Секционные батареи отопления: Радиаторы отопления купить недорого в ОБИ, цены на батареи отопления

Секционные радиаторы отопления: виды, плюсы и минусы

Приборы отопления условно делят на категории, исходя из формы, материала, способа подключения. По материалу они делятся на: алюминиевые, биметаллические, чугунные и стальные. Выбор должен зависеть от вида системы отопления, установленной в жилище.

Описание

Схема действия заключается в том, что вода или горячий пар (производящиеся в котелке, который отапливается) продавливаются с помощью мощных насосов.

Секционные – популярные, эксплуатируются в тандеме с ЦСО. Одно из главных преимуществ устройств из металлических сплавов – устойчивость к самому экстремальному давлению. Не подвержены коррозии, и большинство привлекает их долговечность и стойкость.

Материалы для изготовления секционного типа – сталь, чугун и алюминий. Они намного удобнее в плане дизайна.

Биметаллические – во внутреннем составе содержатся алюминиевые коробы и несколько трубок, выплавленных из стали. По этим трубкам и проходят теплоносители. У секционных радиаторов существует и панельный вариант, в котором вместо стальных трубок вставлены медные. Они расширяют возможности водного обеспечения тепла в квартире и доме.

Первое, на что стоит обращать внимание – тип теплоносителей и рабочее давление систем отопления. Если вы выбираете алюминиевое устройство, требуются теплоносители с конкретным уровнем содержания кислоты. Для устройств из стали уровень кислотности не важен.

Биметаллические способны выдержать высочайшее рабочее давление – от пятнадцати до сорока Атм, к тому же не существует ограничения по установке в зависимости от этажности здания.

Виды, плюсы и минусы секционных радиаторов

Алюминиевые
Популярность алюминиевых приборов растет каждый год. Они делаются из сплавов алюминия с некоторой долей кремниевых добавок.

По способу производства делятся:

• Литые. Секции изготовлены по отдельности.
• Экструзионные. В каждой секции есть три элемента, соединенных друг с другом посредством болтов.
  Секции сливаются с внутренним наполнением радиаторов с помощью специальных резьбовых частей. Потом соединения проходят герметизацию, для которой используются высокотемпературные силиконы или паронитовые прокладки.

У самых распространенных моделей глубина на уровне одного метра. 50% тепла они отдают с помощью излучения, 50% – с помощью конвекции.

Алюминиевые обладают высокой теплоотдачей, а если использовать тонкоребристые поверхности, то уровень повышается.

Характеристики:

• Рабочее давление воды составляет 6-25 атмосферы, испытательное может достигнуть и тридцати. Максимальная возможная температура теплоносителя – сто тридать градусов.
• Экономичность, легкость работ по монтажу, маленькая масса, современные дизайнерские решения и функция регулирования температурного режима. Алюминиевый радиатор отопления сегодня выбирают те, кому важен дизайн и эстетичный вид прибора отопления.
• Есть возможность протечки в пространстве между радиаторными отделами.
• Слабая способность к конвекции.
• Возможность образования газов.
• Концентрация тепла на ребрах.

Скопление газов угрожает выводом из строя отопительной системы. Предупредить ситуацию можно, если совершить предварительный монтаж отводчиков воздуха, которые будут функционировать на автомате.

• У алюминия высокая активность, поэтому он сильно подвержен коррозии. Для предотвращения этих эффектов прокладывается неактивная химическая пленка или проводится антикоррозийная дополнительная подготовка приборов.

Анодированные

Изготовлены из алюминия, прошедшего тщательную очистку, поэтому имеют хорошие технические характеристики. Проходят оксидирование с помощью анода. Эта процедура меняет саму структуру металла, поэтому он обретает большую стойкость к коррозийным процессам и становится прочнее.

Внутренние поверхности таких радиаторов отопления гладки, так как они соединены с помощью муфт наружного типа.

Уровень теплоотдачи анодированных секционных приборов выше, чем у остальных видов.

Чугунные

Плюсы:

• Подойдет любой теплоноситель
• Допустимо использовать жесткую и грязную воду в качестве теплоносителя – уровень проводимости и отдачи тепла не снизится
• Продолжительное время теплоотдачи
• Не боятся коррозии
• Прослужат более 40 лет
• Выдержат температуру 130 градусов и высокое давление
• Можно регулировать число секций

Минусы:

• Вес. Чугун – самый тяжелый материал. Одна секция весит порядка 7 кг
• Нужно много времени на нагрев
• Без покраски смотрятся не эстетично. Исключение – дизайнерское исполнение, но здесь минусом будет стоимость
• Небольшая площадь отдачи тепла. Предел 0,3 квадратных метра на секцию объемом 4 литра
• Сложно очищать от пыли

Стальные

Секции состоят из 2, 3 или 4 каналов. Высота до 900 мм. Диапазон глубины 80 – 200 мм. На резьбовые соединения можно добавить секции, увеличив длину и мощность радиатора. Очистить от пыли можно за несколько минут. Уровень рабочего давления стального радиатора до 6 атмосфер.

Плюсы:

• Высокий уровень отдачи тепла
• Эстетичность
• Регулировка мощности и температуры в доме
• Множество вариантов расцветок и размеров
• Хороший коэффициент полезного действия (КПД)

Минусы:

Не устойчивы к высокому давлению – не подходят для квартир в многоэтажных домах

Монтаж

Для начала выберите подходящее число секций. Оно рассчитывается по площади дома. 1 кВт обеспечивает прогрев около десяти квадратных метров площади дома.

Одна секция обогревает два кв. метра площади при потолках с высотой 2.7 метра. Результат округляется в большую сторону.

Монтаж устройства делают самостоятельно, имея под рукой только монтажный набор заглушек с воздухоотводчиками, кронштейнами настенного типа и различными видами прокладок. Для монтажа секций нужен специальный ключик, поэтому рекомендуется уже в магазине сделать заказ соединения секций и их последующую сборку.

При установке самостоятельно не пользуйтесь наждаком или напильником для зачистки поверхностей. Алюминиевые приборы отопления запрещено устанавливать в соединении с медными трубами. Взаимодействие меди с алюминием провоцирует газообразование, что влечет за собой вывод из строя системы.

Реклама от спонсоров: // // //

Секционные батареи отопления цена — Система отопления

На открытой вкладке мы сможем помочь выбрать для вашего дома необходимые части монтажа. Любой узел неоспоримую роль. Вот почему выбор всех частей конструкции необходимо делать грамотно. Конструкция обогревания дома включает важные элементы. Монтаж отопления включает, автоматические развоздушиватели терморегуляторы, циркуляционные насосы, фиттинги, радиаторы котел отопления, расширительный бачок, провода или трубы, крепежную систему, механизм управления тепла.

Секционные батареи отопления цена

Какие радиаторы выбрать для установки в квартире с центральным отоплением? Для этой цели можно использовать такие виды радиаторов:

— алюминиевые;

— биметаллические;

— стальные панельные;

— чугунные.

Алюминиевые радиаторы . У них самая высокая теплоотдача. Алюминиевые радиаторы также отличаются повышенной прочностью. Усиленные модели радиаторов из алюминия могут использоваться при рабочем давлении до 18 атм. Доступная цена, легкость и современный внешний вид также говорят в пользу алюминиевых радиаторов.

Говоря об алюминиевых радиаторах необходимо сделать замечание к их эксплуатации. Это нужно знать! Когда система отопления заполнена водой и находится под давлением, краны перед алюминиевым радиатором должны быть обязательно открыты. В противном случае, радиатор может разорвать.

Биметаллические радиаторы . Для того, чтоб избежать химических реакций между алюминием и водой, на рынок пришли биметаллические радиаторы. У них внутри каналы выполнены из стали и вода течет именно по ним, избегая контакта с алюминием. Алюминиевое оребрение, которое наварено снаружи улучшает теплоотдачу радиатора.

Биметаллический радиатор имеет теплоотдачу хуже, чем у алюминиевого, но лучше, чем у стального секционного. Стоимость биметаллических радиаторов высока. Но по техническим показателям можно предположить, что это лучший вариант для систем центрального отопления.

Стальные панельные радиаторы предназначены для систем отопления с невысоким давлением (6 атм.). Во многих районах городов давление в отопительных трубах значительно выше. В таких случаях лучше ставить усиленные стальные радиаторы (некоторые производители стальных панельных радиаторов предлагают модели, рассчитанные на рабочее давление до 13 атм.).

Стальные радиаторы имеют низкую цену. Также многие отдают свое предпочтение в пользу этих радиаторов благодаря их дизайну.

Чугунные радиаторы хорошо подходят для установки в системах центрального отопления. Тем, кто скланяется к «классике», придется выбирать между чугунными радиаторами отечественного производства (часто низкое качество) и импортными (высокая цена).

Источник: http://funt-vody.uaprom.net/g4423341-batarei-sektsionnye-dlya

Секционные батареи отопления цена

Радиатор алюминиевый Radal — Польша на данный момент один из лучших радиаторов в недорогой категории цены. RADAL — это цельнолитой радиатор из алюминиевого сплава, с паранитовыми прокладками с отличной толщиной металла. Радиаторы польского производителя Radal характеризуются повышенной теплоотдачей и экономичностью работы, что достигается за счет высокой теплопроводности материала, из которого они изготовлены, а также конструктивными особенностями прибора.

Радиаторы Radal состоят из литых алюминиевых секций. изготовленных из высококачественного алюминиевого сплава по технологии литья под давлением и собранных на стальных ниппелях, имеющих специальное покрытие внутренней поверхности. Заключительным этапом обработки является нанесение двухслойного лакокрасочного покрытия на базе эпоксидных порошков методом «анафореза», что существенно повышает прочность покрытия, с последующей полимеризацией в печи при температуре 200ºС. Каждый радиатор Radal проходит на заводе контроль качества и готов к эксплуатации.

Мощность секции — 170 Вт (при Δt=70°C)

Мощность секции — 120 Вт (при Δt=50°C)

Межосевое расстояние секции — 500 мм

Глубина секции — 80 мм

Ширина секции — 80 мм

Объем секции — 0,28 литра

Масса секции — 1,1 кг

Производитель — RADAL — Польша, сборка — Китай

Гарантия — 1 год

Цена на радиаторы указана за 1 секцию. Традиционно, секционные радиаторы упакованы в коробках по 10 элементов. По вашему запросу мы можем изменить количество секций в радиаторе (раскрутить или скрутить радиатор) абсолютно бесплатно. Сообщите менеджеру интернет-магазина ТЕПЛОТА — Харьков, нужное количество секций в вашем радиаторе. Обращаем внимание, что секционные радиаторы стандартно не комплектуются переходниками на резьбу 1/2 и 3/4 дюйма, заглушками и кранами. При необходимости, эти материалы можно заказать дополнительно.

Официальное предупреждение. Нами приложены все усилия для подачи точной и правдивой информации в описании товаров. Но, учитывая, что источником информации является производитель или дистрибьютор оборудования, информация и изображение товара, не всегда соответствует действительности. Кроме того, характеристики, внешний вид и комплектация товара могут изменяться производителем без уведомления. Прежде чем купить выбранный товар, пожалуйста, уточняйте важные для вас спецификации конкретной модели у менеджеров магазина ТЕПЛОТА — Харьков.

Источник: http://www.teplota.com.ua/shop/radiator-aluminievyiy-radal-500-80-akcionnaya-cena-9950p.html

Секционные батареи отопления цена

Уточняйте наличие товара по телефонам:(098)349-87-20, (066)706-10-20 или (093)308-60-20.

 В корзину или Купить в один клик

• Наружная и внутренняя поверхности батареи отопления Grandini покрыты защитной грунтовкой, к-ая наносится методом анафореза при полном погружении радиатора в электролитическую ванну
• Наружная поверхность радиатора Grandiini дополнительно покрыта слоем порошковой эпоксидной эмали.
• Алюминий снаружи покрыт оксидной пленкой для защиты его от воздействий окружающей среды.
• Переходники и заглушки оцинкованы во избежание электрохимической коррозии между алюминием и сталью в местах соединения.

Источник: http://delfin.mk.ua/katalog.html/radiatori-batarei-otopleniya/alyuminievie/Grandini_500_aluminievie_radiatori.html

Секционные батареи отопления цена

Радиаторы чугунные Ridem (Турция)

Компания Turk DemirDokum Fabrikalari A.S ведет свою деятельность с 1954 года и все это время занимает лидирующие позиции среди производителей отопительной техники и радиаторов в Турции.

Начиная с производства чугунных радиаторов и напольных котлов, сегодня компания DemirDokum может предложить потребителю широкий ассортимент высококачественных продуктов: чугунные и стальных радиаторы . газовые конвекторы, водонагреватели накопительного типа, газовые проточные водонагреватели и двухконтурные котлы.

Чугунные радиаторы Ridem Demrad производятся методом литья из чугунного сплава и могут использоваться как в автономных, так и в централизованных системах отопления благодаря отличной теплопроводности чугуна, а также его нейтральности практически ко всем теплоносителям.

Преимущества чугунных радиаторов Ridem:

Источник: http://albo.at.ua/index/chugunnye_radiatory/0-44

Секционные батареи отопления цена

Email:

[email protected]

Алюминиевые отопительные радиаторы MIRADO

ТД «Истоки М», официальный представитель ТМ MIRADO, представляет Вашему вниманию алюминиевые радиаторы отопления Mirado, 16 атм.

Изготовление алюминиевых радиаторов MIRADO осуществляется методом литья под давлением. Каждая секция имеет высокую однородность материала по всему объему и по толщине стенок. Это способствует увеличению прочности радиатора и скорости теплообмена.

Алюминиевые отопительные радиаторы MIRADO изготавливаются на территории Украины по пер

едовым европейским технологиям на современном заводе, оборудованным по последнему слову промышленной техники.

Купить отопительные радиаторы MIRADO украинского производства можно в нашем магазине в г.Запорожье или оформите заявку через наш интернет-магазин.

Алюминиевые радиаторы MIRADO универсальны и могут использоваться в отопительных системах:

• жилых, общественных и промышленных зданий;
• индивидуальных домов;
• коттеджей.

Алюминиевые радиаторы отопления Mirado полностью соответствуют современным украинским, российским и европейским нормам: СНиП 2.04 05-91, ГОСТ 9 032-74, ГОСТ 8690-94, ГОСТ 20849-96, ГОСТ 15140-78 и EN 442, а также техническим условиям изготовителя: ТУ У 28.2-35901580-001:2010.

Абсолютно все отопительные радиаторы MIRADO после изготовления подвергаются пневматическим и в случайном порядке гидравлическим испытаниям на прочность. Такой строгий контроль служит гарантом соответствия качества и технических заявленных данных.

Источник: http://istoki-m.com.ua/p34354532-alyuminievye-radiatory-otopleniya.html

Секционные батареи отопления цена

Радиаторы отопления алюминиевые секционные OGINT Alpha предназначены для применения в системах водяного отопления жилых, административных, промышленных и общественных зданий, медицинских учреждений, а также индивидуальных домов и коттеджей.

Девиз OGINT – уважение к надёжности, поэтому особое внимание при производстве радиаторов уделяется качеству. Отопительные радиаторы разработаны с учётом российских условий эксплуатации и сертифицированы на соответствие ГОСТ 31311-2005. В производственном цикле радиаторы OGINT проходят трехступенчатый контроль качества, что позволяет предоставить гарантию — 5 лет со дня продажи.

Технические характеристики секции алюминиевого радиатора OGINT

Grandini: тепло Италии

Источник: http://www.komuncom.com.ua/catalog/radiators/radiatory-alyuminievye/ogint-alu-80500

Так же интересуются

06 ноября 2021 года

полезные советы и основные правила — Портал о строительстве, ремонте и дизайне

Потребность разборки батарей отопления может возникнуть в каждом доме. Если одна из секций дала течь, то ее требуется заменить или убрать. Добавлять дополнительные ребра приходится, когда имеющееся не прогревают помещение до нужной температуры. А если во время отопительного сезона в квартире становится жарко, нужно убрать лишние секции. Подобные задачи решаются с помощью профессионалов, но если финансовое состояние оставляет желать лучшего, придется узнавать, как разобрать радиатор отопления своими руками. Это позволит сэкономить и получить полезный опыт.

Как разобрать радиатор отопления своими руками

Конструкции радиаторов отопления

При возникновении поломки отопительного элемента, особенно в холодное время года, его необходимо немедленно отремонтировать или заменить. Возможна ли разборка радиатора, зависит от типа его конструкции. Довольно часто в квартирах устанавливают неразборные виды радиаторов, которые восстановлению не подлежат. В таком случае лучше сразу приобрести новую батарею. Но есть и разборные модели, которые можно демонтировать для замены поврежденного элемента и установить назад.

Изделия делятся на два основных вида:

1. Секционные батареи, собранные из нескольких одинаковых секций, надежно соединенных между собой. В каждой из них есть канал, по которому циркулирует вода, а ребра, излучающие тепло обогревают помещение. Секционные батареи являются наиболее популярными, поскольку стоимость таких радиаторов ниже. При возникновении поломки, достаточно заменить только поврежденную секцию, а при необходимости всегда можно добавить или убрать ребра.

Секционные батареи отопления

1. Монолитные изделия представляют собой одну цельную конструкцию, которая не имеет отдельных секций. По внешним признакам эти радиаторы могут напоминать секционные аналоги, но отличия между ними очевидны. В монолитных устройствах нет соединительных стыков, за счет чего они способны выдерживать большее давление. От этого и сроки безотказной работы этих конструкции почти в два раза больше, чем у секционных. Но в случае протечки монолитное устройство придется менять полностью. В секционных изделиях достаточно будет заменить поврежденный элемент.

Биметаллический монолитный радиатор

Подготовка к разборке

На этом этапе нужно приготовить все необходимые инструменты и демонтировать батарею с места крепления. Для работы, в зависимости от вида и состояния радиатора, могут понадобиться такие инструменты:

• радиаторный (ниппельный) ключ;
• разводной ключ или набор гаечных ключей с разными размерами головок;
• автоген или болгарка;
• строительный фен;
• молоток, кувалда;
• зубило.

Инструменты для разборки батарей отопления

Ниппельный ключ представляет собой железный прут с головкой в виде лопатки на одном конце, и отверстием или загнутым «ухом» на другом. Приобретенный в магазине инструмент имеет засечки, расстояние между которыми равно ширине секций радиатора отопления. Они помогут найти месторасположения нужной ниппель-гайки.

Ниппельный ключ

После подготовки инструментов, необходимо обустроить место для разборки радиатора. Подойдет пол или прочный стол. Нужно учитывать то, что из батареи будет вытекать грязная вода, и не забыть подстелить под нее непромокаемую ткань.

Разборка биметаллических и алюминиевых секционных изделий

Чтобы отсоединить радиатор от системы и снять его с места крепления, необходимо выполнить следующее:

1. Остановить циркуляцию воды и сбросить давление.
2. Если батарея отопления горячая, нужно подождать пока она остынет, а затем отсоединить от системы. Для этого нужно открутить соединительные муфты на входе и выходе.
3. Отодвинуть муфту от радиатора по трубе снять устройство с кронштейнов.
4. Слить оставшуюся воду и положить изделие на место разборки лицевой стороной вверх.
5. Вытянуть и сразу промыть фильтр, чтобы загрязнения на нем не засохли.

Разборка биметаллических и алюминиевых секционных изделий

На следующем этапе радиатор разбирается на отдельные секции. Чтобы избежать повреждений во время работы, необходимо разобраться в какую сторону нужно крутить ниппель-гайку. Этот элемент представляет собой кольцеобразную гайку с внешней резьбой и пазами внутри с обеих сторон. При этом на одной гайке есть и правая и левая резьба. Если ее откручивать, то соседние секции батареи будут равномерно раздвигаться, а при закручивании – стягиваться.

Ниппель-гайка

Обычно производители делают отметки на лицевой стороне заглушек и футорок, которые обозначают направления резьбы. Отметка «D» обозначает правостороннюю резьбу, «S» – левостороннюю. Для точного определения направления движения, рекомендуется взять свободную ниппель-гайку и попробовать наживить ее на резьбу в радиаторе. Определившись, в какую сторону она закручивается, станет понятно, куда вращать ключ, чтобы разъединить секции.

Важно! Если ниппель-гайку крутить не в ту сторону, можно легко сорвать резьбу и на ней и на батарее отопления.

Установка ниппель-гайки

Определившись с направлением резьбы, вставьте ниппельный ключ в радиатор и продвиньте к нужной гайке. Сделать это помогут насечки на инструменте. Когда он будет находиться в пазах, вставьте в отверстие с другой его стороны рычаг. Чтобы сдвинуть гайку с места потребуется приложить усилие. Позовите помощника, чтобы он зафиксировал радиатор на одном месте.

Ремонт биметаллических радиаторов

Когда гайка продвинется на половину оборота, переходите на другую сторону, чтобы открутить вторую, и выполните такие же действия. Убедившись, что обе гайки вращаются без прикладывания большой физической силы, постепенно откручивайте то одну, то другую сторону, продвигаясь на 5-7 мм.

Прокладка между секциями радиатора

После разъединения заберите металлические прокладки, которые были между секциями. Если они находятся в хорошем состоянии, то их можно будет установить назад при сборке, если в плохом, то используйте их в качестве образца для покупки новых. Силиконовые прокладки нужно менять обязательно.

Разборка чугунного радиатора

Чугунная батарея отопления

Чугунные изделия, как правило, стоят в квартирах по несколько десятков лет. В связи с этим во многих случая разобрать их не повредив невозможно. Чтобы снять батарею с места крепления, раскрутите сгоны на входе и выходе. Если это сделать не получилось, ее придется срезать болгаркой или автогеном. После демонтажа изделие промывается и укладывается на ровную поверхность.

Срезаем старую батарею болгаркой

За долгие годы эксплуатации стыки между секциями, ниппель-гайки и другие отдельные элементы прикипают друг к другу. За счет этого разборка требует применения большей физической силы, чем во время работы с новыми радиаторами отопления. Если гайка не откручивается, воспользуйтесь инструментом для нагрева мест соединения. Когда прикипевшие участки разогреются, их будет проще разъединить.

Совет: для нагрева можно использовать строительный фен, автоген или паяльную лампу.

Если пазы, предназначенные для фиксации ключа в соединяющих гайках, разъела ржавчина, разобрать изделие не получится. Эффективным способом убрать поврежденную секцию является механическое разбивание с применением кувалды, но в таком случае есть большой риск повредить всю конструкцию. Можно также попробовать распилить батарею в местах стыков болгаркой или ножовкой по металлу.

Разбираем старую батарею

После отделения поврежденной секции от всей конструкции попробуйте выбить ниппель-гайки при помощи молотка и зубила. Чтобы работать было легче, привлеките помощника. Только своими руками снять и разобрать радиатор может не получиться, так как чугунные изделия очень тяжелые. Одна секция весит около 7,5 кг. Соответственно, батарея в 10 секций потянет на 75 кг.

Схема разборки чугунных радиаторов отоплений.

Если понять, как разобрать радиатор отопления своими руками, это можно сделать быстро и без каких-либо негативных последствий. Главное, запастись необходимыми инструментами и знаниями. В случае со старыми батареями могут возникнуть проблемы. Но если повезет, то снять нужные секции получится. В противном случае придется покупать новый отопительный элемент.

Схемы подключения биметаллических радиаторов отопления: нижняя, боковая, диагональная

Схемы подключения биметаллических радиаторов отопления фактически не имеют отличий от стандартных способов установки других видов отопительных батарей, например, чугунных. Вне зависимости от того, планируете ли вы выполнить работы самостоятельно или обратиться за помощью к профессионалам, стоит изначально продумать, какую именно схему выбрать и почему.

Первое, о чем стоит знать — существует три схемы подключения биметаллических радиаторов отопления:

• Боковое.
• Диагональное.
• Нижнее.

Если вы хотите выполнить подключение биметаллических радиаторов отопления оптимальным способом, то есть так, чтобы трудозатраты были минимальны, а эффективность приборов максимальна, то при определении подходящей схемы нужно ориентироваться на следующие параметры:

• Тип системы: одно- или двухтрубная.
• Как происходит подача теплоносителя: снизу или сверху.
• Число секций в радиаторе.

Выбор способа подключения в зависимости от типа системы

Выделяют два типа систем: одно- и двухтрубные. В первом случае теплоноситель проходит по подающей трубе к отопительным приборам, при этом по мере движения он остывает. В однотрубных схемах радиаторы монтируются последовательно. Фактически при такой схеме подающий трубопровод «превращается» в обратный. В двухтрубных системах применяется параллельное подключение биметаллических радиаторов отопления: подающая и обратная ветки полностью «автономны» друг от друга, а соединяются они с помощью конечного прибора системы отопления.

Все выпускаемые сегодня биметаллические радиаторы отопления унифицированы под любое подключение, в их конструкции предусмотрено 4 возможные точки подключения, то есть пара снизу и пара сверху. Поэтому выбирать схему нужно, ориентируясь на тип дома, его этажность, тип системы.

Особенности одно- и двухтрубных систем

Помните о том, что:

• Однотрубные системы могут быть с горизонтальной или вертикальной разводкой. Первая, как правило, применяется в частных домах высотой в 1 или 2 этажа, в исключительных случаях — в трехэтажных. Вертикальная разводка типична для многоэтажных объектов. Преимуществом однотрубных систем является то, что их устройство требует минимальных финансовых затрат, и при этом они отличаются стабильностью (то есть разбалансировать такие системы непросто).
• Двухтрубные системы редко эксплуатируются в «многоэтажках». Это обусловлено тем, что для создания такой системы требуется большее число труб, также в обязательном порядке необходимо применение регулирующей арматуры. Впрочем, у нее есть существенное преимущество — на все радиаторы отопления подается теплоноситель одинаковой температуры, а значит, во всех помещениях будет одинаково тепло.

Направление подачи теплоносителя

Подключение биметаллического радиатора отопления может быть выполнено снизу — в данном случае используется нижний вертикальный коллектор. При использовании такой схемы главное точно знать, к какому именно из входов подключается вода. Эти данные можно уточнить в техническом паспорте.

Также возможна боковая и диагональная подводка. В последних двух вариантах подключения биметаллических радиаторов отопления, подача теплоносителя заводится сверху, при этом снизу устанавливается труба обратного трубопровода.

Как определить оптимальную схему подключения в зависимости от числа секций?

Число секций биметаллического радиатора отопления напрямую влияет на выбор схемы подключения. Например, для моделей, имеющих до 8 секций, оптимальным будет боковое, диагональное или нижнее седельное подключение. Если количество секций биметаллического радиатора отопления больше 8-ми, то стоит выбирать диагональную схему подключения.

Впрочем, есть некоторые хитрости, которые позволяют и радиаторы с 9, 10 и более секциями подключать боковым способом. Для этого необходимо использовать так называемый удлинитель потока.

Что такое удлинитель потока и как правильно его устанавливать?

Удлинителем потока называют трубку, вставляемую в коллектор подачи. Целесообразно использовать это приспособление, если при боковом подключении горячими оказываются исключительно первые секции биметаллического радиатора отопления, а остальные остаются чуть теплыми.

При использовании удлинителя потока удается обеспечить условия, при которых теплоноситель будет подаваться не ко входу устройства, а чуть дальше (условно — в центральную часть), за счет этого и обеспечивается более равномерный прогрев поверхностей всех секций радиатора.

Если при подключении биметаллического радиатора отопления вы решили использовать удлинитель потока, то важно знать о том, какая длина приспособления будет оптимальной. Этот параметр определяется в зависимости от числа секций. Фактически вариантов два:

• Удлинитель должен составлять 2/3 от общей длины радиатора.
• Длина удлинителя должна быть такой, чтобы он доставал до средней части последней секции.

При этом выбирать вариант нужно методом экспериментов. Например, в некоторых случаях удлинитель, достающий до середины последней секции, не позволяет первым секциям прогреваться до той же степени, что и последним. Если вы столкнулись с такой ситуацией — не стоит переживать, ведь проблема решается просто: достаточно просто укоротить трубку. Эксперты советуют всегда приобретать удлинитель «с запасом», чтобы при необходимости его можно было укоротить: очевидно, что со слишком коротким приспособлением сделать уже будет ничего нельзя. А то, какой именно вариант подойдет (на 2/3 или до середины последней секции), напрямую зависит от диаметра подводки, а также давления в стояке.

