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      基于熱管技術動力電池熱管理系統應用設計解析

      2018-08-18 08:50:42 次瀏覽

      目前熱管技術在電動汽車動力電池熱管理實際應用案例還不算太多,更多的是尚處于研究或者測試的階段,但是熱管作為一種目前管理系統中的良好熱橋工具,其多樣可定制的方式可以更好滿足動力電池靈活的布置方式,尤其目前隨著小型高效熱管技術的發展,再結合其他熱管理手段更好保證動力電池的安全長效的工作環境工況。
      熱管介紹
      熱管,是一種全封閉的空間內,毛細作用驅動液體運動、溫差驅動蒸汽流動的高效率傳熱器件。冷卻介質在高溫區域氣化,在低溫區域冷凝。通過物態變化,將熱量從高溫部分傳遞至低溫部分。
      如上圖所示,熱管主要組成部分:端蓋、管殼、翅片(有些沒有),吸液芯(毛細多孔材料)、外隔板。
      隔板左側是低溫環境,右側為高溫環境。冷卻液在高溫環境中受熱,氣化;整個腔體內,左側溫度低,右側溫度高。受壓差驅動,蒸汽在腔體內自右向左流動。進入低溫區域后,接觸到低溫管壁,沿著管壁凝結成液態。液態冷卻液被吸液材料吸附在材料內部,受到毛細管作用,向沒有液體壓力的高溫區域流動。液體回到高溫區,開始新一輪的氣化循環過程。
      熱管外部的翅片,增大了熱管與傳熱對象的接觸面積,提高熱管的傳熱效率。隔板,將高溫環境與低溫環境區隔開,使得熱管可以一段處于高溫環境中,另一端處于低溫環境中,獲得基本的工作條件。熱管內循環相變、傳遞熱量的介質冷卻液,需要是一種沸點與應用環境要求相匹配的液體,高溫熱管需要加注沸點高的介質,在溫度較低時維持住液態;低溫熱管需要沸點低的介質,在較低溫度下就能氣化的材料。
      熱管內部保持負壓環境,一方面降低冷卻液沸點,使得常壓下氣化溫度偏高的材質也可以在熱管內使用;另一方面,冷卻液氣化,會提高熱管內部壓力,人為制造初始負壓條件,在液體氣化后,抵消掉一部分負壓,從而避免冷卻液過快過大量的氣化帶來的熱管管殼承受過大壓力。
      從熱管的工作過程可以看到,氣態的介質產生流動的動力來自高低溫區域之間液體氣化帶來的壓力差異。液態冷卻介質,產生流動的動力,來自于吸液材料的毛細作用。
      熱管類型分類
      熱管的分類方法有很多種,有按照適用溫度劃分的,有按照液體回流動力劃分的,有按照殼體和冷卻液材料性質劃分的,還有按照熱管的結構形式劃分的。
      按照熱管的結構形式分類,重點記錄幾種應用較廣的熱管形式。按結構形式可分為普通熱管、平板熱管、分離式熱管、徑向熱管、毛紉泵回路熱管、微型熱管等。
      熱管在動力電池熱管理應用案例
      下文以周海闊在其論文《基于熱管技術的動力電池箱熱管理系統設計與實驗驗證》中,設計并驗證了一種熱管冷卻在動力動力電池組中的應用。
      下面選取了動力電池的電化學-熱耦合模型,計算生熱速率;用組成電池的各種材料取加權平均值的方式,估計等效導熱系數和等效比熱容,進而計算系統最大生熱速率和生熱量。
      冷卻方案的選擇。電池組中間間隔布置鋁板,貼合電芯防止,作為熱量收集裝置;熱管蒸發段鑲嵌在鋁板內部,冷凝段則與翅片風扇組合裝配到一起。如下面兩幅圖所示。
      熱管與集熱板的集成,先將熱管經埋管工藝嵌入集熱板內,再經錫回流焊焊接,保證充分接觸。熱管與翅片的連接,同樣經過工藝處理,注意保持最大面積接觸,減小不必要的熱阻。根據電池總體發熱量和發熱速率,選取熱管類型、熱管直徑、熱管管殼材質、冷卻介質型號、熱管充液量、風扇功率和翅片形狀。冷卻對象為磷酸鐵鋰軟包電芯組成的模組。
      熱量的流動路徑是:電池產生熱量,通過鋁板,全面的將熱量收集起來,傳遞給鑲嵌在鋁板中的熱管;熱管通過蒸發作用,將熱量帶到冷凝段,繼而由冷凝段附近的風扇和翅片,將熱量散發到周圍空間中。
      研究針對針刺熱失控情形,通過仿真對比僅用風扇散熱和風扇加熱管散熱,環境溫度20℃,前者系統最高溫度46.8℃,最大溫差10.1℃;后者最高溫度28.7℃,最大溫差0.9℃。文章得出結論,熱管加風扇的散熱系統,除了可以減小系統溫差,還可以有效減小濫用情形下熱失控發生時造成的不良影響。
      對于熱管在動力電池熱管理系統中的應用,主要作用是將熱量快速的從高溫體系中轉移出來,但要有相應的散熱措施配合使用,給熱管提供良好的冷凝條件,才能夠正常發揮熱管的作用。因此熱管可以作為風冷、水冷等傳統熱管理系統的輔助增效措施。
      熱管在動力電池熱管理發展趨勢
      未來基于熱管技術在動力電池熱管理系統的研究發展應該會以簡化輕便式結構為主要發展方向:
      1、超薄型熱管技術開發,熱管外壁越薄能更好與動力電池之間形成緊密接觸,不但能使動力電池在體積上更具優勢,也便于整車的設計以及安裝。但是這對于熱管的管壁材料的硬度以及韌性也提出了全新開發的要求。
      2、熱管技術未來的一大方向方向可能會與相變材料相結合,從而更好發揮兩者在不同工作工況環境下的熱管理工作需求,從而實現動力電池熱管理系統,在高溫環境下散熱,低溫環境下存熱的工作要求。
      參考:
      李永贊,熱管技術的研究進展及其工程應用
      梁佳男,基于微熱管陣列動力電池的低溫加熱性能
      周海闊,基于熱管技術的動力電池箱熱管理系統設計與實驗驗證
      (本文節選百家號 動力電池技術)
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