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(huán)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(fā)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(fā)熱量而變化。當電池發(fā)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(fā)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(huán)路熱管熱防護系統(tǒng)，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(yōu)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(tǒng)重量，需要從系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)使用的動態(tài)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(huán)下的壽命。

圖5 對流式主動冷卻系統(tǒng)[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(shù)值模擬在改進電池熱性能正發(fā)揮越來越重要的作用。孫文鵬等通過FLUENT軟件進行數(shù)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(shù)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(tǒng)的熱能，其特點是可以幾乎無限期循環(huán)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(tǒng)[33]

4.3 小結

綜上所述，進行電池結構優(yōu)化，開發(fā)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(shù)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(fā)熱機理、熱物理參數(shù)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(shù)學模型，深入了解電池的發(fā)熱機理，測量電池熱物理參數(shù)并改進電池熱特性，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行數(shù)值模擬等。