搜狐新闻|基于热管技术的锂电池箱热管理系统设计与实验验证
导读： 动力电池热管理不仅影响系统效率、充放电能力 ， 而且事关系统安全性和可靠性 ， 尤其“热失控”危害更甚 。 为此 ， 针对大功率动力电池箱 ， 提出一种基于热管-翅片-集热板组合 ， 并结合加热器件、低功耗电控风扇及其智能控制算法的热管理系统 。 通过有限元计算模拟和实际充放电试验 ， 验证了该热管理系统性能 。 以磷酸铁锂动力电池为例 ， 计算与测试结果表明 ， 1C高强度连续充放电情况能将电池组温升控制在15℃以内、风扇调速温差控制在2℃以内 ， 严重故障时仍能将电池温度降至安全温度 。 此外 ， 采用预热片对电池组预热 ， 实现了电池组冷启动功能 。 该系统能有效解决过热、过冷情况下的电池组热管理问题 。
引言
动力电池是混合动力有轨电车等超大功率交通工具的核心之一 ， 起到功率补充与储能的重要作用 。 其工作电压电流高、输出功率大 ， 因而对热管理的要求更高 。
传统风冷技术基于气-固热交换理论 ， 虽然成本低廉 ， 但其基于空气与电池壁的对流换热 ， 散热能力有限 ， 难以适应电池“热失控”情况下的散热需求 。 传统液冷技术依靠液体工质来散热或加热 ， 存在控制惰性明显、容易漏液堵塞、重量大的不足 。 固体相变技术基于相变储能理论实现散热或加热 ， 其控制难度大、绝缘性能差、技术不成熟 。 油类浸泡方式虽有良好绝缘特性、高比热容的特点 ， 但控制惰性更大、控制精确性差、密封要求严格 。 半导体等制冷元件用于动力电池散热存在功耗过大、电气复杂等问题 。 因此 ， 上述热管理方案均无法满足大功率动力电池对导热量、导热速率、体积质量的更高要求 。
热管又称热导管或超导管 ， 是一种传热性极好的人工构件 ， 分为蒸发段、绝热段和冷凝段 。 热管的蒸发段受热时毛细芯中的液体蒸发汽化 ， 蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体 ， 液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段 。 由于毛细力造成的虹吸作用这一特点 ， 使热管可在非重力方向传热 。 通过合理的空间设计 ， 可满足不同平面的均温需求 。
基于此 ， 针对快速传热这一关键需求 ， 并针对混合动力有轨电车等超大功率交通工具及其动力电池系统的空间特性、热特性、电气特性 ， 本文以热管导热技术为基础 ， 通过有限元计算辅助设计 ， 提出一种新的热管-翅片-集热板组合散热方案 。 并结合加热器件、低功耗电控风扇及其智能控制策略 ， 设计出新型有轨电车动力电池热管理系统 ， 基于ANSYS仿真与磷酸铁锂动力电池模块样机进行了验证 。
电化学热场耦合计算
物理模型建立
热场模型建立的关键是电化学部分传热与能量守恒方程：
本文插图
本文插图
加权平均计算得到实验所用50A·h电池的等效导热系数：λx=43.47W/（m·K） ， λy=λz=57.25W/（m·K） ， 等效比热容Cp=1343.9J/（kg·K） 。
建立生热模型后 ， 还要考虑热辐射、热传导、热对流等边界条件 。 热辐射主要发生在电池表面 ， 用Srefan-Boltzmann定量表示：
本文插图
有限元计算
1、单体建模
锂离子电池属于性质和结构复杂的对象 ， 普遍采用数值解法 。 有限元法是常用的一种数值解法 ， 除了上述参数、方程、边界条件的设置 ， 还需建立几何模型并划分其计算网格 。 基于COMSOLMultiphysics软件 ， 采用一维、二维耦合三维单电池实体的方法减少计算量、进行简化 。 实验采用285mm×190mm×12mm的50A·h磷酸铁锂电芯 。 二维几何模型如图1所示 ， 三维几何模型的网格划分结果如图2所示 ， 网格数约为60万 。
推荐阅读
- 搜狐新闻|苹果专利显示肌电感应的Apple Watch手环可以更准确地检测到手势
- 搜狐新闻|首秀鸿蒙OS+麒麟1000华为mate40，华为mate30价格爆降强弩之末
- 腾讯新闻深网|小米引入新高管，任命杨柘出任中国区CMO
- 界面新闻|快运规模最大的安能物流发布两款高端产品，正面杠上德邦、顺丰？
- 搜狐新闻|618手机战打响 5G成主角
- 搜狐新闻|都说买手机就买华为，昔日王者旗舰迎来大幅降价，机会来了！
- 搜狐新闻|华为P40Pro＋开启预售，首发10倍光学变焦，7988到底值不值？
- 每日经济新闻|格创东智获云锋基金亿元级A轮融资 CEO何军：不是为了融资而融资
- |搜狐畅游的修仙往事：当互联网公司开始“拜神信教”
- 每日经济新闻|大族激光这家子公司前脚成为被执行人，后脚准备分拆上市？