Как посчитать тепловыделение аккумуляторных батарей

Вы используете устаревший браузер. Этот и другие сайты могут отображаться в нём некорректно.
Необходимо обновить браузер или попробовать использовать другой.

Дорогие друзья! Если Ваш дом украшает и обогревает финская печь Туликиви, у вас есть отличная возможность пригласить съёмочную группу FORUMHOUSE для съёмок обзорного сюжета о вашем доме и об этой классной печи! Впереди зима, согреемся от теплой истории!) Пишите нам! expert@forumhouse.ru

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 /10 0,00 оценок: 0

Определение параметров системы охлаждения (вентиляции) для ИБП

Yandex Zen

Тепловыделение при работе ИБП (считаем при номинальной нагрузке, при известном КПД):

Q = P_нагр/h — P_нагр, где Q – тепловыделение (в кВт), P_нагр – величина нагрузки (в кВт, номинальное значение), h — КПД устройства (при номинальной нагрузке, о.е.)

W = Q · K₁, где W объём воздуха в час (м 3 /час), Q – тепловыделение (в Вт), K₁ = 0,29

Тепловыделение в BTU (британские термоединицы):

Q_BTU = Q · K₂, где Q – тепловыделение (в кВт), K₂ = 3412,142

Пример: ИБП мощностью 400 кВА / 360 кВт, КПД при 100% нагрузке = 0,93

Q = 360/0,93 – 360 = 387,10 – 360 = 27,10 кВт

W = 27100 · 0,29=7860 м 3 /час

Q_BTU = 27,10 · 3412,142 = 92470 BTU/час

Исследование теплового состояния аккумулятора в рабочем цикле Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Клименко Георгий Константинович, Ляпин Александр Александрович, Марахтанов Михаил Константинович

Приведены результаты исследования тепловых процессов при заряде и разряде элемента литий-ионной батареи, выполненного в целях прогнозирования его температурного состояния. Определены количество теплоты, отдаваемой элементом в окружающее пространство, температурный уровень и электрические характеристики элемента в рабочем процессе. Объектом экспериментального исследования стал литий-ионный аккумулятор емкостью 150 А*ч. Созданный для этих целей испытательный стенд позволяет проводить заряд элемента токами в диапазоне 20. 75 А и разряд токами 30. 150 А. Количество отведенной от аккумулятора теплоты определялось методом калориметрирования . Температура стенок аккумулятора при естественном охлаждении измерялась с помощью тепловизора в диапазоне температур 18. 65 °С на разных режимах. Получены значения отводимой тепловой мощности, суммарного количества отведенной теплоты, внутреннего сопротивления аккумулятора в процессах заряда и разряда на разных токах и при различных начальных температурах процессов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Investigation of the thermal condition of the battery in the operating cycle

A study of thermal processes during charging and discharging of lithium-ion batteries in order to predict its temperature condition was conducted. The amount of heat, which is given away to the surroundings by the element, the temperature level and the electrical characteristics of the element were measured in the working process. Unit of lithium-ion battery with a capacity of 150 A*h was the object of experimental study. Experimental stand allows to supply the element with charge currents in the range of 20. 75 A, and with discharge currents of 30. 150 A. The amount of heat, which was extracted from the unit, was determined by calorimetric method with water heating. The temperature of walls in the unit in case of natural convection was determined by thermographic camera in temperature range of 18. 65 °C on different modes. As a result of the study, the withdrawn heat capacity, the total amount of extracted heat, the internal resistance of the unit in the process of charging and discharging at different currents and at different initial temperature processes were obtained.

