งานวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่

1. คุณลักษณะของแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่

แบตเตอรี่ลิเธียมมีข้อดีหลักๆ คือ อัตราการคายประจุเองต่ำ ความหนาแน่นพลังงานสูง รอบการใช้งานสูง และประสิทธิภาพการทำงานสูง การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นอุปกรณ์พลังงานหลักสำหรับพลังงานใหม่จึงเทียบเท่ากับการได้แหล่งพลังงานที่ดี ดังนั้น ในส่วนประกอบหลักของยานยนต์พลังงานใหม่ ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมที่เกี่ยวข้องกับเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมจึงกลายเป็นส่วนประกอบหลักที่สำคัญที่สุดและเป็นส่วนสำคัญที่ให้พลังงาน ในระหว่างกระบวนการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียม มีข้อกำหนดบางประการสำหรับสภาพแวดล้อมโดยรอบ จากผลการทดลองพบว่า อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมที่สุดคือ 20°C ถึง 40°C เมื่ออุณหภูมิโดยรอบแบตเตอรี่เกินขีดจำกัดที่กำหนด ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมจะลดลงอย่างมาก และอายุการใช้งานจะลดลงอย่างมาก เนื่องจากอุณหภูมิโดยรอบแบตเตอรี่ลิเธียมต่ำเกินไป ความจุในการคายประจุและแรงดันไฟฟ้าในการคายประจุสุดท้ายจะเบี่ยงเบนจากมาตรฐานที่กำหนดไว้ และจะลดลงอย่างรวดเร็ว

หากอุณหภูมิแวดล้อมสูงเกินไป ความเสี่ยงที่แบตเตอรี่ลิเธียมจะเกิดการระเบิดเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และความร้อนภายในจะสะสมอยู่ที่ตำแหน่งเฉพาะ ทำให้เกิดปัญหาความร้อนสะสมอย่างร้ายแรง หากความร้อนส่วนนี้ไม่สามารถระบายออกได้อย่างราบรื่น ประกอบกับระยะเวลาการใช้งานที่ยาวนานขึ้น แบตเตอรี่ลิเธียมก็มีแนวโน้มที่จะระเบิดได้ อันตรายด้านความปลอดภัยนี้เป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อความปลอดภัยส่วนบุคคล ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมจึงต้องอาศัยอุปกรณ์ระบายความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของอุปกรณ์โดยรวมขณะใช้งาน จะเห็นได้ว่าเมื่อนักวิจัยควบคุมอุณหภูมิของแบตเตอรี่ลิเธียม พวกเขาต้องใช้อุปกรณ์ภายนอกเพื่อระบายความร้อนอย่างมีเหตุผลและควบคุมอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมของแบตเตอรี่ลิเธียม หลังจากที่การควบคุมอุณหภูมิถึงมาตรฐานที่กำหนดแล้ว เป้าหมายการขับขี่อย่างปลอดภัยของยานยนต์พลังงานใหม่ก็จะไม่ถูกคุกคามอย่างแน่นอน

2. กลไกการเกิดความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับรถยนต์พลังงานใหม่

