पावर बैटरी के ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम की तापीय प्रबंधन प्रणाली का विश्लेषण

नई ऊर्जा वाहनों की प्रमुख तकनीकों में से एक है पावर बैटरी। बैटरी की गुणवत्ता एक ओर तो इलेक्ट्रिक वाहनों की लागत निर्धारित करती है, वहीं दूसरी ओर उनकी ड्राइविंग रेंज को भी प्रभावित करती है। यह स्वीकार्यता और तेजी से अपनाने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।

पावर बैटरियों की उपयोग विशेषताओं, आवश्यकताओं और अनुप्रयोग क्षेत्रों के अनुसार, देश और विदेश में पावर बैटरियों के अनुसंधान और विकास के प्रकार मोटे तौर पर इस प्रकार हैं: लेड-एसिड बैटरियां, निकेल-कैडमियम बैटरियां, निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरियां, लिथियम-आयन बैटरियां, ईंधन सेल आदि, जिनमें से लिथियम-आयन बैटरियों के विकास पर सबसे अधिक ध्यान दिया जाता है।

पावर बैटरी की ऊष्मा उत्पादन व्यवहार

पावर बैटरी मॉड्यूल के ऊष्मा स्रोत, ऊष्मा उत्पादन दर, बैटरी की ऊष्मा क्षमता और अन्य संबंधित पैरामीटर बैटरी की प्रकृति से घनिष्ठ रूप से जुड़े होते हैं। बैटरी द्वारा उत्सर्जित ऊष्मा बैटरी की रासायनिक, यांत्रिक और विद्युत प्रकृति और विशेषताओं पर निर्भर करती है, विशेष रूप से विद्युत रासायनिक अभिक्रिया की प्रकृति पर। बैटरी अभिक्रिया में उत्पन्न ऊष्मा ऊर्जा को बैटरी अभिक्रिया ऊष्मा Qr द्वारा व्यक्त किया जा सकता है; विद्युत रासायनिक ध्रुवीकरण के कारण बैटरी का वास्तविक वोल्टेज उसके संतुलन विद्युत प्रेरक बल से विचलित हो जाता है, और बैटरी ध्रुवीकरण के कारण होने वाली ऊर्जा हानि को Qp द्वारा व्यक्त किया जाता है। अभिक्रिया समीकरण के अनुसार होने वाली बैटरी अभिक्रिया के अलावा, कुछ सह-अभिक्रियाएँ भी होती हैं। विशिष्ट सह-अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रोलाइट का अपघटन और बैटरी का स्वतः निर्वहन शामिल हैं। इस प्रक्रिया में उत्पन्न सह-अभिक्रिया ऊष्मा Qs है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि किसी भी बैटरी में अनिवार्य रूप से प्रतिरोध होता है, इसलिए धारा प्रवाहित होने पर जूल ऊष्मा Qj उत्पन्न होती है। अतः, बैटरी की कुल ऊष्मा निम्नलिखित पहलुओं की ऊष्मा का योग है: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj।

चार्जिंग (डिस्चार्जिंग) प्रक्रिया के आधार पर, बैटरी में ऊष्मा उत्पन्न करने वाले मुख्य कारक भी भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, सामान्य चार्जिंग के दौरान, Qj प्रमुख कारक होता है; और चार्जिंग के बाद के चरणों में, इलेक्ट्रोलाइट के विघटन के कारण, साइड रिएक्शन होने लगते हैं (साइड रिएक्शन से उत्पन्न ऊष्मा Qs होती है)। जब बैटरी लगभग पूरी तरह चार्ज हो जाती है या ओवरचार्ज हो जाती है, तो मुख्य रूप से इलेक्ट्रोलाइट का विघटन होता है, जहाँ Qj प्रमुख होता है। जूल ऊष्मा Qj करंट और प्रतिरोध पर निर्भर करती है। आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली चार्जिंग विधि स्थिर करंट पर की जाती है, और इस समय Qj का मान विशिष्ट होता है। हालांकि, स्टार्ट-अप और एक्सेलरेशन के दौरान, करंट अपेक्षाकृत अधिक होता है। HEV के लिए, यह दसियों एम्पीयर से लेकर सैकड़ों एम्पीयर तक के करंट के बराबर होता है। इस समय, जूल ऊष्मा Qj बहुत अधिक होती है और बैटरी से ऊष्मा निकलने का मुख्य स्रोत बन जाती है।

तापीय प्रबंधन की नियंत्रणीयता के दृष्टिकोण से, तापीय प्रबंधन प्रणालियों को दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: सक्रिय और निष्क्रिय। ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम के दृष्टिकोण से, तापीय प्रबंधन प्रणालियों को वायु-शीतलित, द्रव-शीतलित और चरण-परिवर्तन तापीय भंडारण में विभाजित किया जा सकता है।

ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम के रूप में वायु का उपयोग करके ऊष्मीय प्रबंधन

ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम का तापीय प्रबंधन प्रणाली के प्रदर्शन और लागत पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम के रूप में वायु का उपयोग करने का अर्थ है वायु को सीधे बैटरी मॉड्यूल में प्रवाहित करना ताकि ऊष्मा का अपव्यय हो सके। सामान्यतः, इसके लिए पंखे, प्रवेश और निकास वेंटिलेशन तथा अन्य घटकों की आवश्यकता होती है।
वायु ग्रहण के विभिन्न स्रोतों के आधार पर, सामान्यतः निम्नलिखित रूप होते हैं:
1. बाहरी हवा के वेंटिलेशन के साथ पैसिव कूलिंग
2. यात्री डिब्बे के वायु वेंटिलेशन के लिए निष्क्रिय शीतलन/तापन
3. बाहरी हवा या यात्री डिब्बे की हवा को सक्रिय रूप से ठंडा/गर्म करना
इस पैसिव सिस्टम की संरचना अपेक्षाकृत सरल है और यह सीधे मौजूदा वातावरण का उपयोग करती है। उदाहरण के लिए, यदि सर्दियों में बैटरी को गर्म करने की आवश्यकता हो, तो यात्री डिब्बे के गर्म वातावरण से हवा अंदर ली जा सकती है। यदि ड्राइविंग के दौरान बैटरी का तापमान बहुत अधिक हो जाता है और यात्री डिब्बे की हवा का शीतलन प्रभाव पर्याप्त नहीं होता है, तो बाहर से ठंडी हवा अंदर लेकर उसे ठंडा किया जा सकता है।

सक्रिय प्रणाली के लिए, हीटिंग या कूलिंग कार्यों को प्रदान करने और बैटरी की स्थिति के अनुसार स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने के लिए एक अलग प्रणाली स्थापित करने की आवश्यकता होती है, जिससे वाहन की ऊर्जा खपत और लागत भी बढ़ जाती है। विभिन्न प्रणालियों का चयन मुख्य रूप से बैटरी की उपयोग आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

तरल को ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम के रूप में उपयोग करके ऊष्मीय प्रबंधन

तरल माध्यम से ऊष्मा स्थानांतरण के लिए, मॉड्यूल और तरल माध्यम के बीच ऊष्मा स्थानांतरण संचार स्थापित करना आवश्यक है, जैसे कि वाटर जैकेट, ताकि संवहन और ऊष्मा चालन के रूप में अप्रत्यक्ष तापन और शीतलन हो सके। ऊष्मा स्थानांतरण माध्यम जल, एथिलीन ग्लाइकॉल या रेफ्रिजरेंट हो सकता है। पोल पीस को डाइइलेक्ट्रिक के तरल में डुबोकर प्रत्यक्ष ऊष्मा स्थानांतरण भी किया जा सकता है, लेकिन शॉर्ट सर्किट से बचने के लिए इन्सुलेशन उपाय किए जाने चाहिए।

पैसिव लिक्विड कूलिंग में आमतौर पर लिक्विड-एम्बिएंट एयर हीट एक्सचेंज का उपयोग किया जाता है और फिर सेकेंडरी हीट एक्सचेंज के लिए बैटरी में कोकून डाले जाते हैं, जबकि एक्टिव कूलिंग में इंजन कूलेंट-लिक्विड मीडियम हीट एक्सचेंजर या इलेक्ट्रिक हीटिंग/थर्मल ऑयल हीटिंग का उपयोग करके प्राइमरी कूलिंग की जाती है। हीटिंग, पैसेंजर केबिन एयर/एयर कंडीशनिंग रेफ्रिजरेंट-लिक्विड मीडियम के साथ प्राइमरी कूलिंग।
वायु और तरल को माध्यम के रूप में उपयोग करने वाली ऊष्मीय प्रबंधन प्रणाली में पंखे, जल पंप, ऊष्मा विनिमय यंत्र, हीटर आदि की आवश्यकता होती है।पीटीसी एयर हीटरपाइपलाइन और अन्य सहायक उपकरण संरचना को बहुत बड़ा और जटिल बना देते हैं, और बैटरी की ऊर्जा की खपत भी करते हैं, जिससे बैटरी की शक्ति घनत्व और ऊर्जा घनत्व कम हो जाती है।
(पीटीसी शीतलकहीटरजल-शीतित बैटरी शीतलन प्रणाली शीतलक (50% जल/50% एथिलीन ग्लाइकॉल) का उपयोग करके बैटरी से ऊष्मा को बैटरी कूलर के माध्यम से एयर कंडीशनिंग रेफ्रिजरेंट प्रणाली में स्थानांतरित करती है, और फिर कंडेंसर के माध्यम से वातावरण में स्थानांतरित करती है। बैटरी कूलर द्वारा ऊष्मा विनिमय के बाद आयातित जल का तापमान आसानी से कम हो जाता है, और बैटरी को सर्वोत्तम कार्यशील तापमान सीमा पर संचालित करने के लिए समायोजित किया जा सकता है; प्रणाली का सिद्धांत चित्र में दिखाया गया है। रेफ्रिजरेंट प्रणाली के मुख्य घटकों में शामिल हैं: कंडेंसर, इलेक्ट्रिक कंप्रेसर, इवेपोरेटर, स्टॉप वाल्व के साथ विस्तार वाल्व, बैटरी कूलर (स्टॉप वाल्व के साथ विस्तार वाल्व) और एयर कंडीशनिंग पाइप आदि; शीतलन जल परिपथ में शामिल हैं:इलेक्ट्रिक वाटर पंपबैटरी (कूलिंग प्लेट सहित), बैटरी कूलर, पानी की पाइपें, विस्तार टैंक और अन्य सहायक उपकरण।