થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ શું છે?

થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ શું છે?

બેટરી થર્મલ મેનેજમેન્ટ, બેટરીના પ્રભાવ પર તાપમાનની અસરના આધારે, બેટરીની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ લાક્ષણિકતાઓ અને હીટ જનરેશન મિકેનિઝમ્સ સાથે જોડાયેલી, અને ચોક્કસ બેટરીના શ્રેષ્ઠ ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ તાપમાન શ્રેણીમાં ગ્રાઉન્ડેડ, એક એવી તકનીક છે જે બેટરીના અતિશય ઊંચા અથવા નીચા તાપમાનને કારણે થર્મલ ભાગદોડને સંબોધિત કરે છે. આ તર્કસંગત ડિઝાઇન દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે અને તે સામગ્રી વિજ્ઞાન, ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી, હીટ ટ્રાન્સફર, મોલેક્યુલર ડાયનેમિક્સ અને અન્ય શાખાઓમાં આધારિત છે. સારી કામગીરી જાળવવા માટે બેટરી પેક માટે વાજબી ઓપરેટિંગ તાપમાન શ્રેણી જાળવવી આવશ્યક છે. તેથી, બેટરી સિસ્ટમના એકંદર પ્રદર્શનને સુધારવા માટે લિથિયમ-આયન બેટરી પેક માટે વાજબી થર્મલ મેનેજમેન્ટ સ્કીમ ડિઝાઇન કરવી ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે.

બેટરી પેક થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમમાં નીચેના પાંચ મુખ્ય કાર્યો છે: ① બેટરી તાપમાનનું ચોક્કસ માપન અને દેખરેખ; ② જ્યારે બેટરી પેકનું તાપમાન ખૂબ ઊંચું હોય ત્યારે અસરકારક ગરમીનું વિસર્જન અને વેન્ટિલેશન; ③ નીચા-તાપમાનની સ્થિતિમાં ઝડપી ગરમી; ④ અસરકારક વેન્ટિલેશન જ્યારે હાનિકારક વાયુઓ ઉત્પન્ન થાય છે; અને ⑤ બેટરી પેકની અંદર સમાન તાપમાન વિતરણની ખાતરી કરે છે.

ઉચ્ચ-પ્રદર્શન બેટરી પેક થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ માટે વ્યવસ્થિત ડિઝાઇન અભિગમની જરૂર છે. હાલમાં, થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સ માટે ઘણી ડિઝાઇન પદ્ધતિઓ અસ્તિત્વમાં છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં નેશનલ રિન્યુએબલ એનર્જી લેબોરેટરી (NREL) દ્વારા ડિઝાઇન કરાયેલ બેટરી પેક થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમનો સૌથી વધુ ઉપયોગ થાય છે, જેની ડિઝાઇન પ્રક્રિયામાં સાત પગલાં શામેલ છે:

1) થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમની સ્વ-કેલિબર અને જરૂરિયાતો નક્કી કરો. બેટરીની તાપમાન લાક્ષણિકતાઓ અને યોગ્ય ઓપરેટિંગ તાપમાન શ્રેણીના આધારે, થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમનું નિયંત્રણ સ્વ-કેલિબર નક્કી કરો. ઉદાહરણ તરીકે, લિથિયમ-આયન પાવર બેટરીઓ માટે યોગ્ય ઓપરેટિંગ તાપમાન 10~40 ડિગ્રી છે, નીચી-તાપમાન મર્યાદા 0 ડિગ્રી અને ઉચ્ચ{10}}તાપમાન મર્યાદા 45 ડિગ્રી છે. તેથી, થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમની ડિઝાઈન, બેટરીના આત્યંતિક ઓપરેટિંગ તાપમાનને પહોંચી વળતી વખતે, બેટરીની યોગ્ય ઓપરેટિંગ તાપમાન જરૂરિયાતોને પહોંચી વળવાનો પ્રયત્ન કરવો જોઈએ.