แม้ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้จะสามารถใช้เป็นอุปกรณ์จ่ายพลังงานได้ แต่ในกระบวนการใช้งานจริง ความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่แต่ละชนิดนั้นชัดเจนกว่า แบตเตอรี่บางชนิดมีข้อเสียมากกว่า ดังนั้นผู้ผลิตรถยนต์พลังงานใหม่จึงควรเลือกอย่างระมัดระวัง ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดให้พลังงานเพียงพอสำหรับช่วงกลาง แต่จะก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมากต่อสิ่งแวดล้อมโดยรอบในระหว่างการใช้งาน และความเสียหายนี้จะแก้ไขไม่ได้ในภายหลัง ดังนั้น เพื่อเป็นการปกป้องความปลอดภัยทางนิเวศวิทยา ประเทศจึงได้ขึ้นทะเบียนแบตเตอรี่ตะกั่วกรดไว้ในรายการต้องห้าม ในระหว่างการพัฒนา แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ได้รับโอกาสที่ดี เทคโนโลยีการพัฒนาค่อยๆ สมบูรณ์ขึ้น และขอบเขตการใช้งานก็ขยายตัวมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม ข้อเสียของแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์นั้นค่อนข้างชัดเจน ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตแบตเตอรี่ทั่วไปควบคุมต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ได้ยาก ส่งผลให้ราคาแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ในตลาดสูง แบรนด์รถยนต์พลังงานใหม่บางยี่ห้อที่เน้นประสิทธิภาพด้านต้นทุนจึงแทบจะไม่พิจารณาใช้เป็นชิ้นส่วนรถยนต์ ที่สำคัญกว่านั้น แบตเตอรี่ Ni-MH มีความไวต่ออุณหภูมิแวดล้อมมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม และมีโอกาสเกิดไฟไหม้ได้ง่ายกว่าเนื่องจากอุณหภูมิสูง หลังจากเปรียบเทียบหลายครั้งแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมจึงโดดเด่นและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์พลังงานใหม่ในปัจจุบัน

เหตุผลที่แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถให้พลังงานแก่ยานยนต์พลังงานใหม่ได้นั้น เป็นเพราะขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่มีวัสดุที่ใช้งานได้ ในกระบวนการฝังและสกัดวัสดุอย่างต่อเนื่อง จะได้พลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก จากนั้นตามหลักการแปลงพลังงาน พลังงานไฟฟ้าและพลังงานจลน์จะถูกแลกเปลี่ยนเพื่อจุดประสงค์ในการแปลงพลังงาน ทำให้สามารถให้พลังงานที่สูงแก่ยานยนต์พลังงานใหม่และสามารถขับเคลื่อนได้ ในขณะเดียวกัน เมื่อเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมเกิดปฏิกิริยาเคมี มันจะมีคุณสมบัติในการดูดซับความร้อนและปล่อยความร้อนเพื่อการแปลงพลังงานให้สมบูรณ์ นอกจากนี้ อะตอมของลิเธียมไม่ได้อยู่นิ่ง มันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างต่อเนื่องระหว่างอิเล็กโทรไลต์และไดอะแฟรม และมีความต้านทานภายในแบบโพลาไรเซชัน

โดยปกติแล้ว ความร้อนจะถูกระบายออกอย่างเหมาะสม แต่เนื่องจากอุณหภูมิรอบแบตเตอรี่ลิเธียมของรถยนต์พลังงานใหม่สูงเกินไป จึงอาจทำให้แผ่นกั้นขั้วบวกและขั้วลบเสื่อมสภาพได้ง่าย นอกจากนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมของรถยนต์พลังงานใหม่ยังประกอบด้วยชุดแบตเตอรี่หลายชุด ความร้อนที่เกิดจากชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดจึงสูงกว่าความร้อนที่เกิดจากแบตเตอรี่เพียงก้อนเดียวมาก เมื่ออุณหภูมิสูงเกินค่าที่กำหนดไว้ แบตเตอรี่จะมีโอกาสระเบิดสูงมาก

3. เทคโนโลยีหลักของระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่

ระบบจัดการแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ได้รับความสนใจอย่างมากทั้งในและต่างประเทศ มีการวิจัยมากมายและได้ผลลัพธ์มากมาย บทความนี้จะเน้นไปที่การประเมินพลังงานแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่ได้อย่างแม่นยำของระบบจัดการความร้อนแบตเตอรี่ของรถยนต์พลังงานใหม่ การจัดการสมดุลแบตเตอรี่ และเทคโนโลยีสำคัญที่นำมาประยุกต์ใช้ระบบจัดการความร้อน.

