ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ ПЕЛЬТЬЕ ДЛЯ НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

АННОТАЦИЯ

Электрические транспортные средства считаются перспективным решением для удовлетворения экологических требований и решения энергетических проблем. Накопитель электрической энергии является одним из наиболее важных компонентов электрических транспортных средств. Однако неполнота накопителя электрической энергии является основной причиной того, что электромобили не получили ожидаемого широкого распространения. Данное исследование посвящено управлению температурой накопителя электрической энергии, поскольку они работают в жарких климатических условиях (T_окр=40°С). В исследовании использовался образец литий-железо-фосфатный аккумулятор Winston WB-LYP90, смоделированный методом эквивалентной схемы. В то же время была создана система термостатирования накопителя электрической энергии с использованием термоэлектрического элемента Пельтье. Затем в приложении Matlab/Simulink выполняется моделирование работы системы термостатирования накопителя электрической энергии. Результаты показали, что температура аккумуляторной батареи меняется в зависимости от изменения скорости и ускорения транспортного средства. Благодаря системе термостатирования температура аккумуляторной батареи во время моделирования поддерживается в идеальном диапазоне 16-35℃.

ABSTRACT

Electric vehicles are a promising solution to meet environmental requirements and solve energy problems. Electric energy storage is one of the most important components of electric vehicles. However, the incompleteness of electric energy storage is the main reason electric vehicles have not received the expected widespread distribution. This study is devoted to controlling the temperature of the electric energy storage since they operate in hot climatic conditions (T_amb = 40°C). The study used a sample lithium-iron-phosphate battery Winston WB-LYP90, modeled by the equivalent circuit method. At the same time, a battery thermal management system for the electric energy storage device using a Peltier thermoelectric element was created. Then, the simulation of the thermal management system of electric energy storage is performed in Matlab/Simulink. The results showed that the temperature of the battery varies depending on changes in the speed and acceleration of the electric vehicle. Due to the thermal management systems, the temperature of the battery is maintained during the simulation in the ideal range of 16-35℃.

Ключевые слова:  Электрическое транспортное средство; Литий-ионный аккумулятор; Накопитель электрической энергии; Система термостатирования; Термоэлектрический элемент Пельтье.

Keywords: Electric vehicle; Lithium-ion battery; Electric energy storage; Thermal management system; Peltier thermoelectric element.

1. Введение

Стратегия использования электрических транспортных средств в качестве альтернативы традиционному транспорту была признана перспективным решением, способствующим решению проблем загрязнения окружающей среды и энергетического кризиса. Электрические транспортные средства (ЭТС) ценятся за их комфорт и отсутствие вредных выбросов во время эксплуатации. При использовании возобновляемых источников энергии ЭТС могут помочь сократить выбросы парниковых газов примерно на 40% [4][12].

Блок накопления электрической энергии является важным компонентом ЭТС, который играет аналогичную роль в системе подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания традиционных транспортных средств. В таблице 1 приведены некоторые электрохимические аккумуляторы, обычно используемые в системах накопления энергии ЭТС, и их основные технические характеристики.

Таблица 1.

Основные технические характеристики некоторых популярных аккумуляторных батарей [5][3]

Литий-ионные аккумуляторные батареи обладают преимуществами высокой удельной энергией, высокой удельной мощностью, длительным сроком службы, низким саморазрядом и коротким временем зарядки, поэтому литий-ионные аккумуляторы являются наиболее популярным выбором для создания систем накопления энергии на электромобилях. Отрицательной потребительской характеристикой всех литиевых аккумуляторов является то, что они весьма плохо приспособлены к экстремальным температурам [7][9][10]. Литий-ионные аккумуляторы достигают высокой производительности только при работе в диапазоне температур экстракции от 15°C до 30°C. Температура эксплуатации и разница температур между элементами аккумуляторной батареи были определены как один из важных факторов, существенно влияющих на рабочие характеристики накопителей электрической энергии электрических транспортных средств. Исследования показали, что емкость аккумуляторной ячейки будет быстрее уменьшаться, когда рабочая температура тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) превысит +40°C, а срок службы значительно сокращается, при температуре ТАБ выше +60°C. В случае постоянного перегрева работа аккумуляторных систем нестабильна и приводит к быстрой деградации аккумуляторных ячеек. Кроме того, при этом условии срок службы тяговой аккумуляторной батареи уменьшается с 5-6 лет до 2-3 лет [1][6].