Второй момент: если при подключении биметаллического радиатора отопления вы решили использовать удлинитель, то можно сделать в нем отверстия. Такая «хитрость» поможет обеспечить условия, при которых теплоноситель будет равномерно поступать и распределяться по вертикальным коллекторам. Впрочем, делать это вовсе не обязательно, удлинитель и без отверстий отлично справляется со своими функциями.

Советы экспертов

Полезные советы по безопасному подключению биметаллических радиаторов отопления:

• Желательно устанавливать запорные краны на входе и выходе радиатора. Например, это могут быть шаровые краны. Наличие таких элементов значительно упростит работы в случае, если требуется ремонт, модернизация или обслуживание отопительной системы. Принцип функционирования прост: достаточно закрыть шаровые краны, подождать, пока теплоноситель станет холодным, после чего радиатор можно без опасений снимать.
• При подключении биметаллических радиаторов отопления, обязательно используются воздухоотводчики. Когда теплоноситель контактирует с материалом коллектора, неминуемо возникают химические реакции, сопровождающиеся образованием газов. Воздухоотводчики необходимы для эффективного отвода газов и воздуха, скопившихся в радиаторе. Если их нет, то в приборе возникнет избыточное давление, и при наступлении отопительного сезона неминуемо будет нарушена циркуляция, вследствие чего одна или несколько секций радиатора (или их части) попросту перестанут нагреваться.
• При подключении необходимо обеспечить условия, при которых биметаллический радиатор отопления будет расположен строго горизонтально. При этом можно немного «поднять» угол прибора с той стороны, где монтирован воздухоотводчик — в этом случае газы из прибора будут спускаться гораздо эффективнее. При этом обратный уклон неминуемо нарушит циркуляцию.

Если вы хотите получить профессиональные рекомендации по выбору оптимального способа подключения биметаллических радиаторов отопления, а также узнать другие особенности, которые следует учитывать при планировании системы, просто свяжитесь со специалистом компании «САНТЕХПРОМ» по телефону: +7 (495) 730-70-80.

как выбрать такую систему отопления для квартиры и дома, фото-материалы

Выбирая биметаллические радиаторы для квартиры, следует обратить внимание на секционные модели.

Радиаторы биметаллические 500 на 10 секций – самые покупаемые из них в силу своих технических параметров.

Окончание отопительного сезона часто становится причиной покупки и замены старых батарей отопления на новые.

Использовать чугунные аналоги в условиях постоянно дорожающих коммунальных услуг уже не выгодно, когда на смену им пришли биметаллические радиаторы отопления.

Особенности секционных батарей

Иногда большой выбор хуже, чем его отсутствие. То разнообразие видов и моделей радиаторов отопления, которые присутствуют сегодня на рынках, заставляет потребителей тщательно изучать информацию, чтобы не прогадать ни в цене, ни в качестве изделия.

Биметаллические секционные радиаторы единственные, которых это не касается. Это связано не столько с их устойчивой репутацией надежных и эффективных обогревателей, как с техническими особенностями конструкции.

1. Рабочая часть этих устройств изготовлена из нержавеющей сверхпрочной стали или меди. Такой выбор металлов обусловлен тем, что им не страшны большие нагрузки теплосети, и они стойко выдерживают гидроудары до 20-25 атмосфер, которыми часто «грешит» центральная система отопления. Различные модели биметаллических радиаторов благодаря тому, что их сердечник и каналы для теплосети выполнены из столь прочных металлов, не боятся коррозии, поэтому их можно использовать в системах с самой неблагополучной средой.

ВАЖНО: если рабочая часть, которая имеет дело с теплоносителем, выполнена из меди, то теплоотдача такой конструкции возрастает в разы. Они стоят дороже, но последующая экономия, которую они приносят при эксплуатации, сторицей все окупит.

2. Снаружи биметаллические радиаторы оснащены алюминиевым оребрением и корпусом. Еще один правильный выбор металла. Алюминий обладает почти таким же уровнем теплопроводности, что и медь. То, что ему не приходится соприкасаться с водой, гарантирует его эффективную работу на протяжении 20-50 лет.
3. Секционные биметаллические радиаторы дешевле монолитных аналогов, но при этом настолько же надежны. Еще одним преимуществом устройств этого типа является возможность регулировать не только уровень тепла, но и секций. Если при подключении биметаллических радиаторов вы обнаружили, что их мощности не хватает для обогрева помещения, всегда можно докупить и добавить необходимое количество. Подробнее о том, как добавить секции к биметаллическому радиатору читайте у нас на сайте.
4. Строение секционных батарей таково, что их легко монтировать и снимать при необходимости. Если понадобится ремонт биметаллического радиатора, то не потребуется отключение всей системы обогрева.
5. Можно легко подобрать комплектующие для биметаллического радиатора.

На сегодняшний день батареи из биметалла для отопления квартир, подключенных к центральной теплосети – это лучший и надежный вариант обогревателей. Об этом говорит положительный многолетний опыт их использования в условиях городского отопления.

Биметаллические радиаторы: почему они лучше?

Если вас интересует, как выбрать биметаллический радиатор отопления, то важно знать, что среди положительных сторон этих конструкций выделяются следующие:

1. Радиатор отопительный биметаллический вписывается в любой интерьер благодаря своему стильному алюминиевому корпусу. Наружная часть может быть, как белой, или другого цвета. Существуют модели, которые прошли только первую стадию обработки – покрытие антикоррозийным защитным слоем изнутри и грунтовкой снаружи, чтобы потребители могли самостоятельно окрашивать батареи в свой любимый цвет. Базовым является радиатор биметаллический черный или белый, хотя последние встречаются чаще. Кроме того, существуют биметаллические радиаторы с нижним подключением.
2. Устанавливать биметаллические радиаторы можно в любых типах отопительных систем, как двухтрубных, так и однотрубных.
3. Высокая теплоотдача биметаллических радиаторов и прочность снискали им репутацию надежных отопительных устройств, которые органично вписываются в системы с нестабильным давлением или в централизованные теплосети.
4. Возможность регулирования температуры позволяет сократить затраты на отопление, при том, что высокая теплоотдача обеспечивает равномерный и качественный нагрев помещения.

Биметаллические радиаторы — фото:

Это далеко не все преимущества, которыми обладают радиаторы биметаллические. Для квартиры в доме, имеющем более 10-12 этажей надежнее устройств не найти.

Размеры

Основные показатели современных отопительных устройств – это их легкость и тепловая мощность. По-прежнему тяжеловесными, хотя они и стали более стильными, являются батареи из чугуна. Остальные виды обогревателей, выполненные из стали или алюминия – это альтернатива им. Читайте подробнее у нас на сайте о том, чем отличаются алюминиевые радиаторы от биметаллических.

Если рассмотреть модельный ряд отопительных устройств, представленных на рынке, то можно заметить, что их тепловая мощность и вес зависят от размера секции, и конструкции из биметалла не исключение. Для всех радиаторов, не зависимо от того, из какого металла они выполнены, существуют стандартные размеры, которые одинаковы во всех странах. Оно определяется межосевым расстоянием и может отличаться у разных производителей, например:

Секция биметаллического радиатора фирмы Global с расстоянием между осями 500 при ширине 80 мм, глубине 80 мм и высоте 575 мм имеет тепловую мощь 168 Вт при рабочем давлении 35 бар. При таких же параметрах радиатор биметаллический (1 секция) бренда Tenrad вырабатывает 161 Вт при максимальном давлении 24 бар. Если первый вид можно смело монтировать в помещении с централизованным типом отопления, то второй подходит исключительно для автономных систем обогрева.

Зачастую, у одного и того же производителя батареи из биметалла при одинаковых размерах разнятся в показателях тепловой мощности. Связано это с составом алюминия и толщиной стального сердечника.

Поэтому, подбирая биметаллические радиаторы отопления для квартиры, следует ознакомиться с параметрами изделий, чтобы правильно рассчитать количество секций для каждого отдельного помещения. Узнать, какие есть размеры биметаллических радиаторов, вы можете на нашем сайте.

Без предварительных расчетов количества тепла, необходимого для обогрева комнаты с учетом всех теплопотерь, не имеет смысла покупать и устанавливать батареи.

Самые грубые и приблизительные подсчеты лучше, чем вообще без них. Самым популярным стандартом считается радиатор биметаллический 10 секций. Чтобы знать точно, сколько потребуется отопительных элементов в комнату, следует знать, какое количество тепла вырабатывает одна секция. Подобную информацию предоставляет паспорт на биметаллические радиаторы, который имеет каждое изделие.

Например, одна секция от фирмы Global вырабатывает 185 Вт тепла при межосевом расстоянии 500. Значит, для комнаты 18 м2, на обогрев которой по СНиП должно уходит 100 Вт/м2, потребуется:

18 м2х100 Вт/185 Вт = 9.72

Получается, что на обогрев комнаты такой площади, округлив показатель, потребуются радиаторы биметаллические 500х10 секций.

Подобным образом можно вычислить количество секций биметаллических радиаторов для помещений любого размера. Конечно, эти цифры будут приблизительными, так как в них не учтены ни количество окон и дверей в помещении, ни наличие внешних стен, ни температурные показатели за окном.

Как показывает практика, минимальное количество, требуемое для качественного нагрева помещения, если используются радиаторы биметаллические – 5 секций.

Если комната большая и требуется много элементов, например, 40, то лучше разделить их на две конструкции. По длинному радиатору теплоноситель проходит дольше, остывая по пути, что снижает эффективность работы всей системы.

Достаточно разделить биметаллические радиаторы по 20 секций, чтобы увеличить их КПД и тепловую мощь.

Подводя итоги, можно сказать, что альтернативы биметаллическим радиаторам в условиях эксплуатации в централизованной системе обогрева, на сегодняшний день не существует. Это самые надежные, крепкие и популярные виды обогревателей, несмотря на их стоимость.

Алюминиевые радиаторы отопления — Заказать по оптовой цене

Предлагаем купить алюминиевые радиаторы отопления. В каталоге представлены секционные модели STOUT по выгодным ценам. Ознакомьтесь с ассортиментом и выбирайте подходящие варианты радиаторов для комплектации систем отопления дома.

Виды алюминиевых радиаторов

Чтобы выбрать подходящую продукцию, стоит разобраться в главных видах радиаторов. По методу изготовления подобные устройства делятся на 2 основных категории.

• Литье. Каждая секция отливается отдельно из алюминия с добавлением 12% кремния. Этот компонент придает готовому изделию повышенную прочность. Литье ведется под высоким давлением, в результате чего удается получать толстостенные секции различных форм, которые выдерживают рабочее давление до 16 бар.
• Экструзия. Детали приборов делают методом выдавливания. Обработанные заготовки собирают в радиаторы путем запрессовки. Для вертикальных деталей используется алюминий,для коллекторов – силумин.

Алюминиевые радиаторы STOUT изготовлены в Италии из высококачественного сплава методом литья под давлением. Каждая секция внутри имеет вертикальный канал оптимальной формы для движения теплоносителя. Друг с другом секции надежно соединены стальными резьбовыми ниппелями с герметизирующими уплотнителями. Внутренняя поверхность радиаторов имеет фторциркониевое антикоррозионное покрытие.

Наружная поверхность приборов окрашена стойкой эмалью RAL9010. Качественное покрытие и дизайн алюминиевых радиаторов STOUT отвечает самым изысканным требованиям, прибор может быть установлен в любой интерьер без потери эстетичного вида помещения.

Технические характеристики

Стандартное расстояние между осями радиаторов – 200, 350 либо 500 мм, но встречаются изделия с величиной до 800 мм. В зависимости от числа секций меняется и длина прибора. Алюминиевые радиаторы STOUT производятся с межосевым расстоянием 350 и 500 мм.

Тепловые параметры – еще один важный фактор, который следует учитывать перед покупкой. Радиаторы отопления, выполненные из алюминиевого сплава, обладают высокой теплоотдачей, вдобавок приборы имеют высокую инертность, быстро реагируют на сигналы термостата и других устройств управления для изменения температуры.

Половина всего отдаваемого тепла от системы отопления –тепловые лучи. Остальное – конвекционные воздушные потоки. В связи с этим, чем больше ребер у батареи, тем выше теплоотдача. Ее коэффициент указывается в ваттах для каждой секции. Номинальный тепловой поток одной секции алюминиевого радиатора с межосевым расстоянием 350 мм составляет 130 Вт, а для радиаторов с межосевым расстоянием 500 мм – 175 Вт (ГОСТ 31311-2005).

Существенный недостаток алюминиевых радиаторов отопления – повышенная коррозия. Поэтому оборудование применяется в системах, заполненных водой и антифризом при условии, что pH теплоносителя находится в диапазоне 6,5-8,5.

Достоинства алюминиевых батарей

Всем разновидностям радиаторов из алюминия присущи общие преимущества:

• экономичность;
• малый вес, облегчающий монтаж;
• возможность быстрой регулировки температуры;
• хорошая теплоотдача;
• презентабельный внешний вид – не приходится прятать изделия за декоративными накладками.

Обращайтесь в нашу компанию, чтобы приобрести радиаторы с доставкой по России низким ценам от производителя. Предоставляем гарантию на все товары из ассортимента. Подробности – по телефону.

РУССКИЙ РАДИАТОР официальный поставщик

ООО «Русский радиатор»

«Русский Радиатор» — это продукт высочайшего качества, созданный полностью на территории Российской Федерации. «Русский Радиатор» производится на собственной базе одного из крупнейших мировых производителей алюминия — компании РУСАЛ.
«Русский Радиатор» изготавливается исключительно из высококачественного алюминия, произведенного в РФ.

Завод «Русский Радиатор» открыт в 2016 году. Весь комплекс оборудования специально спроектирован, по заданию специалистов завода, для выпуска литых секционных радиаторов отопления. Поставкой, монтажом и пуско-наладкой новейшего оборудования занимались ведущие европейские производители.

Благодаря уникальной локализации основных процессов, связанных как с получением первичного алюминия (электролиз глинозема), так и с непосредственным производством радиаторов, достигается оптимальная цена на конечную продукцию с сохранением высочайшего качества.
Сочетание новейших технологий и высокого качества первичного сырья, продукция «Русский Радиатор», отвечает мировым стандартам качества производства и полностью соответствует требованиям ГОСТ 31311-2005, что подкрепляется сертификатом и протоколами испытаний.
«Русский Радиатор» входит в состав «Ассоциации производителей радиаторов отопления «АПРО».

ПОЛИТИКА В ОБЛАСТИ КАЧЕСТВА
Ответственность и приверженность руководства и каждого работника Политике, являются обязательным условием выполнения целей
ООО «Русский радиатор»

Миссия:

1) Расширение и удержание внутреннего рынка РФ за счет качественной продукции и импортозамещения;
2) Поддержание региона присутствия за счет обучения, технической подготовки и предоставления рабочих мест населению.

Качественное тепло – залог здоровья и процветания!
ООО «Русский радиатор» в своей деятельности руководствуется следующими принципами в области качества:

1. Ориентация на потребителя
— Стать эталоном доверия для своих настоящих и будущих потребителей.
— Постоянно изучать и понимать текущие и будущие потребности и ожидания потребителей нашей продукции.
— Гарантировать поставку продукции в соответствии с установленными требованиями.
— Оценивать и принимать меры к повышению степени удовлетворения потребителей качеством продукции и услуг.

2. Лидерство и приверженность руководства
— Обеспечить позитивный имидж Предприятия как поставщика.
— Устанавливать цели непрерывного улучшения и создавать условия для их достижения.

3. Персонал
— Обеспечить непрерывный рост профессионализма сотрудников.
— Обучать персонал применению современных методов и инструментов постоянного улучшения.
— Вовлекать персонал в улучшение процессов и развивать культуру качества.
— Совершенствовать систему мотивации персонала.

4. Риск-ориентированный процессный подход
— Обеспечить управление взаимосвязанными бизнес-процессами как системой, с учетом анализа и предупреждения рисков.
— Оценивать результативность и эффективность процессов с
целью их совершенствования.

5. Постоянное улучшение
— Стремиться к совершенству во всем, что мы делаем.
— Проводить оптимизацию и стандартизацию всех процессов с применением наилучших доступных технологий и инструментов Системы менеджмента качества.
— Предоставлять персоналу ресурсы и стимулы для участия в непрерывном улучшении.
— Направлять усилия на снижение расходов, повышение эффективности и результативности процессов

6. Принятие решений, основанных на фактах
— Принимать решения и действовать на основании анализа фактических данных о характеристиках продукции, процессов, состояния Системы менеджмента качества.

7. Взаимовыгодные отношения с поставщиками
— Вовлекать и развивать поставщиков в процессе совместной работы по повышению качества продукции.
— Углублять взаимное доверие, уважение и ответственность ради удовлетворения потребителей и постоянного улучшения процессов.

Хорошее мнение людей надежнее денег. 

Как охладить ионно-литиевые батареи: оптимизация конструкции элементов с использованием модели с термопарой

Электрификация транспорта по-прежнему является неотъемлемой частью миссии по сокращению выбросов парниковых газов и местного загрязнения воздуха. Запасы электромобилей (электромобилей) продолжают значительно расти, поскольку в 2017 году глобальные запасы электромобилей превысили 3 миллиона автомобилей, что на 56% больше, чем в 2016 году. ¹ Одной из ключевых технологических задач является создание литий-ионных ) аккумулятор дешевле и долговечнее.

Чтобы максимизировать производительность аккумуляторной батареи в течение всего срока ее службы, необходимо тщательно контролировать температуру элементов. Значительные отклонения от условий окружающей среды могут привести к снижению производительности, ускоренному ухудшению характеристик и, в крайних случаях, к катастрофическому отказу, то есть тепловому неуправляемому выходу из строя. ^2–8 Чтобы противостоять этим проблемам, температура аккумуляторной батареи электромобиля обычно регулируется с помощью системы терморегулирования (TMS). ^9–14 Основная цель TMS — поддерживать общую температуру в оптимальном окне, а также поддерживать равномерную температуру между ячейками и внутри ячеек.

При агрессивном использовании, таком как быстрая зарядка, часто могут возникать температурные градиенты из-за ограничений теплопередачи. ^15–18 Эти ограничения зависят от выбора метода TMS, а также от конструкции ячейки. Ячейки могут подвергаться термическому управлению через различные поверхности, а именно поверхность пакета электродов, электрические клеммы (выступы) или и то, и другое. ^12,19,20 В нашей предыдущей работе Hunt et al. показали, что выбор метода TMS может существенно повлиять на производительность и срок службы ячейки. ¹⁹ Было показано, что охлаждение язычка может снизить скорость деградации полезной емкости в три раза по сравнению с поверхностным охлаждением в условиях агрессивного цикла. Последующая работа по моделированию Zhao et al. показали, что охлаждение поверхности вызывает значительный температурный градиент по толщине ячейки, приводящий к неоднородности тока и состояния заряда (SoC). ²¹ В результате более холодные электродные слои находились на SoC, значительно отличающихся от более горячих слоев, поэтому истинная емкость ячейки не могла быть использована полностью.Была выдвинута гипотеза, что значительная неоднородность температуры приведет к локальной деградации в более горячих слоях ячейки из-за положительной обратной связи в виде более высокой температуры, более низкого импеданса и большего тока. Для сравнения, охлаждение язычка обеспечивает гораздо меньший температурный градиент по толщине ячейки, но не может поддерживать такую ​​низкую среднюю температуру ячейки. Модель определила, что «узкими местами» теплопередачи являются площади поперечного сечения (ширина × в плоскости толщины) выступов и термическое сопротивление, вызванное точкой сварки между выступом и пакетом электродов. ^4,21 Было высказано предположение, что более широкие выступы могут улучшить передачу тепла от пакета электродов к выступам. Следовательно, существует необходимость в дальнейшей оптимизации конструкции ячеек, чтобы можно было более эффективно использовать охлаждение вкладок в более широком диапазоне приложений.

В многочисленных исследованиях проанализировано влияние физических и геометрических параметров клеток на их работу. ^22–27 Эти параметры включают соотношение сторон, положение выступа и толщину пакета электродов. Большинство этих исследований сосредоточено на неравномерном протекании тока — и, как следствие, на неоднородности температуры и SoC — в плоскости электрода, вызванном конечным электрическим сопротивлением токосъемников. ^24,25,28 Например, Samba et al. исследовали влияние расположения вкладок на производительность ячейки и пришли к выводу, что симметричное положение вкладок и более широкие выступы улучшают однородность. Эти выводы согласуются с выводами Kim et al. и Rieger et al. ^25,26 Однако в этих исследованиях рассматривались только тепловые граничные условия с принудительной конвекцией воздуха, которые не являются репрезентативными для более распространенных тепловых граничных условий жидкостного охлаждения для аккумуляторных блоков электромобилей. Как показано в нашей предыдущей работе, ^19,21 неоднородность, вызванная внешними тепловыми граничными условиями (например,грамм. Выбор TMS) может быть гораздо более доминирующим при агрессивном использовании. Чтобы полностью понять влияние геометрических параметров ячейки на характеристики ячейки, индуцированный тепловой градиент и его последствия, они должны быть изучены в направлении преобладающего пути теплопередачи, представляющего внешние тепловые граничные условия. Несмотря на то, что прилагаются значительные усилия по оптимизации ячеек с точки зрения электрохимических характеристик, уделяется очень ограниченное внимание оптимизации геометрических параметров ячейки с точки зрения тепловых характеристик, т.е.е. улучшенная скорость передачи тепла к ТМС.

Подход, основанный на модели, часто используется из-за трудностей, возникающих при изготовлении / получении ячеек с желаемыми геометрическими свойствами. ^27,29–31 Однако критические параметры (такие как положение и размер выступов), определенные этими моделями, часто не подтверждаются измерениями с использованием реальных ячеек.

В этой работе литий-ионные элементы, изготовленные по индивидуальному заказу, с разным расположением выступов и шириной использовались для проверки гипотез о способах устранения узких мест при теплопередаче.Испытательные стенды с элементами Пельтье для охлаждения вкладок и поверхностного охлаждения были созданы для оценки тепловых и электрических характеристик вкладок различной конструкции. Двумерные теплоэлектрические модели были параметризованы и проверены. Модели использовались для исследования внутренних состояний, таких как распределение температуры, тока и SoC по толщине ячейки. Кроме того, модель использовалась для изучения наиболее эффективных способов устранения теплового «узкого места» для системы с охлаждением вкладками. Оценивалась эффективность изменения геометрических параметров, таких как ширина выступа, толщина выступа и толщина токосъемника.Кроме того, была смоделирована «виртуальная» автомобильная ячейка для исследования эффективности использования охлаждения язычков для крупноформатных ячеек.

Модель моделирования, используемая в этой работе, основана на двумерной электротермической модели, разработанной в нашей предыдущей работе. ²¹ Модель была разработана в MATLAB R2017a с использованием Simulink (v8.8) и Simscape toolbox (v4.1).

Среда моделирования разработана на основе работ Newman, Tiedemann, Gu and Kwon (NTGK) et al. ^32–34 На рисунке 1 показана схема моделирующей основы.Подробное описание модели можно найти в Zhao et al. ²¹ Модель имитирует плоскость длины (L) и толщины (T). Размер по ширине (W) не включен, поскольку предполагается, что градиент температуры минимален. ²¹

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. Рис. Схематическое изображение для ячеек емкостью 16 Ач, изготовленных по индивидуальному заказу. Адаптировано из рисунка 1 Zhao et al. ²¹ в соответствии с условиями Creative Commons Attribution 4.0 Лицензия (CC BY).

В области моделирования (L × T) ячейка разбивается на идентичные элементарные ячейки, и двухмерная сеть формируется путем соединения элементарных ячеек. В каждой элементарной ячейке используется модель сети эквивалентных цепей (ECN) для моделирования поведения напряжения и тока. Тепловой ECN также используется в каждой элементарной ячейке для моделирования теплопередачи между компонентами ячейки (анодом, катодом, токосъемниками и сепараторами). Всего имеется 30 узлов, равномерно распределенных по всей области моделирования, с 6 дискретизацией, распределенной по направлению длины, и 5 дискретизацией по толщине ячейки.

Граничные поверхности (т.е. поверхности пакета электродов (W × L) и выступы) применяются с различными тепловыми граничными условиями для имитации различных стратегий управления температурным режимом. Они позволяют моделировать теплопередачу между ячейкой и окружающей средой. Как и в нашей предыдущей работе, особое внимание было уделено моделированию компонентов, не являющихся элементами ячеек (например, сварного шва), а также тепловым граничным условиям.

Для этой работы были использованы три варианта карманных ячеек, изготовленных на заказ, производства Customcells Itzehoe GmbH.Все варианты содержат графитовый анод и катод из LiNi _0,6 Mn _0,2 Co _0,2 O ₂ (NMC-622). Все варианты имеют идентичный набор электродов (катоды, аноды. Токосъемники и сепараторы). Все варианты имеют номинальную емкость 16 Ач. Стопки имеют габаритные размеры L 117 мм × W 101 мм × T ∼11,5 мм.

Положение выступа и размер выступа для трех вариантов показаны на рисунке 2. Базовая конструкция, S30, имеет выступы ячеек, расположенные на одной стороне с шириной 30 мм на каждом выступе, как показано на рисунке 2a.В первом варианте, C30, язычки ячеек расположены на противоположной стороне ячейки и имеют ту же ширину, что и ячейка S30. Последний вариант, C70, показан на рисунке 2c, выступы ячейки расположены на противоположной стороне ячейки и имеют ширину 70 мм. Подробные размеры приведены в таблице I.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. Вариант ячейки на заказ: (a) те же боковые выступы — 30 мм (S30), (b) боковые выступы — 30 мм и (c) боковые выступы — 70 мм.

Таблица I. Размер, толщина и положение выступа.

	S30	C30	C70
Ширина выступа [мм]	30	30	70
Длина выступа [мм]	21	21	21
Толщина выступа [мм]	0,2	0.2	0,2
Позиция	На той же стороне	Задняя сторона	Задняя сторона

Для всех экспериментов по параметризации ECM температура окружающей среды контролируется принудительной конвекцией воздуха с помощью охлаждающего инкубатора Binder (модель: KB23). Для всех других экспериментов температура окружающей среды контролируется с помощью климатической камеры ESPEC (модель: BPL-3). В экспериментах по определению термических характеристик температура различных поверхностей ячеек (поверхностей электродов и выводов) контролировалась с помощью радиаторов с жидкостным охлаждением.Температура охлаждающей жидкости регулируется с помощью погружного циркуляционного насоса (модель: PC200, производимого Thermo Scientific) с температурной стабильностью жидкости 0,01 ° C. Температуру на различных поверхностях ячеек измеряли с помощью термопар К-типа. Термопары были прикреплены к поверхности пакета электрода ячейки и выступов для отслеживания повышения температуры во время процесса разряда. Данные термопары были записаны с использованием модуля сбора данных о температуре, производимого National Instrument (модель: модуль ввода температуры NI 9213 и шасси CompactDAQ 9178).

Для экспериментов с TMS, температура на поверхности язычка или пакета электродов контролировалась с помощью специальных установок для контроля температуры. Детальный дизайн этих испытательных стендов можно найти в нашей предыдущей работе. ^19,35

Элементы тестировали с помощью тестера аккумуляторов Maccor (модель: серия 4000). «Почти адиабатическое» состояние на поверхностях без применяемого охлаждения создавалось путем покрытия открытых поверхностей ячеек теплоизоляционным материалом Superwool 607 Fiber blanket (производства Morgan Advanced Materials).

Параметризация модели

Параметризация ECN

Параметризация модели ECN была проведена с использованием метода импульсного разряда (PD), та же процедура, что описана в нашей предыдущей работе. ²¹ Процедура включает подачу разрядного импульса при постоянной величине тока 16 А и мониторинг напряжения элемента в последующие 2 часа периода покоя. Эта процедура повторяется от SoC 100% до SoC 0% с шагом 1% в диапазоне от 100% до 90% SoC и от 10% до 0% SoC, и с шагом 5% в диапазоне от 90% до 10% SoC.Процедуры проводились при температуре окружающей среды 10ºC, 20ºC, 30ºC и 40ºC.

