Необходимость отключать дома от газа усилилась после конфликта в Украине. Тепловая батарея с солью и водой в качестве простых компонентов может обеспечить быстрое и крупномасштабное решение для более чем трех миллионов домохозяйств в Нидерландах, что вдвое превышает целевой показатель, установленный правительством Нидерландов. Эта тепловая батарея, разрабатываемая консорциумом Технологического университета Эйндховена, TNO, дочерней компании Cellcius и промышленных партнеров, дешева, компактна, без потерь и теперь готова к первым испытаниям в реальных условиях.

Благодаря накоплению тепла в домах и использованию огромного количества промышленного отработанного тепла, которое в противном случае было бы выброшено, эта батарея потенциально может изменить правила игры в сфере энергетики. Вот четыре причины, по которым стоит зарядиться энергией перед появлением этой инновационной батареи.

1. Основа батареи удивительно проста

Простой эксперимент сразу раскрывает суть тепловой батареи. Наполните маленькую бутылочку белыми крупинками соли, добавьте немного воды, и она начнет шипеть. Более того, как по волшебству, бутылка мгновенно становится невероятно горячей. Олаф Адан демонстрировал эксперимент бесчисленное количество раз, снова и снова поражая зрителей.

Адан, профессор TU/e ​​и главный исследователь TNO, находится в центре тепловой батареи Эйндховена, которая по существу вращается вокруг относительно старого термохимического принципа: реакции гидрата соли с водяным паром. «Кристаллы соли поглощают воду, становятся больше и при этом выделяют тепло», — говорит Адан. Отсюда и быстро разогревающаяся бутылка.

Но возможно и обратное. «Добавляя тепло, вы испаряете воду и фактически «высушиваете» соль, тем самым уменьшая размер кристаллов соли», — объясняет Адан. Пока в этот сухой солевой порошок не попадает вода, в нем всегда сохраняется тепло. Таким образом, в отличие от других типов аккумулирования тепла, ничего не теряется: батарея полностью без потерь.

Этот процесс можно повторять бесконечно, тем или иным образом, тем самым обеспечивая основу для тепловой батареи, которая может накапливать тепло и использовать его позднее и в другом месте. Это решение для неустойчивой подачи возобновляемой энергии в дома и здания, а также для целесообразного повторного использования «отходов тепла» в другом месте.

Хотя принцип работы батареи может быть простым, его применение в батарее, безусловно, не так. Обратите внимание на то, что Адан работал над этим более 12 лет. Например, выбор конкретного солевого материала не является самоочевидным. Известны тысячи реакций гидратов солей с водой. Адан очень подробно изучил их все и в конце концов обнаружил, что только очень ограниченное их количество обладает подходящими свойствами для использования в батарее.

«Такой кристалл соли становится все больше и меньше, тепло все время входит и выходит. Значит, с такой частицей что-то происходит. В результате она может быстро распадаться или слипаться с другими частицами. Значит, вам нужен материал которые вы можете продолжать использовать циклически», — говорит Адан. В конце концов, он и его команда остановились на карбонате калия в качестве основы, легко экстрагируемой соли, которую можно найти во многих продуктах, таких как продукты питания, мыло или стекло.

Тогда вам также необходимо устройство, которое позволит в полной мере использовать потенциал этого материала. Если он должен поместиться в доме, он должен быть компактным и желательно доступным, а также высокоэффективным. «Итак, вы начинаете рассматривать всевозможные концепции реакторов, например, в вакууме или на открытом воздухе, но пока безуспешно», — говорит Адан.

В конце концов, Адан пришел к так называемой замкнутой системе, демонстратор которой он построил в 2019 году. Эта рециркуляционная система состоит из компонентов, включая теплообменник, вентилятор, испаритель/конденсатор и котел с частицами соли. При 7 кВт-ч это все еще было довольно минимально — теоретически это могло обеспечить отопление типичной семьи из четырех человек в течение двух дней.

«Это все еще выглядело довольно просто, с существующей, зрелой технологией, но это позволило нам продемонстрировать, что наша концепция, какой бы простой она ни была, работает.» Доказательства, которые позволили Адану в рамках европейского консорциума HEAT-INSYDE (включая TU/e, TNO, Caldic и стороны из Франции, Бельгии, Польши и Швейцарии) выиграть европейскую субсидию в размере семи миллионов евро для дальнейшего развития. Затем команда приступила к «обновлению» демонстратора до прототипа, готового к практическому использованию. Теперь это было достигнуто.