2) મોડ્યુલ હીટ જનરેશન અને હીટ કેપેસિટી માપો અથવા અંદાજ કરો. બૅટરી ચાર્જ-બૅટરીની વિશિષ્ટ ગરમી ક્ષમતાના આધારે ડિસ્ચાર્જ પરીક્ષણો અને સિમ્યુલેશન ગણતરીઓ દ્વારા, ગરમીનું વિસર્જન અથવા હીટિંગ પાવર નક્કી કરો.

3) થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમનું પ્રારંભિક મૂલ્યાંકન, જેમાં હીટ ટ્રાન્સફર માધ્યમની પસંદગી અને હીટ ડિસીપેશન સ્ટ્રક્ચર ડિઝાઇનનો સમાવેશ થાય છે. સામાન્ય રીતે, બેટરી ઠંડક એર કૂલિંગ અથવા લિક્વિડ કૂલિંગ દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. એર કૂલિંગ સિસ્ટમ્સ બંધારણમાં પ્રમાણમાં સરળ છે પરંતુ બિનકાર્યક્ષમ છે; પ્રવાહી ઠંડક પ્રણાલીઓ બંધારણમાં જટિલ છે પરંતુ અત્યંત કાર્યક્ષમ છે. ગરમીની પદ્ધતિઓના વિવિધ સ્વરૂપો પણ છે, જેમ કે ફરતી હોટ એર હીટિંગ, લિક્વિડ ફ્લો હીટિંગ અને હીટ સ્ત્રોતમાંથી ડાયરેક્ટ થર્મલ રેડિયેશન હીટિંગ.

4) મોડ્યુલ અને બેટરી પેકના થર્મલ વર્તનની આગાહી કરો. બેટરી પેકની ઓપરેટિંગ પરિસ્થિતિઓના આધારે, એપ્લિકેશન દરમિયાન ગરમીના વિસર્જન અને ગરમીની જરૂરિયાતોનું અનુમાન કરો અને તેનું મૂલ્યાંકન કરો.

5) થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમની પ્રારંભિક ડિઝાઇન. નિર્ધારિત ઉષ્મા માધ્યમ અને થર્મલ વર્તન મૂલ્યાંકન પરિણામોના આધારે, થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમના સિદ્ધાંત અને એન્જિનિયરિંગ ડિઝાઇનનું સંચાલન કરો.

6) થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમની ડિઝાઇન અને પરીક્ષણ કરો. સ્કેલ કરેલ-ડાઉન અથવા ફુલ-સ્કેલ બેટરી સિસ્ટમ્સ અને બેટરી થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમનું ઉત્પાદન કરો અને ટેસ્ટ બેન્ચ પર સિમ્યુલેટેડ વાસ્તવિક ઓપરેટિંગ શરતો હેઠળ થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમની અસરકારકતાને ચકાસો.

7) થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમને ઑપ્ટિમાઇઝ કરો. પ્રાયોગિક પરિણામોના આધારે થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમમાં સુધારો અને ઑપ્ટિમાઇઝ કરો.

બેટરીઓ ગરમીના સારા વાહક નથી. બેટરીની આંતરિક થર્મલ સ્થિતિને સંપૂર્ણપણે સમજવા માટે માત્ર સપાટીના તાપમાનના વિતરણને જાણવું અપૂરતું છે. ગાણિતિક મોડલ્સનો ઉપયોગ કરીને આંતરિક તાપમાન ક્ષેત્રની ગણતરી કરવી અને બેટરીની થર્મલ વર્તણૂકનું અનુમાન લગાવવું એ બેટરી થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇન કરવા માટે એક અનિવાર્ય પગલું છે. હાલમાં, મુખ્ય પ્રવાહના ગાણિતિક મોડલમાં બે-પરિમાણીય અને ત્રણ-પરિમાણીય મોડલનો સમાવેશ થાય છે. આ પૈકી, ત્રિ-પરિમાણીય મોડલ, તેની ઉત્તમ ચોકસાઈ અને અનુકૂલનક્ષમતાને કારણે, અસંખ્ય બેટરી થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. મોડેલ નીચે મુજબ છે:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

જ્યાં T એ તાપમાન છે;

ρ એ સરેરાશ ઘનતા છે;

c_p એ બેટરીની ચોક્કસ ગરમી ક્ષમતા છે;

λ_x, λ_y, λ_z એ અનુક્રમે x, y અને z દિશામાં બેટરીની થર્મલ વાહકતા છે;

q એ એકમ વોલ્યુમ દીઠ ગરમી ઉત્પન્ન કરવાનો દર છે.

