థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ అంటే ఏమిటి?

థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ అంటే ఏమిటి?

బ్యాటరీ పనితీరుపై ఉష్ణోగ్రత ప్రభావం ఆధారంగా, బ్యాటరీ యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ లక్షణాలు మరియు హీట్ జనరేషన్ మెకానిజమ్‌లతో కలిపి, మరియు నిర్దిష్ట బ్యాటరీ యొక్క సరైన ఛార్జ్/డిశ్చార్జ్ ఉష్ణోగ్రత పరిధిలో గ్రౌన్దేడ్ చేయబడిన బ్యాటరీ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ అనేది బ్యాటరీ ఆపరేషన్ సమయంలో అధిక లేదా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వల్ల సంభవించే వేడి వెదజల్లడం లేదా థర్మల్ రన్‌వేని పరిష్కరించే సాంకేతికత. ఇది హేతుబద్ధమైన డిజైన్ ద్వారా సాధించబడుతుంది మరియు మెటీరియల్ సైన్స్, ఎలెక్ట్రోకెమిస్ట్రీ, హీట్ ట్రాన్స్‌ఫర్, మాలిక్యులర్ డైనమిక్స్ మరియు ఇతర విభాగాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. బ్యాటరీ ప్యాక్ మంచి పనితీరును నిర్వహించడానికి సహేతుకమైన ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత పరిధిని నిర్వహించడం చాలా అవసరం. అందువల్ల, బ్యాటరీ సిస్టమ్ యొక్క మొత్తం పనితీరును మెరుగుపరచడానికి లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీ ప్యాక్‌ల కోసం సహేతుకమైన థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ స్కీమ్‌ను రూపొందించడం చాలా ముఖ్యమైనది.

బ్యాటరీ ప్యాక్ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ కింది ఐదు ప్రధాన విధులను కలిగి ఉంది: ① బ్యాటరీ ఉష్ణోగ్రత యొక్క ఖచ్చితమైన కొలత మరియు పర్యవేక్షణ; ② బ్యాటరీ ప్యాక్ ఉష్ణోగ్రత చాలా ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు సమర్థవంతమైన వేడి వెదజల్లడం మరియు వెంటిలేషన్; తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితుల్లో ③ వేగవంతమైన వేడి; ④ హానికరమైన వాయువులు ఉత్పన్నమైనప్పుడు సమర్థవంతమైన వెంటిలేషన్; మరియు ⑤ బ్యాటరీ ప్యాక్‌లో ఏకరీతి ఉష్ణోగ్రత పంపిణీని నిర్ధారిస్తుంది.

అధిక-పనితీరు గల బ్యాటరీ ప్యాక్ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌కు క్రమబద్ధమైన డిజైన్ విధానం అవసరం. ప్రస్తుతం, థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ల కోసం అనేక డిజైన్ పద్ధతులు ఉన్నాయి. యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లోని నేషనల్ రెన్యూవబుల్ ఎనర్జీ లాబొరేటరీ (NREL) రూపొందించిన బ్యాటరీ ప్యాక్ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించబడుతుంది, దీని రూపకల్పన ప్రక్రియ ఏడు దశలను కలిగి ఉంటుంది:

1) థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క స్వీయ-క్యాలిబర్ మరియు అవసరాలను నిర్ణయించండి. బ్యాటరీ యొక్క ఉష్ణోగ్రత లక్షణాలు మరియు తగిన ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత పరిధి ఆధారంగా, థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క నియంత్రణ స్వీయ-క్యాలిబర్‌ను నిర్ణయించండి. ఉదాహరణకు, లిథియం-అయాన్ పవర్ బ్యాటరీలకు తగిన ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత 10~40 డిగ్రీలు, తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత పరిమితి 0 డిగ్రీ మరియు అధిక{10}}ఉష్ణోగ్రత పరిమితి 45 డిగ్రీలు . అందువల్ల, థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ రూపకల్పన, బ్యాటరీ యొక్క తీవ్రమైన ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రతలను కలుసుకునేటప్పుడు, బ్యాటరీకి తగిన ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత అవసరాలను తీర్చడానికి కృషి చేయాలి.