2. Технология оптимизирована для использования в реальных условиях

По размерам реализованный прототип, вероятно, сравним с демонстратором, но на этом видимые сходства заканчиваются. Прототип выглядит как большой шкаф с десятками шкафчиков, из которого торчат всевозможные кабели.

Удивительно, но каждый дуэт маленьких «шкафчиков» представляет собой тепловую батарею, которая по объему хранения не уступает оригинальному демонстратору. Всего устройство содержит около 30 «шкафчиков» с общей емкостью хранения более 200 кВтч. Адан рассматривает это в перспективе: «Это эквивалентно двум полностью заряженным Теслам».

«Мы оптимизировали предыдущую версию множеством способов, — с гордостью объясняет Адан. «Мы перепроектировали отдельные компоненты, такие как испаритель и теплообменник, лучше использовали пространство и использовали другие материалы». Между тем, блок также включает в себя систему измерения и контроля, например, чтобы вы знали, когда заряжать и сколько тепла осталось в системе.

Для большинства приложений не требуется такая большая батарея. Вот почему мы сознательно выбрали те множественные маленькие блоки, которые вы можете комбинировать по своему желанию; модульная система, другими словами. «Если у вас есть один большой контейнер с солью, вы должны начать использовать его сразу. Это очень неэффективно», — говорит Адан. Таким образом, вы можете использовать «кусочки» батареи отдельно от остальных.

Кроме того, отдельные блоки предлагают все виды дизайнерских возможностей, делая возможными различные формы и размеры, в зависимости от желаемой практической ситуации. Адан говорит о прототипе, ориентированном на пользователя. «Это еще не продукт, но теперь все готово для первого тестирования в реальной ситуации».

И что испытания начнутся в конце этого года, с первыми пилотными работами тепловых батарей в домах. Аккумуляторная батарея емкостью около 70 кВтч будет установлена ​​в четырех домах, двух в Эйндховене, одном в Польше и одном во Франции, чего хватило бы на несколько дней без солнца и ветра.

Несмотря на то, что это «всего» четыре дома, Адан ожидает, что они «очень многому научатся из этого». Например, тестирование даст ценную информацию о том, что еще необходимо на практике для применения батареи в больших масштабах, а также о том, что об этом думает пользователь. Например, должно ли быть приложение для управления батареей?

3. Транспортировка тепла имеет решающее значение в переходе к энергии

Идея, с которой все началось, заключалась в использовании тепловой батареи в качестве аккумулирующего средства в домах. Тем временем, однако, консорциум также рассматривает возможность накопления тепла в офисных зданиях, теплицах или, например, электрических автобусах или роскошных кораблях.

Но, поняли они, если эта термобатарея может хранить тепло без потерь, то ее можно и транспортировать без потерь. В конце концов, с сухой солью ничего не происходит, пока не добавляется вода. Именно здесь тепловая батарея может сыграть решающую роль, потому что другие формы передачи тепла, например, по трубам или фазовым переходам, всегда приводят к потерям.

Поэтому консорциум также уделяет внимание промышленному остаточному теплу как источнику тепла, своего рода «тепловым отходам», таким как побочный продукт производства на заводах или избыточное тепло от центров обработки данных. Это тепло уже не такое «горячее»; при температурах ниже 150 градусов Цельсия он не имеет значения для большинства отраслей промышленности.

Однако для дома такое тепло очень полезно. Такой температуры более чем достаточно для обогрева дома или принятия горячего душа. Если бы промышленное остаточное тепло можно было использовать для обогрева домов, у вас была бы беспроигрышная ситуация: дома можно было бы сделать независимыми от газа — что еще более насущно, учитывая зависимость от (российского) газа — и CO ₂ выбросы будут снижены.

Адан делает быстрый расчет. «В Нидерландах у нас есть около 150 петаджоулей (число с 15 нулями) остаточного тепла от промышленности в год. Это позволит вам отключить от газа почти 3,5 миллиона домов, что более чем в два раза превышает цель правительства Нидерландов. а именно 1,5 миллиона домов без газа к 2030 году».