Текст научной работы на тему «Исследование теплового состояния аккумулятора в рабочем цикле»

Исследование теплового состояния аккумулятора в рабочем цикле

Приведены результаты исследования тепловых процессов при заряде и разряде элемента литий-ионной батареи, выполненного в целях прогнозирования его температурного состояния. Определены количество теплоты, отдаваемой элементом в окружающее пространство, температурный уровень и электрические характеристики элемента в рабочем процессе. Объектом экспериментального исследования стал литий-ионный аккумулятор емкостью 150 А • ч. Созданный для этих целей испытательный стенд позволяет проводить заряд элемента токами в диапазоне 20. 75 А и разряд токами 30. 150 А. Количество отведенной от аккумулятора теплоты определялось методом калориметрирования. Температура стенок аккумулятора при естественном охлаждении измерялась с помощью тепловизора в диапазоне температур 18.65 °С на разных режимах. Получены значения отводимой тепловой мощности, суммарного количества отведенной теплоты, внутреннего сопротивления аккумулятора в процессах заряда и разряда на разных токах и при различных начальных температурах процессов.

Ключевые слова: литий-ионный аккумулятор, заряд, разряд, тепловая мощность, калориметрирование.

Одна из острейших проблем современной энергетики — накопление энергии. В связи с этим ведутся интенсивные работы по созданию новых химических накопителей, в частности, литий-ионных аккумуляторных батарей, обладающих рядом преимуществ [1].

В мощных силовых энергетических установках используют химические аккумуляторные батареи (АБ), состоящие из большого количества аккумуляторов. Их количество, электрическое соединение и компоновка в аккумуляторной батарее определяются емкостью батареи, ее напряжением и размещением в энергоустановке. В эксплуатации АБ реализуется рабочий цикл, включающий процессы заряда и разряда, при которых через элементы батареи протекают электрические токи, обычно достаточно большие, сопровождающиеся выделением теплоты в каждом элементе. Это приводит к нагреву и аккумуляторов, и батареи в целом. Кроме того, в рабочем цикле происходят химические процессы с выделением или поглощением энергии и соответствующим изменением температуры. Рабочая температура аккумулятора не должна превышать +50 °С при любых режимах работы АБ. Для определения допустимых температур при эксплуатации батареи необходимо знать количество теплоты, выделяющейся в аккумуляторе в процессах рабочего цикла АБ. Тепловое состояние

каждого аккумулятора также будет определяться его собственным тепловыделением и теплообменом с другими элементами батареи.

Целью работы стало исследование тепловых процессов при заряде и разряде элемента батареи для прогнозирования его температурного состояния. Для этого необходимо было определить количество теплоты, отдаваемой элементом в окружающее пространство, температурный уровень и электрические характеристики элемента в рабочем процессе.

Объектом исследования стал литий-ионный аккумулятор ЛИКГП-150 емкостью С = 150 А • ч. Размеры корпуса аккумулятора 190 х 130 х 61,5 мм, масса 4,5 кг [2].

В целях исследования характеристик аккумулятора создан стенд с зарядным и нагрузочным устройствами для реализации рабочего цикла, а также калориметр для контроля тепловых процессов. В качестве зарядного устройства использовался трехфазный нерегулируемый выпрямитель ВУ-600 и последовательно соединенные с ним балластные реостаты типа РБ-301. Нагрузочное устройство содержало три указанных балластных реостата, соединенные между собой параллельно и подключенные к элементу. Такая система позволяет проводить заряд аккумулятора токами в диапазоне 20.. .75 А и разряд токами 30.150 А. Напряжения уровня 5 В в ходе экспериментов измерялись приборами с ценой деления 0,01 В.

Калориметр выполнен в виде теплоизолированной емкости, в которую помещен аккумулятор с токоподводами, пропущенными через теплоизолированную крышку. Пространство между внутренними стенками калориметра и аккумулятора заполнено водой объемом около 1 л. Масса воды определялась взвешиванием с точностью до 0,1 г. Емкость для воды в калориметре выполнена из пластикового пакета с отражающим покрытием (масса пакета 3 г), а корпус калориметра — из пенополистирола. В пространстве между стенками калориметра и аккумулятором на разной высоте размещены три ртутных термометра с ценой деления 0,1 °С, сделано это для усреднения температуры воды в калориметре. В узком диапазоне измеряемых температур 20.50 °С и напряжений 2.5 В используемые приборы обеспечивают приемлемую точность измерений.