2) మాడ్యూల్ ఉష్ణ ఉత్పత్తి మరియు ఉష్ణ సామర్థ్యాన్ని కొలవండి లేదా అంచనా వేయండి. బ్యాటరీ ఛార్జ్{2}}డిశ్చార్జ్ పరీక్షలు మరియు బ్యాటరీ యొక్క నిర్దిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం ఆధారంగా అనుకరణ గణనల ద్వారా, వేడి వెదజల్లడం లేదా తాపన శక్తిని నిర్ణయించడం.

3) థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క ప్రారంభ మూల్యాంకనం, ఉష్ణ బదిలీ మాధ్యమాన్ని ఎంచుకోవడం మరియు ఉష్ణ వెదజల్లే నిర్మాణాన్ని రూపొందించడం. సాధారణంగా, బ్యాటరీ శీతలీకరణ ఎయిర్ కూలింగ్ లేదా లిక్విడ్ కూలింగ్ ద్వారా సాధించబడుతుంది. గాలి శీతలీకరణ వ్యవస్థలు నిర్మాణంలో సాపేక్షంగా సరళమైనవి కానీ అసమర్థమైనవి; ద్రవ శీతలీకరణ వ్యవస్థలు నిర్మాణంలో సంక్లిష్టంగా ఉంటాయి కానీ అత్యంత సమర్థవంతమైనవి. వేడి గాలిని వేడి చేయడం, ద్రవ ప్రవాహాన్ని వేడి చేయడం మరియు ఉష్ణ మూలం నుండి నేరుగా ఉష్ణ రేడియేషన్ వేడి చేయడం వంటి వివిధ రకాలైన తాపన పద్ధతులు కూడా ఉన్నాయి.

4) మాడ్యూల్ మరియు బ్యాటరీ ప్యాక్ యొక్క ఉష్ణ ప్రవర్తనను అంచనా వేయండి. బ్యాటరీ ప్యాక్ యొక్క ఆపరేటింగ్ పరిస్థితుల ఆధారంగా, అప్లికేషన్ సమయంలో వేడి వెదజల్లడం మరియు తాపన అవసరాలను అంచనా వేయండి మరియు అంచనా వేయండి.

5) థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క ప్రిలిమినరీ డిజైన్. నిర్ణయించబడిన ఉష్ణ మాధ్యమం మరియు ఉష్ణ ప్రవర్తన అంచనా ఫలితాల ఆధారంగా, థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క సూత్రం మరియు ఇంజనీరింగ్ రూపకల్పనను నిర్వహించండి.

6) థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ను డిజైన్ చేయండి మరియు పరీక్షించండి. స్కేల్ చేయబడిన-డౌన్ లేదా ఫుల్-స్కేల్ బ్యాటరీ సిస్టమ్‌లు మరియు బ్యాటరీ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ను ఉత్పత్తి చేయండి మరియు టెస్ట్ బెంచ్‌లో అనుకరణ వాస్తవ ఆపరేటింగ్ పరిస్థితులలో థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క ప్రభావాన్ని ధృవీకరించండి.

7) థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ను ఆప్టిమైజ్ చేయండి. ప్రయోగాత్మక ఫలితాల ఆధారంగా థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ను మెరుగుపరచండి మరియు ఆప్టిమైజ్ చేయండి.

బ్యాటరీలు మంచి ఉష్ణ వాహకాలు కావు. బ్యాటరీ యొక్క అంతర్గత ఉష్ణ స్థితిని పూర్తిగా అర్థం చేసుకోవడానికి ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత పంపిణీని మాత్రమే తెలుసుకోవడం సరిపోదు. గణిత నమూనాలను ఉపయోగించి అంతర్గత ఉష్ణోగ్రత క్షేత్రాన్ని లెక్కించడం మరియు బ్యాటరీ యొక్క ఉష్ణ ప్రవర్తనను అంచనా వేయడం అనేది బ్యాటరీ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ల రూపకల్పనలో ఒక అనివార్యమైన దశ. ప్రస్తుతం, ప్రధాన స్రవంతి గణిత నమూనాలు రెండు-డైమెన్షనల్ మరియు త్రీ{4}}డైమెన్షనల్ మోడల్‌లను కలిగి ఉన్నాయి. వీటిలో, త్రీ-డైమెన్షనల్ మోడల్, దాని అద్భుతమైన ఖచ్చితత్వం మరియు అనుకూలత కారణంగా, అనేక బ్యాటరీ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌లలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడింది. మోడల్ క్రింది విధంగా ఉంది:

Battery Thermal Field Calculation and Temperature Prediction

ఇక్కడ T అనేది ఉష్ణోగ్రత;

ρ సగటు సాంద్రత;

c_p అనేది బ్యాటరీ యొక్క నిర్దిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యం;

λ_x, λ_y, λ_z వరుసగా x, y మరియు z దిశలలో బ్యాటరీ యొక్క ఉష్ణ వాహకత;

q అనేది యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు ఉష్ణ ఉత్పత్తి రేటు.

