廣汽 | 基于相變材料的動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展

2021-03-02 21:21:13· 來(lái)源：AUTO行家

相變材料（PCM）由于具有相變潛熱大、相變時(shí)體積變化小的優(yōu)點(diǎn)，成為電池?zé)峁芾硌芯康闹饕较蛑?。本文介紹了相變材料的蓄熱原理，綜述了主要相變材料石蠟以及

相變材料（PCM）由于具有相變潛熱大、相變時(shí)體積變化小的優(yōu)點(diǎn)，成為電池?zé)峁芾硌芯康闹饕较蛑弧１疚慕榻B了相變材料的蓄熱原理，綜述了主要相變材料石蠟以及針對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)不高而進(jìn)行的強(qiáng)化換熱研究成果，介紹了相變材料耦合其他多種冷卻方式在動(dòng)力電池?zé)峁芾砩系膽?yīng)用，并展望了未來(lái) PCM 的研究方向。

關(guān)鍵字：相變材料；熱管理；動(dòng)力電池

作者：呂少茵，曾維權(quán)，楊洋，李愷翔

單位：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院

隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題引起了人類廣泛關(guān)注。電動(dòng)汽車因具備節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)已成為汽車發(fā)展趨勢(shì)，在長(zhǎng)續(xù)航里程和高驅(qū)動(dòng)功率的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池通常采用大量電池單體集成獲得高電量。汽車行駛過程中，動(dòng)力電池產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致電池組內(nèi)部溫度過高且分布不均勻，影響動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

為使電池在合適溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作，需要對(duì)其進(jìn)行熱管理。按照傳熱介質(zhì)分類，目前電池?zé)峁芾碇饕绞接酗L(fēng)冷、液冷和相變材料（phase change material, PCM）冷卻三種方式。

風(fēng)冷即利用空氣對(duì)電池進(jìn)行熱管理，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其散熱效率低下，在高電量、高倍率、大功率運(yùn)行情況下無(wú)法滿足電池組散熱需求，此外其風(fēng)道占用體積較大，使得電池包整體能量密度降低，不符合電動(dòng)汽車電池需求。

液冷是采用高導(dǎo)熱液體接觸電池模組實(shí)現(xiàn)散熱的方法，相比風(fēng)冷，液冷散熱效率高，但其同樣面臨著重量大帶來(lái)的整包能量密度低下問題，且系統(tǒng)復(fù)雜、重量大、成本高、維護(hù)保養(yǎng)難等缺點(diǎn)，限制了其大量推廣。

相變材料冷卻是一種利用材料發(fā)生相變時(shí)吸收電池箱內(nèi)熱量的方法，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)研究較多。實(shí)際應(yīng)用中，相變材料冷卻需與其他冷卻方式配合使用，通過其他冷卻方式將相變材料中的熱及時(shí)散去，提高整個(gè)系統(tǒng)的冷卻效果。

本文對(duì)相變材料熱管理的基本原理、相變材料的分類、改性及在電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用形式等進(jìn)行介紹。

基于相變材料的電池?zé)峁芾砘驹?/div>

相變材料是一類發(fā)生相變時(shí)溫度變化值趨近零，卻能吸收或者釋放大量熱的材料。由于這類材料相變時(shí)體積變化小且潛熱大，在眾多儲(chǔ)熱材料中脫穎而出。相變材料的蓄熱原理從微觀上看可歸結(jié)為物理變化原因和化學(xué)變化原因。

物理變化原因。材料相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，材料內(nèi)部分子從有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序排列。如圖 1 所示，有序排列時(shí)分子間振動(dòng)慢、內(nèi)能低，無(wú)序排列時(shí)分子間振動(dòng)快、內(nèi)能高，因此分子從有序排列到無(wú)序排列轉(zhuǎn)變時(shí)，分子間內(nèi)能從低變高需從外界吸收熱量，宏觀表現(xiàn)為吸熱，反之則為放熱。典型的例子有石蠟熔化及凝固行為。