Для измерения теплового потока, отводимого от аккумулятора в окружающую среду, аккумулятор помещен в калориметр, заполненный водой, воспринимающей выделяющуюся в процессе теплоту.

Уравнение баланса энергии представим в виде

где Qa — теплота, отдаваемая аккумулятором, Дж; Qu — теплота, воспринимаемая водой в калориметре; Q„ — теплота, воспринимаемая стенками калориметра.

Устройство калориметра позволяет пренебречь теплотой Qк ввиду ее малости по сравнению с Qв, поэтому принимаем

Qа = Qв = Q. Теплоту Q можно представить в виде

где Мв — масса воды в калориметре, кг; св — теплоемкость воды 4,176 • 103 Дж/(кг • К); АТв — подогрев воды в калориметре, °С.

Мощность теплового потока Р, Вт, отдаваемого аккумулятором в калориметр, рассчитывается по формуле

где АТв /А1 — приращение температуры в интервале времени Аt.

Таким образом, для того чтобы вычислить мощность теплового потока, необходимо измерить температуру воды, время нагрева t, с, в процессах заряда и разряда аккумулятора, а также массу воды в калориметре Мв.

Указанная методика позволяет также определить теплоемкость аккумулятора, предварительно нагрев его и поместив в калориметр. При этом теплоемкость аккумулятора

с = М всвАТ в а МаАТа ‘

где М а — масса аккумулятора, равная 4 500 г.

Проведено два измерения теплоемкости в диапазонах температур 30.50 и 20.30 °С, соответственно получены значения 458 и 747 Дж/(кг • К).

В процессах заряда и разряда измеряются напряжение на клеммах аккумулятора и сила тока, напряжение элемента при нулевом токе нагрузки, температура воды в калориметре Т °С по всем термометрам и время t, мин. При расчете мощности теплового потока используется температура Тср, усредненная по всем термометрам.

Испытания проведены на режимах 30 и 75 А по току заряда, а также на токах 30, 75 и 150 А при разряде аккумулятора.

Для того чтобы определить распределение температуры и оценить уровень нагрева аккумулятора, была измерена температура его поверхности. Для измерений использовался тепловизор БЫК типа БЫ 705 Е с чувствительностью 0,1 °С. Перед экспериментом поверхность корпуса аккумулятора была зачернена. Измерения проводились на режимах 75 А в процессах заряда и разряда с интервалом 10 мин

(1/10 периода процесса). При каждом измерении фиксировалась картина распределения температуры, а также значение и местоположение максимальной и минимальной температуры. Типичное распределение представлено на рис. 1. На снимке видна фронтальная поверхность элемента, вверху слева расположена положительная клемма, вверху справа — отрицательная, на поверхности нанесены изотермы и значения температур (°С), справа рядом с элементом приведена шкала температур.

Рис. 1. Кадр тепловизора с нанесенными изотермами

Следует отметить заметную неравномерность распределения температур с максимумом в области положительной клеммы, с минимумом в нижней части корпуса под отрицательной клеммой и градиентом около 8 °С.

При определении теплового потока калориметрированием нагрев воды в разных местах калориметра может быть различным, поэтому термометры были установлены в разных местах и на разных уровнях: в области анода — Та, в области катода — Тк и в центре аккумулятора — Тс. В расчетах теплового потока использовалась среднеарифметическая температура Тср.

Начальная температура процесса, как правило, находилась в пределах 18.19 °С. Эти значения и будут подразумеваться по умолчанию в качестве начальных. На рис. 2 показано изменение всех температур, как измеренных, так и средней. Характер их изменения аналогичен, значения различаются не принципиально, поэтому в дальнейшем будем оперировать исключительно средней температурой Тср.

Рис. 2. Изменение температуры аккумулятора, тока заряда и мощности теплового потока, отдаваемого аккумулятором в калориметр в процессе заряда

Естественной циркуляции воды в калориметре недостаточно для быстрого выравнивания температуры по всему объему, поэтому в разных точках измерения температура различна (см. рис. 2), однако это различие существенно меньше, чем разница температур на поверхности корпуса аккумулятора, измеренная тепловизором (см. рис. 1).