బ్యాటరీ పెట్టెలోని వివిధ బ్యాటరీ మాడ్యూళ్ల మధ్య ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసాలు బ్యాటరీ అంతర్గత నిరోధం మరియు సామర్థ్యంలో అసమానతలను పెంచుతాయి. కాలక్రమేణా, ఇది కొన్ని బ్యాటరీల -అధిక ఛార్జింగ్ లేదా ఓవర్ డిశ్చార్జింగ్‌కు దారి తీస్తుంది, వాటి జీవితకాలం మరియు పనితీరును ప్రభావితం చేస్తుంది మరియు భద్రతా ప్రమాదాలను సృష్టించవచ్చు. బ్యాటరీ పెట్టెలోని బ్యాటరీ మాడ్యూళ్ల మధ్య ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసాలు బ్యాటరీ ప్యాక్ అమరికకు దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి. సాధారణంగా, మధ్యలో ఉన్న బ్యాటరీలు వేడిని పేరుకుపోతాయి, అయితే అంచుల వద్ద ఉన్న బ్యాటరీలు మెరుగైన ఉష్ణ వెదజల్లడాన్ని కలిగి ఉంటాయి. అందువల్ల, బ్యాటరీ ప్యాక్ నిర్మాణాన్ని మరియు వేడి వెదజల్లడానికి రూపకల్పన చేసేటప్పుడు, ఏకరీతి ఉష్ణ వెదజల్లడాన్ని నిర్ధారించడం చాలా కీలకం. గాలి శీతలీకరణను ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, సాధారణంగా రెండు వెంటిలేషన్ పద్ధతులు ఉన్నాయి: సిరీస్ మరియు సమాంతర, ఏకరీతి ఉష్ణ వెదజల్లడాన్ని నిర్ధారించడానికి. వాయు ప్రవాహ రూపకల్పన తప్పనిసరిగా ద్రవ మెకానిక్స్ మరియు ఏరోడైనమిక్స్ యొక్క ప్రాథమిక సూత్రాలకు కట్టుబడి ఉండాలి.

బ్యాటరీ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ను రూపొందించేటప్పుడు, అభిమాని యొక్క రకం మరియు శక్తి, ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్ల సంఖ్య మరియు కొలత పాయింట్ల స్థానాన్ని జాగ్రత్తగా ఎంచుకోవాలి.

గాలి శీతలీకరణను ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, శీతలీకరణ వ్యవస్థను రూపకల్పన చేసేటప్పుడు, నిర్దిష్ట శీతలీకరణ ప్రభావాన్ని నిర్ధారిస్తూ, ఫ్యాన్ శబ్దం మరియు విద్యుత్ వినియోగాన్ని తగ్గించడానికి ప్రవాహ నిరోధకతను తగ్గించాలి, తద్వారా మొత్తం వ్యవస్థ సామర్థ్యాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది. ప్రయోగాత్మక, సైద్ధాంతిక గణన మరియు ద్రవ డైనమిక్స్ (CFD) పద్ధతులను ఉపయోగించి ఒత్తిడి తగ్గుదల మరియు ప్రవాహం రేటును అంచనా వేయడం ద్వారా ఫ్యాన్ యొక్క విద్యుత్ వినియోగాన్ని అంచనా వేయవచ్చు. ప్రవాహ నిరోధకత తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, అక్షసంబంధ ప్రవాహ అభిమానులను పరిగణించవచ్చు; ప్రవాహ నిరోధకత ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, సెంట్రిఫ్యూగల్ ఫ్యాన్లు మరింత అనుకూలంగా ఉంటాయి. వాస్తవానికి, అభిమాని ఆక్రమించిన స్థలం మరియు దాని ఖర్చు కూడా పరిగణనలోకి తీసుకోవాలి. ఆప్టిమల్ ఫ్యాన్ కంట్రోల్ స్ట్రాటజీని కనుగొనడం కూడా థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్ యొక్క విధుల్లో ఒకటి.