圖 1 物理相變?cè)韴D

化學(xué)變化原因。結(jié)晶水合鹽等無(wú)機(jī)相變材料發(fā)生失水時(shí)，分子內(nèi)發(fā)生化合鍵的斷裂，系統(tǒng)需要吸收大量能量來(lái)克服原子間的相互作用力；當(dāng)該相變材料發(fā)生吸水時(shí)，分子內(nèi)會(huì)生成新的鍵，系統(tǒng)能量降低，放出大量的熱。如圖 2 所示。

圖 2 化學(xué)相變?cè)韴D

實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)電池形狀的不同，相變材料采用不同方式包裹電池，圓柱電池一般采用如圖 3所示包裹方式，方形或者軟包電池采用板狀相變材料夾在兩電池單體之間的包裹方式。

圖 3 相變材料冷卻電池的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)單體電池外包裹相變材料后，電池工作過程中產(chǎn)生的熱量傳遞給相變材料，相變材料吸收熱量發(fā)生相變，阻止電池表面溫度快速上升；當(dāng)單體電池溫度低于相變材料時(shí)，相變材料反向相變釋放熱量，抑制電池表面溫度急劇下降。通過相變材料相變，可合理調(diào)節(jié)電池系統(tǒng)溫度，保證電池在合理的溫度范圍內(nèi)工作。

相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾響?yīng)用研究

石蠟類相變材料

相變材料的選擇需遵循幾個(gè)原則：一是溫度變化范圍與熱管理對(duì)象工作溫度相符合；二是相變潛熱高；三是比熱容大；四是熱導(dǎo)率高；五是相變過程體積變化較小。在眾多相變材料中，石蠟由于單位質(zhì)量相變潛熱高、低毒、價(jià)格低廉且相變溫度在電池安全運(yùn)行溫度范圍內(nèi)而被選為電池?zé)峁芾硐嘧儾牧稀?/div>

石蠟是直鏈烷烴的混合物，可用通式 CnH2n+2表示。烷烴的熔融熱隨鏈長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增大，如表 1所示。不同碳原子數(shù)的石蠟，其相變溫度和相變潛熱也不同，但一般相變潛熱變化范圍為 160~270 kJ/kg。

表 1 未精制石蠟的熱物性

JAVANI 等用正十八烷對(duì)電動(dòng)汽車電池進(jìn)行熱管理，主要用多孔泡沫吸收正十八烷進(jìn)行熱管理，發(fā)現(xiàn)正十八烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)熱管理系統(tǒng)效率有很大影響，PCM 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 65%增加到 80%，系統(tǒng)的性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）從 2.78增加到 2.85，而熱管理系統(tǒng)效率從 19.9%提高到 21%。

MORAGA 等采用數(shù)值模擬，研究相變材料癸酸、二十烷、十水合碳酸鈉和正十八烷及其不同陣列對(duì)方形鋰電池傳熱過程的影響，模擬結(jié)果表明單純正十八烷和二十烷可分別降低電池最高溫度約15.7℃和 12.2℃，而以上幾種相變材料組合后發(fā)現(xiàn)最優(yōu)組合下可降低電池最高溫度約 20.9℃。

導(dǎo)熱增強(qiáng)相變材料

純石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為 0.2 W/(m·K)左右，無(wú)法滿足電池?zé)崃靠焖傥蘸蛯?dǎo)出的要求，這樣必將影響電池正常工作。因此，很多研究者圍繞如何強(qiáng)化石蠟換熱進(jìn)行了大量研究，主要方法是將石蠟與碳基或者金屬基等高導(dǎo)熱材料復(fù)合以提高導(dǎo)熱系數(shù)。碳基材料主要有膨脹石墨、碳纖維和石墨烯等，金屬基材料主要指泡沫鋁和泡沫銅等。