С другой стороны, при низких температурах и в суровых климатических условиях батарея может частично разряжаться и не достигать достаточной мощности тока, чтобы обеспечить эффективную работы электрических транспортных средств [8]. Немецкий журнал Auto Bild провел тесты и обнаружил, что холодная погода уменьшает дистанцию езды на электромобиле почти в три раза. Четыре из пяти автомобилей, которые участвовали в тесте, могли проехать менее 70 километров после одной перезарядки. Эти транспортные средства были BMW i3, Ниссан Лиф, Рено ЗОЕ и Мицубиси Ай-миев (таблица 2). Единственный автомобиль, который мог покрыть расстояние в 200 километров из-за своей емкой батареи, был самым дорогим электромобилем, участвующим в тесте – Тесла Модель.

Таблица 2.

Результаты теста Auto Bild

Приведенный выше анализ показывает, что экстремальные температуры (включая экстремально высокую температуру и экстремально холодный воздух) оказывают огромное влияние на работоспособность литий-ионных аккумуляторов электромобилей. Для повышения эффективности их эксплуатации необходимы всесторонние исследования механизма термогенеза и решения проблемы термостабильности литий-ионных аккумуляторов.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схематическое изображение механизмов работы литий-ионного аккумулятора показано на рисунке 1. Процесс заряда-разряда характеризуется переносом Li⁺ и e^–. Во время заряда ионы лития извлекаются из частиц положительного электрода и проходят через электролит и сепаратор на отрицательную сторону. Для поддержания электрического равновесия на поверхности частиц положительного электрода одновременно высвобождается одинаковое количество электронов. Затем эти электроны собираются коллектором положительного тока и перемещаются по внешней цепи к отрицательному электроду, образуя зарядный ток. Ионы лития вступают в реакцию с электронами и в конечном итоге внедряются в материалы положительного электрода. Во время разряда электрохимический процесс обратен тому, что происходит во время заряда.

Для описания работы литий-ионной тяговой батареи и теплового процесса в данной статье используются модель эквивалентной схемы. Модель эквивалентной схемы с парой резистор-конденсатор, соединенных параллельно для описания работы литиевой тяговой батареи показана на рис. 2. Модель эквивалентной схемы представляет кинетику литий-ионных аккумуляторов, основанную на взаимосвязи между элементами схемы и нелинейных соотношениях, описываемых уравнениями (1-3) [2]:

где: z[k+1] – состояние заряда в момент времени (k+1); h[k] – эффективность заряда ячейки в момент времени k; i[k] – электрический ток в момент времени k; R_j – резистор в параллельной RC цепи; C_j – конденсатор в параллельной RC цепи; R_o – внутреннее сопротивление эквивалентной схемы; u[k] – напряжение в цепи в момент времени k;

Двумя основными источниками тепла в аккумуляторной ячейке являются необратимое и обратимое тепло, которые можно описать уравнением:

где: необратимое тепло, также называемое эффектом Джоуля, представляет собой омические потери в ячейке из-за электрических сопротивлений, что представлено в уравнении.

где: I – ток заряда или разряда (A); R_o – внутреннее сопротивление (Ω); R₁ – поляризационное сопротивление (Ω).

Обратимый тепловой механизм состоит из энтропийного эффекта, а тепло вырабатывается или потребляется из-за обратимого изменения энтропии в результате электрохимических реакций внутри ячейки. Уравнение обратимого тепла можно записать как уравнение (7).

где: V_ocv – напряжение разомкнутой цепи (V); Термин энтропийного коэффициента вычисляется из OCV для переноса при различных температурах.

Закон сохранения энергии связывает скорость изменения температуры аккумулятора с генерацией тепла и распространением тепла по поверхности аккумулятора:

где: m – масса; C_p – удельная теплоемкость (Дж/(кг·К)); A_eff – эффективная площадь поверхности; h – коэффициент теплопередачи (Вт/(м²·К)) между поверхностью и теплоносителем; T – температура поверхности теплообмена; T_amb – температура окружающей среды.

Элемент Пельтье состоит из нескольких полупроводниковых блоков (обычно изготовленных из теллурида висмута), соединенных последовательно небольшими медными слоями, чтобы максимизировать описанные эффекты n или p металлических переходов. Блоки попеременно легированы p и n типом и выровнены таким образом, чтобы переходы, охлаждающие и нагревающие металл-полупроводник, указывали на разные стороны элемента Пельтье (см. рис. 3). Медные перемычки электрически изолированы двумя керамическими пластинами, которые также механически стабилизируют весь элемент Пельтье и функционируют как области теплового контакта с любым объектом, который необходимо охладить или нагреть.