Schematic diagram of temperature measurement points in the battery box

బ్యాటరీ పెట్టెలోని బ్యాటరీ ప్యాక్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పంపిణీ సాధారణంగా అసమానంగా ఉంటుంది, కాబట్టి, క్లిష్టమైన ఉష్ణోగ్రత పాయింట్లను నిర్ణయించడానికి వివిధ పరిస్థితులలో బ్యాటరీ ప్యాక్ యొక్క థర్మల్ ఫీల్డ్ పంపిణీని తెలుసుకోవడం అవసరం. మరింత ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్లు మరింత సమగ్ర ఉష్ణోగ్రత కొలతను అందిస్తాయి, అయితే సిస్టమ్ ఖర్చు మరియు సంక్లిష్టతను పెంచుతాయి. నిర్దిష్ట ఇంజనీరింగ్ సందర్భం ఆధారంగా, సిద్ధాంతపరంగా, పరిమిత మూలకం విశ్లేషణ, ప్రయోగాలలో ఇన్‌ఫ్రారెడ్ థర్మల్ ఇమేజింగ్ లేదా రియల్-సమయ బహుళ-పాయింట్ ఉష్ణోగ్రత పర్యవేక్షణ బ్యాటరీ ప్యాక్, బ్యాటరీ మాడ్యూల్స్ మరియు వ్యక్తిగత సెల్‌ల యొక్క థర్మల్ ఫీల్డ్ డిస్ట్రిబ్యూషన్‌ను విశ్లేషించడానికి మరియు కొలవడానికి, ఉష్ణోగ్రత కొలత పాయింట్ల సంఖ్యను నిర్ణయించడం మరియు వివిధ ప్రాంతాల్లో తగిన పాయింట్‌లను కనుగొనడం. ఉష్ణోగ్రత కొలతల యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు స్థిరత్వాన్ని మెరుగుపరచడానికి ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్లు శీతలీకరణ గాలి ప్రవాహానికి గురికాకుండా ఉండేలా సాధారణ డిజైన్ నిర్ధారించాలి. బ్యాటరీని రూపకల్పన చేసేటప్పుడు, ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్ల కోసం స్థలం కేటాయించబడాలి; ఉదాహరణకు, తగిన ప్రదేశాలలో తగిన ఓపెనింగ్‌లను రూపొందించవచ్చు. టయోటా యొక్క ప్రియస్ హైబ్రిడ్ ఎలక్ట్రిక్ వాహనం యొక్క బ్యాటరీ ప్యాక్ 228 వ్యక్తిగత సెల్‌లను కలిగి ఉంది మరియు ఉష్ణోగ్రత పర్యవేక్షణ 5 ఉష్ణోగ్రత సెన్సార్‌లచే నిర్వహించబడుతుంది. బీజింగ్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ టెక్నాలజీ రూపొందించిన ఎలక్ట్రిక్ బస్ పవర్ బ్యాటరీ సిస్టమ్ ఒక్కో పెట్టెకు 6 ఉష్ణోగ్రత కొలత పాయింట్‌లను ఉపయోగిస్తుంది (మూర్తి 8-16aలో వృత్తాకార ప్రాంతాన్ని చూడండి), మూర్తి 8-16లో చూపిన విధంగా బ్యాటరీ బాక్స్ యొక్క పాజిటివ్ మరియు నెగటివ్ టెర్మినల్స్ మరియు పవర్ లైన్ అవుట్‌పుట్ పాయింట్ల వద్ద ఏర్పాటు చేయబడింది.

ఉష్ణ బదిలీ మాధ్యమం ఆధారంగా, బ్యాటరీ ప్యాక్ థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌ల శీతలీకరణను మూడు రకాలుగా విభజించవచ్చు: ఎయిర్ కూలింగ్, లిక్విడ్ కూలింగ్ మరియు ఫేజ్ చేంజ్ మెటీరియల్ కూలింగ్. మెటీరియల్ రీసెర్చ్ అండ్ డెవలప్‌మెంట్ మరియు మ్యానుఫ్యాక్చరింగ్ ఖర్చులను పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, అత్యంత ప్రభావవంతమైన మరియు సాధారణంగా ఉపయోగించే హీట్ డిస్సిపేషన్ సిస్టమ్ ప్రస్తుతం గాలిని వేడి వెదజల్లుతున్న మాధ్యమంగా ఉపయోగిస్తుంది.