Если вы наложите расположение источников промышленного остаточного тепла и домов на карту Нидерландов, Адан говорит, что совпадение достаточно хорошее. Между ними не более 30 километров.

Тем не менее, это слишком много для тепловых сетей, на которых сейчас сосредоточено внимание правительства. «Тепловые сети используют трубы с водой, которая охлаждает и поэтому ограничивает ваш радиус действия», — объясняет Адан. «Кроме того, тепловые сети сопряжены с огромным инвестиционным риском, и для их строительства необходимо вскрыть весь ландшафт — не слишком привлекательный вариант».

Вместе с консорциумом, включающим Cellcius (подробнее об этом чуть позже), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside и SABIC, Адан в настоящее время готовит испытание в реальных условиях для использования тепловой батареи для повторного использования промышленных отходов. нагревать. Остаточное тепло из кампуса Chemelot в Sittard-Geleen будет передаваться примерно пятидесяти домам по соседству в том же муниципалитете.

Адан: «С помощью станции подзарядки тепла в SABIC мы собираем тепло и сушим соль. Затем мы отвозим эту соль на грузовике в своего рода «дом-трансформер» в жилом районе, откуда пятьдесят домов снабжаются теплом через трубы. Так что нам не нужно быть в самих домах «.

И да, грузовики вредны для климата, но Адан может всех успокоить. «Выбросы от этого ничтожны по сравнению с выбросами, которые мы сокращаем с помощью этого транспорта тепла. Кроме того, мы хотим в ближайшее время перейти на электрические грузовики».

Пилотный проект должен начаться в течение следующего года, когда первые грузовики с «энергией» отправятся в путь.

4. Переход к валоризации усиливает развитие

Теперь, когда технология вот-вот будет внедрена в общество, были также предприняты шаги в организационном и финансовом плане. Например, дочерняя компания Cellcius — первая объединенная дочерняя компания TNO и TU/e ​​— была основана в конце 2020 года. «Формально компания была основана 11 числа 11 числа, как и должно быть в Брабанте», — смеется Адан в честь даты традиционного начала Карнавала.

Молодая компания еще небольшая, на данный момент в ней пять человек. Но Адан ожидает, что к концу года их число вырастет примерно до 10–15 человек. «Кроме того, из Eindhoven Engine мы привлекаем множество студентов из разных областей для совместной работы над различными аспектами».

После семизначного европейского гранта было также обеспечено большое дополнительное финансирование для реализации предстоящего пилотного жилищного проекта. И благодаря недавним инвестициям от Brabant Development Corporation, Innovation Industries и GoeieGrutten Impact Fund, были внесены последние штрихи в финансовую картину пилотного проекта по транспортировке тепла.

Теперь, когда Адан через Селлкиуса больше не участвует исключительно в качестве исследователя, а одной ногой занимается повышением ценности, он видит, как это взаимодействие оказывает усиливающее влияние на технологию. «Потому что вы сейчас действительно работаете над продуктом, который, в свою очередь, порождает новые вопросы для основы, технологии. Это прекрасный пример совместного творчества и того, как оно позволяет вам ускорить этот цикл».

Несмотря на многообещающие технологии, которые он имеет в своем распоряжении, Адан остается приземленным. «Несмотря на то, что потенциал велик, мы также видели много отличных потенциальных технологий, которые не были реализованы. Поэтому мы собираемся твердо стоять на земле и делать этот шаг за шагом. Я в этом только для одного вещь: здорово иметь возможность внести свой вклад в энергетический переход».

Узнать больше

Нет места для теплового насоса? Вот так вся улица могла бы отделаться от газового отопления

Предоставлено Эйндховенский технологический университет

Цитата : Как новая батарея тепла может быстро сделать миллионы домов без газа (2022, 25 апреля) получено 25 октября 2022 г. из https://techxplore.com/news/2022-04-battery-quickly-millions-homes-gas-free.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Управление температурным режимом батареи

Влияние температуры

Диапазон рабочих температур

Действие всех батарей зависит от электрохимического процесса, будь то зарядка или разрядка, и мы знаем, что эти химические реакции каким-то образом зависят от температуры. Номинальная производительность батареи обычно указывается для рабочих температур где-то в диапазоне от +20°C до +30°C, однако фактическая производительность может существенно отличаться от этой, если батарея работает при более высоких или низких температурах. Типичные графики производительности см. в разделе «Температурные характеристики».