Рисунок 3.  Схематическое описание термоэлектрического модуля Пельтье

Предположим, что температура теплового узла равна Th, тогда теплота, выделяемая в окружающую среду, равна Q_h. Температура холодного спая равна T_c, а теплота, поглощаемая извне, равна Q_o. Входная мощность термопары равна Вт, а ток в петле равен I. Если не учитывать все возможные потери:

где: p - коэффициент Пельтье, который определяется коэффициентом (a) и температурой холодного конца (Т_с).

теплопроводности полупроводника. Определенное количество тепла передается от горячего конца к холодному:

Наконец, определение тепла, поглощаемого холодным концом снаружи:

Количество вырабатываемой теплоты:

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Общая имитационная модель, встроенная в приложение Matlab-Simulink, представлена на рисунке 4. С помощью приведенной выше модели можно проанализировать эффективность управления температурой для аккумуляторов, изготовленных из элементов Winston WB-LYP90. Основные параметры аккумуляторного элемента приведены на рисунке 3. Изначально температура аккумуляторного блока сбалансирована с температурой окружающей среды. Система охлаждения использует термоэлемент питания TB-127-2.0-1.15 (рис. 4). Тестовый цикл, используемый при моделировании, называется WLTP.

Рисунок 4. Общий вид имитационной модели

Таблица 3.

Технические характеристики WB-LYP90AHA

Таблица 4.

Технические характеристики термоэлектрического модуля TB-127-2.0-1.15

Результаты моделирования представлены на рис. 5-8

Рисунок 5. Сценарное изменение скорости транспортного средства (WLTP)

На рисунке 5 показан сценарий моделирования, на первом этапе от 0 до 589 с, соответствующем времени движения транспорта в муниципалитете, максимальная скорость составляет 56,5 км/ч, а расстояние перемещения 3095 м. 2-й этап с 590 по 1023 с соответствует извлечению транспортных средств на окраину, максимальная скорость которых достигает 76,6 км/ч, дистанция прохождения которых составляет 4756 м. На следующем этапе транспортное средство движется с высокой скоростью и замедляется с 1024 до 1479 секунд, максимальная скорость составляет 97,4 км/ч, расстояние - 7162 м. Заключительный этап, с 1478 по 1800 с, соответствует движению транспорта по шоссе, максимальная скорость которого составляет 131,3 км/ч, пройденное расстояние - 8254 м.

Рисунок 6. Сила тока разряда аккумуляторной батареи в соответствии со сценарием

Сила тока разряда аккумулятора прямо пропорциональна изменению скорости и ускорения транспортного средства, в данной модели значение силы тока рассчитывается с помощью блока “speed to current” (рисунок 4), а изменение силы тока разряда показано на рисунке 6.

Рисунок 7. SoC аккумуляторной батареи в соответствии с моделируемым сценарием

На рисунке 7 показано снижение SoC в соответствии с моделируемым сценарием. В начале SoC = 95%, а в конце моделирования показатель снижается до SoC = 81%.

Рисунок 8. Изменения температуры охлаждающего воздуха и накопления энергии во время моделирования

На рисунке 8 показаны результаты моделирования температуры охлаждающего воздуха для батареи (точечный рисунок) и температуры аккумуляторной батареи (мгновенный ход). Линия разлома указывает на то, что во время моделирования температура окружающей среды в шахте была установлена на 40℃. В начальный момент температура аккумуляторной батареи и температура воздуха в камере уравновешиваются температурой окружающей среды Tbat=Tair=Tamb=40℃. Когда система термостатирования подключается к одностороннему источнику питания, включается функция охлаждения. Источник холода от элемента Пельтье вызывает резкое понижение температуры воздуха в камере для охлаждения аккумуляторного блока. t=112 с, температура аккумуляторной батареи снижается до значения tbat=35℃, что соответствует температуре охлаждающего воздуха Tair=24,5 oC. На следующем этапе, t=(400-1400 с), из-за того, что аккумуляторный блок во время работы выделяет тепло и обменивается им с холодным воздухом в боксе, температура аккумуляторного блока колеблется в районе значения tbat=25 ℃. На заключительном этапе, согласно сценарию моделирования, при движении автомобиля по шоссе (Vмак = 131 км/ч) температура аккумуляторной батареи значительно повышается и достигает максимального значения Tbatmax=35℃ при t=1742 с. Во время моделирования температура аккумуляторной батареи постоянно меняется в зависимости от условий эксплуатации автомобиля. Благодаря системе терморегулирования температура аккумуляторной батареи поддерживается в идеальном диапазоне (16-35oC). Такой температурный режим извлечения помогает литий-ионным аккумуляторам достигать высочайшей эффективности работы.

