1. Diseño de refrigeración líquida del sistema de almacenamiento de energía industrial y comercial Para el proceso de carga y descarga de alta velocidad de paquetes de baterías a gran escala, la capacidad de refrigeración del sistema de refrigeración por aire no puede satisfacer la demanda de disipación de calor de los paquetes de baterías. El líquido tiene una mayor capacidad calorífica específica y una mayor conductividad térmica que el aire, y la velocidad de enfriamiento del líquido es más rápida, lo que tiene un efecto significativo en la reducción de la temperatura máxima local y la mejora de la consistencia de la temperatura del módulo de batería. Al mismo tiempo, la refrigeración líquida tiene un mejor control del ruido que la refrigeración por aire. La disipación de calor por refrigeración líquida será una dirección de investigación importante para la gestión térmica de baterías de litio de alta potencia en condiciones de trabajo complejas en el futuro, pero el sistema de refrigeración líquida también tiene deficiencias, como un gran consumo de energía, altos requisitos de sellado y un sistema complejo. La estructura y la aplicación real de los sistemas de almacenamiento de energía son más difíciles que la refrigeración por aire. Los principales factores que afectan el sistema de refrigeración líquida son: la disposición y el diseño de la tubería de refrigerante o placa de refrigeración y el caudal del refrigerante. 1.1 Diseño de canal de líquido

Los puntos principales del diseño de canales refrigerados por líquido son la relación longitud-ancho de los canales, la forma y el número de canales y la solución de la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida. La investigación sobre estos problemas para canales convencionales muestra que aumentar el número de canales puede reducir la diferencia de temperatura entre la temperatura máxima y el módulo de batería, pero la mejora es limitada y el consumo de energía aumenta al aumentar el número de canales. Aumentar la relación de aspecto del canal dentro de un cierto rango también puede reducir efectivamente la temperatura máxima de la batería de iones de litio y reducir la diferencia de temperatura. Al mismo tiempo, la tubería ondulada propuesta puede aumentar el área de contacto y mejorar la eficiencia de disipación de calor. Para resolver la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del agua, la tubería se puede dividir en dos y la dirección de la entrada del agua se puede configurar en la dirección opuesta. Además, cuando el número de baterías en el módulo de batería es grande, se debe utilizar una estructura de enfriamiento en paralelo. Se estudia un canal de refrigeración líquida con nervaduras longitudinales y se comparan los efectos de diferentes relaciones entre longitud y ancho y número de nervaduras en el rendimiento del sistema de refrigeración. El diagrama de sección transversal se muestra en la FIG. 3. Los cuatro esquemas diseñados se muestran en la Tabla 5. El documento compara el coeficiente de transferencia de calor, el rendimiento hidrotermal, el caudal másico, la potencia de bombeo y la relación de consumo de energía, en el que el índice de rendimiento de enfriamiento hidrotermal se calcula mediante una ecuación. Como se muestra en la Tabla 6, el efecto del esquema 4 es el mejor, lo que demuestra la viabilidad del diseño. Además, con el aumento del número de nervaduras, se mejora la eficiencia de disipación de calor, mientras que la mejora provocada por el cambio de la relación de aspecto de las nervaduras es pequeña.

Diagrama de canal de refrigerante acanalado.

Parámetros del canal de refrigerante acanalado

1.2 Caudal de refrigerante

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 Diseño del sistema y estrategia de control de la gestión térmica
Se propuso una estrategia de control basada en un algoritmo PID difuso para el sistema de refrigeración líquida y se estableció un modelo de masa centralizado. El modelo térmico de la batería se estableció a través de la relación entre la resistencia interna de la batería y la temperatura, la relación entre el coeficiente de transferencia de calor por convección y el caudal del refrigerante. Los resultados de la simulación muestran que, en comparación con la estrategia tradicional de enfriamiento PID, la estrategia de control difuso tiene mayor robustez y tolerancia a fallas. En las mismas condiciones, el tiempo de ajuste de la estrategia de enfriamiento PID difuso se acorta en 11 s y la diferencia de temperatura máxima se reduce en 0,14 K, lo que mejora la capacidad del sistema para resistir las perturbaciones actuales. La estructura de la estrategia de enfriamiento PID difuso de refrigeración líquida se muestra en la Figura 5. La entrada del controlador es la diferencia de temperatura e y la tasa de cambio de diferencia de temperatura ec entre la temperatura real del paquete de baterías y la temperatura objetivo, que se procesan mediante fusión. , razonamiento difuso y desactivación, etc., y se modifican los parámetros PID Δkp, Δki y Δkd(kp es el coeficiente de ajuste proporcional. Mejora la velocidad de respuesta y la precisión del ajuste del sistema; ki es el coeficiente de ajuste integral para eliminar residuos; kd es el coeficiente de ajuste diferencial para mejorar el rendimiento dinámico del sistema), y luego el controlador PID modificado resuelve el caudal de refrigerante requerido v de acuerdo con la diferencia de temperatura e. Esta estrategia puede ajustar la capacidad de disipación de calor en cualquier momento según la corriente de carga y evitar situaciones de capacidad de disipación de calor insuficiente o desperdicio de energía.

Estrategia de enfriamiento PID difuso

1.4 Modo de aplicación del sistema de refrigeración líquida

Los tres métodos comúnmente utilizados en la aplicación práctica del sistema de refrigeración líquida se muestran en la Figura 6: Primero, la tubería que contiene el refrigerante se usa para rodear y hacer contacto con cada batería en el módulo para reducir la temperatura de la batería y la diferencia de temperatura entre las baterías. . Este esquema es más adecuado para baterías cilíndricas [Figura 6(a)]; En segundo lugar, el módulo de la batería se sumerge directamente en un refrigerante no conductor, que puede enfriar todos los lados de la batería y ayudar a mejorar la consistencia de la temperatura. Actualmente, se utiliza comúnmente en servidores de sistemas de supercomputación, pero rara vez se aplica en el campo del almacenamiento de energía con alto riesgo de fugas [Figura 6(b)]. En tercer lugar, se coloca una placa de enfriamiento entre la batería o el módulo de batería, y hay un microcanal de líquido en la placa de enfriamiento. Este esquema es adecuado para baterías prismáticas o baterías blandas [Figura 6(c)].

Tres métodos comúnmente utilizados en la aplicación práctica de BTMS refrigerado por líquido