બેટરી બોક્સની અંદર વિવિધ બેટરી મોડ્યુલો વચ્ચેના તાપમાનનો તફાવત બેટરીના આંતરિક પ્રતિકાર અને ક્ષમતામાં અસંગતતાઓને વધારે છે. સમય જતાં, આ કેટલીક બેટરીઓના ઓવરચાર્જિંગ અથવા વધુ-ડિસ્ચાર્જિંગમાં પરિણમી શકે છે, તેમની આયુષ્ય અને કાર્યપ્રદર્શનને અસર કરી શકે છે અને સલામતી જોખમો સર્જી શકે છે. બૅટરી બૉક્સની અંદરના બૅટરી મોડ્યુલો વચ્ચેના તાપમાનના તફાવતો બૅટરી પૅકની ગોઠવણી સાથે ગાઢ રીતે સંબંધિત છે. સામાન્ય રીતે, મધ્યમાં બેટરીઓ ગરમીનું સંચય કરવાનું વલણ ધરાવે છે, જ્યારે કિનારીઓ પરની બેટરીઓ વધુ સારી રીતે ગરમીનું વિસર્જન કરે છે. તેથી, જ્યારે બેટરી પેકનું માળખું અને ગરમીના વિસર્જનને ડિઝાઇન કરતી વખતે, સમાન ગરમીનું વિસર્જન સુનિશ્ચિત કરવું મહત્વપૂર્ણ છે. હવાના ઠંડકને ઉદાહરણ તરીકે લઈએ તો, સામાન્ય રીતે બે વેન્ટિલેશન પદ્ધતિઓ હોય છે: શ્રેણી અને સમાંતર, એકસમાન ગરમીનું વિસર્જન સુનિશ્ચિત કરવા માટે. એરફ્લો ડિઝાઇનમાં પ્રવાહી મિકેનિક્સ અને એરોડાયનેમિક્સના મૂળભૂત સિદ્ધાંતોનું પાલન કરવું આવશ્યક છે.

બેટરી થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ ડિઝાઇન કરતી વખતે, ચાહકનો પ્રકાર અને શક્તિ, તાપમાન સેન્સરની સંખ્યા અને માપન બિંદુઓનું સ્થાન કાળજીપૂર્વક પસંદ કરવું આવશ્યક છે.

એર કૂલિંગને ઉદાહરણ તરીકે લઈએ, જ્યારે ઠંડક પ્રણાલીની રચના કરતી વખતે, ચોક્કસ ઠંડકની અસરને સુનિશ્ચિત કરતી વખતે, પંખાના અવાજ અને વીજ વપરાશને ઘટાડવા માટે પ્રવાહ પ્રતિકાર ઓછો કરવો જોઈએ, જેનાથી સમગ્ર સિસ્ટમની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થાય છે. પ્રાયોગિક, સૈદ્ધાંતિક ગણતરી અને ફ્લુઇડ ડાયનેમિક્સ (CFD) પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને દબાણમાં ઘટાડો અને પ્રવાહ દરનો અંદાજ લગાવીને ચાહકના વીજ વપરાશનો અંદાજ લગાવી શકાય છે. જ્યારે પ્રવાહ પ્રતિકાર ઓછો હોય છે, ત્યારે અક્ષીય પ્રવાહ ચાહકોને ધ્યાનમાં લઈ શકાય છે; જ્યારે પ્રવાહ પ્રતિકાર વધારે હોય, ત્યારે કેન્દ્રત્યાગી ચાહકો વધુ યોગ્ય હોય છે. અલબત્ત, પંખા દ્વારા કબજે કરેલી જગ્યા અને તેની કિંમત પણ ધ્યાનમાં લેવી આવશ્યક છે. શ્રેષ્ઠ ચાહક નિયંત્રણ વ્યૂહરચના શોધવી એ થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમના કાર્યોમાંનું એક છે.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