Подробные сведения о процедуре и соответствующей методологии оценки параметров можно найти в нашей предыдущей работе и в Jackey et al. ^21,36,37 Параметры, полученные на уровне ячейки, уменьшаются в масштабе для отдельной секции ячейки. Чтобы обеспечить такой расчет, предполагалось, что анод, катод, сепаратор и электролит заполнены равномерно по всей батарее элементов в начале срока службы.Изменение масштаба всего параметра показано в Уравнении 1 и Уравнении 2.

Где R _{i , e} , C _{i , e} — сопротивление и емкость отдельной секции ячейки; N — общее количество секций в модели; и R _{i, ячейка} и C _{i , ячейка} — сопротивление и емкость на уровне ячейки.

Тепловые параметры

Теплопроводность и удельная теплоемкость для компонентов пакета ячеек были взяты из литературы, как показано в Таблице II. ^19,38 Было учтено энтропийное тепловыделение, а также все другие необратимые источники тепла. Физические параметры компонентов ячейки были предоставлены поставщиком. Удельная теплоемкость ячейки была измерена с использованием калориметра скорости ускорения (ARC) производства компании Thermal Hazard Technology (THT) и составила 1,125 Дж / кг · k со стандартным отклонением 0,049 Дж / кг · k. Измеренная удельная теплоемкость использовалась для проверки общего смоделированного значения, которое рассчитывается на основе свойств отдельных компонентов.Модель имеет общую удельную емкость 1,118 Дж / кг · k, что составляет 0,62% отклонения от измерения.

Таблица II. Размеры элемента пакета электрода ячейки. ^19,38

	Ширина [мм]	Длина [мм]	Толщина [мкм]	Количество слоев	Теплопроводность [Вт · м −1 K −1 ]	Удельная теплоемкость [Дж кг −1 K −1 ]
Катод	98	115	51	74	1.04 31	1058
Анод	100	117	60	75	1,58 31	1437 31
Разделитель	101	119	20	76	0,34 31	1978 31
Токосъемник медный	100	117	10	38	398 31	385 31
Токосъемник алюминиевый	98	115	20	37	238 31	903 38
Кожух	н / д	н / д	112	2	238 31	903 38

Компоненты, не являющиеся элементами пакета, такие как термическое сопротивление точки сварки язычка, были охарактеризованы путем проведения экспериментов по тепловым переходным процессам.Термические граничные параметры, такие как коэффициент конвективной теплопередачи, теплопроводность термопасты и теплоизоляции, также были откалиброваны с помощью этих испытаний. Было проведено пять экспериментов с неустановившимся тепловым режимом. Подробности этого можно найти в нашей предыдущей работе. ²¹ При испытании на тепловые переходные процессы электрический ток не подавался. В каждом тесте ячейке позволяли достичь теплового равновесия в камере с температурой окружающей среды 30ºC. Радиатор с температурой охлаждающей жидкости 15 ° C помещался на целевую поверхность в начале каждого теста.Поверхности представляют собой положительные и отрицательные выводы ячейки C30, положительные и отрицательные выводы ячейки C70 и поверхность пакета электродов ячейки S30. В каждом испытании испытывали одну поверхность и измеряли профиль переходной температуры. Затем модель была использована для соответствия экспериментальному результату для калибровки параметров, показанных в таблице III.

Таблица III. Откалиброванные параметры тепловой границы.

Калиброванные параметры	Теплопроводность [Вт · м −1 K −1 ]	Толщина [мм]
Теплоизоляция	0.08	8
Тепловой контакт при сварке положительного язычка	150	4,2
Тепловой контакт при сварке отрицательного вывода	205	4,2
Термопаста	3,97	0,2

Характеристики элемента

На рисунке 3 показаны кривые разряда для трех вариантов при скорости разряда C / 10 (1,6 A). Предполагалось, что ток разряда был достаточно низким, чтобы не вызывать никаких изменений температуры элемента, так что результирующее напряжение разряда позволяло сравнивать общий накопленный заряд и форму кривой разряда между вариантами.Все три ячейки показывают одинаковую емкость с максимальной разницей в 0,5 Ач (2,8%). Различия между ячейками можно объяснить производственными допусками.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 3. Кривая разряда для трех вариантов (S30, C30 и C70) при 0,1 C.

Испытания на переходные термические процессы

Испытания на переходные тепловые режимы, описанные в разделе «Термические параметры», используются для демонстрации улучшения теплопередачи. Оцените использование более широких вкладок.В начале каждого теста ячейка была при 30ºC. Температура охлаждающей жидкости, протекающей через радиатор, поддерживалась на уровне 15ºC. Затем радиатор помещали на поверхность язычка в начале теста. Тест повторяли для положительных и отрицательных вкладок индивидуально для каждого варианта ячейки.

На рис. 4 показаны измерения температуры во время теста с выступов, поверхности ячейки (в центре) и охлаждающей жидкости. На рис. 4а показан профиль переходной температуры для охлаждения отрицательных выводов.По сравнению с ячейкой C30, температура ячейки C70 на 2,3 ° C ниже в центре поверхности в устойчивом состоянии. На отрицательной вкладке температура ячейки C70 на 1,5 ° C ниже по сравнению с этим. На рис. 4b показан температурный переходный профиль для охлаждения положительных выводов. Сравнимая разница температур существует между ячейками C70 и C30, при этом температура ячейки C70 на 2 ° C ниже на поверхности и на 0,7 ° C ниже на положительном контакте. Таким образом, более широкий язычок снижает эквивалентное тепловое сопротивление проводимости тепла через язычки ячеек.Результаты показывают, что ячейка с более широкими выступами (C70) имеет пониженное тепловое сопротивление при использовании охлаждения вкладок.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. Испытание термических переходных процессов на язычках: (a) охлаждение отрицательного язычка, (b) охлаждение положительного язычка.

По сравнению с тестами на положительные табуляции, тесты на охлаждение для отрицательных табуляции дают более низкую установившуюся температуру, примерно на 1 ° C на поверхности ячейки.Это ожидается, поскольку отрицательный вывод и токоприемник изготовлены из меди, которая имеет более высокую теплопроводность по сравнению с материалом положительного вывода — алюминием.

Производительность в системе управления температурой

Испытания на тепловые переходные процессы показали, что эффективность охлаждения TMS на основе охлаждения язычков потенциально может быть улучшена за счет более широких электрических язычков. В этом разделе клетки были протестированы с применением ТМС.

Для базового теста охлаждалась одна грань S30.Предполагалось, что все варианты будут работать одинаково при поверхностном охлаждении за счет одинаковой площади теплообмена. Затем охлаждение язычка было применено ко всем трем вариантам (S30, C30 и C70).

На рис. 5 показано сравнение средней температуры ячеек при различных ТМС. В этих испытаниях элементам позволяли достичь OCV 4,2 В путем зарядки при постоянном токе 1C (16 A) до 4,2 В с последующим периодом постоянного напряжения до тех пор, пока ток не станет менее 0,01C (0,16 A), и были затем дали отдохнуть в течение 2 часов.Перед подачей тока ячейкам давали термически уравновеситься в течение 3 часов. Затем элементы разряжались постоянным током 5 ° C (80 A) до 2,7 В с последующей зарядкой постоянным током 2 ° C (32 A) до 4,2 В.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Температура элементов при разряде 5 ° C с последующим зарядом 2 ° при различных TMS.

Как показано на рисунке 5, элемент S30 с поверхностным охлаждением имеет самую низкую пиковую температуру 33.3 ° C, возникающий в конце разряда. Разряд был прекращен раньше, чем в любой другой ячейке. Это могло быть вызвано более низкой средней температурой во время разряда, что привело к более высокому импедансу и более низкой полезной емкости.

Для элементов, охлаждаемых язычком с более узким выступом (S30 и C30), пиковая температура составила 45,5 ° C и 44,5 ° C соответственно в конце разряда. Ячейки S30 и C30 также показывают аналогичную среднюю температуру при этой нагрузке. Ячейка C30 показала немного большую полезную емкость на 0.6 Ач. Охлажденный язычок C70 показал значительное снижение пиковой температуры на 6 ° C по сравнению с ячейками с 30-миллиметровыми язычками. Это согласуется с результатами, показанными в характеристике теплового переходного процесса на рисунке 4. Ясно, что более широкие выступы обеспечивают лучшую теплопередачу через выступы. Однако экспериментально оценить это улучшение сложно, поскольку пиковая температура зависит от теплопередачи, а также от тепловыделения. Разницу в тепловыделении от клетки к клетке сложно количественно оценить экспериментально.Поэтому для оценки эффекта изменения ширины вкладки используется модель.

Хотя более широкие выступы обеспечивают заметное улучшение теплопередачи, пиковая температура все еще примерно на 7 ° C выше по сравнению с ячейкой с поверхностным охлаждением. Чтобы дополнительно оптимизировать эффективность системы охлаждения вкладки, используется модель для выявления SoC и температуры по всей ячейке с различными TMS, а также для дальнейшей оптимизации параметров конструкции ячейки, которые обеспечивают улучшенную теплопередачу при сохранении однородности температуры.

Проверка модели

Разработанная двухмерная термоэлектрическая модель была параметризована для каждого из трех вариантов ячеек в соответствии с методологией, описанной ранее. ²¹ Изменение тепловых и электрических характеристик от ячейки к ячейке было учтено путем индивидуальной параметризации трех вариантов. Геометрические и тепловые параметры, используемые в модели, перечислены в Таблице I и Таблице II соответственно.

Подтверждение адиабатических условий

Параметризованные модели были проверены в сравнении с экспериментами с использованием текущего спроса, представляющего ездовой цикл US06 в «почти адиабатических» условиях, когда все открытые поверхности были покрыты теплоизоляционным материалом.На рисунке 6 показан результат ячейки C70. Проверка для ячеек C30 и S30 достигла аналогичного уровня точности и не показана в рукописи для краткости. На рисунке 6a показан входной ток для цикла привода, максимальный ток ограничен 100 А. Измеренное в сравнении с смоделированным напряжением на клеммах показано на рисунке 6b. Для прогноза температуры модель показывает хорошее согласие с экспериментом с максимальной абсолютной ошибкой менее 0,6 ° C. Это показывает, что общая модель ячейки может точно представить теплоемкость и тепловыделение.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 6. Прогноз модели по сравнению с экспериментальным измерением при рабочем цикле US06 для элемента C70: (a) входной ток, (b) напряжение на клеммах элемента и (c) температура элемента в центре лицевой стороны.

Проверка при управлении температурой

Чтобы гарантировать, что модель может предсказать распределение температуры, модели ячеек всех трех вариантов ячеек были проверены в сравнении с экспериментами с применением TMS.Всего было проведено четыре эксперимента, в которых охлаждение вкладки применялось ко всем вариантам, а охлаждение поверхности применялось только к ячейке S30.

Для охлаждения поверхности температура на верхней грани (ширина × длина ) ячейки поддерживалась на уровне 20 ° C. Для охлаждения вкладок температура обоих вкладок поддерживалась на уровне 20 ° C. В обоих случаях все остальные открытые поверхности были покрыты теплоизоляционным материалом для минимизации потерь тепла. Температура окружающей среды поддерживалась на уровне 20 ° C.Перед испытаниями клеткам позволяли достичь теплового равновесия. Ячейки также были заряжены до 4,2 В до тех пор, пока ток не упадет ниже 0,01 ° C (0,16 А), и оставались в покое в течение 2 часов перед испытанием. Во время испытания элементы разряжались постоянным током 5 ° C (80A) до 2,7 В, а затем заряжались постоянным током 2 ° C (32 A) до 4,2 В. Три датчика температуры (S1, S2, S3) были размещены вдоль направление длины по осевой линии. Прогнозируемые температуры в тех же местах сравнивались с этими измерениями.

На рис. 7 показана смоделированная температура в каждом месте в сравнении с экспериментальным измерением. Для ячейки поверхностного охлаждения S30 максимальная ошибка находится в местоположении S3 с разницей на + 1,5 ° C по сравнению с экспериментом, как показано на рисунке 7a. Максимальная погрешность возникает на пике температуры в конце разряда. Более высокая прогнозируемая температура в точках S2 и S3 привела к завышению прогноза температуры во время последующей зарядки.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 7. Измерение температуры по длине элемента (S1-S3) при постоянном токе разряда 5C и заряда 2C: (a) элемент S30 с поверхностным охлаждением; (б) элемент S30 с язычком, охлаждаемый; (c) элемент C30, охлаждаемый язычком, и (d) элемент C70, охлаждаемый язычком.

Для охлаждающей ячейки C30 под язычком максимальная наблюдаемая ошибка составляет примерно -1,5 ° C и + 1,9 ° C на S1 и S3 соответственно. Модель предсказывает немного более высокую полезную емкость, на что указывает время на пике температуры, по сравнению с экспериментами. Это могло быть вызвано деградацией экспериментальной ячейки во время тестирования, что не учитывается в модели.Для ячеек S30 и C70 при охлаждении язычка модель показала очень хорошее согласие эксперимента с максимальной ошибкой менее 1 ° C по отношению к измеренным температурам.

В целом, этот проверочный эксперимент показал, что модель может прогнозировать распределение температуры всех ячеек при ТМС с приемлемым уровнем точности. Затем модели используются для выявления внутреннего состояния ячейки в разделе «Внутренняя температура, ток и распределение SoC».

Внутренняя температура, ток и распределение соц.

На рис. 8 показаны прогнозируемые распределения внутренней температуры, тока и SoC в ячейках с различными типами TMS.Построены снимки четырех внутренних состояний. Время получения «моментальных снимков» различается для ячеек, охлаждаемых вкладкой, и ячеек с поверхностным охлаждением. Это связано с разницей в общем времени разряда, которая связана с разницей в полезной емкости, вызванной стратегией TMS и вариациями в производительности ячеек. Моделирование было выполнено для тех же температурных и текущих условий, как показано на Рисунке 7. Результат для двух ячеек представлен на Рисунке 8, чтобы сравнить характеристики ячейки с поверхностным охлаждением (S30 — поверхностное охлаждение) с лучшими рабочими характеристиками. охлаждаемая ячейка (C70 — язычок охлаждаемый).

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 8. Внутренние состояния элемента при разряде постоянного тока 5C: (a) область моделирования, (b) распределение температуры, где черные точки являются узлами моделирования, (c) распределение тока и (d) распределение SoC.

На рисунке 8a показана область моделирования и точное положение внутренних узлов моделирования, используемых в каждом случае. Для элемента S30 поверхностное охлаждение применяется к верхней поверхности (T = 5.5 мм), а остальные поверхности термоизолированы. Температура поверхности поддерживается на уровне 20 ° C. Для C70 с охлаждением язычка температура на каждом электрическом контакте регулируется на уровне 20 ° C. Рисунки 8b – 8c) отображают разницу между параметром в каждой точке и средним значением области, где среднее значение области изменяется во времени.

На рис. 8б показано распределение температуры по толщине и длине ячейки, размеры во время разряда. Во всех случаях разряды постоянного тока прекращаются, когда напряжение на клеммах достигает 2.7 В, что приводит к различной продолжительности разряда и полезной емкости. Температуры, при которых прекращается разряд, используются для сравнения различных систем охлаждения. Для элемента с поверхностным охлаждением средняя температура повышается с 20 ° C до 32 ° C во время разряда. Для сравнения, температура элемента, охлаждаемого язычком, повышается до 40 ° C к концу разряда. При t = 440 с для ячейки с поверхностным охлаждением и t = 485 с для ячейки с охлаждением с выступом средняя разница температур составляет всего 4 ° C. Однако эта разница значительно увеличивается к концу разряда — примерно через 200 секунд — до 8 ° C.Ячейка с лепестковым охлаждением показывает более высокую полезную емкость с окончанием разряда при t = 730 с, что на 65 с больше по сравнению с ячейкой с поверхностным охлаждением.

Элемент S30 с поверхностным охлаждением создает значительный температурный градиент к концу разряда с максимальной разницей примерно 11,6 ° C между самой горячей и самой холодной частью элемента. Слои, расположенные рядом с охлаждающей поверхностью, имеют температуру около -7,5 ° C по сравнению со средней температурой ячейки, а нижний слой составляет около + 4,1 ° C по сравнению со средней температурой.Напротив, для охлаждаемой ячейки C70 tab максимальная разница температур составляет всего 2 ° C. Центр элемента на + 0,6 ° C выше среднего, а отрицательный конец элемента на -1,4 ° C ниже в конце разряда.

Импеданс ячейки сильно зависит от температуры. Следовательно, разница в температуре между различными частями ячейки может привести к неравномерному току. Этот неравномерный ток, в свою очередь, приводит к положительной обратной связи между температурой и током.Для элемента S30 с поверхностным охлаждением максимальная скорость разряда была на 2,1 ° C (34 A) ниже, чем средняя скорость 5 ° C (80 A), как показано на рисунке 8b. Это приводит к максимальной скорости разряда 7,1 ° C (114 A) для слоев, наиболее удаленных от охлаждаемой поверхности. Для охлаждаемого элемента C70 tab максимальное отклонение скорости разряда было всего на 0,52 C (8 A) ниже среднего.

Вследствие неоднородности тока SoC в конце разряда также неравномерна. Для элемента с поверхностным охлаждением «более холодная» часть элемента разряжается меньше, + 6% SoC по сравнению со средним значением, в то время как более горячая часть элемента имеет недостаток на 1.На 1% больше по сравнению со средней SoC. В случае ячейки охлаждения вкладки SoC варьируется максимум на 0,6% по ячейке.

Исследование параметров существующих ячеек

Экспериментальные результаты C70 показывают значительное улучшение по сравнению с вариантами C30 и S30 при охлаждении вкладок. Это подтверждает, что большая площадь поперечного сечения на электрических вкладках повышает эффективность стратегии охлаждения вкладок. Прогнозирование внутренних состояний показывает, что стратегия охлаждения вкладки обеспечивает гораздо более равномерное распределение температуры, что приводит к более однородному распределению тока и SoC.Однако охлаждение язычка по-прежнему ограничено его общей способностью к отводу тепла из-за площади поверхности для теплопроводности.

В этом разделе исследуются геометрические параметры, которые потенциально могут улучшить передачу тепла через выступы. Влияние ширины выступа, толщины выступа и толщины токоприемников анализируется с помощью модели. На рис. 9а показаны исследуемые параметры. Для количественной оценки воздействия конструкции в качестве ключевых показателей эффективности используются средняя, ​​максимальная и минимальная температура элемента в конце разряда 5 ° C (80 A).

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 9. Влияние геометрических параметров на производительность системы охлаждения язычка: (а) исследуемые параметры, (б) ширина выступа, (в) толщина выступа и (г) толщина токосъемника (ТК).

Изменение геометрических параметров может привести к изменению массы элемента и, возможно, к электрохимическим характеристикам элемента. Чтобы понять значение изменения параметра, плотность энергии ячейки пересчитывается в соответствии с изменением.Поскольку исследуемые геометрические изменения не связаны с материалом электрода и геометрией пакета электрода ячейки, предполагается, что на плотность энергии влияет только изменение массы ячейки, тогда как на содержание энергии в ватт-часах это изменение не влияет. .

В этом разделе в качестве базовой используется модель ячейки для варианта C70. Соответственно изменяются геометрические параметры C70, в то время как электрические и тепловые параметры остаются неизменными. Геометрические свойства базовой ячейки (C70) показаны в таблице IV.Базовая плотность энергии элемента составляет 210 Втч / кг, что получается путем измерения массы и содержания энергии в ячейке при полном глубинном разряде 0,1C (1,6 A).

Таблица IV. Базовый уровень и диапазон для каждого параметра.

Параметр	Базовый уровень	Диапазон анализа
Ширина выступа	70 мм	10–90 мм
Толщина выступа	0.2 мм	0,2–1 мм
Толщина токосъемника — анод	10 мкм	Увеличение на 10–90%
Толщина токосъемника — катод	20 мкм	Увеличение на 10–90%

Для толщины выступа и толщины CC значение параметра увеличивается до 90% от базового значения. Возможный диапазон ширины вкладки ограничен физическим размером. Каждый параметр изменяется независимо от двух других, рисунки 9b – 9d.

На рисунке 9b показано влияние ширины выступа на среднюю, максимальную и минимальную температуру элемента во время разряда. В качестве справочного материала для анализа также нанесена средняя температура ячеек S30, C30 и C70, измеренная экспериментально в системе охлаждения язычка. Эти ссылки используются в качестве подтверждения между предсказанием модели и экспериментальным измерением при изменении геометрического параметра. Поскольку используется модель ячейки C70, ожидается, что прогноз температуры ячейки будет точно соответствовать экспериментальным измерениям, когда ширина выступа составляет 70 мм.Для ячейки S30 измеренная температура на 0,5 ° C выше, чем при моделировании. Для ячейки C30 прогнозируемое значение на 2 ° C ниже экспериментального. В целом, экспериментальные средние температуры показывают хорошее количественное соответствие с предсказаниями модели.

При увеличении ширины выступа с 10 мм до 90 мм средняя температура в конце разряда снижается с 44,5 ° C до 39,5 ° C, как показано на Рисунке 9b. Увеличение массы за счет более широкого выбора язычков привело к снижению плотности энергии с 210 Втч / кг до 207 Втч / кг.При этом максимальный перепад температур по длине ячейки увеличивается с 1 ° C до 2,4 ° C.

При увеличении толщины язычка с 0,2 мм (базовая линия) до 1 мм средняя температура снижается с 40,4 ° C до 34,4 ° C. Улучшение пути теплопередачи на выступе привело к увеличению скорости теплопередачи по токосъемнику. Это привело к увеличению температурного градиента по длине ячейки, при этом максимальный перепад температур увеличился с 2 ° C до 3.7 ° С. Подобно изменению ширины, увеличение толщины приводит к снижению плотности энергии на уровне элементов с 210 Втч / кг до 197 Втч / кг, как показано на Рисунке 9c.

На рисунке 9d показано влияние толщины токосъемника на тепловые характеристики. В этом анализе толщина токосъемников увеличивается пропорционально базовым значениям: 10 мкм (анод) и 20 мкм (катод). Увеличение толщины мало влияет на среднюю температуру ячейки, которая упала всего на 0.25 ° C, что на 90% больше исходного уровня. Разница температур по длине ячейки уменьшилась с 2 ° C до 1,5 ° C с увеличением от 10% до 90%. Это ожидается, поскольку более толстые токосъемники улучшают теплопередачу в плоскости. Однако увеличение толщины токосъемника оказывает существенное влияние на плотность энергии из-за увеличения его массы. Плотность энергии снижается до 177 Втч / кг с увеличением на 90% с 203 Втч / кг с увеличением на 10%. Результат показывает, что толщина токосъемника в текущей конфигурации 70 мм и ширина выступа 0.Толщина язычка 2 мм не является термическим «узким местом».

Исследование параметров показывает, что термическим «узким местом» по-прежнему является площадь поперечного сечения выступов для этой ячейки. За счет увеличения площади поперечного сечения тепловые характеристики системы охлаждения вкладок могут быть доведены до уровня, сравнимого с системой с поверхностным охлаждением, при сохранении преимущества минимального температурного градиента. Например, при толщине выступа = 1 мм тепловые характеристики сопоставимы с ячейкой с поверхностным охлаждением, где средняя температура в конце разряда составляет 32 ° C.При той же средней температуре по сравнению с поверхностным охлаждением система охлаждения язычка вызвала гораздо меньший температурный градиент 3,7 ° C в ячейке по сравнению с 11,6 ° C в случае поверхностного охлаждения.

Это тепловое «узкое место» существует в основном из-за несоответствия между общей площадью сечения токосъемника и площадью поперечного сечения вывода. Простой расчет показывает масштаб несоответствия. Общая площадь поперечного сечения токосъемников для одного электрода определяется как:

Где CSA _cc — общая площадь поперечного сечения всех токоприемников для одного электрода, N _cc — количество слоев токосъемников, T _cc — толщина тока коллектор и Вт _язычок ширина электрического язычка.

Площадь поперечного сечения выступа определяется по:

Где CSA _выступ — это общая площадь поперечного сечения одного язычка, T _язычок — толщина электрического язычка и W _язычок — ширина электрического язычка.

Предполагается, что ширина электродного листа в точке сварки такая же, как ширина выступа. Результат расчета показан в Таблице V. Несоответствие между общей площадью поперечного сечения токоприемника очевидно, при этом CSA _tab более чем в три раза меньше, чем CSA _{cc, pos} .Следовательно, чтобы устранить «узкое место», площадь поперечного сечения у выступов должна как минимум соответствовать общей площади поперечного сечения каждого токосъемника.

Таблица V. Площадь поперечного сечения токосъемников и табл.

	Площадь поперечного сечения [мм 2 ]
CSA куб.см, негр	26,6
CSA куб.см, поз	51.8
CSA выступ	14,0

Дизайн и оптимизация путем экстраполяции модели для другого форм-фактора

Пока что мы показали, что охлаждение вкладок может иметь сравнимые тепловые характеристики с поверхностным охлаждением при сохранении минимального температурного градиента путем простой оптимизации конструкции выступов ячеек. Однако эти выводы были сделаны на ячейке с соотношением сторон (длина / ширина), близким к единице. Однако элементы пакетного типа с более высоким соотношением сторон становятся все более популярными для автомобильных аккумуляторных батарей из-за ограничений по высоте пола транспортного средства.Ячейки мешочка обычно имеют длинную прямоугольную форму с выступами на противоположной стороне. По сравнению с ячейкой с более высоким соотношением сторон, ячейки, изученные в этой работе, имеют меньшее расстояние для развития теплового градиента в направлении длины. Для дальнейшего изучения возможности использования охлаждения вкладок с высоким соотношением сторон с помощью модели создается виртуальная ячейка и ее плотность энергии. По геометрическим размерам виртуальная ячейка аналогична ячейке E63 производства LG Chem.

Геометрический размер виртуальной автомобильной ячейки показан на рисунке 10a с соотношением сторон приблизительно 2,6. Толщина ячейки такая же, как у пользовательской ячейки (S30, C30 и C70). Параметры электрохимической модели масштабируются на основе ячейки C70 в соответствии с уравнением 1 и уравнением 2. Емкость виртуальной ячейки составляет 51,3 Ач. На основе исследования параметров конструкция вкладок виртуальной ячейки оптимизирована для улучшения характеристик охлаждения вкладок. Электрический вывод виртуальной ячейки — 1.5 мм толщиной и 100 мм шириной. Более толстые язычки приводят к снижению плотности энергии на уровне ячеек на 3,9% по сравнению со стандартной толщиной выступов 0,2 мм. Дальнейшее улучшение термического сопротивления при сварке язычков было сделано, предполагая, что более толстый язычок приведет к лучшему тепловому контакту (как это будет достигнуто во время производства, не изучалось и не известно). ³⁹

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 10. Прогнозируемая табуляция и сравнение охлаждения поверхности для конструкции автомобильного элемента: (a) формат элемента и (b) распределение температуры при различных скоростях разряда, где T — язычок охлажден, а S — поверхностное охлаждение.

Представлено распределение температуры в конце разряда при стратегиях охлаждения вкладыша и охлаждения поверхности. Производительность двух стратегий TMS сравнивается в диапазоне скоростей разряда, от 1С (48 А) до 5С (240 А) с шагом 1С (48 А). На рисунке 10 показаны максимальная, минимальная и средняя температура ячейки в конце разряда для каждого метода охлаждения.

Ячейка с выступом имеет такую ​​же среднюю температуру, что и ячейка с поверхностным охлаждением, при этом ячейка с выступом только на 0,8 ° C горячее при 1 ° C и на 2,1 ° C при 5 ° C. Обе ячейки имеют одинаковую пиковую температуру во всем диапазоне скоростей разряда. Однако ячейка, охлаждаемая язычком, вызывает значительно меньший температурный градиент. Максимальный температурный градиент при 1 ° C составляет 3 ° C для элемента с охлаждением язычком и 5 ° C для элемента с поверхностным охлаждением, что на 66% выше. При температуре 5 ° C охлаждение язычка вызывает температурный градиент 10 ° C. Для сравнения, у ячейки с поверхностным охлаждением разница между ячейками составляет 17 ° C, что на 70% больше.