Закон Аррениуса говорит нам, что скорость, с которой протекает химическая реакция, увеличивается экспоненциально с повышением температуры (см. Срок службы батареи). Это позволяет извлекать из батареи больше мгновенной мощности при более высоких температурах. В то же время более высокие температуры улучшают подвижность электронов или ионов, снижая внутреннее сопротивление клетки и увеличивая ее емкость.

В верхней части шкалы высокие температуры могут также инициировать нежелательные или необратимые химические реакции и/или потерю электролита, что может привести к необратимому повреждению или полному отказу батареи. Это, в свою очередь, устанавливает верхний предел рабочей температуры для батареи.

В нижней части шкалы электролит может замерзнуть, что ограничивает низкотемпературные характеристики. Но намного выше точки замерзания электролита характеристики батареи начинают ухудшаться, так как скорость химической реакции снижается. Несмотря на то, что батарея может работать при температурах до -20°C или -30°C, производительность при 0°C и ниже может серьезно ухудшиться.

Учтите также, что нижний предел рабочей температуры батареи может зависеть от состояния ее заряда. Например, в свинцово-кислотном аккумуляторе, когда аккумулятор разряжается, сернокислотный электролит все больше разбавляется водой, и соответственно повышается его температура замерзания.

Таким образом, батарея должна находиться в ограниченном диапазоне рабочих температур, чтобы можно было оптимизировать как емкость заряда, так и срок службы. Таким образом, практической системе может потребоваться как нагрев, так и охлаждение, чтобы поддерживать ее не только в рабочих пределах, указанных производителем батареи, но и в более ограниченном диапазоне для достижения оптимальной производительности.

заключается не только в соблюдении этих ограничений. Аккумулятор подвержен нескольким одновременным внутренним и внешним тепловым воздействиям, которые необходимо держать под контролем.

Электрическое отопление (Джоулево отопление)

При работе любой батареи выделяется тепло из-за потерь I ² R при протекании тока через внутреннее сопротивление батареи независимо от того, заряжается она или разряжается. Это также известно как Джоулев нагрев. В случае разряда общая энергия в системе фиксирована, и повышение температуры будет ограничено доступной энергией. Однако это все еще может вызывать очень высокие локальные температуры даже в маломощных батареях. Такой автоматический предел не применяется во время зарядки, поскольку ничто не мешает пользователю продолжать подавать электроэнергию в аккумулятор после того, как он полностью заряжен. Это может быть очень рискованная ситуация.

Конструкторы аккумуляторов стремятся поддерживать внутреннее сопротивление элементов как можно ниже, чтобы свести к минимуму тепловые потери или выделение тепла внутри аккумулятора, но даже при таком низком сопротивлении элемента, как 1 миллиОм, нагрев может быть значительным. Примеры см. в разделе Эффекты внутреннего импеданса.

Термохимический нагрев и охлаждение

В дополнение к джоулеву нагреву, химические реакции, протекающие в клетках, могут быть экзотермическими, добавляя выделяемое тепло, или они могут быть эндотермическими, поглощая тепло в процессе химического действия. Таким образом, перегрев, скорее всего, будет проблемой экзотермических реакций, в которых химическая реакция усиливает тепло, выделяемое текущим потоком, а не эндотермических реакций, где химическое действие противодействует этому. Во вторичных батареях, поскольку химические реакции обратимы, химические реакции, которые являются экзотермическими во время зарядки, будут эндотермическими во время разрядки, и наоборот. Так что от проблемы никуда не деться. В большинстве случаев Джоулев нагрев превысит эндотермический охлаждающий эффект, поэтому все же необходимо принять меры предосторожности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы экзотермичны во время зарядки, а аккумуляторы VRLA склонны к тепловому выходу из строя (см. ниже). Ячейки NiMH также экзотермичны во время зарядки, и по мере того, как они приближаются к полной зарядке, температура ячейки может резко возрасти. Следовательно, зарядные устройства для NiMH элементов должны быть спроектированы таким образом, чтобы обнаруживать повышение температуры и отключать зарядное устройство, чтобы предотвратить повреждение элементов. Напротив, батареи на основе никеля с щелочными электролитами (NiCads) и литиевые батареи являются эндотермическими во время зарядки. Тем не менее, тепловой разгон все еще возможен во время зарядки этих аккумуляторов, если они подвержены перезарядке.