3.1 วิธีการประเมินพลังงานคงเหลือของระบบจัดการความร้อนแบตเตอรี่
นักวิจัยได้ทุ่มเทพลังงานและความพยายามอย่างมากในการประเมินสถานะการชาร์จ (SOC) โดยส่วนใหญ่ใช้อัลกอริทึมข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ เช่น วิธีการอินทิกรัลแอมแปร์-ชั่วโมง วิธีการแบบจำลองเชิงเส้น วิธีการเครือข่ายประสาท และวิธีการกรองคาลมาน เพื่อทำการทดลองจำลองจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม มักเกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณระหว่างการใช้งานวิธีการเหล่านี้ หากไม่แก้ไขข้อผิดพลาดทันเวลา ช่องว่างระหว่างผลการคำนวณจะยิ่งใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เพื่อชดเชยข้อบกพร่องนี้ นักวิจัยมักจะรวมวิธีการประเมิน Anshi เข้ากับวิธีการอื่นๆ เพื่อตรวจสอบซึ่งกันและกัน เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำที่สุด ด้วยข้อมูลที่แม่นยำ นักวิจัยสามารถประมาณกระแสการคายประจุของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ

3.2 การจัดการระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่อย่างสมดุล
การจัดการสมดุลของระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ใช้เพื่อประสานแรงดันและกำลังไฟฟ้าของแต่ละส่วนของแบตเตอรี่ เมื่อใช้แบตเตอรี่ที่แตกต่างกันในส่วนต่างๆ กำลังไฟฟ้าและแรงดันไฟจะแตกต่างกัน ในเวลานี้ ควรใช้การจัดการสมดุลเพื่อขจัดความแตกต่างและความไม่สม่ำเสมอระหว่างทั้งสอง ปัจจุบันเทคนิคการจัดการสมดุลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ

โดยหลักแล้ว การปรับสมดุลเสียงแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ การปรับสมดุลเสียงแบบพาสซีฟ และการปรับสมดุลเสียงแบบแอคทีฟ จากมุมมองด้านการใช้งาน หลักการทำงานของวิธีการปรับสมดุลเสียงทั้งสองประเภทนี้ค่อนข้างแตกต่างกัน

(1) การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ หลักการปรับสมดุลแบบพาสซีฟใช้ความสัมพันธ์เชิงสัดส่วนระหว่างกำลังและแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ โดยอิงจากข้อมูลแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่แบบอนุกรม และการแปลงทั้งสองโดยทั่วไปจะทำได้โดยการคายประจุความต้านทาน: พลังงานของแบตเตอรี่กำลังสูงจะสร้างความร้อนผ่านความร้อนจากความต้านทาน จากนั้นจึงระบายออกทางอากาศเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการสูญเสียพลังงาน อย่างไรก็ตาม วิธีการปรับสมดุลนี้ไม่ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้งานแบตเตอรี่ นอกจากนี้ หากการระบายความร้อนไม่สม่ำเสมอ แบตเตอรี่จะไม่สามารถทำงานด้านการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ให้เสร็จสมบูรณ์ได้เนื่องจากปัญหาความร้อนสูงเกินไป

(2) การปรับสมดุลแบบแอคทีฟ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟเป็นการพัฒนาต่อยอดจากการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ซึ่งช่วยแก้ไขข้อเสียของการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ จากมุมมองของหลักการทำงาน หลักการปรับสมดุลแบบแอคทีฟไม่ได้อ้างอิงถึงหลักการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ แต่ใช้แนวคิดใหม่ที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิง กล่าวคือ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะไม่แปลงพลังงานไฟฟ้าของแบตเตอรี่เป็นพลังงานความร้อนและกระจายออกไป ดังนั้นพลังงานที่มีพลังงานสูงจะถูกถ่ายโอนจากแบตเตอรี่ที่มีพลังงานต่ำไปยังแบตเตอรี่ที่มีพลังงานต่ำ ยิ่งไปกว่านั้น การถ่ายโอนแบบนี้ไม่ขัดต่อกฎการอนุรักษ์พลังงาน และมีข้อดีคือ การสูญเสียต่ำ ประสิทธิภาพการใช้งานสูง และได้ผลลัพธ์ที่รวดเร็ว อย่างไรก็ตาม โครงสร้างองค์ประกอบของการจัดการสมดุลค่อนข้างซับซ้อน หากจุดสมดุลไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสม อาจทำให้เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถแก้ไขได้กับชุดแบตเตอรี่เนื่องจากขนาดที่ใหญ่เกินไป สรุปแล้ว ทั้งการจัดการสมดุลแบบแอคทีฟและการจัดการสมดุลแบบพาสซีฟต่างก็มีข้อดีและข้อเสีย ในการใช้งานเฉพาะด้าน นักวิจัยสามารถเลือกได้ตามความจุและจำนวนสายของชุดแบตเตอรี่ลิเธียม ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมความจุต่ำและจำนวนน้อย เหมาะสำหรับการจัดการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ในขณะที่ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมกำลังไฟความจุสูงและจำนวนมาก เหมาะสำหรับการจัดการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ

3.3 เทคโนโลยีหลักที่ใช้ในระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่
(1) กำหนดช่วงอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมที่สุดของแบตเตอรี่ ระบบจัดการความร้อนส่วนใหญ่ใช้เพื่อประสานอุณหภูมิรอบแบตเตอรี่ ดังนั้นเพื่อให้มั่นใจถึงผลการใช้งานของระบบจัดการความร้อน เทคโนโลยีหลักที่นักวิจัยพัฒนาขึ้นจึงใช้เพื่อกำหนดอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่เป็นหลัก ตราบใดที่อุณหภูมิของแบตเตอรี่อยู่ในช่วงที่เหมาะสม แบตเตอรี่ลิเธียมก็จะอยู่ในสภาพการทำงานที่ดีที่สุดเสมอ ให้พลังงานเพียงพอสำหรับการทำงานของยานยนต์พลังงานใหม่ ด้วยวิธีนี้ ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมในยานยนต์พลังงานใหม่จึงอยู่ในสภาพที่ดีเยี่ยมเสมอ

(2) การคำนวณช่วงอุณหภูมิของแบตเตอรี่และการทำนายอุณหภูมิ เทคโนโลยีนี้เกี่ยวข้องกับการคำนวณแบบจำลองทางคณิตศาสตร์จำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการคำนวณที่เหมาะสมเพื่อหาความแตกต่างของอุณหภูมิภายในแบตเตอรี่ และใช้สิ่งนี้เป็นพื้นฐานในการทำนายพฤติกรรมทางความร้อนที่เป็นไปได้ของแบตเตอรี่

(3) การเลือกตัวกลางถ่ายเทความร้อน ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของระบบจัดการความร้อนขึ้นอยู่กับการเลือกตัวกลางถ่ายเทความร้อน รถยนต์พลังงานใหม่ส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้อากาศ/สารหล่อเย็นเป็นตัวกลางระบายความร้อน วิธีการระบายความร้อนนี้ใช้งานง่าย ต้นทุนการผลิตต่ำ และสามารถบรรลุวัตถุประสงค์ในการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ได้เป็นอย่างดีเครื่องทำความร้อนอากาศ PTC/เครื่องทำความร้อนน้ำหล่อเย็น PTC)

(4) ใช้การออกแบบโครงสร้างการระบายอากาศและการกระจายความร้อนแบบขนาน การออกแบบการระบายอากาศและการกระจายความร้อนระหว่างชุดแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถขยายการไหลของอากาศเพื่อให้สามารถกระจายอย่างสม่ำเสมอระหว่างชุดแบตเตอรี่ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างโมดูลแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

(5) การเลือกจุดวัดพัดลมและอุณหภูมิ ในโมดูลนี้ นักวิจัยได้ทำการทดลองจำนวนมากเพื่อคำนวณทางทฤษฎี จากนั้นจึงใช้วิธีกลศาสตร์ของไหลเพื่อหาค่าการใช้พลังงานของพัดลม หลังจากนั้น นักวิจัยจะใช้ไฟไนต์เอเลเมนต์เพื่อหาจุดวัดอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ได้ข้อมูลอุณหภูมิของแบตเตอรี่อย่างแม่นยำ