4. ВЫВОДЫ

В статье проанализировано влияние высоких температур на эффективность работы аккумуляторной батареи на электромобилях.

Была разработана модель литий-ионной аккумуляторной батареи в сочетании с системой термостатирования, использующей термоэлектрический элемент.

Результаты моделирования показали целесообразность использования термостата с термоэлектрическими элементами Пельтье. Согласно предложенному сценарию, когда температура окружающей среды в шахте установлена на уровне 40℃, температура аккумуляторной батареи поддерживается стабильной в диапазоне 13-25℃. Это оптимальный диапазон рабочих температур для литий-ионных аккумуляторных батарей. Работа в этом температурном диапазоне способствует повышению производительности аккумулятора, что позволяет увеличить дальность движения электромобилей на одном заряде.

Список литературы:

1. Pesaran, A. Addressing the impact of temperature extremes on large format Li-ion batteries for vehicle applications  // 30th international battery semina, March 11-14, 2013. [Electronic resource]. – access mode: https://www.nrel.gov/docs/fy13osti/58145.pdf. [дата обращения: 14.06.2024].
2. Gregory, L.P. Battery Management Systems - Battery Modeling (Volume I) / L.P.Gregory. – Artech House, 2015.  – 327 p. ISBN-13: 978-1-63081-023-8.
3. Ibrahim, D., Halil, S.H., Nader, J. Thermal Management of Electric Vehicle Battery Systems / D. Ibrahim, S.H.Halil, J.Nader.  – John Wiley & Sons Ltd. –2017. –457 p.  DOI:10.1002/9781118900239.
4. Global EV Outlook 2024. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2024. [дата обращения: 15.06.2024].
5. Budde-Meiwes, H., Drillkens, J., Lunz, B., Muennix, J., Rothgang, S., Kowal, J., et al. A review of current automotive battery technology and future prospects / H.Budde-Meiwes  // Proc Inst Mech Eng Part D J Automob Eng. – 2013. – Vol. 227. – pp. 761–76. DOI.10.1177/0954407013485567.
6. Sun, J., Li, J., Zhou, T., Yang, K., Wei, S., Tang, N., et al. Toxicity, a serious concern of thermal runaway from commercial Li-ion battery / J.Sun // Nano Energy. – 2016. – Vol. 27. pp. – 313–319. DOI.10.1016/j.nanoen.2016.06.031.
7. Karpukhin, K.E., Shorin, A.A., Terenchenko, A.S., Umnitsyn, A.A., Kondrashov, V.N. Research of effectiveness of accumulator systems of hybrid motorcars and electromobiles in conditions of negative temperatures / K.E.Karpukhin // Vestnik Mashinostroeniya. – 2016. – Vol. 8. – pp. 26–29.
8. Karpukhin, K.E., Terenchenko, A.S., Shorin, A.A., Bakhmutov, S.V., Kurmaev, R.H. Temperature control of the battery for hybrid or electric vehicle / K.E.Karpukhin // Biosciences biotechnology research Asia. – 2015. – Vol. 12. – pp. 1297–1301.
9. Karpukhin, K.E., Bakhmutov, S.V., Shorin, A.A., Terenchenko, A.S., Endachev, D.V.  Theoretical and experimental studies of traction batteries of electric vehicles in the conditions of negative temperatures, for example, the Russian Federation / K.E.Karpukhin // Fisita world automotive congress. – 2016. – pp. 38–46.
10. Nguyen, K.M., Karpukhin, K.E. Electric vehicles operation peculiarities in hot climate (on the example of socialist republic of Vietnam) / K.M.Nguyen // Trudy NAMI. – 2022. – Vol. 3. – pp. 62–71.
11. Chen, M., Dongxu, O., Liu, J., Wang, J. Investigation on thermal and fire propagation behaviors of multiple lithium-ion batteries within the package / M.Chen // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 157. –113750. DOI.10.1016/j.applther maleng.2019.113750.
12. Andersen, P.H., Mathews, J. ., Rask, M. Integrating private transport into renewable energy policy: the strategy of creating intelligent recharging grids for electric vehicles / P.H.Andersen // Energy Policy. – 2009. – Vol. 37. – pp. 2481–2486. DOI. /10.1016/j.enpol.2009.03.032.