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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( 五 )


ANSYS仿真计算结果及样机实验数据表明 ， 热管理系统在0.2C ， 0.5C以及高负荷的1C工况下温升均小于15℃、温差小于2℃ 。 预热器与散热器可应对极寒与不可抗因素造成温度剧烈升高等恶劣状况 。 电池组可在小于15℃环境下冷启动且具有“热失控”保护能力 ， 提高了动力电池系统的可靠性 。
作者：周海阔 ， 杨涛 ， 李平 ， 何艺萌 ， 柴娜 ， 戴朝华
单位：西南交通大学电气工程学院#电池#充电#电池组收藏
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：
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：
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 。
2、生热量计算
正常工况下 ， 单体电池采用1C长时间充放电稳态法求解 。 设置微分方程、边界条件 ， 经278次迭代求解 ， 得出单体电池在该工况下完全放电与完全充电总生热量分别为6.3723×104J和8.2373×104J ， 最大生热速率分别为53.1W和69.2W 。
热管理系统还应具有应对“热失控”的能力 ， 热失控一般由于电池内部短路引起 。 在前期发生局部短路 ， 正、负极局部接触使化学反应强度增大、温度升高 ， 在无有效散热条件下温度迅速增长 ， 一般锂离子电池隔膜熔断温度为177℃ 。 若隔膜熔断 ， 正、负极将大面积接触迅速产热、释放氧气甚至造成燃烧爆炸 。
对于“热失控” ， 本文采用典型的“针刺”短路模型模拟局部短路 ， “针刺”用来模拟当电池过度充放电、严寒低温情况下锂离子产生结晶枝杈穿破电池隔膜使正、负极内部导通短路 。
热失控情况下 ， 计算得出总生热量为5.760×105J ， 最大产热速率为6160W 。
3、电-热耦合关系
通过恒流法对电池荷电状态进行测试 ， 通过脉冲电流法对电池内阻、效率进行测试 。 并配合COMSOLMultiphysics有限元仿真辅助计算 ， 得到在充放电状态下荷电状态（SOC）、开路电压（OCV）、热功率（HeatPower）、效率（Efficiency）的关系曲线 ， 如图3~7所示 。
通过分析不同DOD或SOC状态下的电池内阻和电解质盐迁移率 ， 可进一步分析电池的热力学特征 。
上述耦合计算结果可为进一步热仿真工作的样本组合、热源设置、散热器设计与性能验证提供理论基础 。


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