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

导读：动力电池热管理不仅影响系统效率、充放电能力，而且事关系统安全性和可靠性，尤其“热失控”危害更甚。为此，针对大功率动力电池箱，提出一种基于热管-翅片-集热板组合，并结合加热器件、低功耗电控风扇及其智能控制算法的热管理系统。通过有限元计算模拟和实际充放电试验，验证了该热管理系统性能。以磷酸铁锂动力电池为例，计算与测试结果表明， 1C高强度连续充放电情况能将电池组温升控制在15℃以内、风扇调速温差控制在2℃以内，严重故障时仍能将电池温度降至安全温度。此外，采用预热片对电池组预热，实现了电池组冷启动功能。该系统能有效解决过热、过冷情况下的电池组热管理问题。
引言
动力电池是混合动力有轨电车等超大功率交通工具的核心之一，起到功率补充与储能的重要作用。其工作电压电流高、输出功率大，因而对热管理的要求更高。
传统风冷技术基于气-固热交换理论，虽然成本低廉，但其基于空气与电池壁的对流换热，散热能力有限，难以适应电池“热失控”情况下的散热需求。传统液冷技术依靠液体工质来散热或加热，存在控制惰性明显、容易漏液堵塞、重量大的不足。固体相变技术基于相变储能理论实现散热或加热，其控制难度大、绝缘性能差、技术不成熟。油类浸泡方式虽有良好绝缘特性、高比热容的特点，但控制惰性更大、控制精确性差、密封要求严格。半导体等制冷元件用于动力电池散热存在功耗过大、电气复杂等问题。因此，上述热管理方案均无法满足大功率动力电池对导热量、导热速率、体积质量的更高要求。
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：

本文插图

本文插图
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：

本文插图
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。分页标题

本文插图
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。

本文插图

本文插图
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。
图3OCV曲线是磷酸铁锂电池的固有特性，也是反映热力学状态的重要特征曲线。在曲线的初段（SOC<10%）和末段（SOC>90%），线性度较高， OCV的变化率较大。初段时OCV较低，电池内阻很大，但会随着荷电状态的增加而减小；末段时OCV较高，反映出活性化学物质减少、内阻较大的特征；在中间段（20%<80%）OCV变化极小，称为“平台区” 。在该电压范围内熵增达到极大值，电池化学反应趋于平衡，热力学特征较为稳定。
图4显示放电效率随DOD的增加逐渐降低。达到深度放电之前，由于电解质盐迁移率较高，电化学反应的熵增过程明显、放电效率较高；在DOD=80%附近，放电效率由于电解质盐迁移率减小而迅速下降。
图5显示放电热功率随DOD的增加逐渐上升。随着放电深度增加，反应活化物质减少、内阻增大。突出表现在放电深度的末段，自DOD=70%附近迅速上升至70W ，也与图4中放电效率的变化规律相吻合。
图6显示电池充电效率随SOC的增加出现先升后降的缓幅变化。当电池处于充电状态：SOC<80%时恒流充电；SOC>80%时恒压充电，充电电流近似指数式减小。充电效率与电池内阻、电解质盐迁移率、电流等多因素有关。
充电效率相对放电效率略低，仅“平台区”可达到0.8以上。由于电池内阻在初段迅速减小，充电效率上升明显；随着SOC的增加，电池内阻减小趋缓，但内阻仍能主导充电效率的变化，使其缓慢增加至0.85附近；当SOC继续增加，电解质盐迁移率继续降低而导致充电效率缓慢降低，转为恒压充电后由于电流快速减小而加剧了这一作用。
图7显示充电热功率随SOC的增加先降后升。充电时非自发的化学反应具有吸热特性。充电初期，反应剧烈且内阻减小，充电热功率下降至20W附近达到极小；随着SOC增加，吸热作用衰减、放热增强，充电热功率上升。
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。分页标题
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。

本文插图
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。

本文插图
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。

本文插图
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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。

本文插图
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。

本文插图
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。

本文插图
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℃ 。分页标题

本文插图
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。

本文插图
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。

本文插图
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。

本文插图

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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。

本文插图
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。分页标题
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。分页标题
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。分页标题
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。
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。
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。
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。
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。
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