ALRASHDAN 等將石蠟與石墨薄片制成復(fù)合相變材料，采用熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)、拉伸壓縮實(shí)驗(yàn)和爆破實(shí)驗(yàn)研究其熱機(jī)械性能，結(jié)果表明，在較低的操作溫度下，材料的導(dǎo)熱系數(shù)、抗拉壓性能和爆裂強(qiáng)度都得到明顯提高。MILLS 等采用熔融插層法制備石蠟/石墨復(fù)合相變材料并應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，數(shù)值模擬結(jié)果顯示添加石墨后，復(fù)合相變材料平行于成型方向的導(dǎo)熱系數(shù)增大 20~60 倍，垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)增大 30~130 倍，此外，復(fù)合相變材料使用量要少于普通石蠟，使用復(fù)合相變材料后系統(tǒng)質(zhì)量和外形都可減小。

采用膨脹石墨吸附相變材料，在增強(qiáng)導(dǎo)熱的同時(shí)，可防止相變后液態(tài)相變材料滲出。SARI 等將液體石蠟吸附到膨脹石墨（expanded graphite, EG）中，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2%、4%、7%、10%的復(fù)合材料，測(cè)得石蠟/EG 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨 EG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而提高，熱導(dǎo)率的提高明顯縮短了其熔化時(shí)間，而熔融溫度變化不大。研究結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%的石蠟/EG 應(yīng)用前景較好。尹輝斌等制備 EG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25%的石蠟/EG 復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)較純石蠟提高 15.8 倍，高達(dá) 5.21 W/(m·K)，相變潛熱達(dá) 149.3 kJ/kg。LIN 等采用石蠟/EG 復(fù)合材料控制 LiFeO4 電池組溫度，電池溫度降低了約11℃。

泡沫石墨（graphite foam, GF）與 EG 作用相似，泡沫石墨具有很多開孔，也可填充各種材料。ZHANG 等制備了四種不同孔隙率的石蠟/GF 復(fù)合相變材料并測(cè)量其熱擴(kuò)散率，測(cè)試結(jié)果顯示，相比純石蠟，石蠟/GF 復(fù)合相變材料的熱擴(kuò)散率最高可增大 590 倍，且其相變潛熱隨石蠟質(zhì)量比增加而增大。

近年來(lái)許多學(xué)者采用碳纖維、石墨烯、碳納米管等高導(dǎo)熱材料提高石蠟的熱導(dǎo)率，也取得了較好的結(jié)果。

SAMIMI 等僅用 0.69%的碳纖維便使石蠟的平均熱導(dǎo)率提高 105%。TEMEL 等將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯微片（graphene nanoplatelets, GNP）加入相變材料中，研究?jī)?chǔ)能單元中復(fù)合材料的瞬間熱響應(yīng)。結(jié)果表明，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨 GNP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而線性增加，儲(chǔ)能單元中溫度差明顯減少。GNP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增大了 253%，儲(chǔ)能單元的有效利用時(shí)間延長(zhǎng)了 32 min。FENG 等制備了碳納米管（carbon nanotubes, CNTs）/月桂酸（lauric acid, LA）復(fù)合相變材料，復(fù)合 CNTs/LA 的導(dǎo)熱系數(shù)是純 LA 的四倍。

在石蠟中添加高導(dǎo)熱金屬或采用泡沫金屬吸附石蠟，所得復(fù)合相變材料體系亦有較好的熱管理效果。崔海亭等在相變材料中填充高孔隙率泡沫鋁，通過數(shù)值模擬研究高孔隙泡沫鋁對(duì)石蠟導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果顯示，加入泡沫鋁能使溫度分布均勻，縮短相變時(shí)間，提高儲(chǔ)熱效率。

KHATEEB 等對(duì)比了自然對(duì)流冷卻、石蠟冷卻、泡沫鋁冷卻和泡沫鋁/石蠟復(fù)合相變材料冷卻這四種熱管理系統(tǒng)的散熱效果。結(jié)果表明，高導(dǎo)熱泡沫鋁可以有效降低電池溫升，泡沫鋁/石蠟復(fù)合相變材料的冷卻效果最好，相比自然對(duì)流冷卻，石蠟/泡沫鋁復(fù)合相變材料可使電池峰值溫度下降約 50%，且電池間溫度分布最為均勻。電池溫度均勻性的提升有利于提升電池工作狀態(tài)的一致性，減少個(gè)別電池提前結(jié)束充放電過程帶來(lái)的電池組有效電量損失。

