热管在锂电池热管理系统中怎样使用

热管在锂电池热管理系统中怎样使用

1 什么是热管

热管

热管,一个全封闭的空间内,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。

微热管

微型热管,顾名思义,尺寸极小的热管,截面尺寸在微米量级,长度一般几个厘米。工作原理与普通热管相似,但是内部无吸液芯,通道截面带有尖角,冷凝液体主要依靠尖角毛细作用回流。

微型热管,主要在集成电路板、电子芯片、CPU等空间极其狭小的范围内应用,且价格比较高。

本文主要针对动力电池包的热管理,后续提及的热管,指普通热管。


2 热管工作原理



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。

毛细作用

百度关于毛细作用的解释是“毛细作用是指浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象”毛细作用发生在固体和液体之间,并且不同品质的固体、液体,其相互作用的方式不同,应该说是相反的。对于细管来说,“浸润”的液体,细管会促进其向远离液体池的方向流动;对于“不浸润”的液体,细管阻止其向远离液体池的方向流动。

确定的液体在确定管径和材质的毛细管中,能够上升多少高度,有相应公式可以计算,它与液体表面张力成正比,与毛细管的直径和液体密度成反比。



一种液体与一种固体材料,是浸润还是不浸润,其原因有不同的理解。被应用较多的解释认为,液体与固体接触,会首先在固体表面形成一个附着层。附着层上的液体分子同时受到液体和固体两个方面的分子作用力。如果固体分子与液体分子之间的作用力大于液体与液体分子之间的作用力,则附着层内部液体分子的密度上升,液体分子之间的斥力增大,液体产生向外扩张的动力,沿着管壁向上延伸,产生浸润现象。

与此相反,如果液体分子之间的作用力大于固体与液体的作用力,则液体附着层的密度低于液体内部的密度,附着层内部形成一种向内收缩的力,附着层自身有缩小的趋势,形成不浸润现象。

热管吸液芯的材质与冷却液之间,必然需要属于浸润关系才可以应用。

3 热管的应用领域

1964 年, Grover等人提出了当前概念上的热管。最先在航天军工领域得到应用,用于太空设备的温度均衡,太空电子设备的散热。此后,散热器厂商将热管应用于民用设备。

当前主要应用热管的领域,太阳能热量收集,工业系统余热回收,大功率电力电子器件的冷却均温,化工行业则在多个环节可能用到热管吸热、加热、均温作用。

4 热管分类

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,此处不一一列举。

下面内容是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。

普通热管

普通热管,结构如前文原理中所示,截面形状有圆形,扁圆形,矩形等。正圆形与多数被冷却物体的基础面积比较小,但结构强度比较好。扁圆形截面热管容易与平面贴合,应用较多,实物截面如下图所示。铜质管壳,壳体内部不规则的一层是吸液芯。



平板型热管

平板型热管,外形是矩形平板,内部由多条热管通道组合而成。平板管壳材质主要是铜和铝。一个典型的成型工艺,上下两块金属平板之间,放置若干金属丝。采用焊接的方式使得平板和金属丝组合成一个整体。两条金属丝和两块平板之间保留的空间,成为一个热管结构。

平板型热管,结构简单,且容易实现大面积散热,是研究应用的热点。平板热管的重要指标参数是单位面积的传热功率以及功率与热管质量的比值。热管内充入多少冷却液可以获得最好的冷却效果,也是研究的要点之一。

环形热管

环形热管,基本形式如下图所示,其工作原理与普通热管略有差别。环形热管可以设计成无高度差、无吸液芯的形式,主要靠两个气液结合面的压力差进行循环。处于蒸发段的液体,受到外部热量的作用转化成气态,蒸发段压力上升。压力推动气体沿着蒸汽管线,向冷凝段移动。到达冷凝段附近,气体冷凝成液体,空间压力降低。



整个工作状态下,冷凝段的压力始终保持略低于蒸发段,气体从高压向低压运动,形成了推动气体运动的动力。当蒸发速率发生变化时,气液结合面将有所调整,不断寻求整个系统的压力动态平衡。


脉动热管



脉动热管,如上图所示。整体上,脉动热管同样划分成三个区域,蒸发段、绝热段和冷凝段。脉动热管的管径比较小,管内抽真空后,部分空间充入液体,形成间隔分布的气塞和液塞,且二者成随机分布状态。在蒸发段,液态介质吸热气化,形成气泡,气泡内压力增大,推动气塞和液塞向冷凝段运动;到达冷凝段后,气体液化,气塞缩小或者破灭。如此往复,气塞和液塞在蒸发段和冷凝段之间震荡,将热量传递出去。其基本原理与环形管近似,只是管径比较小,管壳对液体直接形成毛细作用。


5 热管在锂电池热管理中的应用案例

周海阔在其论文《基于热管技术的锂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锂电池组中的应用。

作者选取了锂电池的电化学-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。



不同冷却方案仿真结果对比

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。


对于热管在锂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。


参考

李永赞。热管技术的研究进展及其工程应用

万意,微型平板热管技术研究综述

韩超灵,径向热管技术的应用综述

屈健,脉动热管技术研究及应用进展

梁佳男,基于微热管阵列锂电池的低温加热性能

周海阔,基于热管技术的锂电池箱热管理系统设计与实验验证


(图片来自互联网)

发布于 2017-12-07