ఉష్ణ వెదజల్లే వాయుప్రవాహ నిర్మాణం ఆధారంగా, గాలి శీతలీకరణ వ్యవస్థలను రెండు రకాలుగా విభజించవచ్చు: సిరీస్ వెంటిలేషన్ మరియు సమాంతర వెంటిలేషన్, వరుసగా గణాంకాలు 8-17 మరియు 8-18లో చూపిన విధంగా.

శ్రేణి కాన్ఫిగరేషన్‌లో, వేడిని తొలగించడానికి గాలి సాధారణంగా బ్యాటరీ ప్యాక్ యొక్క ఒక వైపు నుండి మరొక వైపుకు ప్రవహిస్తుంది. ఏదేమైనప్పటికీ, ఈ వాయుప్రవాహం అది ముందుగా వెళ్ళే ప్రాంతాల నుండి వేడిని తరువాత దాటిన ప్రాంతాలకు తీసుకువెళుతుంది, ఫలితంగా అస్థిరమైన ఉష్ణోగ్రతలు మరియు గణనీయమైన ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసాలు ఏర్పడతాయి. సమాంతర కాన్ఫిగరేషన్‌లో, మాడ్యూల్స్ మధ్య వాయుప్రసరణ నిలువుగా పెరుగుతుంది, గాలిని మరింత సమానంగా పంపిణీ చేస్తుంది మరియు బ్యాటరీ ప్యాక్ అంతటా స్థిరమైన వేడిని వెదజల్లుతుంది.

థర్మల్ మేనేజ్‌మెంట్ సిస్టమ్‌లు అంతర్గత తాపన లేదా శీతలీకరణ పరికరాలను కలిగి ఉన్నాయా అనే దాని ఆధారంగా నిష్క్రియ మరియు క్రియాశీల వ్యవస్థలుగా వర్గీకరించబడతాయి. నిష్క్రియాత్మక వ్యవస్థలు తక్కువ ఖర్చుతో కూడుకున్నవి మరియు సరళమైన మౌలిక సదుపాయాలు అవసరం; క్రియాశీల వ్యవస్థలు మరింత క్లిష్టంగా ఉంటాయి మరియు ఎక్కువ అదనపు శక్తి అవసరం, కానీ మెరుగైన పనితీరును అందిస్తాయి.

గణాంకాలు 8-19, 8-20 మరియు 8-21 వరుసగా చురుకైన మరియు నిష్క్రియాత్మక గాలి తాపన మరియు ఉష్ణ వెదజల్లే నిర్మాణాల స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రాలను చూపుతాయి.

Thermal Management System Design and Implementation

గణాంకాలు 8-19 మరియు 8-20లో, కారు యొక్క ఎయిర్ కండిషనింగ్ లేదా హీటింగ్ సిస్టమ్ ద్వారా గాలి చల్లబడి మరియు వేడి చేయబడినప్పటికీ, ఇది ఇప్పటికీ నిష్క్రియ వ్యవస్థగా పరిగణించబడుతుంది. ఈ నిష్క్రియ వ్యవస్థతో, ప్రవేశపెట్టిన పరిసర గాలి యొక్క ఉష్ణోగ్రతలో అస్థిరత కారణంగా, సరైన ఉష్ణ నిర్వహణ కోసం పరిసర గాలి తప్పనిసరిగా నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత పరిధిలో (10~35 డిగ్రీ ) పనిచేయాలి. అత్యంత శీతలమైన లేదా వేడి పరిస్థితులలో పనిచేయడం వల్ల బ్యాటరీ ప్యాక్‌లో అసమానత ఎక్కువగా ఉండవచ్చు.

తాపన వ్యవస్థలలో, బ్యాటరీ ప్యాక్‌లో వేడి గాలిని పరిచయం చేయడంతో పాటు, ఇతర పద్ధతులను ఉపయోగించవచ్చు, గణాంకాలు 8-22~8-25 (ప్రిస్మాటిక్ బ్యాటరీల కోసం) చూపిన విధంగా.

Other heating methods