Это показывает, что с помощью простой модификации геометрии язычка система охлаждения язычка может достичь эффективности отвода тепла, аналогичной поверхностному охлаждению, при сохранении преимущества уменьшения тепловой неоднородности. Комбинация лучшего отвода тепла и лучшей однородности температуры должна привести к увеличению срока службы элементов по сравнению с системой с поверхностным охлаждением. Предлагаемое изменение конструкции выступа ячейки оказывает незначительное влияние на плотность гравиметрической энергии ячейки. Однако существует значительная возможность для компенсации этих плотностей энергии на уровне элементов на уровне аккумуляторной батареи.Во-первых, за счет увеличения полезной емкости, вызванного уменьшением неоднородностей внутри ячейки. Во-вторых, TMS, основанные на охлаждении вкладок, могут быть более компактными, чем охлаждающие пластины между всеми остальными ячейками не требуются. В-третьих, потенциально более длительный срок службы аккумуляторной батареи означает, что системе потребуется меньшая избыточная емкость в начале срока службы, что приведет к снижению стоимости и веса на уровне блока.

В этой работе использовались индивидуализированные литий-ионные элементы, разработанные с различной шириной и положением электрических выступов, чтобы исследовать способы оптимизации стратегии управления температурным охлаждением язычков.Ячейки были охарактеризованы для количественной оценки улучшения пути теплопередачи за счет более широкой ширины выступов.

При использовании ячеек, изготовленных по индивидуальному заказу, было показано, что увеличение площади поперечного сечения выступа может привести к значительному улучшению теплопередачи между пакетом ячеек и выступами. Эксперименты показывают, что увеличение ширины выступа с 30 мм до 70 мм может привести к снижению пиковой температуры элемента на 14% при агрессивном разряде. Тем не менее, он показал, что охлаждение вкладок по-прежнему гораздо менее способно отводить тепло, чем охлаждение поверхности для этих ячеек.

Двумерная электротермическая модель была параметризована и проверена для пользовательских ячеек, используемых в этом исследовании. Модель использовалась для исследования внутренних распределений температуры, тока и SoC. Он показал, что ячейка с наилучшими характеристиками для стратегии охлаждения вкладок все же менее способна отводить тепло по сравнению с ячейкой с поверхностным охлаждением. Тем не менее, охлаждение вкладок по-прежнему дает значительные преимущества в поддержании однородности температуры, тока и SoC. Система с поверхностным охлаждением вызывает температурный градиент по толщине ячейки, более чем в 5 раз больший по сравнению с системой охлаждения язычков.

Модель показывает, что существующее тепловое «узкое место» между пакетом электродов ячейки и электрическими выводами может быть существенно уменьшено за счет увеличения площади поперечного сечения электрических выводов. Виртуальная ячейка с высоким соотношением сторон и большой емкостью (на основе ячейки LG Chem E63) была смоделирована для изучения возможности использования стратегии охлаждения вкладок в ячейках большого формата и демонстрирует тот же результат, который должен быть возможен для ячеек такой формы и размера. .

Впервые мы показываем, что охлаждение язычков может быть таким же эффективным, как и обычное охлаждение поверхности, при этом сохраняются преимущества повышенной тепловой однородности.Однако для этого необходимо перепроектировать существующие ячейки. Мы обнаружили, что оптимизацию конструкции ячейки необходимо проводить только на электрических вкладках, изменив только ширину, толщину, положение и приварку вкладок к токосъемникам. Нет необходимости изменять конструкцию пакетов электродов ячеек каким-либо иным образом. Это потенциально позволит более широко использовать охлаждение вкладок и продлить срок службы батареи.

Мы признательны за финансовую поддержку, полученную от BIAM-Imperial Center for Materials Characterization, Processing and Modeling в Imperial College London.Работа также была поддержана проектом EPSRC TRENDS (номер гранта EP / R020973 / 1) и проектом Innovate UK BATMAN (номер гранта 104180). Эта работа частично выполнялась при финансовой поддержке Института Фарадея (номер гранта EP / S003053 / 1, FIRG003). Мы благодарим Thermal Hazard Technology за помощь в измерении теплоемкости ячеек. Мы также благодарим доктора Монику Маринеску за ее щедрые комментарии к рукописи.

Поперечное сечение 5-элементного стека тепловых батарей.

Константы акустической волны пьезоэлектрического кристалла лангатата (LGT, La3Ga5.5Ta0.5O14) впервые охарактеризованы до 900 ◦C в этой работе, нацеленной на разработку устройств на высокотемпературных акустических волнах (AW). Существует острая потребность в датчиках и системах управления частотой, которые работают при высоких температурах, превышающих 200 ◦C, и в суровых условиях, с приложениями, которые можно найти в управлении производственными процессами, автомобильной, аэрокосмической и энергетической отраслях, а также в газовой и нефтяной разведке. .Устройства на поверхностных акустических волнах (SAW) и объемных акустических волнах (BAW), в которых используются пьезоэлектрические кристаллы, такие как LGT, могут обеспечивать требуемые высокотемпературные датчики для измерения температуры, давления, деформации и содержания газов. Лангатат, член семейства кристаллов лангасита, сохраняет кристаллическую структуру до температуры плавления при 1470 ◦C и имеет более высокую пьезоэлектрическую связь, чем кварц и лангасит; однако полный набор констант LGT AW, необходимых для проектирования устройств SAW и BAW, ранее не характеризовался выше 150 ◦C.В этой работе были извлечены упругая, пьезоэлектрическая и диэлектрическая постоянные LGT до 900 ◦C, что дает полный набор постоянных AW. Упругие и пьезоэлектрические постоянные LGT были измерены с помощью резонансной ультразвуковой спектроскопии (RUS) и определены путем сопоставления предсказанных резонансных режимов с измеренными спектрами образцов LGT, нагретых в специально изготовленной высокотемпературной печи. Диэлектрическая проницаемость и константы проводимости LGT были извлечены из измерений конденсатора с параллельными пластинами.Были изготовлены устройства на ПАВ на лангатате, и было обнаружено, что измеренные свойства при температурах до 900 ◦C очень хорошо согласуются с прогнозами, тем самым подтверждая извлеченные высокотемпературные константы LGT. Недавно определенные константы LGT использовались для определения ориентации ПАВ для высокотемпературной работы путем расчета скорости ПАВ и температурного коэффициента задержки (TCD) до 900 ◦C вдоль нескольких областей в пространстве. Множественные ориентации ПАВ были идентифицированы с потенциально желательными свойствами, такими как температура оборота, TCD = 0, при повышенных температурах до 500 ◦C, а также низкая или высокая чувствительность к температуре.Были предложены и экспериментально продемонстрированы дифференциальные высокотемпературные датчики, использующие набор датчиков на ПАВ на одной и той же пластине. Кроме того, ориентации BAW были идентифицированы с температурой оборота от 100 ◦C до 550 ◦C.

Литий-ионная аккумуляторная батарея с высокой термостойкостью Серия аккумуляторов EnerCera® — сверхкомпактная керамическая батарея как оптимальный источник питания для устройств Интернета вещей

ИВАО ОХВАДА Вице-президент
Генеральный директор, Advanced Device Components Div., Группа электронного бизнеса NGK Insulators, Ltd.

Возможность сбора данных с максимально возможного количества сайтов — домов, офисов, фабрик, ферм и других объектов социальной инфраструктуры — является одним из ключей к получению ценной информации под рукой через системы Интернета вещей. «Новые подходы, которые могут способствовать совершенствованию устройств IoT и дальнейшему расширению применимых сайтов, пользуются спросом», — говорит Ивао Охвада, вице-президент NGK.

Каждое устройство Интернета вещей, как электронное устройство, требует источника питания для работы встроенных датчиков и функций беспроводной связи. Желательно, чтобы устройства Интернета вещей были небольшими и легкими, поскольку они будут прикрепляться к оборудованию или использоваться в помещениях с ограниченным пространством. Однако ситуации, когда традиционные батареи могут использоваться в качестве источника питания для этих устройств, ограничены. Например, такие устройства, как Bluetooth LE (для ближнего действия) или сети LPWA (для дальнего действия), требуют громоздких батарей для обеспечения питания, необходимого для беспроводной передачи данных.Это ограничивает место установки устройств. Кроме того, для изготовления электродов обычных литий-ионных аккумуляторных батарей используются органические материалы, что вызывает опасения по поводу срока службы продукта и характеристик термостойкости. Кроме того, для установки большого количества устройств IoT важно производить большое количество устройств эффективно и с низкими затратами. Однако производство IoT-устройств с использованием обычных аккумуляторных батарей усложняется, поскольку требует отдельной установки батареи на более позднем этапе процесса сборки.

«Полутвердотельный аккумулятор»

как решение

Отсутствие эффективного источника питания было узким местом для устройств Интернета вещей. В качестве решения этого недостатка была разработана серия аккумуляторов NGK EnerCera, которые представляют собой керамические аккумуляторные батареи чипового типа. Компания начала коммерческое производство монет типа EnerCera Coin (в форме монетной батарейки) и типа EnerCera Pouch (ультратонкие, устойчивые к изгибу).

Следуя тому же принципу, что и литий-ионные аккумуляторные батареи, батарея EnerCera основана на новой концепции, называемой «полутвердотельная батарея». С небольшим количеством раствора органического электролита, введенного в керамическую пластину NGK с ориентацией кристаллов, ионы лития и электроны плавно перемещаются внутри электрода.

[Нажмите на картинку, чтобы увеличить]

Уникальные особенности батареи EnerCera позволяют использовать сильные стороны как литий-ионной аккумуляторной батареи (то есть небольшого размера, но с большой емкостью с постоянным выходным напряжением), так и конденсатора (то есть большой выходной ток. и возможность зарядки при постоянном напряжении, что устраняет необходимость в зарядном устройстве IC).Поскольку в электродах не используются органические материалы, они обладают высокими характеристиками термостойкости. Ожидаемый срок службы батареи EnerCera — до 10 лет. Его можно установить на печатную плату пайкой оплавлением, что подходит для массового производства. Благодаря всем этим характеристикам аккумулятор EnerCera может быть оптимальным источником питания для различных устройств Интернета вещей.

[Нажмите на картинку, чтобы увеличить]

Более широкие приложения Интернета вещей с улучшенными характеристиками термостойкости

В декабре 2019 года NGK начала отгрузку образцов жаропрочного типа EnerCera Coin с максимальной рабочей температурой 85 градусов по Цельсию, которая была улучшена по сравнению с предыдущими 60 градусами по Цельсию.

Сохраняя высокую емкость, высокую мощность и небольшой размер, монеты типа EnerCera Coin с высокой термостойкостью могут сохранять более 95% своей емкости после 1000 циклов зарядки и разрядки при 85 градусах Цельсия.

[Нажмите на картинку, чтобы увеличить]

Доступны два типа жаропрочных монет EnerCera Coin: «ET1210C-H» (диаметром 12 мм и 1.0 мм) и «ET2016C-H» (диаметром 20 мм и толщиной 1,6 мм). Из них ET2016C-H имеет номинальную емкость 20 мАч (при зарядке от 2,7 В), плотность энергии 90 мВтч / куб.см и пиковый ток разряда 45 мА.

Выпуск монеты EnerCera Coin с высокой термостойкостью позволил добавить расширенные функции сбора и передачи данных устройствам, работающим в экстремальных условиях, например, в автомобилях, оборудовании для автоматизации производства и на открытом воздухе.Например, «с аккумулятором EnerCera могут стать возможными более широкие применения, такие как системы контроля давления в шинах (TPMS) с дополнительной функцией для определения состояния дорожного покрытия, или автомобильные бортовые сети без проводов» (Ohwada).

[Нажмите на картинку, чтобы увеличить]

[Нажмите на картинку, чтобы увеличить]

Реализация

необслуживаемых устройств IoT.

Чтобы установить устройства IoT на как можно большем количестве объектов, желательно иметь источник питания, не требующий обслуживания.Кроме того, также необходимо создать надежный источник энергии с повышенной экологической устойчивостью. Уникальные особенности серии батарей EnerCera, то есть большая емкость при высокой мощности, полностью совместимы с технологией сбора энергии, которая преобразует различные формы окружающей энергии, такие как свет, вибрации и разница температур, в полезную электроэнергию.

Если система электроснабжения построена с использованием батареи EnerCera в сочетании с системой сбора энергии, может быть реализовано идеальное устройство IoT, не требующее обслуживания, например устройство для непрерывной отправки данных в течение длительного периода времени.Поскольку электричество, генерируемое за счет сбора энергии, обычно достигается только на уровне мкВт, его прямое применение для беспроводной передачи данных было невозможно. Однако при использовании батареи EnerCera такая микромощность может постоянно накапливаться накопительным образом и может коллективно разряжаться порядка десятков мВт, когда данные должны быть переданы.

[Нажмите на картинку, чтобы увеличить]

NGK также взял на себя задачу дальнейшего улучшения характеристик термостойкости батареи EnerCera до 105 градусов Цельсия и 125 градусов Цельсия, чтобы удовлетворить потребность в использовании в таких местах, как те, которые находятся в непосредственной близости от двигателей автомобили.

Инженеры, рассматривающие промышленное применение IoT или AI, вероятно, ощущают ограничения ценности информации, извлекаемой из доступных данных IoT. Они вполне могут подумать, что «данные следует собирать в более экстремальных условиях». Аккумулятор EnerCera можно рассматривать как одну из ключевых технологий, используемых для получения информации там, где непрерывный сбор данных был невозможен. Предусматривая конкретные приложения, вместе со своими партнерами по сотрудничеству NGK работает над разработкой устройства Интернета вещей, использующего технологию сбора энергии с батареей EnerCera.

Г-н Овада утверждает: «Аккумулятор EnerCera — это инновационный источник питания для устройств Интернета вещей, который расширяет область применения и позволяет собирать более ценные данные из разных мест. NGK помогает разрабатывать новые приложения за счет полного использования батареи EnerCera и открывает новые возможности для бизнеса ».

Высокотермостойкий тип «EnerCera Coin» (работоспособен при 85 ° C), установленный на плате блока питания IC

Радиатор «Глобал».Алюминиевые радиаторы Global

На российском рынке радиаторы от компании ItalianGlobal Radiatori пользуются большой популярностью благодаря высокому качеству и большому ассортименту. Продукция этого производителя разработана с учетом специфики бытовых систем отопления. Наиболее востребованными являются алюминиевые профили Global Vox и биметаллические «Global-Style» (эти радиаторы сегодня очень популярны).

Типы радиаторов

Радиаторы отопления «Глобал» выпускаются трех разновидностей:

• биметаллические;
• алюминий;
• экструзия.

Все виды продукции имеют свои характеристики, технические характеристики, достоинства и недостатки, которые более подробно будут рассмотрены в статье.

Биметаллические радиаторы

Надежные, высококлассные радиаторы биметаллические «Глобал» являются эталоном качества. Они сделаны из прочных и долговечных материалов. Продукция линейки Style — лучшие радиаторы для отопления. В них часть, непосредственно контактирующая с водой, сделана из стали, а внешняя — из алюминия.

Биметаллические радиаторы «Глобал» для работы в системах с высоким рабочим давлением (до 35 атмосфер) и могут быть установлены как в системах центрального, так и автономного отопления. Самым главным достоинством этой серии является термостат, который устанавливается в конструкции. Он способствует практически мгновенному обеспечению комфортной температуры воздуха в помещении. Биметаллические радиаторы, цена которых составляет порядка 850-900 рублей за секцию, устойчивы к агрессивной среде и коррозии, а также обладают высокой теплопроводностью.Они имеют двойную окраску с термостойкими составами, что обеспечивает их устойчивость к механическим повреждениям.

Особенности биметаллических радиаторов «Style 500» и «Style Plus»

Биметаллический радиатор 500 «Global» (серия «Style») выполнен в классическом стиле. Он имеет плоский верх, высоту 57,5 ​​см, глубину 8 см, межосевое расстояние 50 см и вес 1,97 кг. Теплоотдача такой секции составляет 168 Вт. Этот нагревательный элемент может использоваться с различными типами труб (металлопластиковые, медные, полипропиленовые).Имеется радиатор «Глобал-Стиль» 500 из отдельных частей. Система секционного монтажа с помощью ниппелей позволяет увеличить или уменьшить количество секций.

Радиатор «Глобал-Стиль Плюс» имеет коллектор простой формы без карманов, в которых исключено образование воздушных пробок. Трубки между ними устанавливаются больших размеров, что дает возможность работать с загрязненными теплоносителями. Конструкция модели позволяет увеличить тепловую мощность за счет верхней воздушной камеры.ТЭНы марки «Стиль Плюс» выпускаются с параметрами межосевого расстояния 350 и 500 мм. На эти биметаллические радиаторы цена примерно 10 100-10 200 рублей за 12 секций.

Преимущества биметаллических радиаторов

Биметаллические радиаторы от производителя Global имеют ряд преимуществ.

1. Простота установки. Разделы можно удалить или добавить во время установки.
2. Отличная теплопроводность. Благодаря алюминию, который обладает хорошей теплопроводностью, радиаторы имеют высокий коэффициент теплопередачи.Температура охлаждающей жидкости может достигать 120-135 ° С.
3. Прочность. Вся продукция в производстве испытывается прессованием в атмосфере 52,5.
4. Длительный срок службы. Этот показатель обеспечивается качественными материалами, используемыми в производстве.
5. Устойчивость к механическим повреждениям. Наружная поверхность радиаторов покрыта порошковой эмалью, защищающей от царапин, потертостей.
6. Устойчив к агрессивной среде. Внутренняя часть радиаторов выполнена из высокопрочной стали, устойчивой к воздействию кислот.
7. Привлекательный дизайн. Устойчив к выцветанию, белый цвет хорошо подходит для различных интерьеров.

К описанным выше положительным качествам можно добавить то, что радиаторы адаптированы под российские системы отопления. Вся продукция компании «Глобал» сертифицирована и соответствует стандартам качества.

Недостатки ТЭНов

Помимо достоинств, биметаллический радиатор «Глобал» имеет ряд недостатков:

• высокая цена по сравнению с алюминиевыми профилями;
• низкая пропускная способность;
• по надежности уступают чугунным радиаторам.

Алюминиевые радиаторы

Большой популярностью у потребителей пользуются алюминиевые радиаторы «Global», которые обладают отличным итальянским качеством, высокой теплоотдачей и экономичностью. Их модельный ряд состоит из таких серий: Iseo R350 / R500, Vox R350 / R500, Klass R350 / R500.

Секции Iseo R 350 имеют размеры 432 x 80 x 95, а Iseo R 500 — 582 x 80 x 80. Температура теплоносителя в них до 110º C. Благодаря своей конструкции этот радиатор «Global» может быть устанавливается как в нишах под подоконником, так и на стенах.Они хорошо подходят для интерьеров жилых домов, административных и общественных зданий. Возможна установка данной модели в автономных и центральных отопительных системах.

Итальянские литые алюминиевые радиаторы серии Global Vox R350 / R350 предназначены для бытовых систем отопления. Они отличаются красивым дизайном, обладают высокой теплоотдачей, надежны и долговечны. Изготовлены под давлением методом литья и имеют усиленную конструкцию. Покраска их осуществляется методом погружения в ванну с последующим напылением эпоксидной краски.Рабочее давление 16 атмосфер, допустимая температура теплоносителя до 110 ºС, pH 6,5-8,5 ед. На российском рынке представлены модели секции Vox R 350, которые имеют размеры 440 x 80 x 95 см и тепловую мощность 145 Вт. Также есть секции Vox R 500, размеры которых — 590 x 80 x 95. см, а тепловыделение — 195 Вт. Предназначены для установки в автономных однотрубных и двухтрубных системах отопления.

Экструзионные радиаторы

Экструзионные радиаторы отопления «Global» Oskarare предназначены для вертикальной установки.Этот вид продукции отличается оригинальностью конструкции, состоящей из отдельных частей, соединенных между собой уплотнительными тефлоновыми кольцами и клеем-герметиком. Радиаторы имеют небольшой вес и эксклюзивный дизайн.

Производитель выпускает профили с разным межосевым расстоянием — 100, 1200, 1400, 1600, 1800 и 2000 мм. Этот тип радиатора требует определенных характеристик воды, которая является охлаждающей жидкостью. Водородный индекс должен быть не менее 7-8 единиц, а также необходима фильтрация воды от тяжелых элементов.Эта модель отличается высокой теплоотдачей, но уступает по прочности, что не позволяет использовать ее в тяжелых условиях эксплуатации.

Отличия биметаллических секций от алюминиевых радиаторов

Радиаторы отличаются друг от друга технологией изготовления и материалом изготовления. К тому же у них разное рабочее и максимальное давление. Этот показатель важен при установке секций в многоэтажных домах с центральным отоплением, где в системе трубопроводов повышенное давление.В алюминиевых радиаторах полностью используется один металл, а в биметаллических внутри используется качественная сталь, а снаружи — алюминий. Очень важно учитывать, что алюминиевый радиатор не подходит для установки, если система отопления состоит из медных труб или котел имеет медный теплообменник.

Особенности установки и эксплуатации алюминиевых радиаторов

Поскольку в автономном отоплении рабочее давление теплоносителя невысокое, то здесь хороши надежные и недорогие алюминиевые радиаторы «Глобал».Их установка не отличается от установки биметаллических секций, но есть некоторые рекомендации производителя, которых следует придерживаться.

1. Радиаторы, состоящие из десяти и более секций, необходимо подключать к системе по диагонали, что дает возможность повысить эффективность их работы на 10%.
2. Не рекомендуется устанавливать декоративные элементы на лицевую часть отопительного оборудования. Это помогает снизить теплопередачу радиаторов.
3. Нагревательные приборы с десятью и более секциями следует монтировать на дополнительных кронштейнах.
4. Срок службы оборудования также зависит от качества ухода за ним. Для этого до и во время отопительного сезона поверхность секций необходимо систематически очищать от пыли и грязи.
5. Не устанавливайте на радиаторах увлажнители из пористых материалов. Это может привести к протечке воды, что в конечном итоге приведет к повреждению лакокрасочного покрытия секций.
6. Если система не будет использоваться зимой, необходимо слить из нее воду. Летом желательно, чтобы секции были полностью заполнены.
7. Не рекомендуется красить поверхности алюминиевых профилей самостоятельно, это снижает их эффективность.
8. Не используйте различные химические добавки или примеси, искусственно повышающие температуру охлаждающей жидкости.

Эффективность и долговечность радиаторов «Глобал», в первую очередь, зависит от показателей системы отопления.Каждый тип секций рассчитан на определенные параметры условий работы, и их установка должна соответствовать всем требованиям производителя, указанным в техническом паспорте.

Эффекты Пельтье в моделировании литий-ионных батарей: Журнал химической физики: Том 154, № 11

I. ВВЕДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI. ВВЕДЕНИЕ << II. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ... III. МОДЕЛИВ. МЕТОДЫV. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ VI.ВЫВОДЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ОТВЕТСТВЕННОСТИ АВТОРОВ Переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии требует надежных технологий хранения энергии. Литий-ионные батареи (LIB) стали ведущей технологией хранения энергии во многих секторах благодаря превосходным свойствам, таким как высокая гравиметрическая и объемная плотность энергии, высокая эффективность и совместимость с существующей электрической инфраструктурой. ¹ 1. Р. Маром, С. Ф. Амальрадж, Н. Лейфер, Д. Джейкоб и Д. Аурбах, «Обзор современных и практичных материалов для литиевых батарей», J.Матер. Chem. 21 , 9938 (2011). https://doi.org/10.1039/c0jm04225k Новые потребности транспортного сектора (например, электрические паромы, самолеты и автомобили) в настоящее время оказывают все большее влияние на рынок LIB. Для этих приложений требуются большие аккумуляторные блоки, высокая энергия и удельная мощность, а также возможности для большой скорости зарядки и разрядки. Тогда важны вопросы безопасности, старения ячеек и потери емкости. В частности, было показано, что эти проблемы зависят от температуры. ^2–7 2.Дж. Б. Гуденаф и Ю. Ким, «Проблемы перезаряжаемых литиевых батарей», Chem. Матер. 22 , 587–603 (2010). https://doi.org/10.1021/cm2z3. Х. Лю, З. Вэй, В. Хе и Дж. Чжао, «Тепловые проблемы литий-ионных аккумуляторов и недавний прогресс в системах управления температурным режимом аккумуляторов: обзор», Energy Convers. Управлять. 150 , 304–330 (2017). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.08.0164. Э. В. Томас, Х. Л. Кейс, Д. Х. Даути, Р. Дж. Юнгст, Г. Нагасубраманиан и Э. П. Рот, «Ускоренная деградация мощности литий-ионных ячеек», J.Источники энергии 124 , 254–260 (2003). https://doi.org/10.1016/s0378-7753(03)00729-85. Дж. Фан и С. Тан, «Исследования по зарядке литий-ионных элементов при низких температурах», J. Electrochem. Soc. 153 , A1081 (2006). https://doi.org/10.1149/1.216. Ф. Рихтер, С. Кьельструп, П. Дж. С. Ви и О. С. Бурхейм, «Профили теплопроводности и внутренней температуры литий-ионных вторичных батарей», J. Power Sources 359 , 592–600 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.0457. T. Waldmann, M. Wilka, M. Kasper, M. Fleischhammer и M. Wohlfahrt-Mehrens, «Температурно-зависимые механизмы старения в литий-ионных батареях — посмертное исследование», J. Power Sources 262 , 129 –135 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.03.112 Хорошо известно ^7,8 7. Т. Вальдманн, М. Вилька, М. Каспер, М. Флейшхаммер, М. Вольфарт-Меренс , «Температурно-зависимые механизмы старения в литий-ионных батареях — посмертное исследование», J. Power Sources 262 , 129–135 (2014).https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.03.1128. Д. Х. Даути и Э. П. Рот, «Общее обсуждение безопасности литий-ионных аккумуляторов», Electrochem. Soc. Интерфейс 21 , 37 (2012). https://doi.org/10.1149/2.f03122, если хорошее управление температурой необходимо для безопасности, производительности и ожидаемого срока службы литий-ионных батарей. Потребность в более быстрой зарядке или разрядке и надежности работы больших аккумуляторных блоков требует хорошего управления температурой и, в свою очередь, очень точной тепловой модели.Когда электрический ток выводится из электрохимической ячейки, можно наблюдать несколько типов тепловых эффектов. ⁹ 9. Д. Бернарди, Э. Павликовски и Дж. Ньюман, «Общий энергетический баланс для аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 132 , 5–12 (1985). https://doi.org/10.1149/1.2113792 Необратимое тепловыделение происходит из-за электрических сопротивлений (т. е. джоулева нагрева) и из-за перенапряжения электродов (сопротивления электрохимическим реакциям). ¹⁰ 10. Л. Рао и Дж.Ньюман, «Скорость тепловыделения и общий энергетический баланс для вставных аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 144 , 2697 (1997). https://doi.org/10.1149/1.1837884 Джоулева теплота связана с путями носителя заряда (перенос ионов в электролите и перенос электронов в твердотельных материалах и металлах). Кроме того, на границах раздела электродов происходит обратимое выделение или поглощение тепла. ¹¹ 11. К. С. Фёрланд, Т. Фёрланд и С. К. Раткье, Необратимая термодинамика: теория и приложения (John Wiley & Sons, Inc., 1988). В батареях обратимые тепловые эффекты являются энтропийными, а в LIB они обусловлены реакциями интеркаляции / деинтеркаляции на границе раздела электрод-электролит. Общий обратимый тепловой эффект определяется энтропией клеточной реакции. ^10,11 10. Л. Рао и Дж. Ньюман, «Скорость тепловыделения и общий энергетический баланс для вставных аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 144 , 2697 (1997). https://doi.org/10.1149/1.183788411. К. С. Фёрланд, Т. Фёрланд, С.К. Раткье, Необратимая термодинамика: теория и приложения, (John Wiley & Sons, Inc., 1988). Локально, на каждой поверхности электрода, обратимый тепловой эффект представляет собой так называемое тепло Пельтье. ^11,12 11. К. С. Фёрланд, Т. Фёрланд и С. К. Раткье, Необратимая термодинамика: теория и приложения (John Wiley & Sons, Inc., 1988) 12. С. Кьельструп, Д. Бедо, Неравновесная термодинамика гетерогенных систем (World Scientific, 2020), Vol.20. Кроме того, эффект Дюфура добавляет обратимый термин к выражению для теплового потока или к теплоте Пельтье, например, теплопередача, умноженная на молярный поток всех движущихся компонентов ¹² 12. S. Kjelstrup and D. Бедо, Неравновесная термодинамика гетерогенных систем (World Scientific, 2020), Vol. 20. [см. Уравнения. (10) и (11)]. Таким образом, тепло, выделяемое или поглощаемое в элементарной ячейке, не будет равномерно распределяться по ячейке. Электроды и электролит имеют разное сопротивление, что приводит к разному джоулеву нагреву ячейки.Перенапряжения между двумя поверхностями электродов различаются. Обратимые эффекты Пельтье и Дюфура могут даже привести к охлаждению, в зависимости от направления электрического тока. Если эффект Пельтье приводит к нагреву в процессе разрядки, это приведет к его охлаждению во время зарядки. ¹¹ 11. К. С. Фёрланд, Т. Фёрланд и С. К. Раткье, Необратимая термодинамика: теория и приложения (John Wiley & Sons, Inc., 1988). Все вместе это приводит к развитию температурных градиентов и тепловой движущей силы, которая снова влияет на перенос массы и создает градиенты концентрации в электролите.При моделировании батареи обычно не учитываются ни тепло Пельтье, ни эффект Дюфура. Однако они обсуждались несколькими авторами. ^9,13–16 9. Д. Бернарди, Э. Павликовски и Дж. Ньюман, «Общий энергетический баланс для аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 132 , 5–12 (1985). https://doi.org/10.1149/1.211379213. М. Дойл, Т. Ф. Фуллер и Дж. Ньюман, «Моделирование гальваностатического заряда и разряда литиево-полимерной / вставляемой ячейки», J. Electrochem. Soc. 140 , 1526–1533 (1993).https://doi.org/10.1149/1.222159714. C. R. Pals и J. Newman, «Тепловое моделирование литиево-полимерной батареи: I. Разрядное поведение одиночного элемента», J. Electrochem. Soc. 142 , 3274–3281 (1995). https://doi.org/10.1149/1.204997415. К. Э. Томас и Дж. Ньюман, «Теплота смешения и энтропия в пористых вставных электродах», в статьях , представленных на 11-м Международном совещании по литиевым батареям [J. Источники энергии 119-121 , 844–849 (2003)]. https: // doi.org / 10.1016 / s0378-7753 (03) 00283-016. Дж. Ньюман, К. Э. Томас, Х. Хафези и Д. Р. Уиллер, «Моделирование литий-ионных батарей», в статье , представленной на 11-м Международном совещании по литиевым батареям [J. Источники энергии 119-121 , 838–843 (2003)]. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(03)00282-9

Целью данной работы является дать полный отчет о тепловых эффектах Пельтье в одной модели батареи и в стеках до 80 отдельных ячеек. Наша аккумуляторная модель будет проста в одном отношении; мы рассматриваем в основном однородный электролит.Однако мы также вычисляем, как батарея приближается к профилю температуры в стационарном состоянии в условиях, когда в электролите существует баланс тепловых и химических сил. Это означает, что эффекты Дюфура будут вычислены, но только для работы от батареи в стационарном состоянии. Влияние зависящей от времени диффузии компонентов электролита на развитие температурного профиля будет рассмотрено позже.