Термохимия литиевых элементов несколько сложнее и зависит от состояния интеркаляции ионов лития в кристаллическую решетку. Во время зарядки реакция сначала является эндотермической, а затем переходит в слегка экзотермическую в течение большей части цикла зарядки. Во время разряда реакция обратная, сначала экзотермическая, затем переходит в слегка эндотермическую на протяжении большей части цикла разряда. Как и в других химических процессах, джоулев тепловой эффект больше, чем термохимический эффект, пока ячейки остаются в своих проектных пределах.

Внешние тепловые эффекты

Тепловое состояние батареи также зависит от окружающей среды. Если его температура выше температуры окружающей среды, он будет терять тепло посредством теплопроводности, конвекции и излучения. Если температура окружающей среды выше, батарея будет нагреваться от окружающей среды. Когда температура окружающей среды очень высока, система управления температурным режимом должна работать очень усердно, чтобы поддерживать температуру под контролем. Отдельный элемент может очень хорошо работать при комнатной температуре сам по себе, но если он является частью аккумуляторной батареи, окруженной аналогичными элементами, выделяющими тепло, даже если он несет одинаковую нагрузку, он может значительно превысить свои температурные пределы.

Температура — ускоритель

Конечным результатом термоэлектрических и термохимических эффектов, возможно усиленных условиями окружающей среды, обычно является повышение температуры, и, как мы отмечали выше, это вызывает экспоненциальное увеличение скорости, с которой протекает химическая реакция. Мы также знаем, что при чрезмерном повышении температуры может произойти много неприятных вещей

• Активные химические вещества расширяются, вызывая набухание клетки
• Механическая деформация компонентов ячейки может привести к короткому замыканию или обрыву цепи
• Могут происходить необратимые химические реакции, вызывающие необратимое снижение количества активных химических веществ и, следовательно, емкости клетки
.
• Продолжительная работа при высокой температуре может привести к растрескиванию пластиковых частей ячейки
• Повышение температуры ускоряет химическую реакцию, увеличивая температуру еще больше, что может привести к тепловому разгону
• Могут выделяться газы
• Внутри ячейки повышается давление
• Ячейка может в конечном итоге разорваться или взорваться
• Могут выделяться токсичные или легковоспламеняющиеся химические вещества
• Судебные иски последуют

По иронии судьбы инженеры по производству аккумуляторов стремятся впихнуть все больше и больше энергии во все меньшие объемы, а инженеру-прикладнику все труднее получить ее снова. Большая сила новых аккумуляторов, к сожалению, также является источником их самой большой слабости.

Теплоемкость объекта определяет его способность поглощать тепло. Проще говоря, для данного количества тепла, чем больше и тяжелее объект, тем меньше будет повышение температуры, вызванное теплом.

В течение многих лет свинцово-кислотные батареи были одним из немногих источников питания, доступных для приложений высокой мощности. Из-за их большого размера и веса повышение температуры во время работы не было серьезной проблемой. Но в поисках более компактных и легких аккумуляторов с более высокой мощностью и плотностью энергии неизбежным последствием является снижение тепловой емкости аккумулятора. Это, в свою очередь, означает, что для данной выходной мощности повышение температуры будет выше.

(Это предполагает аналогичный внутренний импеданс и аналогичные термохимические свойства, что может не обязательно иметь место. ) В результате рассеивание тепла является серьезной инженерной проблемой для батарей с высокой плотностью энергии, используемых в приложениях высокой мощности. Разработчики ячеек разработали инновационные методы конструирования ячеек, чтобы отводить тепло от ячейки. Разработчики аккумуляторных батарей должны найти не менее инновационные решения для отвода тепла от аккумуляторной батареи.

