Abstract : La tecnologia di raffreddamento diretto (piastra di raffreddamento della batteria) dei pacchi batteria offre vantaggi quali elevata efficienza di raffreddamento, design compatto del sistema e assenza di rischi nascosti di cortocircuiti, e sta riscuotendo sempre maggiore interesse. Tuttavia, la complessità della tecnologia di raffreddamento diretto pone nuove sfide per la simulazione, tra cui intensi processi di cambiamento di fase all'interno del pacco batteria, grandi differenze di temperatura tra le celle della batteria e un'elevata integrazione con le strategie di controllo HVAC. Questo articolo introduce il metodo di simulazione GT-SUITE per il raffreddamento diretto dei pacchi batteria. Questo metodo è in grado di bilanciare la risoluzione e la velocità di calcolo della batteria ed è adatto per simulazioni transitorie a lungo termine.
L'intervallo di temperatura ottimale per le batterie al litio utilizzate nei veicoli elettrici è compreso tra 20 e 30 gradi Celsius. Le alte temperature (superiori a 45 gradi Celsius) accelerano l'invecchiamento della batteria e aumentano il rischio di problemi di sicurezza termica. D'altro canto, le basse temperature (sotto 0 gradi Celsius) limitano le prestazioni di carica e scarica della batteria e aumentano il rischio di placcatura al litio. Pertanto, la gestione termica del pacco batteria è fondamentale.
Attualmente, la combinazione di un sistema di climatizzazione a pompa di calore e di un sistema di raffreddamento a liquido per il pacco batterie è diventata la soluzione principale per la gestione termica nei veicoli elettrici. La tecnologia di raffreddamento a liquido offre il vantaggio di un raffreddamento rapido, ma la circolazione secondaria del liquido nel sistema di raffreddamento comporta un maggior numero di componenti, costi più elevati e un rischio di perdite. Per questo motivo, la tecnologia di raffreddamento diretto sta guadagnando sempre più attenzione. Il raffreddamento diretto elimina la necessità di una circolazione secondaria del liquido di raffreddamento utilizzando il trasferimento di calore per ebollizione del refrigerante anziché lo scambio termico monofase con un liquido di raffreddamento. Offre un'elevata efficienza di raffreddamento e richiede un minor numero di componenti, riducendo efficacemente il peso complessivo del veicolo e migliorando l'efficienza energetica e i costi specifici. Tuttavia, la tecnologia di raffreddamento diretto comporta un sistema di controllo più complesso.
Anche in termini di simulazione, la tecnologia del raffreddamento diretto presenta nuove sfide. Queste sfide ruotano principalmente attorno a tre aspetti: intensi processi di cambiamento di fase all’interno del pacco batteria, differenze significative di temperatura all’interno delle celle della batteria (che richiedono modelli ad alta risoluzione) e la necessità di un’elevata integrazione con le strategie di controllo HVAC. Questo articolo introdurrà il metodo di simulazione di GT-SUITE nel raffreddamento diretto dei pacchi batteria. Questo metodo può bilanciare la risoluzione e la velocità di calcolo della batteria, rendendola adatta per simulazioni transitorie a lungo termine.
Esistono tre metodi principali per la simulazione dei pacchi batteria a raffreddamento diretto.
