锂亚硫酰氯电池热控制研究现状

4.2.3 热开关

热开关是一种以切断和导通散热通道为基本动作的热控制机构，主要用于需要在不同工作环境下对电池进行温度控制的场合。

专利[26]提供了一种电池的传导式主动热控制装置，类似于接触式热开关，包括散热部件和控制部件两部分，如图4所示。其中散热部件用于散发电池产生的热量。热控制部件可由形状记忆合金构成，或由膨胀率不同的两种金属片贴合制成。热控制部件的形状随电池发热量而变化。当电池发热量增大，热控制部件温度超过某一温度上限时，热控制部件发生膨胀弯曲，使散热部件与电池连接，通过热传导将电池热量传给散热部件。当热控制部件温度低于某一温度下限时，热控制部件形状变化使散热部件与电池分离，防止电池由于过度散热引起电压下降。

图4传导式主动热控装置[26]

勇气号和机遇号火星漫游者锂电池组放置在气凝胶绝热的保温箱中，使用放射性同位素加热元件和热开关驱动的环路热管热防护系统，使电池温度保持在-20℃至30℃之间[27]。

4.2.4 对流式主动热控制

对流式主动冷却主要是应用风扇强迫对流冷却电池，这种热控方式的特点是热控的冷却能力较大，适应性较强。在选用合理的风扇的同时，进行合理的流道设计，优化流体组织，提高热控能力和热控精度。但风扇的应用增加了系统重量，需要从系统性能代偿损失分析并优化热控制结构。文献[28]介绍的电池系统用风扇抽吸空气，空气折流板使气流在三层电池和电池盒构成的四个通道内流动，如图5所示。该系统使用的动态电池模型能够同时预测电池表面温度和核心温度，对电池冷却进行实时控制；同时可用于电池应力分析，从而预测电池不同工作循环下的寿命。

图5 对流式主动冷却系统[28]

在进行电池组对流式主动热控制设计时，应用计算流体力学进行数值模拟在改进电池热性能正发挥越来越重要的作用。孙文鹏等通过FLUENT软件进行数值模拟，对混合电动车辆电池组结构进行流道设计和改进，实验验证了使用新结构后电池组温度差异小于4℃[29]。Listerud E. 等使用CFX对高倍率放电的锂离子电池冷却结构设计进行了计算流体力学分析，比较了三种不同结构的流道结构，结果表明流道设计对电池组温度梯度影响很大[30]。赵家宏等采用空气强迫对流换热对混合电动汽车电池组进行冷却，设计了串流法和并流法两种风道，用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟并进行了实验验证[19]。

4.2.5 相变热控

相变热控即使用相变材料(phase change material, PCM)的潜热收集或释放系统的热能，其特点是可以几乎无限期循环使用，缺点是重量较重。Al-Hallaj等人利用相变材料对电动车辆锂电池进行被动热控制，并与对流冷却式主动热控进行比较。结果表明使用相变材料后，电池在温度条件恶劣情况下也可以正常工作，而且不需要输入额外的风扇功率[31][32]。Khateeb, S.A.等在相变材料中加入了铝泡沫，同时电池模块使用肋片来增大相变材料的导热性能，如图6所示[33]。

图6 相变热控系统[33]

4.3 小结

综上所述，进行电池结构优化，开发新材料，进行能量综合利用，可以大大提高电池的安全性能；同时，进行数值模拟对电池组设计有重要意义。

5 结论

为解决Li/SOCl2电池安全问题，电池发热机理、热物理参数和热控制方式得到了广泛的研究。需要进一步采取的措施有：建立合理的电池―电―化学耦合的数学模型，深入了解电池的发热机理，测量电池热物理参数并改进电池热特性，优化电池结构设计，研制新材料，合理选择热控制措施并进行数值模拟等。