На рис. 3 и 4 показано изменение температуры в процессах заряда и разряда аккумулятора различными токами. При низкой начальной температуре (18.19 °С) аккумулятор разогревается в любом случае.

Рис. 3. Изменение средней температуры в калориметре при разных токах разряда

Рис. 4. Изменение средней температуры при заряде разными токами для различных начальных температур

Для того чтобы оценить влияние начальной температуры на характеристики процессов, были проведены эксперименты на предварительно прогретом (30 °С) в калориметре элементе и на горячем (52 °С) элементе сразу после окончания процесса разряда на максимальном токе 1,0С.

Средняя температура Тср и подогрев воды ДТ в калориметре растут с изменением уровня заряда аккумулятора, как при заряде, так и при разряде (см. рис. 3-5).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Рис. 5. Подогрев воды ДТ в калориметре в процессе заряда при различных токах и начальных температурах аккумулятора

Наибольший подогрев наблюдается при меньшем токе, равном 0,2С (см. рис. 5). С ростом тока и повышением начальной температуры подогрев снижается. При высокой начальной температуре он вообще отсутствует в первой половине процесса (происходит охлаждение элемента), а затем наблюдается малозаметный подогрев в конце процесса заряда. Таким образом, основными факторами нагрева элемента в процессах заряда и разряда являются сила тока и начальная температура аккумулятора.

Зависимость мощности отдаваемого в калориметр теплового потока от времени показывает его монотонный рост при заряде и разряде за исключением начальных и конечных периодов процесса (рис. 6). Максимальное значение отдаваемого теплового потока определяется силой тока. В начале процесса заряда температура воды в калориметре понижается, т. е. происходит небольшое охлаждение аккумулятора, а затем наблюдается повышение температуры и теплового потока. В конце заряда, после выключения тока, температура воды продолжает некоторое время подниматься и плавно достигает максимума. В начале процесса разряда температура и тепловой поток повышаются монотонно, а в конце, после выключения тока, наблю-

дается их заметный скачок. Эти отклонения можно объяснить эндо- и экзотермическими эффектами реакций при поляризации электролита у электродов. Кроме того, отклонения могут быть связаны с изменением внутреннего сопротивления элемента, которое также было определено.

Рис. 6. Мощность теплового потока, отдаваемого аккумулятором в калориметр при различных токах разряда

Внутреннее сопротивление аккумулятора ^вн, вычисляемое как отношение напряжения на клеммах аккумулятора к току заряда или разряда, в обоих случаях — и при заряде, и при разряде — остается на одном уровне (небольшое снижение связано, вероятнее всего, с изменением температуры электролита) за исключением конечного периода процесса разряда, в котором наблюдается заметное повышение сопротивления (рис. 7), обусловленное, по-видимому, истощением энергии, запасенной в аккумуляторе при заряде. В то же время заметна зависимость внутреннего сопротивления от начальной температуры аккумулятора. Наименьшее внутреннее сопротивление было зарегистрировано в процессе заряда горячего блока (начальная температура 52 °С), оно составило 2 мОм и практически не изменялось в течение всего процесса.

В конечном счете суммарное количество теплоты, отведенной от аккумулятора в процессе заряда и разряда при начальной температуре от 18 до 30 °С, с достаточной точностью можно представить в виде линейной функции от уровня заряда или разряда с параметром

Рис. 7. Внутреннее сопротивление элемента на разных режимах

О 0.2 0.4 0.6 0.3 1 1.2

Рис. 8. Суммарное количество теплоты, отведенной от аккумулятора

в процессе заряда

«величина тока», как это видно на рис. 8 и 9. В то же время при включении и выключении тока наблюдается отклонение от показателей регулярного процесса: снижение тепловыделения в начале заряда и повышение после выключения тока в конце разряда. Следует отметить, что при малых токах I з = I р = 0,2С = 30 А, где С — численное

значение емкости аккумулятора в А • ч, интегральное тепловыделение при заряде и разряде примерно одинаковое, а при больших токах (на уровне 0,5 С) при разряде оно существенно выше (90 кДж), чем при заряде (35 кДж).