બૅટરી બૉક્સની અંદર બૅટરી પૅકનું તાપમાન વિતરણ સામાન્ય રીતે અસમાન હોય છે, તેથી, નિર્ણાયક તાપમાન બિંદુઓને નિર્ધારિત કરવા માટે વિવિધ પરિસ્થિતિઓમાં બેટરી પેકનું થર્મલ ક્ષેત્ર વિતરણ જાણવું જરૂરી છે. વધુ તાપમાન સેન્સર વધુ વ્યાપક તાપમાન માપન પ્રદાન કરે છે, પરંતુ સિસ્ટમની કિંમત અને જટિલતામાં વધારો કરે છે. ચોક્કસ ઈજનેરી સંદર્ભના આધારે, સૈદ્ધાંતિક રીતે, મર્યાદિત તત્વ વિશ્લેષણ, પ્રયોગોમાં ઇન્ફ્રારેડ થર્મલ ઇમેજિંગ અથવા વાસ્તવિક-સમય મલ્ટી-બિંદુ તાપમાન મોનિટરિંગનો ઉપયોગ બેટરી પૅકના થર્મલ ક્ષેત્ર વિતરણ, બેટરી મોડ્યુલ્સ, અને અલગ-અલગ પોઈન્ટ પોઈન્ટ વિસ્તારો નક્કી કરવા, અલગ-અલગ પોઈન્ટ પોઈન્ટ વિસ્તારો શોધવા અને તાપમાન માપવા માટેના થર્મલ ફિલ્ડ ડિસ્ટ્રિબ્યુશનનું વિશ્લેષણ અને માપન કરવા માટે થઈ શકે છે. સામાન્ય ડિઝાઈન એ સુનિશ્ચિત કરવું જોઈએ કે તાપમાન માપનની ચોકસાઈ અને સ્થિરતા સુધારવા માટે તાપમાન સેન્સર્સ ઠંડકયુક્ત હવાના પ્રવાહના સંપર્કમાં ન આવે. બેટરી ડિઝાઇન કરતી વખતે, તાપમાન સેન્સર માટે જગ્યા આરક્ષિત હોવી જોઈએ; ઉદાહરણ તરીકે, યોગ્ય સ્થળોએ યોગ્ય ઓપનિંગ્સ ડિઝાઇન કરી શકાય છે. ટોયોટાના પ્રિયસ હાઇબ્રિડ ઇલેક્ટ્રિક વાહનના બેટરી પેકમાં 228 વ્યક્તિગત કોષો છે, અને તાપમાનનું નિરીક્ષણ 5 તાપમાન સેન્સર દ્વારા કરવામાં આવે છે. બેઇજિંગ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ ટેક્નોલોજી દ્વારા ડિઝાઇન કરાયેલ ઇલેક્ટ્રિક બસ પાવર બેટરી સિસ્ટમ બોક્સ દીઠ 6 તાપમાન માપન બિંદુઓનો ઉપયોગ કરે છે (આકૃતિ 8-16a માં વર્તુળાકાર વિસ્તાર જુઓ), હકારાત્મક અને નકારાત્મક ટર્મિનલ્સ અને બેટરી બોક્સના પાવર લાઇન આઉટપુટ પોઇન્ટ પર ગોઠવાયેલા, આકૃતિ 8-16 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.