Распространенное заблуждение, встречающееся в литературе ¹⁷ 17. W. B.Гу и С. Ю. Ван, «Термо-электрохимическое моделирование аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 147 , 2910 (2000). https://doi.org/10.1149/1.1393625 заключается в том, что теплоту Пельтье электрода можно определить по температурному изменению электродвижущей силы ЭДС , используя литий в качестве противоэлектрода. Однако это изменение приводит к тому, что энтропия реакции в ячейке умножается на температуру ячейки, а не к теплоте Пельтье одиночного электрода. Это недоразумение часто делается со ссылкой на Newman, ¹⁸ 18.Дж. Ньюман, «Термоэлектрические эффекты в электрохимических системах», Ind. Eng. Chem. Res. 34 , 3208–3216 (1995). https://doi.org/10.1021/ie00037a005, несмотря на заявление Ньюмана о том, что изменение энтропии связано с суммой обратимых тепловых эффектов для всей ячейки в изотермических условиях ¹⁹ 19. К. Э. Томас и Дж. Ньюман, «Тепловое моделирование пористые вставные электроды », J. Electrochem. Soc. 150 , А176 (2003). https://doi.org/10.1149/1.1531194 [см. ур. (92) в дополнительном материале].Рао и Ньюман упомянули нагрев Пельтье на поверхности электрода в модели скорости тепловыделения в системах вставных батарей, но не включили этот эффект в свое моделирование из-за отсутствия данных. ¹⁰ 10. Л. Рао и Дж. Ньюман, «Скорость тепловыделения и общий энергетический баланс для вставных аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 144 , 2697 (1997). https://doi.org/10.1149/1.1837884 Мы находимся в аналогичной ситуации в отношении эффекта Дюфура. Насколько нам известно, нет доступных экспериментальных отчетов о теплопередаче или коэффициенте Соре электролитов батареи.В настоящее время это ограничивает наши исследования эффекта Дюфура. Интерфейс электрод-электролит важен для работы батареи, в частности, вдали от потенциала разомкнутой цепи, ЭДС . Необратимый рост межфазной границы твердого электролита (SEI) ^2,20 2. Дж. Б. Гуденаф и Ю. Ким, «Проблемы перезаряжаемых литиевых батарей», Chem. Матер. 22 , 587–603 (2010). https://doi.org/10.1021/cm2z20. П. Верма, П. Майре и П. Новак, «Обзор характеристик и анализы межфазной границы твердого электролита в литий-ионных батареях», Electrochim.Acta 55 , 6332–6341 (2010). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.05.072, что увеличивает деградацию батареи. Отсутствие стабильности, которое возникает при высоких температурах, было связано с разложением или потерей ионов лития. ^20,21 20. П. Верма, П. Майре и П. Новак, «Обзор особенностей и анализов межфазной границы твердого электролита в литий-ионных батареях», Electrochim. Acta 55 , 6332–6341 (2010). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.05.07221. С.Дж. Ан, Дж. Ли, К. Дэниел, Д. Моханти, С. Нагпур и Д.Л. Вуд III, «Понимание межфазной границы твердого электролита (SEI) литий-ионной батареи и графита и ее связи с цикличностью пласта, ”Углерод 105 , 52–76 (2016). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.04.008 Следовательно, удельное сопротивление SEI, вероятно, больше, чем у ближайшего окружения. При низких температурах и высоких скоростях зарядки литиевое покрытие становится проблемой на поверхности анода. ⁵ 5.Дж. Фан и С. Тан, «Исследования по зарядке литий-ионных элементов при низких температурах», J. Electrochem. Soc. 153 , A1081 (2006). https://doi.org/10.1149/1.21 Переносы тепла, массы и заряда в LIB сильно связаны, что означает, что один тип транспорта не может происходить без других. Теория, описывающая такое взаимодействие, — это неравновесная термодинамика. Эта теория была недавно разработана для работы с гетерогенными системами, в которых как объемные фазы, так и поверхности присутствуют и играют важную роль, ¹² 12.С. Кьельструп, Д. Бедо, Неравновесная термодинамика гетерогенных систем (World Scientific, 2020), Vol. 20. Именно так обстоит дело с LIB. Батарея состоит из катода и анода, разделенных пропитанным электролитом сепаратором (см. Рис. 1 для схематического изображения трех основных фаз). Основная часть катода и анода ЛИА обычно состоит из зерен различных интеркалирующих соединений. Они бывают нанопористыми (включая ионы лития) и микропористыми (с порами, заполненными электролитом).Электролит обычно представляет собой смесь нескольких органических карбонатов, таких как этиленкарбонат и диэтилкарбонат, и литиевой соли, чаще всего LiPF ₆ . ² 2. Дж. Б. Гуденаф и Ю. Ким, «Проблемы перезаряжаемых литиевых батарей», Chem. Матер. 22 , 587–603 (2010). https://doi.org/10.1021/cm2z Электродные реакции происходят на границе зерен активного материала с электролитом. В левой части рис. 2 схематически показаны зерна активного электродного материала.В реальном применении границы раздела электрод – электролит распределены по всему объему материала электрода, так как он состоит из отдельных частиц и пропитан электролитом. В нашей модели мы упрощаем эту ситуацию и рассматриваем три объемные фазы, анод, сепаратор и катод, разделенные острыми границами раздела слева и справа: поверхность анода и катода. Это упрощение схематично показано в правой части рис. 2. Последствия этого упрощения мы обсудим позже.Мы применим теорию неравновесной термодинамики к LIB, используя специальный способ работы с гетерогенными слоями, введенный Bedeaux и др. ²² 22. Д. Бедо, А. М. Альбано и П. Мазур, «Граничные условия и неравновесная термодинамика», Physica A 82 , 438–462 (1976). https://doi.org/10.1016/0378-4371(76)-0 Этот метод недавно был успешно использован Sauermoser et al. для описания топливных элементов с полимерным электролитом. ²³ 23.М. Зауэрмозер, С. Кьельструп и Б. Г. Поллет, «Влияние коэффициентов Пельтье и Дюфура на тепловые потоки и температурные профили в топливных элементах с полимерным электролитом», J. Electrochem. Soc. 167 , 144503 (2020). https://doi.org/10.1149/1945-7111/abc110 Затем поверхности определяются с использованием избыточных переменных Гиббса (см. ссылки 1212. С. Кьельструп и Д. Бедо, Неравновесная термодинамика гетерогенных систем, (World Scientific, 2020), Vol. 20., 2323. M. Sauermoser, S.Кьельструп, Б. Г. Поллет, «Влияние коэффициентов Пельтье и Дюфура на тепловые потоки и температурные профили в топливных элементах с полимерным электролитом», J. Electrochem. Soc. 167 , 144503 (2020). https://doi.org/10.1149/1945-7111/abc110 и 2424. А.Ф. Гуннаршауг, С. Кьельструп, Д. Бедо, Ф. Рихтер и О.С. Бурхейм, «Обратимые тепловые эффекты в литий-железо-фосфате и графите. электроды »Электрохим. Акта 337 , 135567 (2020). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135567). Таким образом, поверхности представляют собой 2D-системы и представлены тонкими вертикальными линиями на рис. 1. В качестве независимых потоков мы выбрали потоки нейтральных компонент. Производство энтропии не зависит от выбора. Плотность электрического тока, определенная во внешней цепи, используется для измерения чистого переноса заряда. ¹² 12. С. Кьельструп, Д. Бедо, Неравновесная термодинамика гетерогенных систем (World Scientific, 2020), Vol. 20. При таком построении поверхности будет: e.г., имеют свою температуру. Локальные переменные даны на единицу площади поверхности. Мы представим и решим численно одномерную модель LIB, используя принципы неравновесной термодинамики. Полный вывод, включая все промежуточные этапы, доступен в дополнительном материале. Основные уравнения извлечены ниже. Этим разделением теоретической части работы мы надеемся более четко изложить физику модели батареи.

Сначала мы представляем уравнения, необходимые для решения профиля электрического потенциала и сопутствующего профиля температуры через батарею для случаев, когда литий-ионный переносит весь заряд, а диффузия не происходит.Затем мы решаем систему уравнений и определяем временную эволюцию профиля потенциала одной батареи и профиля температуры до стационарного состояния. Мы сообщаем результаты также для батарейного стека из 4, 20 и 80 отдельных ячеек. Будут определены тепловые потоки из батареи и обнаружено локальное рассеивание энергии. Будет проведен анализ чувствительности для изучения важности интерфейсных свойств, в частности, интерфейсных сопротивлений. В изотермических условиях и однородном составе электролита уравнения сводятся к тем, которые обычно встречаются в литературе.

Мы стремимся прояснить, что условия сопряжения и поверхностные свойства модели важны для понимания тепловых характеристик батареи. Все они вносят значительный вклад в зависящий от времени профиль батареи и температуры батареи.

V. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел:

ВыбратьВверху страницыABSTRACTI. ВВЕДЕНИЕ II. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА … III. МОДЕЛИВ. МЕТОДЫV. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ << VI. ВЫВОДЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ АВТОРОВ ЛИТЕРАТУРА

A.Базовый случай

Результаты базового случая представлены на рис. 5–8. Результаты представляют несколько аспектов одновременного решения пяти систем уравнений, по одному для каждого слоя ячеек. На рис. 5–7 представлены (1) профили температуры, (2) соответствующие тепловые потоки и (3) изменение производства энтропии через ячейку. Плотность тока в базовом случае стандартно составляла 30 А · м ^-2 , но была изменена на рис. 8. При плотности тока 30 А · м ^-2 мы рассчитали рабочий потенциал ячейки равный 3.3 V.

1. Профиль температуры и теплового потока

Временная эволюция профиля температуры до стационарного состояния примерно за 0,1 с показана на рис. 5. Линии разного цвета представляют разное время. Рисунок 5 — это статическое представление мультимедийного файла, связанного с этим рисунком. На видео показано непрерывное преобразование температурного профиля. Охлаждение на поверхности анода и нагрев на поверхности катода можно хорошо наблюдать в течение первых долей секунды (синяя кривая).Мы видим тепловую волну, распространяющуюся к границам в последующие времена. Примеры показаны для 0,001–0,01 с (красная и желтая кривые) на статическом рисунке. В стационарном состоянии (0,1 с, фиолетовая кривая на рис. 5) наблюдались характерные линейные профили внутри объемных фаз. Такое поведение следует из фиксации температуры на границе равной 290 К. Прямые линии также обусловлены постоянными транспортными свойствами. По истечении этого времени сохраняется стационарный температурный профиль, температура на поверхности катода всегда самая высокая.В профиле стационарного состояния (пурпурная кривая) мы наблюдали повышение температуры на 0,0006 К. Небольшие значения могут показаться несущественными, но мы покажем для пакета, что температура может значительно увеличиться, если мы увеличим толщину ячейки и плотность тока. Кроме того, выбранное граничное условие для температуры представляет собой идеальное охлаждение ячейки, предотвращающее внутренний нагрев. Идеальное охлаждение, конечно, нереально. Назначение фиг. 5–8, следовательно, не для того, чтобы найти точные значения для отдельной ячейки, а для лучшего понимания взаимодействия различных эффектов, чтобы можно было должным образом разобраться с ними на более позднем этапе.Изучая локальные эффекты в профиле стационарного состояния, мы далее наблюдаем скачки температуры на границах раздела. Они составляют ∼3 · 10 ⁻⁵ K на обеих поверхностях электродов. Разница температур в заполненном электролитом сепараторе в стационарном состоянии составляет 0,000 35 К, что соответствует температурному градиенту 29 К / м. При SLi + * = 460 Дж К ⁻¹ моль ⁻¹ из Таблицы II и dT / dx = 29 К / м вклад в dϕ / dx над электролитом составляет -0.139 В / м. Этот температурный градиент представляет собой локальную тепловую движущую силу, взаимосвязь тепломассопереноса, а также теплопередачу и перенос заряда. Градиенты увеличиваются с увеличением плотности тока (см. Ниже). Расчетные профили температуры имеют некоторую поддержку в двух экспериментальных исследованиях Heubner et al. ^49,50 49. К. Хойбнер, М. Шнайдер, К. Лэммель, У. Лангклотц и А. Михаэлис, « In-operando Измерение температуры через интерфейсы литий-ионного аккумуляторного элемента», Electrochim .Acta 113 , 730–734 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.08.09150. К. Хойбнер, К. Лэммель, Н. Юнкер, М. Шнайдер и А. Михаэлис, «Микроскопическая термография in-operando в поперечном сечении одной батареи литий-ионных батарей», Electrochem. Commun. 48 (2014). С. 130–133. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2014.09.007 Температура в поперечном сечении одной ячейки LIB измерялась с помощью микроскопической термографии in-operando ⁵⁰ 50.К. Хойбнер, К. Лэммель, Н. Юнкер, М. Шнайдер и А. Михаэлис, «Микроскопическая термография in-operando в поперечном сечении одной батареи литий-ионных батарей», Electrochem. Commun. 48 (2014). С. 130–133. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2014.09.007 и термопары. ⁴⁹ 49. К. Хойбнер, М. Шнайдер, К. Лэммель, У. Лангклотц и А. Михаэлис, « In-operando Измерение температуры через интерфейсы литий-ионного аккумуляторного элемента», Electrochim. Acta 113 , 730–734 (2013).https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.08.091 Сообщалось об очень небольшой разнице температур катода и анода. Эксперименты проводились с граничными условиями, отличными от наших, с катодом LCO и с большей толщиной слоя. Однако они также наблюдали то, что мы видим, — снижение температуры анода и повышение температуры катода во время разряда. С помощью термопар они измерили разницу температур между анодом и соответствующим токосъемником, а также разницу температур между катодом и соответствующим токосъемником.Разница температур между анодом и катодом 0,004 К была обнаружена при разряде с плотностью тока 15 А · м ⁻² . Для сравнения, когда мы применили ту же плотность тока и толщину слоя к нашей модели, а также тепло Пельтье в стационарном состоянии, мы получили разницу температур между анодом и поверхностью катода 0,0016 K, что качественно согласуется с Heubner et al. . Следует иметь в виду, что мы рассматриваем упрощенную систему, в которой свойства двух межфазных областей были сокращены.Они были интегрированы как лишние переменные Гиббса. Реальная система представляет собой пористый электрод с заданной пористостью, контактными площадями и контактными линиями. Было принято прокладывать непрерывный путь через этот регион. ^9,16 9. Д. Бернарди, Э. Павликовски и Дж. Ньюман, «Общий энергетический баланс для аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 132 , 5–12 (1985). https://doi.org/10.1149/1.211379216. Дж. Ньюман, К. Э. Томас, Х. Хафези и Д. Р. Уиллер, «Моделирование литий-ионных батарей», в статье , представленной на 11-м Международном совещании по литиевым батареям [J.Источники энергии 119-121 , 838–843 (2003)]. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(03)00282-9 В реальной системе нет острых поверхностей раздела, а достаточно много интерфейсов в объемных материалах электрода. Когда мы переносим результаты из нашей крупнозернистой системы в более детальный масштаб, мы ожидаем много небольших локальных перепадов или повышений температуры. Наша модель менее специфична, когда речь идет о интерфейсах электродов, но может недооценивать избыточное поверхностное сопротивление. Сильной стороной модели является прямое использование второго закона термодинамики и, следовательно, возможность систематического введения допущений. ²³ 23. М. Зауэрмозер, С. Кьельструп и Б. Г. Поллет, «Влияние коэффициентов Пельтье и Дюфура на тепловые потоки и температурные профили в топливных элементах с полимерным электролитом», J. Electrochem. Soc. 167 , 144503 (2020). https://doi.org/10.1149/1945-7111/abc110 Тепловой поток (рис. 6) отрицательный в аноде и положительный в электролите и основной части катода в стационарном состоянии. Знаки означают, что тепло выходит из камеры с обеих сторон. Напомним, что положительное направление транспорта — слева направо.Положительный тепловой поток в электролите возникает из-за тепла, переносимого с зарядом, то есть коэффициента Пельтье, поскольку максимальная температура находится на катоде. Отклонения от постоянных значений связаны с различным вкладом членов типа Фурье. Большое значение переносимой энтропии лития, рассчитанное по формуле. (31) с использованием значений, приведенных в [31]. 2424. А. Ф. Гуннаршауг, С. Кьельструп, Д. Бедо, Ф. Рихтер и О. С. Бурхейм, «Обратимые тепловые эффекты на литиево-железо-фосфатных и графитовых электродах», Электрохимия.Акта 337 , 135567 (2020). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135567, 3939. А. Ф. Гуннаршауг, «Термоэлектрические свойства неводных электрохимических элементов — локальные обратимые тепловые эффекты, актуальные для литий-ионных аккумуляторов», M.S. диссертация, NTNU, 2018., 4040. J. Molenda, A. Kulka, A. Milewska, W. Zając, K. wierczek, «Структурные, транспортные и электрохимические свойства LiFePO ₄ , замещенных в подрешетках лития и железа (Al , Zr, W, Mn, Co и Ni), Материалы 6 , 1656–1687 (2013).https://doi.org/10.3390/ma6051656 и 5151. Ф. Рихтер, А. Гуннаршауг, О. С. Бурхейм, П. Дж. С. Ви и С. Кьельструп, «Изменение энтропии одного электрода для электродов LiCoO ₂ », ECS Trans. 80 , 219–238 (2017). https://doi.org/10.1149/08010.0219ecst, можно подтвердить общим наблюдением, что большие коэффициенты Зеебека обычны для органических электролитов. ⁵² 52. М. Бонетти, С. Накамаэ, М. Роджер и П. Генун, «Огромные коэффициенты Зеебека в неводных электролитах», J.Chem. Phys. 134 , 114513 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3561735 Мы наблюдали, что абсолютное значение теплового потока, покидающего батарею на анодной стороне, было больше, чем на катодной стороне. Это снова объясняется чистым теплом, переносимым зарядом, или большим значением переносимой энтропии ионов лития. Разница в тепловом потоке электролита и электрода в основном связана с теплотой Пельтье для этих условий, которые близки к обратимым.Скачок теплового потока на аноде больше, чем на катоде в стационарном состоянии [ср. Уравнения. (31) и (32)].

2. Локальное производство энтропии

Производство энтропии немедленно обнаружит основные необратимости клетки.

Локальное производство энтропии в базовом случае представлено на рис. 7. Поверхностные значения представляют собой сингулярности, проиллюстрированные точками. Такие особые значения типичны для модели, в которой поверхности электродов рассматриваются как двухмерные автономные системы.Мы заметили, что наибольшее производство энтропии происходит в заполненном электролитом сепараторе и на двух поверхностях электродов. Это ожидаемо, потому что сопротивление заполненной электролитом мембраны велико. Однако температурные градиенты также будут вносить свой вклад. Производство энтропии на поверхностях велико из-за перенапряжения и скачков температуры. Производство энтропии в объемных электродах незначительно. Это объясняется значительно большим сопротивлением электролита по сравнению с электродами.Он немного увеличивается со временем для объемных фаз, и это увеличение можно приписать увеличению градиента температуры. Последний рисунок из базового случая, рис. 8, показывает профили температуры в стационарном состоянии как функцию плотности тока. Как и ожидалось, все показанные ранее функции увеличены для большей плотности тока. Максимальный перепад температур составил 0,003 К при плотности тока 120 А · м ⁻² . Скачки температуры на поверхности анода и катода увеличились примерно до 1.2 × 10 ⁻⁴ К, а градиент температуры в заполненном электролитом сепараторе для плотности тока 120 А · м ⁻² составил 100 К / м. Это приводит к вкладу в градиент электрического потенциала dϕ / dx над электролитом в -0,5 В / м.

B. Исследование 1: Чувствительность к свойствам поверхности

Чувствительность профилей температуры к свойствам поверхности показана на рис. 9 и 10. На этих рисунках мы представили начальное поведение при 0.0001 с, а также профиль стационарного состояния для различных значений масштабных коэффициентов. Коэффициенты масштабирования были введены для измерения отклонения поверхностных свойств от объемных [см. Уравнение (39)].

Сразу заметно, что значение коэффициента масштабирования оказывает большое влияние не только на формы профиля, но и на абсолютные температуры. Коэффициенты масштабирования, наряду с эффектами поверхностного тепла, будут определять температуру поверхности и теплообмен с объемными фазами.

На рис. 9 мы представляем результирующие профили температуры, когда мы увеличиваем k _a или k _c , сохраняя другой равным единице. На вставке к рис. 9 увеличены исходные профили через 0,0001 с. Когда k _a увеличивается, а k _c = 1 (пурпурная и желтая кривая), мы наблюдали уже на малых временах, что охлаждение поверхности анода было более выраженным, чем нагрев поверхности катода. Результатом было полное охлаждение ячейки в стационарном состоянии.Эффект становился тем сильнее, чем больше была разница между масштабными коэффициентами для поверхностей анода и катода. Ситуация изменилась, когда k _c > k _c (оранжевая и синяя кривая). И снова эффект нагрева становился более выраженным, чем больше была разница между коэффициентами масштабирования. С увеличением коэффициента масштабирования влияние интерфейса возрастало. Напомним, что поверхностная теплопроводность была получена путем деления объемного свойства на произведение толщины поверхности и масштабного коэффициента [см.Уравнение (39)]. На рис. 10 масштабные коэффициенты обеих поверхностей электродов менялись параллельно от единицы до 10 ⁴ . Представлены профили стационарного состояния. Температура ячейки была понижена, самая низкая температура была у поверхности анода. Эффект увеличивался с увеличением коэффициента масштабирования. В работе (38) мы выбрали большую толщину поверхности анода, чем поверхность катода, основываясь на измерениях SEI. Когда мы оценили свойства поверхности на основе объемных свойств с использованием толщины поверхности ( δ _a > δ _c ), в то время как коэффициент масштабирования остался прежним ( k _a = k _c ) , мы получили большее удельное поверхностное сопротивление анода, чем катода.Таким образом, поведение поверхности анода доминировало на картине, когда коэффициенты масштабирования меняются параллельно. О повышении температуры ячейки сообщалось много раз, ^6,53,54 6. Ф. Рихтер, С. Кьельструп, PJS Vie, и OS Burheim, «Профили теплопроводности и внутренней температуры литий-ионных вторичных батарей», J. Power Sources 359 , 592–600 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.04553. С. Нова, М. Насименто, Л. Гранде, М. Ф. Домингес, П.Антунес, Н. Альберто, К. Лейтао, Р. Оливейра, С. Кох, Г. Т. Ким и др. , «Контроль внутренней и внешней температуры литий-ионной батареи с оптоволоконными датчиками на брэгговской решетке», Датчики 16, , 1394 (2016). https://doi.org/10.3390/s160

54. Т. М. Бандхауэр, С. Гаримелла и Т. Ф. Фуллер, «Зависимое от температуры электрохимическое тепловыделение в коммерческой литий-ионной батарее», J. Power Sources 247 , 618–628 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.08.015, поэтому k _c должно быть больше, чем k _a , как показано на рис. 9. Поскольку мы использовали большую толщину поверхности для анода, чем для катода, больше k _c чем k _a будет до некоторой степени компенсировать разницу в толщине поверхности. Мы решили смоделировать слой SEI на аноде как поверхность анода и использовали толщину анода 50 нм. Это велико для молекулярной поверхности, но мало для слоя SEI.Сообщалось о толщине слоя SEI на графите с углеродным покрытием до 150 нм. Сообщается, что для непокрытых графитовых сфер толщина слоя SEI составляет от 450 до 980 нм. ⁵⁵ 55. С. Горипарти, Э. Миле, Ф. де Ангелис, Э. Ди Фабрицио, Р. Пройетти Заккария и К. Капилья, «Обзор последних достижений в области наноструктурированных анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов», J. Источники энергии 257 , 421–443 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.11.103 Поверхность определяется как место, где происходит реакция, и поэтому считается тонкой.Эти результаты предлагают рассматривать также слой SEI как объемную фазу в будущих работах и ​​перемещать поверхность.

