Анализ влияния параметров теплообменников на эффективность работы системы термостатирования тяговой аккумуляторной батареи электромобиля

Введение (постановка задачи и актуальность). В условиях стремительного развития электромобильной индустрии и увеличения спроса на экологически чистые транспортные средства вопросы эффективности и надёжности тяговых батарей становятся всё более актуальными. Одним из ключевых факторов, влияющих на долговечность и производительность батарей, является их рабочая температура. Система термостатирования тяговых батарей электромобилей позволяет поддерживать оптимальную температуру, что способствует увеличению срока службы, повышению энергоэффективности и обеспечению безопасности эксплуатации электромобилей.

Цель работы – исследование конструкций и параметров систем термостатирования тяговых батарей электромобилей, а также анализ влияния формы каналов, количества каналов, расположения входов и выходов и других факторов на эффективность системы термостатирования, использующих различные форм-факторы ячеек.

Методология и методы. В рамках исследования проведён обзор научных работ, посвящённых различным методам и технологиям, применяемым для поддержания оптимальной температуры батарей. Анализируются существующие подходы к термостатированию, их преимущества и недостатки, а также возможности для улучшения.

Результаты и научная новизна. В результате исследования были определены параметры тепло- обменников, которые позволяют повысить эффективность работы системы термостатирования тяговой аккумуляторной батареи электромобиля. Учтены различные форм-факторы ячеек батареи, что позволило выявить оптимальные конструктивные решения для разных типов батарей.

Практическая значимость. Полученные результаты предоставляют информацию о том, какой тип теплообменника необходимо устанавливать для снижения потерь энергии при отводе тепла от тяговой батареи электромобиля. Это позволит оптимизировать системы термостатирования, повысить их надёжность и долговечность, а также снизить эксплуатационные затраты.

1. Vikram S., Vashisht S., Rakshit D., Wan M.P. Recent advancements and performance implications of hybrid battery thermal management systems for electric vehicles // Journal of Energy Storage. – 2024. – V. 90. – P. 111814. DOI: 10.1016/j.est.2024.111814.

2. Wang Q.S., Ping P., Zhao X.J., Chu G.Q., Sun J.H., Chen C.H. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium-ion battery // Journal of Power Sources. – 2012. – V. 208. – P. 210–224.

3. Gharehghani А., Rabiei M., Mehranfar S., Saeedipour S., Mahmoudzadeh Andwari A., García A., Reche C.M. Progress in battery thermal management systems technologies for electric vehicles // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2024. – V. 202. – P. 114654. DOI: 10.1016/j.rser.2024.114654.

4. Ярославцев А.Б., Кулова Т.Л., Скундин А.М. Электродные наноматериалы для литий-ионных аккумуляторов // Успехи химии. – 2015. – Т. 84. – № 8. – С. 826–852. EDN: UBFFCB.

5. Чудинов Е.А., Ткачук С.А., Шишко В.С. Техно- логические основы производства литий-ионного аккумулятора // Электрохимическая энергетика. – 2015. – Т. 15. – № 2. – С. 84–92. EDN: VVIZLN. 6. Rojas O.E., Khan M.A. A review on electrical and mechanical performance parameters in lithium-ion battery packs // Journal of Cleaner Production. – 2022. – V. 378. – P. 134381. DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.134381.

6. Новак В.В., Стручков В.С., Курмаев Р.Х. Поиск эффективной конструкции системы термостатирования высоковольтной батареи для автотранспортных средств на электротяге // Труды НАМИ. – 2019. – № 4 (279). – C. 52–60. EDN: JDIIVJ.

7. Shahjalal M., Shams T., Islam Md.E., Alam W., Modak M., Hossain S.B., Ramadesigan V., Ahmed Md.R., Ahmed H., Iqbal A. A review of thermal management for Li-ion batteries: Prospects, challenges, and issues // Journal of Energy Storage. – 2021. – V. 39. – P. 102518. DOI: 10.1016/j.est.2021.102518.

8. Hasan H.A., Togun H., Abed A.M., Biswas N., Mohammed H.I. Thermal performance assessment for an array of cylindrical Lithium-ion battery cells using an Air-Cooling system // Applied Energy. – 2023. – V. 346. – P. 121354. DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121354.

9. Xu Ju., Guo Zh., Xu Z., Zhou X., Mei X. A systematic review and comparison of liquid-based cooling system for Lithium-ion batteries // eTransportation. – 2023. – V. 17. – P. 100242. DOI: 10.1016/j.etran.2023. 100242.

10. Kharabati S., Saedodin S. A systematic review of thermal management techniques for electric vehicle batteries // Journal of Energy Storage. – 2024. – V. 75. – P. 109586. DOI: 10.1016/j.est.2023.109586.

11. Choudhari V.G., Dhoble A.S., Sathe T.M. A review on effect of heat generation and various thermal management systems for Lithium ion battery used for electric vehicle // Journal of Energy Storage. – 2020. – V. 32. – P. 101729. DOI: 10.1016/j.est.2020.101729.

12. Bhutto Ya.A., Pandey A.K., Saidur R., Sharma K., Tyagi V.V. Critical insights and recent updates on passive battery thermal management system integrated with nanoenhanced phase change materials // Materials Today Sustainability. – 2023. – V. 23. – P. 100443. DOI: 10.1016/j.mtsust.2023.100443.

13. Khan M.R., Swierczynski M.J., Kær S.K. Towards an ultimate battery thermal management system: a review // Batteries. – 2017. – V. 3. – No. 1. – P. 9. DOI: 10.1016/j.mtsust.2023.100443.

14. Fathoni A.M., Putra N., Mahlia T.M. A systematic review of battery thermal management systems based on heat pipes // Journal of Energy Storage. – 2023. – V. 73. – P. 109081. DOI: 10.1016/j.est.2023.109081.

15. Wu W., Wang S., Chen K., Hong S., Lai Y. A critical review of battery thermal performance and liquid based battery thermal management // Energy Conversion and Management. – 2019. – V. 182. – P. 262–281. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.12.051.

16. Zhao D., An Ch., Jia Zh., Lei Zh. Structure optimization of liquid-cooled plate for electric vehicle lithiumion power batteries // International Journal of Thermal Sciences. – 2024. – V. 195. – P. 108614. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2023.108614.

17. Monika K., Datta S.P. Comparative assessment among several channel designs with constant volume for cooling of pouch-type battery module // Energy Conversion and Management. – 2022. – V. 251. – P. 114936. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114936.

18. Aujla G., Ranganayakulu Ch. Establishment of Colburn ‘j’ factor and Fanning friction factor ‘f’ correlations for a compact heat exchanger having perforated wavy fins using Computational Fluid Dynamics // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2024. – V. 108. – P. 109484. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2024.109484.

19. Li L., Ling L., Xie Ya., Zhou W., Wang T., Zhang L., Bei Sh., Zheng K., Xu Q. Comparative study of thermal management systems with different cooling structures for cylindrical battery modules: Side-cooling vs. terminal- cooling // Energy. – 2023. – V. 274. – P. 127414. DOI: 10.1016/j.energy.2023.127414.

20. Shrinet E.S., Akula R., Kumar L. Improvement in serpentine channel based battery thermal management system geometry using variable contact area and its multi- objective design optimization // Journal of Energy Storage. – 2024. – V. 96. – P. 112726. DOI: 10.1016/j. est.2024.112726.