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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( 四 )


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
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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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电池模块温度一致性对电池组性能影响较大 。 一致性仿真基于ANSYS ICEPAK1C循环充放电、150CFM（70%）工况稳态求解 。
如图14 ， 15所示 ， 6mm电芯间隔的直接风冷方式电池组最高温度为46.796℃ ， 其温差约为10.1℃；热管理系统工作时电池组最高温度为28.657℃ ， 其温差约为0.9℃ 。 热管理系统具有良好的散热性与一致性 。
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实验验证
为了进一步验证热管理系统的实际性能 ， 本文搭建了实验系统（图16） ， 由基于热管技术的系统样机、电子负载、辅助电源、记录设备等组成 。 对电池模组实施0.2C ， 0.5C及1C循环充放电实验 。
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将中心对称放置的10组传感器测得的温度数据 ， 经Matlab样条插值拟合处理得到0~0.5h平均温度变化曲线、0.5h时的模组中心切面温度云图及不同工况下的最高温差 。
如图17所示 ， 3种工况下电池组温升分别约为0.8 ， 4 ， 7℃ ， 电池组温升在不同大小的放电倍率下均小于15℃ ， 满足电池组正常工作时的温度要求 。
此外 ， 电池组对温度均衡性要求很高 。 将传感器组测得的温度数据进行插值拟合分析可估算出电池组不同区域的温度 。 其中1C实验电池组中心纵切面0.5h时刻的温度云图如图18所示 ， 正负极与其它区域温差很小 ， 温度分布均匀 。 实验过程中0.2C ， 0.5C ， 1C工况下电池不同区域最高温差分别为0.5 ， 0.7 ， 1.1℃ ， 电池组温度均衡性良好 。 因此 ， 在热管理系统的作用下 ， 电池组在不同等级工况下均能表现良好的热特性 。
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由图11、图12 ， 图14、图15与图17、图18分析可得 ， 不同验证方式的电池组温升与电池组温差如表3所示 ， 实验与仿真结果相对吻合 。 结果均表明 ， 热管理系统可以有效防止热失控的发生 ， 减缓电池的温升速率 ， 保障电池在1C以内充放电倍率下安全运行 。
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总结
锂离子动力电池具有广阔的市场需求 ， 基于热管技术的动力电池热管理方案具有较大应用价值 。 不仅能满足正常工况下的温度需求 ， 更能有效避免“热失控”引发安全问题 。 本文基于热管-翅片-集热板组合 ， 从材料及结构优化角度结合COMSOL Multiphysics软件进行了有限元计算辅助设计 ， 并制作出了系统样机用于实验验证 。 得益于热管快速导热的性质及智能控制策略 ， 动力电池运行在适宜的温度且具有较高的一致性 。


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