0.0 0.2 0.4 0.6 0.3 1.0 1.2

Рис. 9. Суммарное количество теплоты, отведенной от аккумулятора

в процессе разряда

При заряде горячего блока тепловые потоки меняют свое направление — аккумулятор поглощает теплоту извне в течение всего цикла заряда (см. рис. 8).

Таким образом, можно сделать следующий вывод: выделение тепловой энергии при заряде-разряде аккумулятора — процесс многофакторный, он зависит от величины и направления токов, начальной температуры и исходного состояния заряда аккумулятора.

Проведенные испытания показали, что при прочих равных условиях рассматриваемый аккумулятор целесообразно эксплуатировать при повышенных температурах 35.45 °С, при которых обеспечивается снижение внутреннего сопротивления, уменьшение конечной температуры и сокращение тепловыделения в аккумуляторе.

Результаты проведенного исследования позволяют определить количество энергии, выделяемой элементом в рабочем процессе, и начать построение модели теплового состояния аккумуляторной батареи.

[1] Быстров Ю.А., Кудрявцев Н.А., Краснобрыжий А.В., Логинова М.М., Жданов В.В. Разработка литий-ионных аккумуляторов и батарей с высокими удельными характеристиками для применения в морских объектах различного назначения. Подводные исследования и робототехника, 2007, № 2 (4), с. 34-37.

[2] Аккумуляторы и аккумуляторные батареи. Санкт-Петербург, ОАО «Аккумуляторная компания «Ригель»», 2011. URL: www.rigel.ru

Статья поступила в редакцию 19.06.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Клименко Г.К., Ляпин А.А., Марахтанов М.К. Исследование теплового состояния аккумулятора в рабочем цикле. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 10. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/plasma/1030.html

Клименко Георгий Константинович родился в 1935 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1960 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Плазменные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор около 200 научных трудов и изобретений в области плазменных технологий, плазменных двигателей, устройств и систем. e-mail: gkk@land.ru

Ляпин Александр Александрович родился в 1950 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1973 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры «Плазменные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 70 научных работ и изобретений в области плазменных технологий, плазменных двигателей и устройств. e-mail: laa@power.bmstu.ru.

Марахтанов Михаил Константинович родился в 1940 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1964 г. Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Плазменные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 270 научных работ и изобретений в области плазменных технологий, плазменных двигателей и устройств. e-mail: dim@power.bmstu.ru.

FAQ – общетехнические вопросы по ИБП 1

Печать

07.10.2014 12:47 |

Можно ли подключать автомобильные аккумуляторы к ИБП?

В ней содержится исчерпывающая информация по данному вопросу.

Как рассчитать тепловыделение ИБП?

Для On-Line ИБП тепловыделение может составлять примерно 10% (5–15%) от номинальной мощности при работе на максимальную нагрузку.

В моделях серии LT (Long Time) добавляется повышенное тепловыделение более мощных зарядных устройств.

Что касается маломощных блоков (1–3 кВА) стоящих в комнате, то их тепловыделение можно не принимать в расчет. Если мощный или сверхмощный ИБП установлен в маленьком помещении, то необходимо отводить тепло с помощью системы вентиляции и кондиционирования (СВК). Холодопроизводительность такой СВК должна быть больше максимального паспортного тепловыделения ИБП, а также других тепловых источников в данном помещении.

Линейно-интерактивные ИБП (Line-Interactive) при работе в сетевом режиме почти не греются. Выделать тепло может лишь зарядное устройство (ЗУ).

Некоторые онлайн ИБП имеют энергосберегающий режим, аналогичный линейно-интерактивному. Устройства переходят в него (при разрешенных установках), если параметры электросети близки к идеальным.

Аккумуляторные батареи не выделяют значительного количества тепла, однако их большие массивы уже требуют СВК и температурной компенсации зарядного тока.

Где применяются ИБП с чистой синусоидой на выходе?

