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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( 六 )


热管理系统设计分析
方案确定
本文综合考虑散热性能、经济性、可靠性、一致性、响应速度等指标 ， 拟采用基于热管技术的热管-翅片-集热板组合热管理方案 ， 如图8所示 。
采用分体式散热结构且加装压力夹持器；热管与集热板的连接经埋管工艺、锡回流焊实现 ， 应保证充分接触 ， 空间组合需满足一致性要求；热管与翅片组合经穿fin工艺、锡回流焊、镀镍实现 ， 从而保证尽可能大的接触面积 。
采用DC12VPTC加热片对模组底部和侧部进行加热 ， 通过耐高温BM胶黏合连接以充分接触 ， 使模组具有低于15℃时的冷启动能力 。
电池产生的热量通过铝制集热板与电池表面紧密接触而被“收集” ， 热量沿集热板向温度相对较低的热管汇集 。 其热端与冷端迅速形成温度差 ， 管内工作介质在低压下相变 ， 在毛细力、压力差作用下由热端向冷凝端移动并传递热量 。 热管冷端与翅片、冷空气流体进行热交换作用冷却相变 ， 在重力、毛细力作用下回流至热端 ， 完成一次循环 。
参数选取
常见热管材料参数可参考文献[20]~[24] ， 这里选用R113工质铜管 ， 其理想工作温度为-10～100℃ ， 适合于多数应用场合 。 根据动力电池工况和热特性 ， 需要确定热管充液量和翅片的厚度及间距 ， 使其具有良好的工作性能 。
经多组方案仿真分析 ， 确定如图8所示的热管空间结构 ， 为减小热管弯折造成的传热系数损失 ， 使用新型软磁粉复合式沟槽热管 。
另一方面 ， 影响散热器性能的重要因素是强迫对流面积 ， 因体积限制散热器高度 ， 对流面积则体现于翅片厚度与间距 。
考虑生产工艺要求、机械强度、实际应用案例 ， 选择翅片厚度分别为0.6 ， 0.8 ， 1.0 ， 1.2 ， 1.5mm ， 翅片间距分别为0.9 ， 1.0 ， 1.2 ， 1.8 ， 2.5mm 。 分别对25种简化几何模型导入ANSYSICEPACK ， 均采用150.1CFM（75%）风量和1C循环充放电稳态求解 。 求解结果曲线如图9、图10所示 。
由曲线分析可知 ， 翅片厚度在一定范围内对电池温度影响不大 ， 翅片间距影响较大 。 综合分析 ， 厚度为1mm、间距为1.2mm的组合满足要求 。
控制系统
基于生热速率、工作温度制定具体控制策略 ， 如表2所示 。
正常工况下 ， 采用PID实现闭环二阶线性控制 ， 通过控制电路输出不同的PWM信号 ， 实现热管冷凝端的散热 。
PWM信号调节控制加热片和电控风扇的等效电压 ， 得到不同的加热量与对流风量 。 控制系统基于单片机、热电阻、控制电路实现 。
热管理系统验证
仿真验证
首先验证1C循环充放电工况下的效果 。 基于ANSYS ICEPAK1C150CFM（70%）103次瞬态迭代求解 。 如图11、图12所示 ， 在散热系统的作用下 ， 约1000s以后电池组各区域温度趋于稳定 ， 相对环境温度温升约为6℃ ， 满足正常工作要求 。
然后通过仿真对“热失控”等危险状况进行模拟 。 隔膜熔断后 ， 电极反应减弱 ， 负极与电解液、正极与电解液、电解液自身等不同类型的副反应加剧 ， 大量放热 ， 最高升温速率可达220℃/min 。 “热失控”的判断标准是锂电池表面达到100℃ 。
因“热失控”具体过程随机性较大 ， 为了保证可靠性 ， 分析最极端温升情况下不同散热模式的散热性能 。 此时全部电池单体的最高温升速率设置为220℃/min ， 最大生热速率为6160W 。 热失控仿真基于 ANSYS ICEPAK1016次瞬态迭代求解 。
极限情况下温度很高 ， 模组温差可忽略 ， 故设置平均温度为温度探针 。 如图13所示 ， 无散热器时经76s电池组平均温度升至298℃ ， 极易造成爆炸；电池组发生极端升温且温度达到55℃保护动作断电后 ， 约180s降至环境温度 ， 系统能快速散热防止危险发生；假设所有保护失灵 ， 约108s后放热截止 ， 系统仍能快速散热 ， 降低危险发生概率 。 因此系统能有效防止热失控并降低事故概率 ， 提高整体运行安全性与可靠性 。


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