C. Исследование 2: Эффекты Пельтье

Этот случай был разработан для исследования влияния эффекта Пельтье на профиль температуры в однородных фазах и скачки температуры на электродах. Далее мы используем аббревиатуру RHE для обозначения обратимых тепловых эффектов. Сравним профили температуры для средней и локальной RHE [ср. Уравнение (33)] на фиг. 11 как после 0,0001, так и после 0.1 с. Начальная теплота Пельтье, оцененная по коэффициенту Зеебека в однородном растворе, была обозначена πt = 0s, в то время как теплота Пельтье в стационарном состоянии, оцененная из коэффициента Зеебека в равновесии Соре, обозначена πt = ∞s. Через 0,1 с мы выходим на стационарный профиль температуры. Результаты для πt = ∞s такие же, как для базового случая (рис. 5). Для среднего сценария RHE (синяя кривая) мы наблюдали нагрев на обеих поверхностях электродов. Нагрев теперь происходил исключительно из-за перенапряжения реакции и общего изменения энтропии батареи, которое в равной степени приписывалось обеим поверхностям.Эта конкретная модель имитирует тепловое моделирование, распространенное в литературе. ^6,56–58 6. Ф. Рихтер, С. Кьельструп, PJS Vie и OS Burheim, «Профили теплопроводности и внутренней температуры литий-ионных вторичных батарей», J. Power Sources. 359 , 592–600. (2017). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.04556. Z. An, L. Jia, L. Wei, C. Dang и Q. Peng, «Исследование электрохимических и тепловых характеристик литий-ионных аккумуляторов на основе модели электрохимико-термической связи», Appl.Therm. Англ. 137 , 792–807 (2018). https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.01457. Н. Дамай, К. Форгез, М.-П. Биша, Г. Фридрих, «Тепловое моделирование большой призматической батареи LiFePO ₄ / графит. Совместные модели теплового и тепловыделения для определения характеристик и моделирования, J. Power Sources 283 , 37–45 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.02.09158. С. Ду, М. Цзя, Й. Ченг, Й. Тан, Х. Чжан, Л. Ай, К. Чжан и Ю. Лай, «Исследование теплового поведения литий-фосфата железа (LFP), ламинированного алюминием. аккумулятор с различными конфигурациями вкладок », Int.J. Therm. Sci. 89 , 327–336 (2015). https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2014.11.018

Для локального RHE мы всегда наблюдали охлаждающий эффект на поверхности анода во время разряда. Охлаждение было сильнее при πt = ∞s (желтая кривая) по сравнению с πt = 0s (оранжевая кривая). Для усредненного RHE мы наблюдали более равномерно распределенный профиль температуры через 0,1 с и одновременное занижение температуры поверхности катода и завышение температуры поверхности анода. Теплота Пельтье при бесконечном измерении времени, πt = ∞s, также учитывает теплоту Дюфура.

Мы наблюдали большое изменение градиента температуры в заполненном электролитом сепараторе через 0,1 с. Оно составляло всего около 1 К / м для среднего RHE, 7 K / м для локального RHE с πt = 0s и достигало 29 K / m для местного RHE с πt = ∞s.

В алюминиевой электролизной ячейке наблюдалось локальное охлаждение или нагрев на несколько градусов. ⁵⁹ 59. С. Кьельструп, Э. Олсен и Дж. Цянь, «Пельтье-нагрев алюминиевых, кислородных и углерод-углекислотных электродов в электролите из фторидов натрия и алюминия, насыщенных оксидом алюминия», Электрохим.Acta 46 , 1141–1150 (2001). https://doi.org/10.1016/s0013-4686(00)00709-x На аноде наблюдалось снижение температуры при средней температуре электролита 960 ° C. Эффект был объяснен большим коэффициентом Зеебека, 3,6 мВ / К. LFP-электрод имеет для сравнения коэффициент Зеебека 4,3 мВ / К, поэтому мы можем предположить, что здесь может происходить аналогичное охлаждение. Однако при фиксированных граничных условиях температуры, используемых в данной модели, мы не ожидаем больших эффектов охлаждения.Граничные условия, время моделирования и другие транспортные свойства этому не способствуют. Целью данной работы является документирование новой физико-химической модели, сравнение ее с моделями, используемыми в настоящее время, и демонстрация их различий.

D. Исследование 3: Стекирование

Коммерческий LIB — это стек, содержащий несколько отдельных ячеек. Мы представляем температурный профиль начального и стационарного состояния двойной ячейки (рис. 12), двух двойных ячеек (рис. 13) и десяти двойных ячеек (рис. 14). Во всех расчетах мы использовали параметры базового случая.Кроме того, мы сравнили температурный профиль в стационарном состоянии десяти двойных ячеек для локальной и средней RHE (рис. 15). На рисунке 12 показан температурный профиль двойной ячейки, состоящей из двух одиночных ячеек, уложенных в повторяющемся зеркальном виде. На рис. 13 представлен температурный профиль для двух двойных ячеек — всего четыре ячейки. Наборы вертикальных прямых линий отмечают поверхности анода и катода. Горизонтальные линии в центре, наиболее ярко выраженные на профиле температуры через 100 с (пурпурная кривая) (сначала при 0.15 мм), укажите положение токоприемников. Поскольку теплопроводность материала токосъемника значительно больше, чем у электродов и электролита, температурный градиент в токосъемниках практически отсутствует. На рисунке 14 представлен температурный профиль для пакета из десяти двойных ячеек, всего 20 ячеек. На вставке к рис. 14 увеличены участки начальных профилей температуры через 0,0001 с (синяя кривая) и 0,01 с (оранжевая кривая). Он иллюстрирует эффект Пельтье в отдельных ячейках пакета: мы наблюдаем охлаждение на поверхности анода и нагревание на поверхности катода.Мы видим, что повышение температуры со временем усиливается в стопке ячеек по сравнению с одиночной ячейкой (рис. 5), причем наибольшая температура наблюдается у катода в середине ячейки. Во всех симуляциях стопки мы наблюдали колеблющийся температурный профиль в начальные моменты времени (0,0001 с), при этом самые низкие температуры приходились на аноды, как показано на рис. 13. С небольшой батареей ячеек, состоящей всего из 2–4 ячеек, мы достигли стационарного значения. профиль температуры состояния через 1 с, в то время как стопке ячеек из 20 ячеек потребовалось 20 с для достижения стационарного состояния.Следовательно, профиль температуры через 100 с (фиолетовая кривая) перекрывается с профилем через 1 с (желтая кривая) на рис. 12 и 13. Причиной быстрого приближения к стационарному состоянию являются выбранные фиксированные тепловые граничные условия и выбранные физические параметры. Поскольку мы моделируем только в течение очень коротких периодов времени, было бы справедливо пренебречь изменением состояния заряда. Как и ожидалось, температурный профиль ячейки явно зависит от толщины батареи. Хотя для одной ячейки он составляет всего около 0,0007 К, он достигает около 0.1 К для стопки из 20 ячеек. Это может показаться небольшим, но значительно увеличится, когда увеличатся плотность тока (см. Также рис. 8) и толщина пакета. Например, увеличивая плотность тока с 30 до 120 А · м ⁻² , мы увеличили максимальную температуру с 0,0007 до 0,003 K (рис. 8). Для пакета из 20 ячеек мы вычислили максимальное повышение температуры на 0,1 К при плотности тока 30 А · м ^–2 . В стопке из 40 ячеек (толщина батареи ∼7 мм) и плотности тока 60 А · м ⁻² повышение температуры составило 0.9 К. Это находится в пределах того, что сообщалось в литературе, измеряется ⁴² 42. Z. Li, J. Zhang, B. Wu, J. Huang, Z. Nie, Y. Sun, F. Ан и Н. Ву, «Исследование временных и пространственных изменений внутренней температуры в широкоформатной ламинированной батарее со встроенными термопарами», J. Power Sources 241 , 536–553 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.04.117 и смоделировано. ⁶ 6. Ф. Рихтер, С. Кьельструп, П. Дж. С. Ви, О. С. Бурхейм, «Профили теплопроводности и внутренней температуры литий-ионных вторичных батарей», J.Источники энергии 359 , 592–600 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.05.045 На рисунке 16 показано, насколько большим может стать повышение температуры внутри одной батареи, если мы рассмотрим случай толстой батареи из 80 ячеек и высокой плотности тока 120. А м ⁻² . Максимальное превышение температуры аккумулятора на 8,5 К выше температуры поверхности при наличии внешнего охлаждения. Начальные профили температуры после короткого разряда [1 с (синяя кривая) и 10 с (оранжевая кривая)] все еще довольно плоские.Большие различия можно найти только между элементами, прилегающими к поверхности батареи. Примерно через минуту разряда (оранжевая кривая) разница между ячейками начинает меняться, причем самая горячая ячейка в стопке находится в центре. Было показано, что большая разница между температурами элементов в одной батарее оказывает серьезное влияние на внутреннее сопротивление, распределение тока и деградацию LIB. ⁶⁰ 60. Г. М. Кавальейро, Т. Ирияма, Г. Дж. Нельсон, С. Хуанг и Г. Чжан, «Влияние неравномерного распределения температуры на деградацию литий-ионных аккумуляторов», J.Электрохим. Energy Convers. Хранилище 17 , 021101 (2020). https://doi.org/10.1115/1.4045205 На рисунке 15 показано, как влияет на профиль температуры дымовой трубы, когда обратимые тепловые эффекты моделируются как локальные (оранжевая и желтая кривая) или как усредненные (синяя кривая). Результаты для элементарной ячейки (рис. 11) теперь усилены. Температура в центре пакета является самой высокой, когда в модели используется средняя RHE, за которой следуют результаты с начальными нагревами Пельтье, в то время как повышение температуры на поверхности катода снижается на 20%, когда реализуются нагревы Пельтье в стационарном состоянии.Напомним, что разница между двумя последними значениями определяется эффектом Дюфура [см. (32) и (33)]. Мы видим, что эффект Дюфура может вносить важный вклад в температуру поверхности.

Многие авторы утверждают, что обратимые тепловые эффекты значительны только при низкой скорости разряда. Теория предсказывает, что обратимые тепловые эффекты пропорциональны электрическому току, в то время как необратимые эффекты нелинейны по плотности тока. В этом смысле необратимые члены всегда будут доминировать при определенной высокой плотности тока.Это не означает, что обратимые условия не имеют значения; они могут, например, помочь охладить слишком горячую поверхность электрода.

E. Комментарии к теоретическому описанию

Выше и в дополнительном материале мы видели, что полное описание в терминах неравновесной термодинамики вскоре становится довольно сложным. Однако приятно видеть, как более простые выражения, которые сейчас распространены в литературе, содержатся в сложной формулировке, как и должно быть.Мы привели полные выражения в надежде, что мы, имея доступ к большему количеству экспериментальных результатов, сможем решить набор уравнений также для условий, которыми сейчас пренебрегли из-за отсутствия данных, и найти более точные значения для свойств ячеек. Ясно, что необходимо измерить больше свойств, особенно свойств интерфейса. Одной из целей теоретических разработок было разъяснение теоретических выражений, используемых в настоящее время в исследованиях аккумуляторов. Это относится, в частности, к общему выражению для тепловыделения ^9,17,61,62 9.Д. Бернарди, Е. Павликовски и Дж. Ньюман, «Общий энергетический баланс для аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 132 , 5–12 (1985). https://doi.org/10.1149/1.211379217. W. B. Gu и C. Y. Wang, «Термо-электрохимическое моделирование аккумуляторных систем», J. Electrochem. Soc. 147 , 2910 (2000). https://doi.org/10.1149/1.139362561. У. С. Ким, Дж. Йи, К. Б. Шин, Т. Хан и С. Парк, «Моделирование теплового поведения литий-ионной батареи во время зарядки», J. Power Sources 196 , 5115–5121 (2011).https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.01.10362. К. Кумаресан, Г. Сиха, Р. Э. Уайт, «Тепловая модель литий-ионного элемента», J. Electrochem. Soc. 155 , А164 (2008 г.). https://doi.org/10.1149/1.2817888

Q = IΔtotϕ − Δtotϕj = 0 + TdΔtotϕj = 0dT + MCp¯dTdt,

(40)

где A — площадь поперечного сечения I = Aj — электрический ток, Q = qA, — общее выделенное тепло, M — масса, а Cp¯ — средняя удельная теплоемкость ячейки.ЭДС , Δ _до ϕ _{j = 0} обычно относится к среднему состоянию заряда электродов. ¹⁵ 15. К. Э. Томас и Дж. Ньюман, «Теплота смешения и энтропия в пористых вставных электродах», в статьях , представленных на 11-м Международном совещании по литиевым батареям [J. Источники энергии 119-121 , 844–849 (2003)]. https://doi.org/10.1016/s0378-7753(03)00283-0 Два первых члена в правой части содержат тепловые эффекты Джоуля и тепловые эффекты из-за перенапряжения.Второй член — это обратимый тепловой эффект всей батареи , а последний член связан с теплообменом с окружающей средой. Дополнительный материал дает аналогичное выражение для всей ячейки с такими же необратимыми и обратимыми тепловыми эффектами, , но только при условии постоянной температуры и однородного электролита . В приведенном выше выражении объединены эффекты локального нагрева и охлаждения. Другими словами, локальные эффекты усреднены, а тепловая модель стала менее точной.В частности, выражение не включает эффекты Дюфура и Пельтье в тепловых потоках. Следовательно, он обязательно даст неверные прогнозы тепловых потоков на границах [см. (77) и (92) дополнительного материала]. Что касается границ раздела, то выражение для скорости изменения температуры границы раздела во времени также отличается от выражений, приведенных в литературе. ^17,63 17. W. B. Gu и C. Y. Wang, «Термо-электрохимическое моделирование аккумуляторных систем», J. Electrochem.Soc. 147 , 2910 (2000). https://doi.org/10.1149/1.139362563. А. Латц и Дж. Зауш, «Термодинамическая согласованная теория переноса литий-ионных аккумуляторов», J. Power Sources 196 , 3296–3302 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.11.088 Мы допускаем отдельную температуру поверхности, что означает, что температура поверхности может варьироваться в зависимости от свойств поверхности, в частности, в соответствии с избыточными свойствами поверхности. Гу и Ван ¹⁷ 17. В. Б. Гу и К. Ю. Ван, «Термо-электрохимическое моделирование аккумуляторных систем», J.Электрохим. Soc. 147 , 2910 (2000). https://doi.org/10.1149/1.1393625 вместо этого предоставил уравнения для интерфейса, которые не позволяют хранить тепло и / или компоненты на поверхности. Короче говоря, они не включают термин dT ^s / dt (см. Также ссылку 1818. Дж. Ньюман, «Термоэлектрические эффекты в электрохимических системах», Ind. Eng. Chem. Res. 34 , 3208–3216 (1995). Https://doi.org/10.1021/ie00037a005). Результаты на рис. 9 и 10 показывают, что температура поверхности вместе с масштабным коэффициентом определяет температурный профиль ячейки.Латц и Зауш ⁶³ 63. А. Латц и Дж. Зауш, «Термодинамическая согласованная теория переноса литий-ионных аккумуляторов», J. Power Sources 196 , 3296–3302 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.11.088 представляет собой непрерывную, а не дискретную обработку поверхности. Они считали, что объем поверхности равен объему двойного слоя и всегда находится в режиме работы в стационарном состоянии. Напротив, результаты, представленные выше, представляют поверхность как отдельную термодинамическую систему со своей собственной температурой и другими свойствами и представляют результаты расчетов. свойства поверхности как особенности профиля (см.г., рис.7).

В этом анализе LIB с использованием неравновесной термодинамики наша цель состояла в том, чтобы предложить лучшее понимание взаимодействия различных процессов переноса или того, как они связаны. Наблюдаемые вариации температуры в отдельной ячейке могут показаться пренебрежимо малыми. Однако их нетрудно увеличить, используя более высокие плотности тока, большие масштабные коэффициенты, другие граничные условия или более сложные электролиты. Однако это не сделает теоретическую модель более убедительной.Однако, как только мы поймем рассматриваемые взаимодействия, можно будет использовать более реалистичные модели. Тогда очень интересно увидеть, что модель, обеспечивающая такие небольшие эффекты для одной ячейки, может в сочетании с более крупными модулями обеспечивать реалистичные тепловые сигнатуры.

F. Значение для дальнейших экспериментов

Цель настоящей работы — представить физико-химическую модель, которая может быть в дальнейшем развита, чтобы ответить на вопросы, связанные с проектированием, и выявить потребности в дополнительных экспериментах.В этом контексте следует рассматривать представленные здесь температурные профили. Некоторые из них не предназначены для обеспечения понимания реальной работы батареи, поскольку мы не используем время моделирования, превышающее несколько секунд. Однако результаты показывают, что эффект Пельтье преобладает над изображением, созданным одним эффектом Джоуля в начале моделирования и когда плотность электрического тока мала. Общая картина представляет собой синтез всех эффектов, и общая картина значительно изменится, если некоторые части отсутствуют.

Экспериментально различить отдельные вклады в общий тепловой эффект непросто. Тем не менее, были предприняты попытки разложить данные, полученные от электрохимических ячеек, с использованием полинома второй степени от до (см. Ссылки 5959. С. Кьельструп, Э. Олсен и Дж. Цянь, «Нагрев Пельтье алюминия, кислорода и углерода. –Электроды из диоксида углерода в электролите из фторидов натрия и алюминия, насыщенного оксидом алюминия, Электрохимия, Acta, , 46, , 1141–1150 (2001).https://doi.org/10.1016/s0013-4686(00)00709-x и 6464. П. Дж. С. Ви и С. Кьельструп, «Теплопроводность по профилям температуры в топливном элементе с полимерным электролитом», Electrochim. Acta 49 , 1069–1077 (2004). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2003.10.018). Такую функцию для температуры можно понять из используемых уравнений. Возможность измерения коэффициентов Зеебека очень важна, так как мы можем вывести обратный эффект — тепло Пельтье, которое трудно измерить.Коэффициенты Зеебека также дадут представление о другом потенциально большом эффекте, эффекте Дюфура, о котором можно судить по данным о равновесии Соре. Измерения этих свойств с использованием аккумуляторных электролитов в настоящее время отсутствуют. Мы смогли учесть эффект Дюфура только в частном случае: в стационарном состоянии (равновесие Соре). В этой ситуации смесь органических карбонатов можно рассматривать как один компонент. ⁶³ 63. А. Латц и Дж. Зауш, «Термодинамическая согласованная теория переноса литий-ионных аккумуляторов», J.Источники энергии 196 , 3296–3302 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.11.088 Изменение во времени тепла Пельтье, измеренного Гуннаршаугом ³⁹ 39. А. Ф. Гуннаршауг, «Термоэлектрические свойства неводных электрохимических ячеек — локальные обратимые тепловые эффекты актуально для литий-ионных аккумуляторов », MS Диссертация, NTNU, 2018. указывает, однако, на то, что органические карбонаты могут разделяться в тепловом поле и, следовательно, могут вносить вклад во временную эволюцию. Чтобы получить надежные данные для коэффициентов Пельтье и Дюфура, мы пришли к выводу, что измерение коэффициентов Зеебека является центральным не только для однородных электролитов, но и в стационарном состоянии.Чтобы достичь этого состояния путем диффузии, может потребоваться более одного дня. ^24,51 24. А. Ф. Гуннаршауг, С. Кьельструп, Д. Бедо, Ф. Рихтер и О. С. Бурхейм, «Обратимые тепловые эффекты на литий-железо-фосфатных и графитовых электродах», Electrochim. Акта 337 , 135567 (2020). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.13556751. Ф. Рихтер, А. Гуннаршауг, О. С. Бурхейм, П. Дж. С. Ви и С. Кьелструп, «Изменение энтропии одного электрода для электродов LiCoO ₂ », ECS Trans. 80 , 219–238 (2017).https://doi.org/10.1149/08010.0219ecst Это долгое время может объяснить, почему некоторые исследователи не обратили внимания на это изменение. ^65–67 65. Н. С. Худак и Г. Г. Аматуччи, «Сбор и хранение энергии с помощью литий-ионных термогальванических ячеек», J. Electrochem. Soc. 158 , A572 – A579 (2011). https://doi.org/10.1149/1.356882066. Q. Huang, M. Yan и Z. Jiang, «Тепловое исследование одиночных электродов в литий-ионной батарее», J. Power Sources 156 , 541–546 (2006). https: // doi.org / 10.1016 / j.jpowsour.2005.05.08367. Дж. Дж. Блэк, Дж. Б. Харпер и Л. Олдос, «Влияние температуры на термоэлектрохимический потенциал, возникающий между металлическим литием и электродами интеркаляции ионов лития в симметричных и асимметричных схемах батарей», Electrochem. Commun. 86 , 2018. С. 153–156. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2017.12.005 Среди других направлений исследований, требующих дальнейшего изучения, является влияние уровня заряда на модель. ⁶⁸ 68. В. В. Вишванатан, Д.Чой, Д. Ван, В. Сюй, С. Таун, Р. Э. Уиллифорд, Ж.-Г. Чжан, Дж. Лю и З. Ян, «Влияние изменения энтропии интеркаляции лития в катодах и анодах на терморегулирование литий-ионных аккумуляторов», J. Power Sources 195 , 3720–3729 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.103 Здесь мы рассматривали полностью заряженный элемент и время моделирования настолько малым, что оно не меняет заметно состояние заряда. В будущем это необходимо смягчить. Наиболее важно также изменить граничное условие идеального охлаждения.В частности, этап ограничения скорости передачи тепла в окружающую среду резко изменит профили внутри батареи. ⁶⁸ 68. В. В. Вишванатан, Д. Чой, Д. Ван, В. Сюй, С. Таун, Р. Э. Уиллифорд, Ж.-Г. Чжан, Дж. Лю и З. Ян, «Влияние изменения энтропии интеркаляции лития в катодах и анодах на терморегулирование литий-ионных аккумуляторов», J. Power Sources 195 , 3720–3729 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.103

Введение в проектирование и сборку аккумуляторных батарей, Часть 2

Если вы новичок в производстве аккумуляторных батарей, но вы также довольно способный производитель, в этой статье будут определены некоторые из распространенных материалов и популярных методов, чтобы вы могли решить, что лучше всего подходит для вас.

---

Что такое 18650 ячеек

В первой части этой серии я привел лучший аргумент, который мог, чтобы объяснить, почему ячейки 18650 являются наиболее популярными для создания аккумуляторной батареи для электровелосипедов (для части 1, нажмите здесь), и мы также писали о том, что находится внутри 18650 ячеек (чтобы просмотреть эту статью, нажмите здесь). Если вы еще не видели эти статьи, я настоятельно рекомендую вам быстро взглянуть на них, прежде чем переходить к этой статье.

Два электрода стандартной ячейки 18650.Дно и боковые стороны корпуса являются отрицательным электродом, а также обеспечивают сжатие рулона желе и некоторую скромную физическую защиту от небольших ударов.

На картинке выше вы можете видеть, что положительный конец ячейки 18650 представляет собой металлический диск с приподнятым центральным ниппелем. Черный изолятор из высокотемпературной резины чуть ниже — это часть, которая отделяет положительный от отрицательного.

Автомобильные аккумуляторы имеют большое расстояние между положительным и отрицательным электродами свинцово-кислотной стартерной батареи (в пластиковом корпусе), но… в 18650 вся нижняя часть и боковые стороны являются частями, заряженными отрицательным зарядом.У него могут быть тонкие «термоусадочные» рукава из ПВХ по бокам, но… это, безусловно, самый важный факт, который следует помнить при разработке упаковки из этого типа ячеек.

Слева строитель добавляет изоляционную шайбу волокна (самоклеящуюся) к положительному концу, который является темно-зеленой частью, а справа также добавляется пластиковый колпачок. Я бы сделал и то, и другое.

На картинке слева вверху ячейка 18650 имеет по бокам светло-зеленую термоусадочную гильзу из ПВХ. А под плюсовым концом — белая пластиковая шайба в качестве дополнительной изоляции.Вы можете подумать, что этого достаточно слоев защитной изоляции между положительным и отрицательным полюсами, чтобы предотвратить «короткое плечо», которое может быть вызвано нагревом и вибрацией при износе ПВХ-рукава. Я бы никогда не подумал о том, чтобы собрать самодельный пакет, не добавив сначала дешевые фибровые шайбы в качестве дополнительной изоляции.

Плечо короткое. К счастью, это была просто гигантская искра с расплавленной пластиковой гильзой, и она не переросла в пожар. Изображение любезно предоставлено Offroader.

На картинке выше ячейки были «склеены горячим способом» в плотную сотовую структуру.Я не фанат горячего склеивания. Тепло от слишком горячего элемента может частично расплавить ПВХ-рукав, а если это произойдет? горячий клей больше не удерживает ячейку на своем месте. Когда это произойдет, вес элемента во время удара по выбоине, а также во время дорожной вибрации будет передаваться через электрические соединения.

Электрические соединения, сваренные точечной сваркой или пайкой, плавленые или соединенные проволокой, ни в коем случае не должны выдерживать какой-либо вес или напряжение.

Ячейка 18650, которая стала настолько горячей, что расплавила пластиковую гильзу из ПВХ, закрывающую стороны.

---

Форма шины

Я показал последовательные и параллельные соединения, в которых использовалась обычная никелевая лента, а также однослойные пластины, которые выполняли обе функции. Если вы посмотрите на обычные заводские комплекты, они часто используют автобусы, которые я назову «лестничным стилем».

Скорее всего, это будет единственный слой чистого никеля, вырезанный лазером (вместо никелированной стали или никелированной меди).Такой вариант «приемлем» для средних усилителей. Если мы используем пакет, который построен таким образом, для пиков 25 А (что было бы в среднем для пригородного электровелосипеда), то каждая ячейка будет обеспечивать пики 5 А во время ускорения.

Если это элементы емкостью 3400 мАч (рассчитанные на пиковое значение 10 А), то емкость блока будет (5P X 3,4-Ач =) 17-Ач диапазона. Я выбрал эту картинку в качестве примера, потому что она очень «средняя» и обычная.

Последовательный ток в батарее 5P, которая выдает 25A. Вкладка в нижнем левом углу — это соединение BMS для первого и второго ряда параллельных ячеек.Ниже в этой статье я расскажу о добавлении меди поверх последовательных соединений. Пять коротких полосок с надписью «5A» (с красными стрелками) — это то место, где будет проходить медь.

Обратите внимание, что длинная параллельная трасса через 5 ячеек имеет такую ​​же ширину и толщину, как и пять коротких 5-амперных серий. Нет ничего «неправильного» в том, что параллельные соединения больше, чем необходимо, но имейте в виду, что все, что делает параллельная шина, — это выравнивание каждой группы из 5 ячеек, чтобы они действовали как одна большая ячейка (в данном случае большая одиночная ячейка 17 Ач который выдает номинал 3.7В).

По мере того, как каждая ячейка заряжается и разряжается, параллельный ток на этом участке шины будет очень небольшим и, конечно, менее 1 А при любых условиях. Я указываю на это, чтобы помочь строителям принять решение обо всех возможностях жизнеспособных вариантов.

Для параллельного тока идеальным материалом является никель. Он легко сваривает точечную сварку, а его значительное сопротивление предотвращает слишком быстрое перемещение тока между ячейками. При рассмотрении того, какую ленту использовать для соединений серии блока с более высоким усилителем, большинство производителей увеличивают массу ленты шины, используя что-то более толстое, например 0.20 мм вместо 0,15 мм (или даже при использовании двух слоев никелевой ленты толщиной 0,15 мм)

Однако для параллельных соединений нет ничего плохого в использовании более тонкой ленты. Фактически, обычная ширина ленты, показанной выше, составляет примерно 8 мм (чтобы поместиться в направляющие обычных черных пластиковых держателей ячеек), и вы можете разрезать ее до ширины 4 мм для параллельных соединений, не вызывая проблем с производительностью. .

Рассматривая более высокие усилители, некоторые строители приваривают второй слой никелевой ленты к слоям соединения первой серии.Однако я не сторонник такого подхода. Независимо от того, какой толщины вы нанесете никель на последовательные соединения, этот материал все равно будет иметь плохую проводимость. Любое тепло в автобусах — это «отработанное тепло» (оно не выполняет никакой работы), а изготовление серийных автобусов из более толстого никеля только рассеивает тепло, чтобы предотвратить возгорание. Толстые никелевые шины в блоке с высоким усилителем будут иметь большое падение напряжения на соединениях, что ухудшает производительность.

Угадайте, из какого материала изготовлена ​​спиральная проволока, образующая нагревательный элемент в фене или электрической сушилке для белья?… Это нихромовая проволока, которая на 80% состоит из никеля.Это связано с тем, что высокое удельное сопротивление никеля преобразует ватты, протекающие через него, в тепло (плюс он имеет низкую степень окисления). Нагревание от тока делает никель очень легким для быстрой точечной сварки. Он также желателен из-за его устойчивости к коррозии, но … его высокое удельное сопротивление / низкая проводимость делают его едва ли пригодным в качестве проводника.

Рисунок ниже состоит из ячеек 18650 с красными рукавами в конфигурации 10S / 4P… На этом этапе производитель выполнил точечную сварку последовательных соединений, но параллельных соединений еще нет.Это может показаться странным, но этот пакет будет нормально работать «вот так» без параллельных подключений. Скорее всего, потребуется несколько циклов зарядки / разрядки, прежде чем напряжения отдельных элементов начнут серьезно выходить из равновесия (без параллельных подключений).