Metodo CFD 3D
I modelli di simulazione CFD forniscono un'elevata fedeltà e possono simulare efficacemente la distribuzione dei parametri all'interno del pacco batteria. Tuttavia, a causa degli intensi processi di cambiamento di fase che si verificano all’interno del pacco batteria, la convergenza diventa complessa. Inoltre, l’elevato costo computazionale delle simulazioni CFD spesso porta a un approccio semplificato in cui il circuito refrigerante non è modellato esplicitamente e sono definiti solo i confini del pacco batteria. Sfortunatamente, in molti casi, è difficile ottenere condizioni al contorno precise per il pacco batteria. Inoltre, la tecnologia del raffreddamento diretto è strettamente integrata con il sistema HVAC e le strategie di controllo (come compressori e valvole di espansione elettroniche), che non possono essere adeguatamente catturate dalle simulazioni CFD. Sebbene gli approcci di accoppiamento unidimensionale o tridimensionale possano affrontare i problemi di convergenza delle simulazioni CFD autonome, sono computazionalmente costosi e non pratici per la maggior parte delle applicazioni
Metodo di simulazione del sistema: la cella è divisa in diversi nodi caldi
In risposta alle difficoltà incontrate dalle simulazioni CFD nella simulazione della tecnologia di raffreddamento diretto, in particolare alle sfide legate all'elevata integrazione con le strategie di controllo HVAC, la simulazione del sistema è stata abbracciata da molti ricercatori e ingegneri. A causa delle significative variazioni di temperatura all’interno delle celle della batteria nel raffreddamento diretto, trattare ciascuna cella come un singolo nodo termico non è adeguato. Pertanto, nelle simulazioni di sistema, le celle della batteria sono spesso divise in più nodi termici per tenere conto delle differenze approssimative di temperatura interna. Questo approccio fornisce calcoli rapidi, consente l'integrazione con le strategie di controllo HVAC, ma mantiene una risoluzione del modello relativamente bassa.
Metodo di simulazione del sistema: la cella è divisa in elementi finiti
Per migliorare la risoluzione del modello integrando le strategie HVAC e di controllo, GT-SUITE può dividere la cella in elementi finiti, come mostrato di seguito, con ciascuna cella divisa in 960 griglie (il numero di griglie è correlato alla dimensione della griglia) .
Temperatura della cella a diversi rapporti di carica
È stato utilizzato un modello di pacco batteria con un determinato limite (non integrato con il sistema HVAC). La temperatura ambiente era di 43°C, la portata del refrigerante era di 0.05 kg/s, il grado di secco in ingresso era di 0.3 e la pressione di uscita era di 3 bar. La batteria è stata caricata a 1/2/3°C e la finestra di ricarica SOC era compresa tra 0.3 e 0.8. Le figure seguenti mostrano i profili di temperatura del monomero situato al centro del modulo rispettivamente a diversi rapporti di carica.
Il modello a batteria è integrato con il sistema HVAC. L'apertura della valvola di espansione elettronica nella parte anteriore del pacco batteria è stata regolata da PI ed è stata studiata l'influenza del diverso surriscaldamento target (1/2/3 ℃) all'uscita del pacco batteria sui risultati.
La temperatura ambiente è di 43°C, la velocità del vento in ingresso del condensatore è di 5 m/s e la temperatura dell'aria in ingresso è di 43°C e la batteria si scarica a 1°C. La strategia di controllo in questo esempio è molto semplice (solo ad esempio), ovvero il compressore controlla la temperatura dell'aria target dell'evaporatore tramite PI a 3 ° C, quando la pressione ad alta pressione è maggiore di 25 bar, ridurre la velocità del compressore a 1000 giri/min, quindi emette il valore di uscita del controller PI dopo 30 secondi. La figura seguente mostra la velocità del compressore a diversi surriscaldamento target all'uscita del pacco batteria. Dalla figura si può vedere che il compressore commuta frequentemente. Maggiore è il surriscaldamento target, minore è il flusso attraverso il pacco batteria, con conseguente maggiore pressione nel sistema di climatizzazione, che a sua volta attiva continuamente il pressostato.
In sintesi, per la dissipazione del calore del pacco batterie , è solitamente necessario eseguire un'analisi di simulazione per conoscere la distribuzione della temperatura all'interno del pacco e quindi migliorare il progetto. Naturalmente, nessuna analisi è l'unica possibile, ma rappresenta solo una guida per la nostra progettazione. Per qualsiasi esigenza di gestione termica, non esitate a contattarci. Kenfa Tech è specializzata nella progettazione e produzione di dissipatori di calore e piastre di raffreddamento a liquido.