KHATEEBA 等分別采用純石蠟和石蠟/泡沫鋁（孔隙率為 90% ~ 92%）復(fù)合相變材料對(duì)電池進(jìn)行熱管理，研究電池模塊的散熱效果。結(jié)果表明，加入泡沫鋁或者鋁翅片，熱管理系統(tǒng)散熱性較好。QU 等采用數(shù)值模擬方法研究商用方形鋰離子電池中飽和石蠟/泡沫銅的對(duì)流換熱行為，發(fā)現(xiàn)與空氣對(duì)流和絕熱模式相比，復(fù)合相變材料熱管理系統(tǒng)可顯著降低電池表面溫度，使其滿足1 ~ 3 C 放電速率。

李一搭建熱管理系統(tǒng)，探討空氣冷卻、純石蠟冷卻和石蠟/泡沫銅復(fù)合相變材料冷卻三種不同的熱管理方式的控溫和均溫效果，同樣發(fā)現(xiàn)復(fù)合相變材料的效果更好。此外，李一還采用數(shù)值模擬方法研究了相變材料厚度對(duì)電池散熱的影響，結(jié)果表明，在高倍率放電時(shí)，復(fù)合相變材料厚度的改變對(duì)電池表面溫度和有效熱管理時(shí)間影響較大。

WANG 等采用泡沫銅/相變材料對(duì)不同型號(hào)的鋰離子電池進(jìn)行熱管理，對(duì)比了絕緣環(huán)境下 PCM和自然空氣對(duì)流的效果，結(jié)果表明，在放電速率為5 C 時(shí)，PCM 的控溫效果優(yōu)于空氣對(duì)流，26650、42110 和方電池的最高溫度可控制在 44.37℃、51.45℃和 50.69℃以下的時(shí)間更長(zhǎng)。

泡沫金屬雖能強(qiáng)化相變材料導(dǎo)熱性能，但強(qiáng)化效果并未能比肩翅片。麻才新等設(shè)計(jì)了一個(gè)基于正十八烷的板式相變換熱器，并分別采用泡沫銅和翅片強(qiáng)化導(dǎo)熱，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)比得出，翅片相比泡沫銅更能強(qiáng)化相變材料導(dǎo)熱性能，實(shí)現(xiàn)更大蓄熱量與更小密度。

金屬/金屬氧化物納米顆粒若能均勻添加到有機(jī) PCMs 中，也能夠強(qiáng)化有機(jī) PCMs 的相變傳熱。?AHAN 等采用分散法制備了石蠟/納米磁鐵礦（Fe3O4）復(fù)合材料，差示掃描量熱測(cè)試結(jié)果表明該材料潛熱儲(chǔ)存能力比純石蠟高 8%，熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁鐵礦添加重量比為 10%和 20%時(shí)，熱導(dǎo)率分別提高了 48%和 60%。

泡沫類材料與顆粒材料提高相變材料導(dǎo)熱性能的相同之處均為高導(dǎo)熱填料均勻分布在 PCM 中，利用高導(dǎo)熱填料形成的傳熱通道將熱量帶出。復(fù)合相變材料由固體相變?yōu)橐后w時(shí)，原先的顆粒填料結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，再次變回固體時(shí)，導(dǎo)熱顆粒不再均勻分布，嚴(yán)重影響傳熱效果。相比之下，泡沫相變材料由于本身具有支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)生相變后結(jié)構(gòu)變化不大，循環(huán)性能更優(yōu)，更具有應(yīng)用價(jià)值。

基于相變材料的動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯楷F(xiàn)狀

基于相變材料的熱管理系統(tǒng)分為被動(dòng)式（單一式）熱管理和主動(dòng)式（混合式）熱管理形式。所謂混合式熱管理，即 PCM 耦合其他冷卻方式（如風(fēng)冷、液冷）的熱管理系統(tǒng)。