Упаковка 10S / 4P. Единственные соединения, которые на этом этапе привариваются точечной сваркой, предназначены для последовательного тока.

Второе, что я хочу, чтобы вы обратили внимание на красный пакет выше, — это то, что сборщик первым выполнил последовательные соединения. Большинство строителей считают, что сначала проще выполнить параллельное соединение, и, вероятно, так оно и есть.Однако это означает, что более высокий последовательный ток от каждой ячейки должен проходить через параллельную полосу, чтобы достичь последовательной полосы. Это не так уж плохо для слаботочного блока (низкая производительность), но помните … для высоких ампер любые добавленные слои определенно вызовут большее сопротивление, горячие точки и падение напряжения.

Я также хочу отметить, что этот строитель использовал дополнительные изоляционные шайбы волокна на положительных концах (темно-серые), и он также не делал точечную сварку в центре отрицательных концов (см. Ниже).

В упаковке 20S / 7P. Коллекторы на положительном / отрицательном конце — это семь желтых проводов на каждом конце. Эти 14 проводов будут объединены в большой набор красно-черных кабелей. Изображение любезно предоставлено Bigbore из Италии.

На рисунке выше показана упаковка 20S / 7P. Обратите внимание, что параллельные полоски находятся НА ВЕРХУ последовательных полос, поэтому они не будут мешать последовательным полосам пропускать максимально возможные токи с минимальным количеством отходящего тепла. Также обратите внимание, что параллельные полосы уже, просто потому, что более широкие полосы не нужны.

Последнее, на что следует обратить внимание, это то, что… для каждых двух «последовательно соединенных» 5-элементных P-групп должна быть только одна параллельная полоса на каждом конце. Если вы просмотрите часть 1, вы увидите это в разделе о том, как подключить BMS. Если заводские шины-пластины (несколькими абзацами выше) имеют форму лестницы (с двумя длинными параллельными участками с каждой стороны параллельных групп ячеек), последняя тенденция заключается в использовании никелевой ленты для формирования шин с «гребешком». форма. Приставить к автобусу лестницу с двумя параллельными полосами на каждом конце не повредит, но … это также не поможет.

Если вы решите, что это именно тот метод, который вы хотите использовать, я рекомендую вам избегать дополнительных соединений вокруг положительного «соска» (который является опасной зоной для плечевых шорт), поэтому я бы прикрепил никелевые ленты параллельного тока поперек отрицательные концы, как показано выше…

---

Коллекторы положительной и отрицательной шины

На рисунке ниже показан пакет 8S / 5P (номинальное напряжение 28 В), и, поскольку это четное количество групп ячеек, положительный и отрицательный концы находятся на одной стороне упаковки (более узкие полоски слева и на право).Внизу этого рюкзака будут четыре большие пластины «2S / 5P». В этом пакете используются пластины вместо полос для параллельного и последовательного соединения.

Пакет 8S / 5P, фото любезно предоставлено Rojitor из Испании

На рисунке выше тонкая полоска слева — это позитив для всей упаковки, а тонкая полоска справа — негатив для всей упаковки.

На рисунке ниже показан толстый медный провод, припаянный ко всему положительному концу ленты аккумуляторной шины, а затем этот ряд никелевой ленты был загнут.

Блок 5P с большим медным проводом, припаянным к концевому коллектору на положительном конце блока. Изображение любезно предоставлено компанией flangefrog из Новой Зеландии.

Если две параллельные полоски на каждом конце не имеют дополнительного соединительного слоя, некоторые из ячеек будут дальше от точки соединения положительного / отрицательного конца кабеля (подключение толстого красного провода только в одной точке на 5P группа) по сравнению с другими клетками в этой P-группе. Чтобы предотвратить ненужное сопротивление и падение напряжения, производитель вышеуказанного блока припаял толстый медный провод поверх всей P-полосы для концевого коллектора.

Один из двух медных концевых коллекторов (этот для положительного конца блока батарей 12P)

Поскольку параллельные группы, показанные выше, состоят из 12 ячеек, потребляемая мощность от каждой ячейки будет низкой. В этом случае никель не является ужасным материалом для использования, но … Я бы использовал дремель с абразивным диском, чтобы вырезать пазы для точечной сварки (см. Ниже), а после сборки я бы использовал тепловизионную камеру для определения горячих пятна. В любом месте автобуса, которое было перегретым, я бы добавил медный провод поверх этого места в качестве перемычки, чтобы уменьшить сопротивление в этом узком месте.

Медь дешевая, поэтому в качестве коллектора этот строитель использовал толстый медный стержень. Может показаться, что центральный болт является проводником, но он используется только для закрепления толстого медного кольцевого соединителя непосредственно на медной коллекторной шине (медь касается меди, а стальной болт только зажимает их).

На картинке выше обратите внимание, что упаковка находится на пластиковом непроводящем коврике (зеленого цвета). Они дешевы, и если вы сделаете аккумулятор, это ДОЛЖНО быть вашей первой покупкой. Ваша скамья может быть не металлической, но никогда не рискуйте, собирая дорогие аккумуляторные батареи с высоким током.Каждая часть и действие должны быть тщательно выбраны, и должны быть соблюдены соответствующие процедуры… и это то, что делают профессионалы. Сделай это.

---

Какие материалы использовать?

Удельное сопротивление плохое, оно противоположно проводимости. Сопротивление измеряется в миллиомах на метр длины. Медь — 16,8 (низкое число сопротивления — хорошо), алюминий — 28,0, никель — 69,9

Если у вас есть место для большой аккумуляторной батареи, вам может не понадобиться использовать элемент с высоким током, такой как 30Q, HG2, VTC6 или 25R.В этом случае вы можете использовать одну из популярных ячеек «большой емкости», например GA, 35E и MJ1, которая обеспечит больший диапазон на единицу объема.

Эти три имеют емкость примерно 3400 мАч каждый и часто используются с током 8А. Если это звучит как пакет, который соответствует вашим потребностям, вы можете также использовать обычную никелевую ленту толщиной 0,20 мм в качестве последовательного соединения. Этот тип ленты распространен и доступен по цене, и она легко сваривается с обычными моделями сварочных аппаратов (см. Ниже).

Тем не менее, для ячеек с высоким током (15A-30A каждый) шины Makita являются хорошим примером, а в их аккумуляторных батареях для инструментов в качестве шинных пластин используется никелированная медь. Никелевая пластина позволяет обычным сварщикам для точечной сварки выполнять соединения, но медный сердечник обеспечивает низкое сопротивление и высокую проводимость, поэтому высокий ток, создаваемый инструментом, не вызывает нагрева шины.

Если какое-либо из электрических соединений нагревается при нормальном использовании, они преобразуют ватт батареи в отработанное тепло (плюс горячая точка указывает на узкое место для тока).Кроме того, горячие разъемы имеют более высокое сопротивление, чем те же самые разъемы, когда они холодные, поэтому чем они горячее, тем хуже становится эффективность. Если электрическое соединение нагревается при нормальном использовании, это вызовет падение напряжения. Вы должны либо сделать разъем больше, либо использовать более проводящий материал (материал с меньшим электрическим сопротивлением)… или и то, и другое.

Электропроводность перечисленных ниже материалов сравнивается с медью, и это называется IACS в соответствии с Международным стандартом отожженной меди.По этой шкале медь составляет 100 из 100, алюминий (6061) — 43/100, а никель — 23/100. Ниже приведен список проводимости IACS для каждого материала, который может нас заинтересовать, начиная с наиболее проводящего в верхней части и худшего в нижней части.

106 Серебро (Ag) Это лучший проводник, не из экзотического материала, но дорогой. Подлинные разъемы Anderson Power Pole имеют контакты из посеребренной меди. Серебро подвержено «некоторому» окислению, но это неплохо.Любое окисление (потускнение) легко удаляется. Andersons полагается на «протирающее» действие вставляемого разъема для очистки контактов, и, очевидно, это нормально для большинства приложений.

100/100 Медь (Cu). Отличный проводник и доступный по цене. К сожалению, он также легко окисляется (коррозия), и это особенно плохо вблизи океана из-за наличия соли в воздухе. Образующиеся оксиды меди представляют собой «зеленый рак».

Вот полоска меди и полоса алюминия, и обе они уже некоторое время находятся на улице в непогоду.Левые стороны все еще окислены, а правые отшлифованы до блестящей чистой поверхности.

93 Теллур Медь -C14500. Чистая медь мягкая, и ее трудно обрабатывать (я лично разбивал много сверл по чистой меди). Этот сплав по-прежнему имеет 93% проводимости чистой меди, но его намного легче сверлить, фрезеровать или резать на токарном станке. Подходит для изготовления толстых держателей электродов, используемых для точечной сварки. Щелкните здесь, чтобы увидеть один из вариантов поставщика, который я успешно использовал.

76 Золото (Au). Золото — всего лишь «неплохой» проводник, но ОЧЕНЬ устойчиво к окислению и коррозии. Вот почему многие типы разъемов имеют очень тонкое покрытие из золота (например, разъемы от Hobby King).

65 Чистый алюминий (Al), 1/3 массы по объему по сравнению с медью. Более высокое электрическое сопротивление, чем у меди, поэтому проводники должны иметь большую площадь поперечного сечения по сравнению с медью. Трудно паять или точечную сварку.Розничные продавцы металла не часто продают чистый алюминий , поэтому не использует число проводимости 65/100 для всех практических целей. На воздухе алюминий легко образует тонкий оксидный слой. Однако каким бы тонким ни был этот тип оксида, он очень устойчив к току.

Tesla использует алюминиевые шинные пластины и плавкий предохранитель, но поверхности специально подготовлены, а затем немедленно скреплены. Любой образовавшийся оксидный слой будет на коже только ПОСЛЕ того, как будет выполнено соединение проволокой (см. Ниже)

61 Алюминий-8176 (серия 8000 содержит Fe + Si).IACS-61 — это меньшее число, чем 65 (для чистого алюминия), но… вы действительно можете купить сплав 8176. Применяется для алюминиевого электрического провода.

43 Алюминий 6061 -T6. В серию 6000 добавлен Mg + Si. Этот сплав легко сваривается, режется и сверлится. Его легко найти в виде пластины, стержня, стержня и т. Д. Если вы зайдете в магазин, в котором есть какие-либо виды алюминия, у них будет 6061. Если вы используете алюминий в качестве проводника (например, два коллектора упаковки), вам следует использовать 6061, затем удвойте толщину, а затем добавьте еще 10% толщины (по сравнению с медным коллектором минимального размера).Щелкните здесь, чтобы увидеть один из вариантов поставщика, который я успешно использовал.

31 Вольфрам (Вт). Этот металл имеет ОЧЕНЬ высокую температуру плавления, поэтому при использовании его в качестве насадки для точечной сварки он не размягчается и не прилипает к заготовке. Однако его низкая проводимость также означает, что при использовании высокого тока для точечной сварки он будет очень горячим. Также можно найти стержни, которые наполовину вольфрамовые, наполовину медные, поэтому они стоят дешевле и не так сильно нагреваются. Одна из стратегий состоит в том, чтобы сделать толстый электрод из теллуровой меди (см. Выше) и использовать вольфрам только на самом кончике, контактирующем с изделием.

33 Алюминий 7075 -T6. Этот сплав очень распространен, но я не рекомендую его (в качестве токопроводящего материала для коллектора шины), за исключением того, что вы можете использовать его как часть каркаса корпуса вокруг батареи. Он такой же твердый и прочный, как низкоуглеродистая сталь, но легче и дороже. В сплавы серии 7000 добавлено немного цинка.

28 Латунь — желтая (медь с 25% цинка). Это распространенный и доступный вид латуни.Желтая латунь занимает в этом списке интересную золотую середину. Он более проводящий, чем никель, но это также означает, что его немного сложнее точечной сваркой, хотя это, безусловно, выполнимо. Легко спаивается. Он не так устойчив к коррозии, как никель, но он НАМНОГО более устойчив к коррозии, чем медь. Латунь должна обеспечивать надежный и доступный контакт под давлением (без пайки / сварки см. Ниже).

27 Цинк (Zn). Есть довольно много толстых электрических соединителей, которые сделаны из меди, но в качестве защиты от коррозии они часто покрывают соединитель цинком в качестве тонкого покрытия.Цинк очень доступен и доступен в большом количестве.

Даже если любой незащищенный цинк через некоторое время приобретет тускло-серый цвет, его стойкость к окислению очень хорошая (плюс относительное электрическое сопротивление оксида цинка не так уж и плохо). Число проводимости 27/100 определенно «плохое», но пока покрытие тонкое, оно не должно добавлять большого сопротивления.

23 Никель (Ni). Я был шокирован, когда впервые увидел, насколько низка проводимость никеля, поскольку я уже знал, как часто он используется в качестве проводника в аккумуляторных батареях ebike.Однако, если вы используете никель «только» в качестве тонкого материала покрытия, его сопротивление будет сведено к минимуму. Пластины шин с высоким током в аккумуляторных инструментах Makita представляют собой медный сердечник с никелированным покрытием, облегчающим точечную сварку.

Если бы был новый продукт, который я мог бы сделать доступным, это были бы никелированные медные шины в гребенчатом стиле (см. Выше), изготовленные в виде длинных рулонов, которые можно было разрезать до нужной длины. Медь дешевле никеля, но процесс покрытия электробуса данной толщины сделает «Ni-plated-Cu» более дорогим, чем шины из чистого никеля (по крайней мере, на данный момент при текущих ценах на никель), но это то, что -ампер 18650 ячеек нужен.

Желательно, чтобы чистый никель (как материал для шин) обладал очень высокой коррозионной стойкостью, а также очень легко сваривался точечной сваркой. За последнее десятилетие большинство аккумуляторных батарей для электровелосипедов из Китая были сварены точечной сваркой с помощью высокоскоростных сборочных роботов, что нормально для ячеек с низким током.

15 Олово (Sn). Мой любимый электрический припой — это 63% олова (и 37% свинца, Sn / Pb). Он паяется проще, чем любая другая версия, которую я нашел. Однако меня шокировало, насколько он плохой дирижер (а ведущий партнер еще хуже).Однако часто недооцениваемой характеристикой припоя является то, как он пневматически закрывает соединения медной проволоки от воздуха и окисления. Покрытие чего-либо тонким слоем припоя называется лужением.

13 Припой-SAC305 (96% олова, 3% серебра, 0,5% меди… SAC = SnAgCu). С момента принятия закона RoHS (Снижение содержания вредных веществ) возникла потребность в создании работоспособного «бессвинцового» припоя. Это 96% олова, и паять им ужасно, к тому же он требует гораздо более высокого нагрева.SAC305 — самый распространенный в промышленности бессвинцовый припой. Промышленный предохранитель имеет состав, очень похожий на SAC305.

12 Припой-63/37 (Sn / Pb). Это лучший припой для любого электрического соединения, но он должен быть как можно более тонким между двумя соединенными элементами, чтобы минимизировать его сопротивление, потому что на самом деле это плохой проводник (12/100… ЧТО ?!). Припой под названием 60/40 практически идентичен.

11 S teel (не смейтесь).Положительный и отрицательный электроды ячеек 18650 изготовлены из никелированной СТАЛИ. Правильно, в последовательном токе есть стальной проводник. Но… я подозреваю, что большая часть напряжения проходит по пути наименьшего сопротивления и фактически проходит через никелирование.

7 Свинец (Pb). Свинец в изобилии и дешев. Это сплав с оловянным припоем 63/37, а также соединительные штыри в большинстве автомобильных стартерных аккумуляторных батарей. Однако это еще один ужасный проводник с проводимостью 7/100 по шкале IACS.Если для запуска вашего автомобиля требуется более одной секунды (обычно 200 А), ведущие стойки станут ОЧЕНЬ горячими.

3 Нержавеющая сталь . Сталь на 99% состоит из железа с 1/3 процента углерода, нержавеющая сталь добавляет немного хрома для защиты от коррозии. Я видел плавкие предохранители из нержавеющей стали, потому что они не ржавеют со временем и легко привариваются. Однако это скорее резистор, чем проводник. Тем не менее, нержавеющую проволоку можно использовать в качестве параллельной ленты.

---

Пайка

Я сделаю несколько общих заявлений, которые могут быть спорными.Во-первых, я утверждаю, что припаять соединение к положительному ниппелю ячейки 18650 не так уж и плохо. Что касается повреждения ячейки, если вы используете правильные инструменты и методы, никакие тепловые повреждения не могут проникнуть в ячейку достаточно далеко, чтобы повредить рулет с желе. См. Нашу статью о внутренней конструкции ячейки 18650, нажав здесь.

При этом, с неправильными инструментами и неправильной техникой , вы можете повредить внутренний «рулон желе», припаяв его к положительному концу.

«Правильные инструменты» — это паяльник, который вырабатывает более 100 Вт тепла и имеет толстое долото для обеспечения тепловой массы. Под этим я подразумеваю … маленький наконечник (независимо от того, насколько он горячий) начнет быстро остывать, как только он коснется ячейки. Ключевым фактором является то, что должно быть выполнено хорошее паяное соединение FAST . Если вы используете паяльник малой мощности и держите его в течение длительного времени, он дает теплу некоторое время, чтобы проникнуть глубоко в ячейку. Припой требуется 188 C (370 F), чтобы расплавиться, но … электролиту, который находится внутри края рулона желе, нужно только добраться до 60 C (140 F), чтобы повредить его,

Вам НЕОБХОДИМО использовать хороший флюс на поверхности, которая была должным образом очищена за несколько мгновений до попытки припаять положительный наконечник ячейки.

Четыре паяльника у меня есть. Слева направо — небольшой 40-ваттный прибор, затем 75-ваттный Weller, мой любимый 100-ваттный (с толстым наконечником), и последний — паяльник для сантехников мощностью 200 Вт, который я нашел в антикварном магазине за 5 долларов. У него очень толстый медный наконечник, которому я могу придать любую форму, которая мне может понадобиться.

На картинке выше паяльник слева представляет собой обычный 40-ваттный паяльник с крошечным «наконечником карандаша» для попадания в узкие места на печатной плате, но я редко использую его для чего-либо. Следующим за ним идет трансформерная пистолетная рукоятка мощностью 75 Вт от Weller.Мощность могла быть в порядке для разъемов ebike (подключение разъемов XT90 к проводу 12-ga), но наконечник оказался слишком маленьким (как только он чего-либо касается, он слишком быстро остывает).

Третий — это мой паяльник для работы на электровелосипеде. Это дешевое устройство мощностью 100 Вт, предназначенное для сборки витражей из хобби. Стальной наконечник имеет довольно толстую форму долота. Гигантский паяльник справа — это устройство мощностью 200 Вт, созданное для того, чтобы сантехник паял медную трубу.Я ни для чего не использовал его, но он был дешевым в антикварном магазине, и он здесь, если мне когда-нибудь понадобится.

Это подводит нас к отрицательному концу ячейки 18650. Внутри отрицательного конца нет ничего, что могло бы защитить рулет с желе от повреждения теплом (слейте старую ячейку до нуля и разрежьте ее для себя, не верьте никому, даже мне). Я просто не могу рекомендовать никому паять что-либо на отрицательный конец . Если вы знаете кого-то, кто это сделал, и его дом не сгорел, хорошо для вас.Я ЕЩЕ НЕ рекомендую.

Припой — плохой проводник и имеет высокое сопротивление. Однако, если вы ДОЛЖНЫ паять, широкое сечение плоского провода, показанного справа, имеет гораздо меньшее сопротивление, чем припой слева, из-за того, что припой тонкий. Сплюснутый медный провод справа тоже будет паяться намного быстрее. ИСПОЛЬЗУЙТЕ FLUX при пайке!

На приведенном выше рисунке я показываю разницу между круглым поперечным сечением медной проволоки, припаянной к наконечнику ячейки 18650 (никелированная сталь), или, возможно, никелевой шиной-лентой… а затем тем же соединением, если вы сплющиваете кончик медной проволоки.

Плоское прямоугольное поперечное сечение данного провода (показано на рисунке выше) будет пропускать те же силы тока, что и круглое поперечное сечение провода, если два поперечных сечения обоих имеют одинаковую площадь. Вот почему инженеры-электрики используют площадь поперечного сечения в миллиметрах-квадратах (мм2) для расчета правильного размера проводника.

Например, обычные пластиковые держатели ячеек имеют прорезь шириной 8 мм, поэтому обычная никелевая лента-шина имеет ширину 8 мм. Затем различные никелевые ленты различаются по толщине.Обычно толщина составляет 0,15 мм и 0,20 мм. Это означает, что площадь поперечного сечения этих лент составляет 0,15 мм X 8 мм = 1,2 мм -в квадрате, а 0,20 — 0,20 мм X 8 мм = 1,6 мм -в квадрате.

Если вы хотите добавить доступный и тонкий медный лист к последовательным соединениям никелевых шин, можно легко обработать 15-20 А сильноточных ячеек 18650 (25R, 30Q, HG2, VTC6 и т. Д.) Медный лист 30 г (ширина 8мм).

Вот диаграмма для сравнения площади поперечного сечения медного проводника в мм2 (круглый провод, стержень, лист), которую можно найти, нажав здесь.Толщина «калибра» листового металла отличается от толщины проволоки. Ниже я перечисляю стандартные калибры для медного листа, чтобы вы могли решить, что взять, если хотите поэкспериментировать с добавлением медного листа поверх никелевой ленты.

[один мил составляет 0,001 дюйма толщиной, при изучении вариантов листового металла]
0,15 мм__6 мил__34 га [такая тонкая медь мнется, как бумага]
0,20 мм__8 мил__32 га
0,25 мм__10 мил__30 га [рекомендуется для начальных экспериментов ]
0,33 мм__13-mil__28 ga

[для резки размеров ниже требуются ножницы для листового металла]
0.40 мм__16 мил__26 галлонов__12 унций на квадратный фут / B370 архитектурный 99% медный лист
0,51 мм__20 мил__24 галлонов 16 унций
0,64 мм__25 мил__22 галлонов 20 унций
0,81 мм__32 мил__20 галлонов 24 унции
1,02 мм__40 мил__18 галлонов 9000

Первые четыре показанные выше толщины можно легко отрезать ножницами. Помните, что для данной площади поперечного сечения медь более чем в четыре раза электропроводна по сравнению с чистым никелем. Если вы чувствуете, что никель 0,20 мм подходит для пиков 10 А на ячейку, то медь 0,20 мм подойдет для 40 А на ячейку.

Рекомендуемая мной медь толщиной 0,25 мм может быть разрезана на ленту шириной 8 мм (чтобы соответствовать ширине обычной никелевой ленты для сравнения), и 8 мм X 0,25 мм = 2 мм в квадрате в поперечном сечении, что соответствует медному проводу 14 ga. .

---

Точечная сварка

Точечная сварка — это когда вы посылаете очень короткий импульс сильного тока через два куска металла, чтобы они плавились вместе и, надеюсь, образовали прочное соединение. Возможно, вы заметили, что часть никелевой ленты, которая используется в качестве материала шины, имеет прорезь над каждым из местоположений ячеек, а часть — нет.

Ленточная шина лестничного типа, которая также наклонена, чтобы ее можно было использовать в сотовой конфигурации упаковки.

Если на никелевой ленте есть прорезь, то ток вынужден проходить через ячейку (что является более коротким расстоянием для прохождения тока), и это может обеспечить прочный сварной шов с меньшим энергопотреблением (и меньшим нагревом). Работает ли точечная сварка без паза? Да, но при этом большая часть тока проходит через никелевую ленту от одного сварочного зонда к другому.

Это означает, что для выполнения работы требуется большее количество тока, что создает больше тепла, чтобы расплавить никель «ровно столько» в точках зонда, чтобы образовался прочный сварной шов. Никель плавится при ОЧЕНЬ высокой температуре 2650 ° F (1455 ° C). Это намного горячее, чем при плавлении припоя, но такое сильное тепло наблюдается только на крошечной паре точек и только на долю секунды. Как только импульс прекращается, остальной окружающий металл действует как «радиатор», распространяя тепло.

Профессиональные компании, занимающиеся сборкой упаковок, в течение многих лет добавляли паз над каждой ячейкой при точечной сварке, и они бы вообще не сделали этого, если бы это не помогло.

Путь тока между двумя датчиками для точечной сварки. Прорезь в центре никелевой ленты заставляет ток проходить через наконечник ячейки. Показан положительный наконечник ячейки 18650.

Это аккумуляторный инструментальный набор 5S / 2P от Metabo. Пластины шин — медные с тонким никелированием.Обратите внимание на длину паза между точками сварки.

На рисунке выше шины-пластины имеют медный сердечник с тонким никелевым покрытием. Никель легко сваривается, а также помогает противостоять коррозии. Поскольку медь обладает высокой проводимостью, этот производитель использует очень длинные щели между точками сварки.

Никелевые выступы на медной шине. Каждая из этих двух групп ячеек — 1S / 24P

.

Поскольку никель довольно легко приваривается к элементам 18650, а медь может выдерживать большой ток, не вызывая значительного падения напряжения (и избыточного тепла), почему бы не использовать медную шинную пластину с коротким никелевым выступом над элементом? Я вижу больше примеров этого стиля в сборках аккумуляторов для электрических мотоциклов, которые намного требовательнее, чем пакеты для электровелосипедов.

Вы можете использовать очень сильный нагрев (и длинный сварочный импульс), чтобы прикрепить никелевые выступы к медной шине, и , затем , дайте ему остыть до , затем , используя минимальное количество энергии для точечной сварки Никелевый вкладыш к ячейке (вы можете увидеть нашу статью о самодельном сварочном аппарате с высоким током, нажав здесь). Если вы построите RSU, у вас будет в наличии 700A, а это значит, что вам не понадобится припой для соединения медной шины и никелевого вкладыша.

---

Предохранители отдельных элементов

Выключатель — это электрический выключатель, который автоматически останавливает прохождение тока в цепи при слишком сильном всплеске тока.Это может предотвратить пожар, если в цепи произойдет случайное короткое замыкание. Однако существует множество типов цепей, в которых можно использовать очень дешевый способ отключения всего пути цепи путем вставки короткого плавкого проводника, называемого «плавким предохранителем».

Предохранитель

A должен быть достаточно проводящим, чтобы не вызывать слишком большого сопротивления и падения напряжения, но он также должен «плавиться», когда ток повышается до расчетной точки срабатывания. Если в одном элементе большой аккумуляторной батареи произойдет внутреннее короткое замыкание, быстрое нагревание приведет к расплавлению внутренних изолирующих разделителей между анодным коллектором и катодным коллектором.Когда мы говорим о элементах с высоким усилением, это означает, что неисправный элемент переходит от внезапно горячего … к возможному возгоранию.

Это достаточно плохо, когда одна ячейка входит в смертельную спираль, но каскадное внутреннее короткое замыкание действует так, как если бы эта ячейка внезапно была заменена толстой медной проволокой, и теперь каждая другая ячейка в этой параллельной цепочке будет сбрасывать свои ампер от их отрицательных электродов к положительным. Например, если у вас есть обычная упаковка для электровелосипеда размером 5P, в которой используются ячейки 30Q … когда у одной из них есть внутреннее короткое замыкание, то почти сразу же остальные четыре ячейки будут сбрасывать свои усилители почти без сопротивления.

Полное отсутствие четырех 30Q убьет их, и они потекут через 200A, когда они умирают. Как только каждая ячейка в этой P-группе начинает выходить из строя из-за электрического соединения, одно только тепло может вызвать возгорание всех соседних ячеек, что в конечном итоге приведет к возгоранию всей батареи. Есть ли какой-нибудь доступный способ отключить эту первую неисправную ячейку, чтобы остановить цепочку событий? Да… предохранитель.

Плавкий предохранитель на аккумуляторной батарее Tesla. Три ячейки слева имеют отрицательный конец вверх, а пять ячеек, показанных справа, имеют положительные электроды, направленные вверх.Показанные токопроводящие провода предохранителей соединяют каждый конец ячейки с алюминиевой шинной пластиной.

Индивидуальный синтез клеток недавно стал известен автомобильной компанией Tesla. Они сделали это, потому что их электромобили могли попасть в аварию, даже если это была не вина водителей. На картинке выше обратите внимание, что хотя элементы Panasonic поставлялись с завода с белым изоляционным кольцом вокруг каждого положительного наконечника катода, Тесла добавил толстый резиновый лист поверх элементов в качестве дополнительной защиты.