હીટ ટ્રાન્સફર માધ્યમના આધારે, બેટરી પેક થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમના ઠંડકને ત્રણ પ્રકારમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: એર કૂલિંગ, લિક્વિડ કૂલિંગ અને ફેઝ ચેન્જ મટિરિયલ કૂલિંગ. સામગ્રીના સંશોધન અને વિકાસ અને ઉત્પાદન ખર્ચને ધ્યાનમાં લેતા, સૌથી વધુ અસરકારક અને સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી ઉષ્મા વિસર્જન પ્રણાલી હાલમાં ઉષ્માના વિસર્જન માધ્યમ તરીકે હવાનો ઉપયોગ કરે છે.

હીટ ડિસીપેશન એરફ્લો સ્ટ્રક્ચરના આધારે, એર ઠંડક પ્રણાલીઓને વધુ બે પ્રકારમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: શ્રેણી વેન્ટિલેશન અને સમાંતર વેન્ટિલેશન, અનુક્રમે આકૃતિ 8-17 અને 8-18 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.

શ્રેણીના રૂપરેખાંકનમાં, ગરમીને દૂર કરવા માટે હવા સામાન્ય રીતે બેટરી પેકની એક બાજુથી બીજી તરફ વહે છે. જો કે, આ એરફ્લો અગાઉ જે વિસ્તારોમાંથી પસાર થાય છે ત્યાંથી તે પછીથી પસાર થતા વિસ્તારોમાંથી ગરમીનું વહન કરે છે, જેના પરિણામે અસંગત તાપમાન અને નોંધપાત્ર તાપમાન તફાવતો થાય છે. સમાંતર રૂપરેખાંકનમાં, મોડ્યુલો વચ્ચેનો એરફ્લો ઊભી રીતે વધે છે, હવાને વધુ સમાનરૂપે વિતરિત કરે છે અને સમગ્ર બેટરી પેકમાં સતત ગરમીનું વિસર્જન સુનિશ્ચિત કરે છે.

થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સને નિષ્ક્રિય અને સક્રિય સિસ્ટમ્સમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે કે શું તેમની પાસે આંતરિક ગરમી અથવા ઠંડક ઉપકરણો છે. નિષ્ક્રિય પ્રણાલીઓ ઓછી ખર્ચાળ હોય છે અને તેને સરળ ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરની જરૂર હોય છે; સક્રિય સિસ્ટમો વધુ જટિલ છે અને વધુ વધારાની શક્તિની જરૂર છે, પરંતુ વધુ સારી કામગીરી પ્રદાન કરે છે.

આકૃતિઓ 8-19, 8-20 અને 8-21 અનુક્રમે સક્રિય અને નિષ્ક્રિય એર હીટિંગ અને હીટ ડિસીપેશન સ્ટ્રક્ચર્સના યોજનાકીય આકૃતિઓ દર્શાવે છે.

Thermal Management System Design and Implementation

આકૃતિ 8-19 અને 8-20 માં, કારની એર કન્ડીશનીંગ અથવા હીટિંગ સિસ્ટમ દ્વારા હવાને ઠંડી અને ગરમ કરવામાં આવી હોવા છતાં, તે હજુ પણ નિષ્ક્રિય સિસ્ટમ તરીકે ગણવામાં આવે છે. આ નિષ્ક્રિય પ્રણાલી સાથે, પરિચયિત આસપાસની હવાના તાપમાનમાં અસંગતતાને લીધે, યોગ્ય થર્મલ વ્યવસ્થાપન માટે આસપાસની હવા ચોક્કસ તાપમાન શ્રેણી (10~35 ડિગ્રી) ની અંદર કાર્યરત હોવી જોઈએ. અત્યંત ઠંડી અથવા ગરમ સ્થિતિમાં કામ કરવાથી બેટરી પેકમાં વધુ અસમાનતા આવી શકે છે.

હીટિંગ સિસ્ટમ્સમાં, બેટરી પેકમાં ગરમ હવા દાખલ કરવા ઉપરાંત, અન્ય પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરી શકાય છે, જેમ કે આકૃતિ 8-22~8-25 (પ્રિઝમેટિક બેટરીઓ માટે) માં બતાવ્યા પ્રમાણે.

Other heating methods