鋰亞硫酰氯電池熱控制研究現狀

4.2.3 熱開(kāi)關(guān)

熱開(kāi)關(guān)是一種以切斷和導通散熱通道為基本動(dòng)作的熱控制機構，主要用于需要在不同工作環(huán)境下對電池進(jìn)行溫度控制的場(chǎng)合。

專(zhuān)利[26]提供了一種電池的傳導式主動(dòng)熱控制裝置，類(lèi)似于接觸式熱開(kāi)關(guān)，包括散熱部件和控制部件兩部分，如圖4所示。其中散熱部件用于散發(fā)電池產(chǎn)生的熱量。熱控制部件可由形狀記憶合金構成，或由膨脹率不同的兩種金屬片貼合制成。熱控制部件的形狀隨電池發(fā)熱量而變化。當電池發(fā)熱量增大，熱控制部件溫度超過(guò)某一溫度上限時(shí)，熱控制部件發(fā)生膨脹彎曲，使散熱部件與電池連接，通過(guò)熱傳導將電池熱量傳給散熱部件。當熱控制部件溫度低于某一溫度下限時(shí)，熱控制部件形狀變化使散熱部件與電池分離，防止電池由于過(guò)度散熱引起電壓下降。

圖4傳導式主動(dòng)熱控裝置[26]

勇氣號和機遇號火星漫游者鋰電池組放置在氣凝膠絕熱的保溫箱中，使用放射性同位素加熱元件和熱開(kāi)關(guān)驅動(dòng)的環(huán)路熱管熱防護系統，使電池溫度保持在-20℃至30℃之間[27]。

4.2.4 對流式主動(dòng)熱控制

對流式主動(dòng)冷卻主要是應用風(fēng)扇強迫對流冷卻電池，這種熱控方式的特點(diǎn)是熱控的冷卻能力較大，適應性較強。在選用合理的風(fēng)扇的同時(shí)，進(jìn)行合理的流道設計，優(yōu)化流體組織，提高熱控能力和熱控精度。但風(fēng)扇的應用增加了系統重量，需要從系統性能代償損失分析并優(yōu)化熱控制結構。文獻[28]介紹的電池系統用風(fēng)扇抽吸空氣，空氣折流板使氣流在三層電池和電池盒構成的四個(gè)通道內流動(dòng)，如圖5所示。該系統使用的動(dòng)態(tài)電池模型能夠同時(shí)預測電池表面溫度和核心溫度，對電池冷卻進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；同時(shí)可用于電池應力分析，從而預測電池不同工作循環(huán)下的壽命。

圖5 對流式主動(dòng)冷卻系統[28]

在進(jìn)行電池組對流式主動(dòng)熱控制設計時(shí)，應用計算流體力學(xué)進(jìn)行數值模擬在改進(jìn)電池熱性能正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。孫文鵬等通過(guò)FLUENT軟件進(jìn)行數值模擬，對混合電動(dòng)車(chē)輛電池組結構進(jìn)行流道設計和改進(jìn)，實(shí)驗驗證了使用新結構后電池組溫度差異小于4℃[29]。Listerud E. 等使用CFX對高倍率放電的鋰離子電池冷卻結構設計進(jìn)行了計算流體力學(xué)分析，比較了三種不同結構的流道結構，結果表明流道設計對電池組溫度梯度影響很大[30]。趙家宏等采用空氣強迫對流換熱對混合電動(dòng)汽車(chē)電池組進(jìn)行冷卻，設計了串流法和并流法兩種風(fēng)道，用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數值模擬并進(jìn)行了實(shí)驗驗證[19]。

4.2.5 相變熱控

相變熱控即使用相變材料(phase change material, PCM)的潛熱收集或釋放系統的熱能，其特點(diǎn)是可以幾乎無(wú)限期循環(huán)使用，缺點(diǎn)是重量較重。Al-Hallaj等人利用相變材料對電動(dòng)車(chē)輛鋰電池進(jìn)行被動(dòng)熱控制，并與對流冷卻式主動(dòng)熱控進(jìn)行比較。結果表明使用相變材料后，電池在溫度條件惡劣情況下也可以正常工作，而且不需要輸入額外的風(fēng)扇功率[31][32]。Khateeb, S.A.等在相變材料中加入了鋁泡沫，同時(shí)電池模塊使用肋片來(lái)增大相變材料的導熱性能，如圖6所示[33]。

圖6 相變熱控系統[33]

4.3 小結

綜上所述，進(jìn)行電池結構優(yōu)化，開(kāi)發(fā)新材料，進(jìn)行能量綜合利用，可以大大提高電池的安全性能；同時(shí)，進(jìn)行數值模擬對電池組設計有重要意義。

5 結論

為解決Li/SOCl2電池安全問(wèn)題，電池發(fā)熱機理、熱物理參數和熱控制方式得到了廣泛的研究。需要進(jìn)一步采取的措施有：建立合理的電池―電―化學(xué)耦合的數學(xué)模型，深入了解電池的發(fā)熱機理，測量電池熱物理參數并改進(jìn)電池熱特性，優(yōu)化電池結構設計，研制新材料，合理選擇熱控制措施并進(jìn)行數值模擬等。