-Änderungsrate ec zwischen der tatsächlichen Temperatur des Batteriepacks und der Zieltemperatur, die durch Fuzzy-Berechnung, Fuzzy-Argumentation und Defuzzing usw. verarbeitet werden, und die PID-Parameter werden Δkp, Δki und Δkd geändert (kp ist der proportionale Anpassungskoeffizient. Verbessern Sie die Reaktionsgeschwindigkeit und Anpassungsgenauigkeit des Systems; ki ist der integrale Anpassungskoeffizient zum Eliminieren von Residuen; kd ist der differentielle Anpassungskoeffizient zum Verbessern der dynamischen Leistung des Systems), und dann löst der geänderte PID-Regler die erforderliche Kühlmitteldurchflussrate v entsprechend der Temperaturdifferenz e. Mit dieser Strategie kann die Wärmeableitungskapazität jederzeit entsprechend dem Laststrom angepasst werden und Situationen einer unzureichenden Wärmeableitungskapazität oder Energieverschwendung vermieden werden.

Fuzzy-PID-Kühlstrategie

1.4 Anwendungsmodus des Flüssigkeitskühlsystems

Abbildung 6 zeigt drei Methoden, die bei der praktischen Anwendung von Flüssigkeitskühlungssystemen üblicherweise verwendet werden: Erstens wird das Kühlmittelrohr um jede Batterie im Modul herumgeführt und berührt diese, um die Batterietemperatur und den Temperaturunterschied zwischen den Batterien zu senken. Dieses Schema eignet sich besser für zylindrische Batterien [Abbildung 6 (a)]. Zweitens wird das Batteriemodul direkt in ein nichtleitendes Kühlmittel getaucht, wodurch die Batterie von allen Seiten gekühlt wird und die Temperaturkonstanz verbessert wird. Derzeit wird dieses Schema häufig in Servern von Supercomputersystemen verwendet, aber aufgrund des hohen Leckagerisikos nur selten im Bereich der Energiespeicherung eingesetzt [Abbildung 6 (b)]. Drittens wird eine Kühlplatte zwischen der Batterie oder dem Batteriemodul platziert, und in der Kühlplatte befindet sich ein Flüssigkeitsmikrokanal. Dieses Schema eignet sich für prismatische Batterien oder Softpack-Batterien [Abbildung 6 (c)].

Drei Methoden, die in der praktischen Anwendung von flüssigkeitsgekühlten BTMS häufig verwendet werden