鋰亞硫酰氯電池熱控制研究現狀

4.2.3 熱開關

熱開關是一種以切斷和導通散熱通道為基本動作的熱控制機構，主要用于需要在不同工作環境下對電池進行溫度控制的場合。

專利[26]提供了一種電池的傳導式主動熱控制裝置，類似于接觸式熱開關，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電池產生的熱量。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熱量而變化。當電池發熱量增大，熱控制部件溫度超過某一溫度上限時，熱控制部件發生膨脹彎曲，使散熱部件與電池連接，通過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，熱控制部件形狀變化使散熱部件與電池分離，防止電池由于過度散熱引起電壓下降。

圖4傳導式主動熱控裝置[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關驅動的環路熱管熱防護系統，使電池溫度保持在-20℃至30℃之間[27]。

4.2.4 對流式主動熱控制

對流式主動冷卻主要是應用風扇強迫對流冷卻電池，這種熱控方式的特點是熱控的冷卻能力較大，適應性較強。在選用合理的風扇的同時，進行合理的流道設計，優化流體組織，提高熱控能力和熱控精度。但風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化熱控制結構。文獻[28]介紹的電池系統用風扇抽吸空氣，空氣折流板使氣流在三層電池和電池盒構成的四個通道內流動，如圖5所示。該系統使用的動態電池模型能夠同時預測電池表面溫度和核心溫度，對電池冷卻進行實時控制；同時可用于電池應力分析，從而預測電池不同工作循環下的壽命。

圖5 對流式主動冷卻系統[28]

在進行電池組對流式主動熱控制設計時，應用計算流體力學進行數值模擬在改進電池熱性能正發揮越來越重要的作用。孫文鵬等通過FLUENT軟件進行數值模擬，對混合電動車輛電池組結構進行流道設計和改進，實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行了計算流體力學分析，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汽車電池組進行冷卻，設計了串流法和并流法兩種風道，用有限元分析軟件ANSYS進行數值模擬并進行了實驗驗證[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，其特點是可以幾乎無限期循環使用，缺點是重量較重。Al-Hallaj等人利用相變材料對電動車輛鋰電池進行被動熱控制，并與對流冷卻式主動熱控進行比較。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扇功率[31][32]。Khateeb, S.A.等在相變材料中加入了鋁泡沫，同時電池模塊使用肋片來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，進行電池結構優化，開發新材料，進行能量綜合利用，可以大大提高電池的安全性能；同時，進行數值模擬對電池組設計有重要意義。

5 結論

為解決Li/SOCl2電池安全問題，電池發熱機理、熱物理參數和熱控制方式得到了廣泛的研究。需要進一步采取的措施有：建立合理的電池―電―化學耦合的數學模型，深入了解電池的發熱機理，測量電池熱物理參數并改進電池熱特性，優化電池結構設計，研制新材料，合理選擇熱控制措施并進行數值模擬等。