熱管在鋰電池熱管理系統(tǒng)中是怎樣使用的呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-10 15:33
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1 什么是熱管
熱管
熱管，一個全封閉的空間內，毛細作用驅動液體運動、溫差驅動蒸汽流動的高效率傳熱器件。冷卻介質在高溫區(qū)域氣化，在低溫區(qū)域冷凝。通過物態(tài)變化，將熱量從高溫部分傳遞至低溫部分。
微熱管
微型熱管，顧名思義，尺寸極小的熱管，截面尺寸在微米量級，長度一般幾個厘米。工作原理與普通熱管相似，但是內部無吸液芯，通道截面帶有尖角，冷凝液體主要依靠尖角毛細作用回流。
微型熱管，主要在集成電路板、電子芯片、CPU等空間極其狹小的范圍內應用，且價格比較高。
本文主要針對動力電池包的熱管理，后續(xù)提及的熱管，指普通熱管。
2 熱管工作原理
如上圖所示，熱管主要組成部分：端蓋、管殼、翅片（有些沒有），吸液芯（毛細多孔材料）、外隔板。
隔板左側是低溫環(huán)境，右側為高溫環(huán)境。冷卻液在高溫環(huán)境中受熱，氣化；整個腔體內，左側溫度低，右側溫度高。受壓差驅動，蒸汽在腔體內自右向左流動。進入低溫區(qū)域后，接觸到低溫管壁，沿著管壁凝結成液態(tài)。液態(tài)冷卻液被吸液材料吸附在材料內部，受到毛細管作用，向沒有液體壓力的高溫區(qū)域流動。液體回到高溫區(qū)，開始新一輪的氣化循環(huán)過程。
熱管外部的翅片，增大了熱管與傳熱對象的接觸面積，提高熱管的傳熱效率。隔板，將高溫環(huán)境與低溫環(huán)境區(qū)隔開，使得熱管可以一段處于高溫環(huán)境中，另一端處于低溫環(huán)境中，獲得基本的工作條件。熱管內循環(huán)相變、傳遞熱量的介質冷卻液，需要是一種沸點與應用環(huán)境要求相匹配的液體，高溫熱管需要加注沸點高的介質，在溫度較低時維持住液態(tài)；低溫熱管需要沸點低的介質，在較低溫度下就能氣化的材料。
熱管內部保持負壓環(huán)境，一方面降低冷卻液沸點，使得常壓下氣化溫度偏高的材質也可以在熱管內使用；另一方面，冷卻液氣化，會提高熱管內部壓力，人為制造初始負壓條件，在液體氣化后，抵消掉一部分負壓，從而避免冷卻液過快過大量的氣化帶來的熱管管殼承受過大壓力。
從熱管的工作過程可以看到，氣態(tài)的介質產(chǎn)生流動的動力來自高低溫區(qū)域之間液體氣化帶來的壓力差異。液態(tài)冷卻介質，產(chǎn)生流動的動力，來自于吸液材料的毛細作用。
毛細作用
百度關于毛細作用的解釋是“毛細作用是指浸潤液體在細管里升高的現(xiàn)象和不浸潤液體在細管里降低的現(xiàn)象”毛細作用發(fā)生在固體和液體之間，并且不同品質的固體、液體，其相互作用的方式不同，應該說是相反的。對于細管來說，“浸潤”的液體，細管會促進其向遠離液體池的方向流動；對于“不浸潤”的液體，細管阻止其向遠離液體池的方向流動。
確定的液體在確定管徑和材質的毛細管中，能夠上升多少高度，有相應公式可以計算，它與液體表面張力成正比，與毛細管的直徑和液體密度成反比。
一種液體與一種固體材料，是浸潤還是不浸潤，其原因有不同的理解。被應用較多的解釋認為，液體與固體接觸，會首先在固體表面形成一個附著層。附著層上的液體分子同時受到液體和固體兩個方面的分子作用力。如果固體分子與液體分子之間的作用力大于液體與液體分子之間的作用力，則附著層內部液體分子的密度上升，液體分子之間的斥力增大，液體產(chǎn)生向外擴張的動力，沿著管壁向上延伸，產(chǎn)生浸潤現(xiàn)象。
與此相反，如果液體分子之間的作用力大于固體與液體的作用力，則液體附著層的密度低于液體內部的密度，附著層內部形成一種向內收縮的力，附著層自身有縮小的趨勢，形成不浸潤現(xiàn)象。
熱管吸液芯的材質與冷卻液之間，必然需要屬于浸潤關系才可以應用。
3 熱管的應用領域
1964 年, Grover等人提出了當前概念上的熱管。最先在航天軍工領域得到應用，用于太空設備的溫度均衡，太空電子設備的散熱。此后，散熱器廠商將熱管應用于民用設備。
當前主要應用熱管的領域，太陽能熱量收集，工業(yè)系統(tǒng)余熱回收，大功率電力電子器件的冷卻均溫，化工行業(yè)則在多個環(huán)節(jié)可能用到熱管吸熱、加熱、均溫作用。
4 熱管分類
熱管的分類方法有很多種，有按照適用溫度劃分的，有按照液體回流動力劃分的，有按照殼體和冷卻液材料性質劃分的，還有按照熱管的結構形式劃分的，此處不一一列舉。