Аналогичные конфликты возникают с батареями электромобилей и гибридных автомобилей. Аккумулятор электромобиля большой, с хорошими возможностями отвода тепла за счет конвекции и теплопроводности и подвержен низкому повышению температуры из-за своей высокой теплоемкости. С другой стороны, батарея HEV с меньшим количеством элементов, но каждая из которых несет более высокие токи, должна выдерживать ту же мощность, что и батарея EV, но менее чем в одну десятую размера. С более низкой теплоемкостью и более низкими свойствами рассеивания тепла это означает, что батарея HEV будет подвергаться гораздо большему повышению температуры.

Принимая во внимание необходимость поддерживать работу элементов в пределах допустимого диапазона температур (см. «Срок службы» в разделе «Неисправности литиевых батарей»), батарея электромобиля, скорее всего, столкнется с проблемами, связанными с поддержанием ее тепла в нижней части диапазона температур, в то время как аккумулятор HEV с большей вероятностью будет иметь проблемы с перегревом в условиях высокой температуры, хотя они оба рассеивают одинаковое количество тепла.

В случае электромобиля при очень низких температурах окружающей среды самонагрев (I ² R нагрев) за счет протекающего тока во время работы, скорее всего, будет недостаточным для повышения температуры до желаемых рабочих уровней из-за габаритов аккумулятора и для повышения температуры могут потребоваться внешние нагреватели. Это может быть обеспечено за счет отвлечения части емкости батареи на отопление. С другой стороны, то же I ² R тепловыделение в аккумуляторной батарее HEV, работающей в условиях высокой температуры, может привести к тепловому разгону, и необходимо обеспечить принудительное охлаждение.

См. также Технические характеристики электромобилей, гибридных автомобилей и гибридных электромобилей в разделе «Тяговые батареи»

Термический разгон

Рабочая температура, достигаемая в батарее, является результатом температуры окружающей среды, дополненной теплом, выделяемым батареей. Если батарея подвергается чрезмерным токам, возникает возможность теплового разгона, что приводит к катастрофическому разрушению батареи. Это происходит, когда скорость выделения тепла внутри батареи превышает ее способность рассеивания тепла. Есть несколько условий, которые могут привести к этому:

• Первоначально тепловые потери I ² R зарядного тока, протекающего через элемент, нагревают электролит, но сопротивление электролита уменьшается с температурой, так что это, в свою очередь, приводит к тому, что более высокий ток приводит к еще большему повышению температуры, усиление реакции до тех пор, пока не будет достигнуто состояние бегства.
• Во время зарядки зарядный ток вызывает экзотермическую химическую реакцию химических веществ в ячейке, которая усиливает выделение тепла зарядным током.
• Или во время разряда тепло, выделяемое экзотермическим химическим действием, генерирующим ток, усиливает резистивный нагрев из-за протекания тока внутри элемента.
• Слишком высокая температура окружающей среды.
• Недостаточное охлаждение

Если не принять каких-либо защитных мер, последствиями теплового разгона могут стать расплавление элемента или повышение давления, что может привести к взрыву или пожару, в зависимости от химического состава и конструкции элемента. Подробнее см. в разделе «Неисправности литиевых батарей».

Система терморегулирования должна держать все эти факторы под контролем.

Примечание

Термический разгон может произойти во время зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов с регулируемым клапаном, когда выделение газа подавляется, а рекомбинация способствует повышению температуры. Это не относится к залитым свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку электролит выкипает.

Регуляторы температуры

Отопление

Работать в условиях низких температур относительно легко. В простейшем случае в батарее обычно достаточно энергии для питания самонагревающихся элементов, которые постепенно доводят батарею до более эффективной рабочей температуры, когда нагреватели можно отключить. В некоторых случаях достаточно поддерживать цикл зарядки аккумулятора, когда он не используется. В более сложных случаях, например, с высокотемпературными батареями, такими как батарея Zebra, работающая при температуре, значительно превышающей нормальную температуру окружающей среды, может потребоваться некоторый внешний нагрев, чтобы довести батарею до рабочей температуры при запуске, и может потребоваться специальная теплоизоляция для поддержания температуру как можно дольше после выключения.

Охлаждение

Для аккумуляторов малой мощности обычных схем защиты достаточно, чтобы поддерживать аккумулятор в пределах рекомендуемых пределов рабочей температуры. Однако цепи высокой мощности требуют особого внимания к управлению тепловым режимом.

