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基于热管技术动力电池热管理系统应用设计解析

2018-08-18 08:50:42 次浏览

目前热管技术在电动汽车动力电池热管理实际应用案例还不算太多,更多的是尚处于研究或者测试的阶段,但是热管作为一种目前管理系统中的良好热桥工具,其多样可定制的方式可以更好满足动力电池灵活的布置方式,尤其目前随着小型高效热管技术的发展,再结合其他热管理手段更好保证动力电池的安全长效的工作环境工况。
热管介绍
热管,是一种全封闭的空间内,毛细作用驱动液体运动、温差驱动蒸汽流动的高效率传热器件。冷却介质在高温区域气化,在低温区域冷凝。通过物态变化,将热量从高温部分传递至低温部分。
如上图所示,热管主要组成部分:端盖、管壳、翅片(有些没有),吸液芯(毛细多孔材料)、外隔板。
隔板左侧是低温环境,右侧为高温环境。冷却液在高温环境中受热,气化;整个腔体内,左侧温度低,右侧温度高。受压差驱动,蒸汽在腔体内自右向左流动。进入低温区域后,接触到低温管壁,沿着管壁凝结成液态。液态冷却液被吸液材料吸附在材料内部,受到毛细管作用,向没有液体压力的高温区域流动。液体回到高温区,开始新一轮的气化循环过程。
热管外部的翅片,增大了热管与传热对象的接触面积,提高热管的传热效率。隔板,将高温环境与低温环境区隔开,使得热管可以一段处于高温环境中,另一端处于低温环境中,获得基本的工作条件。热管内循环相变、传递热量的介质冷却液,需要是一种沸点与应用环境要求相匹配的液体,高温热管需要加注沸点高的介质,在温度较低时维持住液态;低温热管需要沸点低的介质,在较低温度下就能气化的材料。
热管内部保持负压环境,一方面降低冷却液沸点,使得常压下气化温度偏高的材质也可以在热管内使用;另一方面,冷却液气化,会提高热管内部压力,人为制造初始负压条件,在液体气化后,抵消掉一部分负压,从而避免冷却液过快过大量的气化带来的热管管壳承受过大压力。
从热管的工作过程可以看到,气态的介质产生流动的动力来自高低温区域之间液体气化带来的压力差异。液态冷却介质,产生流动的动力,来自于吸液材料的毛细作用。
热管类型分类
热管的分类方法有很多种,有按照适用温度划分的,有按照液体回流动力划分的,有按照壳体和冷却液材料性质划分的,还有按照热管的结构形式划分的。
按照热管的结构形式分类,重点记录几种应用较广的热管形式。按结构形式可分为普通热管、平板热管、分离式热管、径向热管、毛纫泵回路热管、微型热管等。
热管在动力电池热管理应用案例
下文以周海阔在其论文《基于热管技术的动力电池箱热管理系统设计与实验验证》中,设计并验证了一种热管冷却在动力动力电池组中的应用。
下面选取了动力电池的电化学-热耦合模型,计算生热速率;用组成电池的各种材料取加权平均值的方式,估计等效导热系数和等效比热容,进而计算系统最大生热速率和生热量。
冷却方案的选择。电池组中间间隔布置铝板,贴合电芯防止,作为热量收集装置;热管蒸发段镶嵌在铝板内部,冷凝段则与翅片风扇组合装配到一起。如下面两幅图所示。
热管与集热板的集成,先将热管经埋管工艺嵌入集热板内,再经锡回流焊焊接,保证充分接触。热管与翅片的连接,同样经过工艺处理,注意保持最大面积接触,减小不必要的热阻。根据电池总体发热量和发热速率,选取热管类型、热管直径、热管管壳材质、冷却介质型号、热管充液量、风扇功率和翅片形状。冷却对象为磷酸铁锂软包电芯组成的模组。
热量的流动路径是:电池产生热量,通过铝板,全面的将热量收集起来,传递给镶嵌在铝板中的热管;热管通过蒸发作用,将热量带到冷凝段,继而由冷凝段附近的风扇和翅片,将热量散发到周围空间中。
研究针对针刺热失控情形,通过仿真对比仅用风扇散热和风扇加热管散热,环境温度20℃,前者系统最高温度46.8℃,最大温差10.1℃;后者最高温度28.7℃,最大温差0.9℃。文章得出结论,热管加风扇的散热系统,除了可以减小系统温差,还可以有效减小滥用情形下热失控发生时造成的不良影响。
对于热管在动力电池热管理系统中的应用,主要作用是将热量快速的从高温体系中转移出来,但要有相应的散热措施配合使用,给热管提供良好的冷凝条件,才能够正常发挥热管的作用。因此热管可以作为风冷、水冷等传统热管理系统的辅助增效措施。
热管在动力电池热管理发展趋势
未来基于热管技术在动力电池热管理系统的研究发展应该会以简化轻便式结构为主要发展方向:
1、超薄型热管技术开发,热管外壁越薄能更好与动力电池之间形成紧密接触,不但能使动力电池在体积上更具优势,也便于整车的设计以及安装。但是这对于热管的管壁材料的硬度以及韧性也提出了全新开发的要求。
2、热管技术未来的一大方向方向可能会与相变材料相结合,从而更好发挥两者在不同工作工况环境下的热管理工作需求,从而实现动力电池热管理系统,在高温环境下散热,低温环境下存热的工作要求。
参考:
李永赞,热管技术的研究进展及其工程应用
梁佳男,基于微热管阵列动力电池的低温加热性能
周海阔,基于热管技术的动力电池箱热管理系统设计与实验验证
(本文节选百家号 动力电池技术)
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