ИБП могут генерировать выходное напряжение следующих форм: прямоугольная форма, аппроксиматичная синусоида, чистый синусоидальный сигнал.

Для защиты некоторых видов нагрузок требуется именно синусоидальная форма сигнала:

Электродвигатели.
Обрабатывающие станки.
Сервоприводные устройства технологических производственных линий.
Любое другое оборудование, содержащего моторы, например, котельные.
Везде где требуется минимальное количество сетевых помех: медицина, научная техника, аудиосистемы и др.

Все современные онлайн ИБП оснащены преобразователями с широтно-импульсной модуляцией, формирующими синусоидальное напряжение идеальной формы даже при работе на нелинейную нагрузку.

Что такое ИБП длительного резерва?

Стандартным временем автономной работы ИБП считается время 5–10 мин. Оно определяется необходимостью защиты компьютерной нагрузки от кратковременных отключений (1–3 мин и меньше) с последующим восстановлением, а также небольшим запасом для возможности штатного отключения нагрузки, сохранения информации и «свертки» операционных систем. Такое время резерва гарантируется минимальным внутренним набором штатных АКБ.

Тем не менее, часто возникает необходимость защиты критичной нагрузки при более длительных авариях в электросети от нескольких десятков минут до нескольких часов.

Для этих целей компания N-Power выпускает целый класс устройств с литерой LT (Long Time). Они предназначены для работы с внешними батареями и оснащены более мощным зарядным устройством (в сравнении со стандартными моделями), позволяющим заряжать батарейные комплекты большой ёмкости.

Примечание: все источники бесперебойного питания мощностью свыше 30 кВА обычно предназначены для работы с внешними батарейными комплектами и могут также считаться устройствами для длительного резерва.

ИБП резервный или интерактивный? Это одно и то же или есть отличия?

ИБП резервного типа (офф-лайн) – это устройство с автоматическим переключателем в схеме, которое при работе в сетевом режиме обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в резервном – переводит ее на питание от батарей. Cм. статью «ИБП резервного типа (Off-Line или Standby)».

Линейно-интерактивный ИБП – это устройство, выполненное по схеме с переключающим устройством (офф-лайн) и дополнительным автоматическим регулятором напряжения (AVR) на базе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором). См. статью «Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive)».

Как заряжать источник бесперебойного питания?

Оговоримся, что речь идет о заряде аккумуляторных батарей ИБП.

После инсталляции ИБП, мы проводим его первичный запуск от электросети. При этом аккумуляторы сразу начинают заряжаться. С этого момента блок сам «заботиться» о своих батареях, заряжает их и поддерживает в оптимальном состоянии при нормальном входном сетевом напряжении.

Если АКБ разряжены (например, после долгого хранения или после длительной работы в автономном режиме) зарядите АКБ не менее 10–12 часов.
ИБП комплектуются свинцово-кислотными батареями АКБ с гелеобразным электролитом (технология AGM). Такие батареи поставляются заряженными на 70–90%, тем не менее перед тестированием ИБП в автономном режиме рекомендуется заряд до 100%.
Ёмкость батарейного комплекта должна соответствовать току зарядного устройства (ЗУ) ИБП. Если ток меньше, то увеличивается время заряда, если больше, то возможно вздутие и выход из строя АКБ.
Современные ИБП (например, N-Power Evo) оснащены ЗУ с температурной компенсацией тока заряда, что позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей.
Время восстановительного заряда глубоко разряженных батарей может составлять 8–10 часов в зависимости от их ёмкости и мощности ЗУ.
Многие современные ИБП (например, N-Power Evo) позволяют ограничивать зарядный ток батарей для работы с батарейными комплектами небольшой мощности, а также для совместной работы с дизельными электростанциями.
Некоторые модели ИБП имеют возможность ручного включения/отключения зарядного устройства. Внимательно читайте инструкцию по эксплуатации! Для нормальной автоматической работы ЗУ должны быть сделаны правильные установки.

Как посчитать тепловыделение аккумуляторных батарей