Цели проектирования

• Защита от перегрева —
  В большинстве случаев это просто включает в себя контроль температуры и прерывание пути тока, если температура достигает температурных пределов, с использованием обычных схем защиты. Хотя это предотвратит повреждение батареи от перегрева, тем не менее, она может отключить батарею до того, как будет достигнут предел допустимой нагрузки по току, что серьезно ограничит ее производительность.
• Рассеивание избыточного тепла —
  Отвод тепла от батареи позволяет проводить более высокие токи до того, как будут достигнуты пределы температуры. Тепло выходит из батареи за счет конвекции, теплопроводности и излучения, и задача разработчика упаковки состоит в том, чтобы максимизировать эти естественные потоки, поддерживая низкую температуру окружающей среды, обеспечивая прочный, хороший путь отвода тепла от батареи (используя металлические охлаждающие стержни или пластины между ячеек, если это необходимо), максимально увеличивая площадь поверхности, обеспечивая хороший естественный поток воздуха через упаковку или вокруг нее и устанавливая ее на проводящую поверхность.
• Равномерное распределение тепла —

Несмотря на то, что тепловой расчет батареи может быть более чем достаточным для рассеивания всего тепла, выделяемого батареей, внутри аккумуляторной батареи все еще могут быть локальные горячие точки, температура которых может превышать указанные предельные значения. Это может быть проблемой с ячейками в середине многоэлементной упаковки, которые будут окружены теплыми или горячими ячейками по сравнению с внешними ячейками в упаковке, обращенными к более прохладной среде.

Градиент температуры на аккумуляторной батарее может серьезно повлиять на срок службы батареи. Согласно закону Аррениуса, при повышении температуры на каждые 10°С скорость химической реакции увеличивается примерно вдвое. Это создает несбалансированную нагрузку на элементы батареи, а также усугубляет любой возрастной износ элементов. См. также «Взаимодействия между ячейками» и «Балансировка ячеек».

Разделение ячеек во избежание этой проблемы увеличивает объем упаковки. Для выявления потенциальных проблемных зон может потребоваться тепловизионное изображение.

Пассивное рассеивание можно еще больше улучшить, установив ячейки в блок из теплопроводного материала, который действует как теплоотвод. Теплопередачу от ячеек можно максимизировать, если для этой цели использовать материал с фазовым переходом (PCM), поскольку он также поглощает скрытую теплоту фазового перехода при переходе из твердого состояния в жидкое. В жидком состоянии также вступает в действие конвекция, увеличивающая потенциал для теплового потока и выравнивания температуры по всей аккумуляторной батарее. Для этого применения доступны графитовые губчатые материалы с высокой проводимостью, насыщенные воском, который поглощает дополнительное тепло, когда температура достигает точки плавления.

• Минимальная добавка к весу —
  Для приложений с очень высокой мощностью, таких как тяговые батареи, используемые в электромобилях и гибридных автомобилях, естественного охлаждения может быть недостаточно для поддержания безопасной рабочей температуры, и может потребоваться принудительное охлаждение. Это должно быть последним средством, так как это усложняет конструкцию батареи, увеличивает вес батареи и потребляет энергию. Однако, если принудительное охлаждение неизбежно, первым выбором обычно является принудительное воздушное охлаждение с использованием вентилятора или вентиляторов. Это относительно просто и недорого, но теплоемкость теплоносителя, воздуха, который предназначен для отвода тепла, относительно низка, что ограничивает его эффективность. В худшем случае может потребоваться жидкостное охлаждение.
  Для очень высоких скоростей охлаждения требуются рабочие жидкости с более высокой теплоемкостью. Вода обычно является первым выбором, потому что она недорогая, но можно использовать и другие жидкости, такие как этиленгликоль (антифриз), которые имеют лучшую теплоемкость. Вес хладагента, насосов для его циркуляции, охлаждающих рубашек вокруг ячеек, трубопроводов и коллекторов для переноса и распределения хладагента, а также радиатора или теплообменника для его охлаждения — все это значительно увеличивает общий вес, сложность и стоимость. аккумулятора. Эти штрафы могут значительно перевесить выгоды, которые ожидаются от использования аккумуляторов с высокой плотностью энергии.