下面內容是按照熱管的結構形式分類，重點記錄幾種應用較廣的熱管形式。按結構形式可分為普通熱管、平板熱管、分離式熱管、徑向熱管、毛紉泵回路熱管、微型熱管等。
普通熱管
普通熱管，結構如前文原理中所示，截面形狀有圓形，扁圓形，矩形等。正圓形與多數(shù)被冷卻物體的基礎面積比較小，但結構強度比較好。扁圓形截面熱管容易與平面貼合，應用較多，實物截面如下圖所示。銅質管殼，殼體內部不規(guī)則的一層是吸液芯。
平板型熱管
平板型熱管，外形是矩形平板，內部由多條熱管通道組合而成。平板管殼材質主要是銅和鋁。一個典型的成型工藝，上下兩塊金屬平板之間，放置若干金屬絲。采用焊接的方式使得平板和金屬絲組合成一個整體。兩條金屬絲和兩塊平板之間保留的空間，成為一個熱管結構。
平板型熱管，結構簡單，且容易實現(xiàn)大面積散熱，是研究應用的熱點。平板熱管的重要指標參數(shù)是單位面積的傳熱功率以及功率與熱管質量的比值。熱管內充入多少冷卻液可以獲得最好的冷卻效果，也是研究的要點之一。
環(huán)形熱管
環(huán)形熱管，基本形式如下圖所示，其工作原理與普通熱管略有差別。環(huán)形熱管可以設計成無高度差、無吸液芯的形式，主要靠兩個氣液結合面的壓力差進行循環(huán)。處于蒸發(fā)段的液體，受到外部熱量的作用轉化成氣態(tài)，蒸發(fā)段壓力上升。壓力推動氣體沿著蒸汽管線，向冷凝段移動。到達冷凝段附近，氣體冷凝成液體，空間壓力降低。
整個工作狀態(tài)下，冷凝段的壓力始終保持略低于蒸發(fā)段，氣體從高壓向低壓運動，形成了推動氣體運動的動力。當蒸發(fā)速率發(fā)生變化時，氣液結合面將有所調整，不斷尋求整個系統(tǒng)的壓力動態(tài)平衡。
脈動熱管
脈動熱管，如上圖所示。整體上，脈動熱管同樣劃分成三個區(qū)域，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。脈動熱管的管徑比較小，管內抽真空后，部分空間充入液體，形成間隔分布的氣塞和液塞，且二者成隨機分布狀態(tài)。在蒸發(fā)段，液態(tài)介質吸熱氣化，形成氣泡，氣泡內壓力增大，推動氣塞和液塞向冷凝段運動；到達冷凝段后，氣體液化，氣塞縮小或者破滅。如此往復，氣塞和液塞在蒸發(fā)段和冷凝段之間震蕩，將熱量傳遞出去。其基本原理與環(huán)形管近似，只是管徑比較小，管殼對液體直接形成毛細作用。
5 熱管在鋰電池熱管理中的應用案例
周海闊在其論文《基于熱管技術的鋰電池箱熱管理系統(tǒng)設計與實驗驗證》中，設計并驗證了一種熱管冷卻在動力鋰電池組中的應用。
作者選取了鋰電池的電化學-熱耦合模型，計算生熱速率；用組成電池的各種材料取加權平均值的方式，估計等效導熱系數(shù)和等效比熱容，進而計算系統(tǒng)最大生熱速率和生熱量。
冷卻方案的選擇。電池組中間間隔布置鋁板，貼合電芯防止，作為熱量收集裝置；熱管蒸發(fā)段鑲嵌在鋁板內部，冷凝段則與翅片風扇組合裝配到一起。如下面兩幅圖所示。
熱管與集熱板的集成，先將熱管經(jīng)埋管工藝嵌入集熱板內，再經(jīng)錫回流焊焊接，保證充分接觸。熱管與翅片的連接，同樣經(jīng)過工藝處理，注意保持最大面積接觸，減小不必要的熱阻。根據(jù)電池總體發(fā)熱量和發(fā)熱速率，選取熱管類型、熱管直徑、熱管管殼材質、冷卻介質型號、熱管充液量、風扇功率和翅片形狀。冷卻對象為磷酸鐵鋰軟包電芯組成的模組。
熱量的流動路徑是：電池產(chǎn)生熱量，通過鋁板，全面的將熱量收集起來，傳遞給鑲嵌在鋁板中的熱管；熱管通過蒸發(fā)作用，將熱量帶到冷凝段，繼而由冷凝段附近的風扇和翅片，將熱量散發(fā)到周圍空間中。
不同冷卻方案仿真結果對比
研究針對針刺熱失控情形，通過仿真對比僅用風扇散熱和風扇加熱管散熱，環(huán)境溫度20℃，前者系統(tǒng)最高溫度46.8℃，最大溫差10.1℃；后者最高溫度28.7℃，最大溫差0.9℃。文章得出結論，熱管加風扇的散熱系統(tǒng)，除了可以減小系統(tǒng)溫差，還可以有效減小濫用情形下熱失控發(fā)生時造成的不良影響。
對于熱管在鋰電池熱管理系統(tǒng)中的應用，主要作用是將熱量快速的從高溫體系中轉移出來，但要有相應的散熱措施配合使用，給熱管提供良好的冷凝條件，才能夠正常發(fā)揮熱管的作用。因此熱管可以作為風冷、水冷等傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的輔助增效措施。