Изображение вырезанной лазером пластины из чистого никеля, которая последовательно соединяет две группы ячеек 6P. Шесть вкладок слева предназначены для отрицательных концов. Шесть справа — за положительные. Маленькая вкладка вверху предназначена для подключения к BMS.

Предохранитель не обязательно должен быть отдельным элементом, соединяющим пластины шины с каждой ячейкой. На рисунке выше четыре тонких нити, которые соединяют контактные площадки «полумесяца» на каждой ячейке, представляют собой предохранители, которые подключаются к положительным наконечникам 18650.На каждом наконечнике катода есть две контактные площадки, чтобы заставить сварочный ток проходить кратчайший путь через наконечник ячейки (как в пазах, которые мы обсуждали ранее), а не ток, просто проходящий через ленту шины от одного сварочного зонда к другому. .

Я знаю, что в этом конкретном стиле есть ЧЕТЫРЕ встроенных «предохранителя» на ячейку, но они достаточно тонкие, и расчеты показывают, что они будут работать.

Плавкая проволока не остановит внутреннее короткое замыкание в конкретной ячейке и не остановит быстрый перегрев, который может произойти.Однако он будет немедленно отделить эту ячейку от остальной части P-группы. Также обратите внимание, что на изображении пакета Tesla выше всем ячейкам дано некоторое воздушное пространство между друг другом, что снижает вероятность того, что горячая ячейка начнет нагревать своего соседа.

В качестве последнего примечания к предохранительному проводу: в небольших самолетах часто используется никелированная медная проволока, которая, как я только что обнаружил, легко доступна в 16ga и 18ga (можно также заказать более толстую или более тонкую никелированную медную проволоку для самолетов).Я собираюсь провести эксперименты, в которых я привариваю жилы этого провода к ячейкам 18650 в качестве плавкой проволоки. Медный сердечник хорошо подойдет для ячеек с высоким током, а никелирование должно упростить точечную сварку… пожелайте мне удачи. Я сообщу о результатах, как только смогу.

AC 21-99, Электромонтаж и подключение самолетов
Раздел 2, Раздел -1

Многожильный провод используется для обеспечения гибкости. В низкотемпературной проволоке (150 ° C) жилы из меди или медных сплавов покрыты оловом для облегчения пайки.В проводе, рассчитанном на температуру 200 ° C, используется серебряное покрытие для защиты меди от окисления и облегчения пайки. Провода для высоких температур (260 ° C) никелированы для предотвращения окисления. Никелированную проволоку труднее припаять, но удовлетворительные соединения припоя могут быть выполнены надлежащими методами.

---

Избегайте центра отрицательного конца!

Не знаю почему, но я прочитал несколько руководств по эксплуатации для точечной сварки, и все они заявляют, что НЕ следует выполнять точечную сварку по центру отрицательного конца.Я бы также посоветовал никому никогда не паять центр (или любую другую часть) отрицательного конца. Я не люблю пайку на отрицательный конец, но … если вы используете припой … НЕ припаивайте к центру.

Ниже приведено изображение некоторых заводских никелевых полос, которые сварены точечной сваркой, и я сохранил этот рисунок, потому что … завод добавил «отверстие» в центре, чтобы убедиться, что ни один поставщик не может случайно (или намеренно) приварить центр …

НЕ выполняйте точечную сварку в центре отрицательного конца ячейки.Там тоже не паять. У этих заводских автобусов есть «дыра» в центре, чтобы никто не мог этого сделать. Эти синие элементы находятся в комплекте 6S / 1P с номиналом (3,7 В X 6S =) 22,2 В

. Редактировать

: Во время сборки, когда рулон желе вставляется в отрицательную металлическую оболочку, зонд вставляется по центру, и «язычок» для отрицательного электрического соединения прикрепляется к оболочке в центре нижней части ячейки 18650. Если вы прикрутите центр дна ячейки 18650, есть вероятность, что вы можете ослабить внутреннее соединение между роликом с желе и металлической оболочкой.

НЕ привинчивайте корпус 18650 к центру-дну. Если вы подключаетесь к нижней / отрицательной части корпуса 18650, делайте это по сторонам. Вас предупредили, поэтому не делайте вид, что не читали этого.

---

Каптонная лента, коробки и набивка

Каждый раз, когда вы заканчиваете точечную сварку части вашего рюкзака, найдите время, чтобы покрыть ее изоляцией. Большинство строителей используют каптоновую ленту (обычно янтарного цвета). Каптон сделан из полиимида / PI, и это отличный электрический изолятор (до тысяч вольт на мил толщины).

Если часть вашего рюкзака начинает нагреваться, Kapton не сморщится и не усугубит ситуацию (открывая часть пластин автобуса). Он может добиться этого, потому что он очень стабилен и термостойок до 500F (260C), а также обладает отличной прочностью на разрыв (устойчив к разрыву при вытягивании).

Этот строитель только что начал укладывать каптоновую изоляционную ленту на открытый металл. Изображение любезно предоставлено Micah Tolls из учебника по сборке батарей (щелкните здесь).

Дополнительная изоляционная лента, которую начинают использовать некоторые строители, — это ПЭТ (полиэтилентерефталат).Он не такой термостойкий, как Kapton, но при 266F (130C) он по-прежнему отлично подходит для того, что мы делаем (мне это очень нравится, ОЧЕНЬ)

Я даже не могу держать руку на 140F, и я не рекомендую позволять ЛЮБОМУ аккумуляторному блоку нагреваться до 140F ни при каких обстоятельствах, поэтому 266F очень безопасен для изоляции. Поклонники ПЭТ-ленты сообщают, что она доступнее и физически прочнее, чем Kapton.

Это пластиковая распределительная коробка NEMA для установки вне помещений, защищенная от атмосферных воздействий.

Электрическую распределительную коробку NEMA, показанную выше, можно найти за 50 долларов с внутренними размерами 12 ″ X 8 ″ X 4 дюйма толщиной (за ту же цену вы можете получить внутренние размеры 14 ″ X 9 ″ X 4.5 ″). Четыре дюйма — это минимальная внутренняя толщина для размещения 18650 ячеек по бокам (18650 ячеек длиной 65 мм = 2,6 дюйма, плюс вы должны добавить шины и прокладку), и эти коробки также могут быть толщиной 4,5 дюйма или 5 дюймов, при желании.

Предназначены для защиты электрических частей. Кроме того, они очень прочные, с толстыми стенками из АБС-пластика, стекловолокна или поликарбоната. Некоторые из этих корпусов имеют рейтинг «IP» (например, IP65-IP68). Это расшифровывается как «Защита от проникновения» и описывает, насколько водонепроницаема распределительная коробка для наружного монтажа (нажмите здесь).

Вскоре я планирую написать статью о некоторых методах и материалах, которые используют конструкторы для самостоятельной сборки батарейных отсеков (вставьте ссылку здесь, когда статья будет готова). Кроме того, такие магазины, как «Harbour Freight», производят тяжелые пластиковые чемоданы, которые могут пригодиться. Они были предназначены для инструментов и продавались под брендом «Apache» (аналогично знаменитым кейсам Pelican).

Если у вас есть какой-то чехол вокруг аккумулятора, вы не можете просто позволить элементам внутри жесткого футляра грохотать каждый раз, когда вы ударяетесь о неровность, поэтому вы должны добавить какой-то тип набивки.Я рекомендую поэкспериментировать с тонким ковриком для йоги из супермаркета. Он очень дешевый и бывает разной толщины. Продолжайте добавлять слои, пока упаковка не будет защищена от дребезжания.

---

Как сейчас это делают профессионалы?

На изображении батареи Tesla выше, они решили использовать новейшую технику для соединения предохранителей проводов с наконечниками элементов. Это называется ультразвуковой сваркой проволокой. Можно приварить плавкую проволоку точечной сваркой, но ультразвуковая обработка означает, что рычаг машины удерживает проволоку с определенным давлением, а затем рычаг вибрирует вперед и назад в боковом движении с ОЧЕНЬ высокой частотой.

Он перемещается только на небольшое расстояние, но после доли секунды ультразвуковой вибрации провод прочно соединяется с кончиком ячейки. Этот метод создает прочную связь, вызывая минимально возможное количество тепла во время процесса.

Еще один интересный метод, который можно использовать, — это полностью «залить» аккумуляторную батарею эпоксидной смолой, что и сделали мотоциклы Zero. Если вы сделаете это, вы никогда не сможете отремонтировать неисправную ячейку в середине пакета, но до сих пор я не знаю никого, кто менял бы ячейку.Конечно, если вы используете заливку в упаковку, вы должны обязательно убедиться, что нет проблем с контролем качества, прежде чем начинать все запечатывать.

Заливка упаковки — крайняя особенность конструкции, но она обеспечивает максимально надежную водонепроницаемость и ударопрочность.

Набор Luna Cycles Wolf, 14S / 4P с использованием ячеек 30Q. 52В и рассчитан на 60А. Это мой самый рекомендуемый пакет.

Luna Cycles недавно выпустила пакет, над которым они работали больше года.Он имеет соединенные ультразвуком плавкие провода на каждой ячейке и полностью залит (прозрачной эпоксидной смолой или черной эпоксидной смолой). У него есть два женских разъема XT90 для тех строителей, которые могут захотеть запустить 2WD ebike.

Этот дизайн был заказан Эриком Хиксом, владельцем Luna Cycle. Консультантом по дизайну был Люк Уоркман, в прошлом старший инженер по аккумуляторным батареям мотоциклов Zero.

---

Чтобы увидеть часть 3 этой серии по проектированию и сборке аккумуляторных батарей, щелкните здесь.

---

---

Написано Роном / spinningmagnets, март 2019

аккумуляторов | Бесплатный полнотекстовый | Мультифизические эквивалентные модели схем для системы охлаждения литий-ионной аккумуляторной батареи

1.Введение

В последнее время электромобили (ЭМ) приобрели популярность в качестве транспортных средств [1,2]. Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы широко используются в электромобилях из-за их высокой плотности мощности, высокой плотности энергии, длительного срока службы и меньшего саморазряда [1]. Поскольку литий-ионные батареи обычно используются в качестве основных источников энергии, системы управления батареями имеют важное значение для разработки электромобилей. В частности, важны системы терморегулирования батареи (BTMS), поскольку температура батареи во время работы влияет на производительность, срок службы и безопасность батарей [1].Для BTMS используются многие методы охлаждения, и материалы охлаждающей жидкости в основном можно разделить на три типа: воздух, жидкость и материалы с фазовым переходом (PCM). Воздушное охлаждение — один из наиболее часто используемых методов. Хотя он прост и его преимуществом является вес хладагента, он не подходит для аккумуляторной батареи большой емкости, поскольку воздух имеет низкую теплопроводность и теплоемкость [3]. PCM имеет большое преимущество с точки зрения поддержания постоянной температуры батарей или предотвращения теплового разгона.Тем не менее, для длительной эксплуатации метод ограничен полным плавлением ПКМ [4]. Жидкостное охлаждение более эффективно и компактно, и оно широко используется некоторыми производителями электромобилей, такими как Tesla и General Motors (GM) [4]. Хотя вода, минеральное масло или смесь этиленгликоля и воды используются в качестве жидких охлаждающих материалов, производители электромобилей обычно используют смесь этиленгликоля и воды [1]. Это связано с тем, что смесь имеет температуру плавления ниже 0 ° C и подходит для работы даже в холодных условиях.Поскольку прямое жидкостное охлаждение связано с коротким замыканием, часто применяется непрямое охлаждение с использованием теплопроводной среды. Как и в случае со средой, используются трубки, холодные пластины с каналами или рубашкой [1]. Поскольку тепловая труба имеет высокоэффективную теплопроводность, в настоящее время изучаются системы BTMS, в которых тепловая труба используется в качестве среды. Тем не менее, есть возможности для улучшений, таких как снижение сложности системы [3]. В этой работе, поскольку она предназначена для моделирования общего назначения, мы будем нацелены на BTMS жидкостного охлаждения с использованием смеси этиленгликоля и воды, которая часто используется в популярных электромобилях.Численное моделирование полезно для прогнозирования и оценки воздействия при изменении конструкции, и ожидается, что они сократят период исследования и затраты. Численное моделирование используется во многих отчетах для BTMS, и метод можно разделить на два типа: подробные модели и модели эквивалентных схем (ECM). Подробные модели [5,6,7,8,9,10,11,12,13] обычно предназначены для двумерных (2D) или трехмерных (3D) тепловых явлений в аккумуляторных элементах или модулях с помощью методов конечных элементов (FEM). или методы конечных объемов (FVM).Y. Chung et al. [5] выполнили термический анализ с помощью 3D-модели, чтобы улучшить конструкцию охлаждения карманных аккумуляторных блоков. Siruvuri et al. [6] также смоделировали аккумуляторную батарею и каналы охлаждения и оптимизировали конструкцию, чтобы снизить пиковую температуру, изменив направление потока воды в одном из каналов. Хотя эти подробные модели имеют преимущества для понимания механизма и более надежного прогнозирования результатов, они не подходят для прогнозирования крупномасштабного явления, такого как весь аккумуляторный блок, потому что вычислительные затраты выше.Поскольку блоки управления двигателем [3,4,14,15,16,17] имеют низкие вычислительные затраты, эти модели могут быть адаптированы для всего аккумуляторного блока и для управления взаимодействием между несколькими частями с электронными блоками управления (ЭБУ) во время работы привода. Разработанные ECM полезны с учетом развития всех BTMS, установленных в ECU. Имея единообразную среду, некоторые программы, такие как MATLAB Simulink ^® (Натик, Массачусетс, США), могут быть полезны для создания ECM. Y. Gan et al. [3] разработали терморегулятор для системы терморегулирования на основе тепловых трубок для аккумуляторного модуля, и они подтвердили модель с экспериментальными данными.M. Shen et al. [4] построили имитационную модель системы, используя систему терморегулирования батареи на основе хладагента, и они улучшили характеристики системы.

Поскольку модели ECM имеют более абстрактное моделирование, интуитивно сложнее подтвердить, что предположение модели удовлетворяется целевым явлением. В большинстве отчетов для ECM некоторые важные параметры, которые представлены коэффициентами теплопередачи или перепадами давления, определяются с помощью некоторых теоретических уравнений. Однако конструкция проточных каналов стала более сложной для повышения эффективности.Кроме того, может быть неясно, могут ли общепринятые теоретические уравнения использоваться для потока в каналах. Более того, поскольку эти уравнения иногда имеют диапазон применимых значений или подгоночных параметров при учете различных воздействий, таких как геометрические факторы, конструкция модели более сложна, и это может привести к тому, что модель будет содержать потенциальные ошибки.

В этом исследовании мы предлагаем структуру, в которой ECM могут быть созданы единым методом с использованием подробных 3D-моделей.Мы также представляем модель теплового электрического связанного ECM явления жидкостного охлаждения для аккумуляторной батареи, которая включает экспериментальные методы, и модель подтверждается экспериментальными данными.

2. Методика испытательного стенда и детальная 3D модель

2.1. Электрическое моделирование ЭБУ с экспериментальными данными

Батарейный блок для эксперимента с жидкостным охлаждением сконструирован с пятью коммерческими литий-ионными аккумуляторными модулями, в которых два пакетных литий-полимерных элемента соединены последовательно.Размер ячейки 36 мм × 125 мм × 6,5 мм. В этом исследовании определено, что напряжение холостого хода (OCV) ячейки составляет 3,0 В, когда состояние заряда (SOC) составляет 0%, и OCV ячейки составляет 4,2 В, когда SOC составляет 100%. Кроме того, подтверждено, что зарядная и разрядная емкости составляют 3,0 Ач в диапазоне OCV от 6,0 до 8,4 В для модуля.

Эксперимент по оценке разрядных свойств модуля был выполнен на основе следующих процедур:

(i)

Поддержание модуля при заданной температуре окружающей среды в термостатической камере.

(ii)

Зарядка модуля в соответствии с процедурой постоянного тока (CC) — постоянного напряжения (CV) до 8,4 В при токе 0,2C.

(iii)

Период отдыха 60 мин.

(iv)

Разрядка модуля в соответствии с процедурой CC с заданной скоростью тока до тех пор, пока SOC не уменьшится на 10%.

(v)

Период отдыха 60 мин.

(vi)

Выполнение операций (iv) и (v) до тех пор, пока напряжение на элементе не достигнет 6.0 В.

Комбинации температуры окружающей среды и скорости тока показаны в таблице 1. Эксперимент для свойств заряда также проводился с аналогичными процедурами. Затем было получено временное поведение электрического потенциала на SOC 10% во время прерывистого разряда или заряда при каждом условии, соответственно. В модели SOC рассчитывается следующим образом.

SOC = SOC0 + ∫0t (I / Cc) dt,

(1)

где SOC ₀ — начальное состояние заряда; t — время; C _c — емкость, равная 3 Ач; и I — электрический ток, в котором положительное значение представляет заряд, а отрицательное значение указывает разряд.В качестве электрического блока управления двигателем для аккумуляторов принята модель, показанная на рисунке 1а. Внутреннее сопротивление рассчитывается по экспериментальным данным следующим образом. где R — внутреннее сопротивление на элемент, V — напряжение на элемент, а OCV — напряжение холостого хода. Поскольку предполагается, что две ячейки в модуле находятся в одном и том же состоянии, V составляет половину напряжения модуля. Кроме того, OCV вычисляется с помощью полинома кубической эрмитовой интерполяции с напряжением непосредственно перед разрядом CC во время эксперимента с разрядом, как показано на рисунке 2n.В электрическом блоке управления двигателем внутреннее сопротивление во время заряда или разряда CC рассчитывается теоретически следующим образом.

R = [1 − ехр {−t ′ / (R2C)}] R2 + R1,

(3)

где t ’- время после заряда или разряда, а R ₁ , R ₂ и C — составляющие сопротивления или емкости, как показано на рисунке 1a. Предполагается, что R ₁ , R ₂ и C зависят от температуры, тока и SOC, и они оптимизируются путем подбора этих параметров для экспериментальных данных, которые рассчитываются с применением уравнения (2).Значения R ₁ , R ₂ и C могут быть рассчитаны путем применения линейной интерполяции или экстраполяции с базой данных взаимосвязи между этими параметрами и температурой, током и SOC. Контуры зависимости показаны на рис. 2а – м. Исходя из этих рисунков, считается, что сопротивление R ₁ и R ₂ имеет отрицательную корреляцию с температурой. Это связано с тем, что степень электрохимической реакции и литий-ионная проводимость возрастают с повышением температуры.Также считается, что ₁ и ₂ рэнд имеют отрицательную корреляцию с текущим тарифом. Это связано с тем, что нелинейная связь между током и перенапряжением указывается уравнением Батлера – Фольмера. Тепловыделение батарей рассчитывается по следующей формуле.

Qgen = Qirr + Qrev = I (V − OCV) + IT∂ (OCV) / ∂T = I2R + ITΔS / F,

(4)

где: Q _gen — общее тепловыделение, Q _irr — необратимое тепловыделение за счет тепла от внутреннего сопротивления, Q _rev — обратимое тепловыделение из-за изменения энтропии, T — температура, ΔS — изменение энтропии, F — постоянная Фарадея.Применяя уравнение (4), изменение энтропии рассчитывается как F∂ (OCV) / ∂T, и результаты показаны на рисунке 2o в виде точек графика. Данные об изменении энтропии почти монотонно увеличиваются с увеличением SOC, а тенденция и значения аналогичны батареям, которые состоят из катода LiCoO ₂ и графитового анода [18,19]. Однако значения от SOC = 50% до SOC 80% сильно различаются, и тенденция отличается от измерений в некоторых отчетах [18,19]. По нашим оценкам, на тенденцию влияет ошибка измерения из-за отсутствия экспериментальных данных.В этой модели, с точки зрения предпочтения простого моделирования, для изменения энтропии применяется линейная регрессия, когда SOC меньше 80% с помощью методов наименьших квадратов. Кроме того, не учитывается изменение энтропии, когда SOC превышает 80%, что показано на рисунке 2o.

2.2. Испытание жидкостного охлаждения для аккумуляторного блока

Схематический вид испытательного стенда показан на рисунке 3. Испытательный стенд состоит примерно из пяти аккумуляторных модулей, охлаждающей пластины, нескольких трубок для проточных каналов и охладителя.Хотя конструкция испытательного стенда проще, чем фактические системы для электромобилей, мы считаем, что испытательный стенд имеет примерно те же компоненты, что и фактические системы, и этого достаточно, чтобы объяснить полезность нашей структуры. Пять аккумуляторных модулей подключены параллельно, а клеммы соединены с устройством для управления аккумулятором и источником постоянного тока (DC). Мы определили эти батареи как аккумуляторный блок, емкость которого составляет 15 Ач, а его рабочее напряжение — от 6.От 0 В до 8,4 В. Эти модули устанавливаются на охлаждающую пластину, которая имеет извилистый канал потока. Жидкий хладагент циркулирует между охладителем и проточным каналом по трубкам, и температура жидкого хладагента в охладителе поддерживается на уровне 25 ° C. В качестве жидкого хладагента мы используем хладагент с длительным сроком службы, который в основном представляет собой смесь этиленгликоля и воды. Батареи и охлаждающая пластина покрыты теплоизоляторами, чтобы уменьшить влияние передачи тепла от другого теплоносителя, кроме жидкого хладагента.Следовательно, большая часть теплового излучения происходит за счет истечения жидкого теплоносителя. Батарейный блок прижимается примерно к 100 Па, чтобы уменьшить влияние на контактное сопротивление между батареями и охлаждающей пластиной. Температура верхней части аккумуляторных модулей и жидкого хладагента, протекающего по трубкам, измеряется с помощью термопар. Объемный расход жидкого хладагента через проточный канал охлаждающей пластины измеряется электромагнитным расходомером.

Зарядка и разрядка аккумуляторной батареи выполнялись в соответствии со следующими процедурами:

(i)

Разрядка аккумулятора в соответствии с процедурой CC-CV на 6.0 В при токе 0,2С.

(ii)

Период отдыха 60 мин.

(iii)

Зарядка аккумулятора до 8,4 В при токе 2С.

(iv)

Разряд батареи до 6,0 В при токе 2С.

(v)

Выполнение двух циклов операций (iii) и (iv).

Испытания проводятся дважды в условиях настройки чиллера, при которой расход равен 0.0 л · мин ⁻¹ , т.е. не протекает, или 1,0 л · мин ⁻¹ . В этой работе случай отсутствия потока называется случаем 1, а случай 1,0 л · мин ⁻¹ — случаем 2.

2.3. Построение детальной 3D-модели

Для испытаний была разработана детальная 3D-модель. Обзор расчетных сеток и геометрия проточного канала в охлаждающей пластине показаны на рисунке 4. Формы моделируются путем реальных измерений. Сетки призмы вставляются в проточный канал рядом со стенкой охлаждающей пластины.Кроме того, они имеют два слоя толщиной менее 1 мм для разрешения температурных пограничных слоев. Остальные — тетраэдрические сетки, а общее количество элементов составляет 992 623 элемента. Подтверждено, что результаты расчетов не изменились с более точными сетками. По той же причине относительный допуск хода для следующего временного шага установлен как 1,0 × 10 ^{— 3} . Поле течения и поле давления в области жидкого теплоносителя представлены в виде уравнений неразрывности массы и уравнения Навье. –Уравнения Стокса для несжимаемого потока, которые описываются следующим образом.

ρ (u · ∇) u = ∇ · [pI + μ {∇u + (∇u) T}],

(6)

где u — вектор скорости потока, ρ — плотность, p — давление, I — единичная матрица, μ — кинематическая вязкость. В этой модели предполагается, что поток является установившимся ламинарным потоком, потому что число Рейнольдса мало, когда скорость потока меньше 1,0 л / мин. Явление теплопередачи во всей области представлено в виде уравнения теплопередачи, которое описывается ниже.

ρCp∂T / ∂t + ρCpu · ∇T + ∇ · (−k∇T) = Qgen / VL,

(7)

где C _p — удельная теплоемкость при постоянном давлении, k — вектор теплопроводности, а V _L — объем ячейки.Вектор скорости потока u в области жидкого хладагента может иметь значение, отличное от 0 и u = 0 в другой области. Q _gen в областях, отличных от батарей, равно 0. В этой модели предполагается, что тепловыделение одинаково для каждого элемента батареи, а электрический ECM показан на рисунке 1b, который рассчитывается для каждого временного шага для оценки. Q _gen в уравнении (4). Обратите внимание, что символ R _c — это электрическое сопротивление контакта из-за соединения проводов, и оно оценивается в 7.8 мОм. Сопротивление теплового контакта между охлаждающей пластиной и жидким хладагентом не принимается во внимание, потому что нажатие на аккумуляторную батарею должно значительно уменьшить его. Эта система уравнений дискретизируется МКЭ и решается с использованием начальных и граничных условий. Эти численные расчеты проводятся с использованием COMSOL Multiphysics ^® вер. 5.4. В таблице 2 перечислены физические свойства, которые используют эту модель.

Условия зарядки или разрядки аккумуляторной батареи такие же, как в эксперименте.Для входной границы области жидкого хладагента расход составляет 0,0 л · мин ⁻¹ , а температура составляет 23,5 ° C в случае 1. Между тем, расход составляет 0,862 л · мин ⁻¹ , а температура составляет 25,2 ° C для случая 2. Эти значения получены путем усреднения измеренных данных. Давление установлено равным 0 Па для выходной границы в случае 2. В случае 1 граничное условие на выходе предполагается таким же, как граничное условие на входе. Внешние границы, за исключением выхода потока, теплоизолированы.

Предположения, сделанные для модели, следующие.

(1)

Предполагается, что поток жидкого хладагента является установившимся ламинарным потоком. Поэтому модели турбулентности не принимаются.

(2)

Предполагается, что тепловыделение одинаково для каждого элемента батареи.

(3)

Условия потока на входе устанавливаются измеренными данными.

(4)

Если нет потока, предполагается, что граничное условие на выходе такое же, как граничное условие на входе.

(5)

Тепловые потери наружу не учитываются, за исключением выходного отверстия для потока.

2.4. Термоэлектрический контроллер ЭСУД

Тепловой блок управления двигателем для системы охлаждения аккумуляторной батареи был построен на основе подробной трехмерной модели. Схематический вид представлен на рисунке 1c. Тепловое сопротивление, теплоемкость и тепловыделение связаны внутри блока управления двигателем. Температура каждого компонента, за исключением области жидкого хладагента, рассчитывается по уравнению баланса энергии.

CT∂T / ∂t = Qlink + Qgen,

(8)

где C _T — теплоемкость, которая рассчитывается с помощью ρC _p V _L , а Q _link — теплопередача в или от связанных компонентов, которая может быть определена из уравнения (9). где R _T — тепловое сопротивление, а ΔT — разница температур между целевым компонентом и связанными компонентами. В области жидкого хладагента температуру можно определить с помощью уравнения (10).

CT∂T / ∂t = Qht + Qf = ΔT / RT, ht + m˙CpΔTf,

(10)

где Q _{h t} — теплообмен между охлаждающей пластиной и областью жидкого хладагента, Q _f — тепло из-за потока жидкого хладагента через проточный канал, R _{T, ht} представляет теплопередача жидкость-твердое тело как тепловое сопротивление, m˙ — массовый расход, а ΔTf — разность температур жидкости между входом и выходом. R _{T, ht} описывается следующим образом.где h — коэффициент теплопередачи, а A — площадь поперечного сечения жидкость-твердое тело. По результатам трехмерной модели распределение температуры в ячейках имеет большой градиент в направлении оси z и находится в охлаждающей пластине, которая не большой. Таким образом, тепловые связи в z-направлении учитываются для ячейки, а одна составляющая учитывается для охлаждающей пластины. Значения параметров рассчитываются из таблицы 2 и геометрии 3D-модели. Например, тепловое сопротивление ячейки R _T рассчитывается как l _T / (A _T k _z ), где l _T — длина теплового прохода, A _T — поперечная площадь сечения, а k _z — теплопроводность в z-направлении.Термоэлектрический связанный ЕСМ создается с использованием MATLAB Simulink ^® R2019a / Simscape, а схематические изображения показаны на рисунке 5. Коэффициент теплопередачи h оценивается по результатам трехмерной модели.