基于相變材料的被動(dòng)熱管理系統(tǒng)中只采用相變材料進(jìn)行熱管理。這種熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能將電池溫度控制在安全溫度范圍內(nèi)。前述的基于相變材料的熱管理系統(tǒng)基本為被動(dòng)式熱管理，雖然在添加高導(dǎo)熱材料后復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大，但PCM 僅是單純的吸熱和儲(chǔ)熱材料，本身的散熱能力不佳，PCM 與空氣之間僅靠空氣對(duì)流進(jìn)行散熱，一旦 PCM 潛熱散盡，PCM 反而會(huì)影響電池系統(tǒng)的散熱。由此可見，單一式相變材料熱管理不能滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硪?，需與其他冷卻方式配合使用，通過其他冷卻方式將 PCM 中的熱及時(shí)散去，提高整個(gè)系統(tǒng)的冷卻效果。基于此，混合式熱管理應(yīng)勢(shì)而生。

PCM 耦合風(fēng)冷的熱管理系統(tǒng)

PCM 耦合風(fēng)冷的熱管理系統(tǒng)中，PCM 直接接觸電池，對(duì)電池進(jìn)行冷卻，但 PCM 完全相變后熱量無(wú)法及時(shí)散去，因此通過強(qiáng)制空氣對(duì)流可將 PCM 的熱量帶走，降低電池表面溫度。

凌子夜等制備并研究了 RT44HC/膨脹石墨復(fù)合相變材料對(duì)電池組的控溫效果，發(fā)現(xiàn)用于鋰離子電池?zé)峁芾淼南嘧儾牧献罴褱囟仍?40 ~ 45℃之間；連續(xù)高倍率充放電循環(huán)時(shí)，熱管理系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的熱量無(wú)法及時(shí)散去，故引入強(qiáng)制空冷輔助相變散熱，并測(cè)定了混合式熱管理系統(tǒng)的控溫效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)速高于 3 m/s 時(shí)，相變材料儲(chǔ)存的潛熱能較快釋放，保證其能穩(wěn)定地長(zhǎng)期使用。研究中還提出混合式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法，綜合考察并優(yōu)化了電池的排布結(jié)構(gòu)、PCM 組成、主動(dòng)散熱施加位置等參數(shù)，減少相變材料使用量與體積，使系統(tǒng)更為輕便和緊湊。

FATHABADI 等提出一種主動(dòng)−被動(dòng)混合熱管理系統(tǒng)，該熱管理系統(tǒng)如圖 4 所示，其中主動(dòng)式部分采用分布式細(xì)管、空氣流動(dòng)和自然對(duì)流進(jìn)行冷卻，被動(dòng)式部分采用相變材料/膨脹石墨復(fù)合材料進(jìn)行冷卻。采用該混合式熱管理系統(tǒng)后，電池組各單體間溫度能保持在適宜范圍，溫度分布較為均勻。數(shù)值模擬結(jié)果表明，該熱管理系統(tǒng)較其他熱管理系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖 4 混合式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

PCM 結(jié)合風(fēng)冷可有效降低電池組溫度，使電池組溫度更均勻，但簡(jiǎn)單的空氣對(duì)流對(duì)電池?zé)峁芾硇Ч邢?，因而許多學(xué)者在結(jié)構(gòu)上對(duì) PCM 耦合風(fēng)冷進(jìn)行了改進(jìn)，取得了更好的效果。

WU 等開發(fā)了銅網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合相變材料石蠟/膨脹石墨的“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖 5 所示，其中銅網(wǎng)作為骨架，可提高整個(gè)模塊的導(dǎo)熱性和強(qiáng)度，在強(qiáng)空氣對(duì)流時(shí)，裸露在復(fù)合材料中的銅翅片不僅可以散熱，還可以干擾空氣流動(dòng)，從而增強(qiáng)傳熱能力。

圖 5 銅網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合相變材料三明治結(jié)構(gòu)

YAN 等設(shè)計(jì)了一種由導(dǎo)熱殼、保溫板和相變材料組成的夾層復(fù)合板熱管理系統(tǒng)（如圖 6 所示），并建立了熱管理模型。通過四種不同模式比較復(fù)合板在正常工況和熱沖擊工況下的熱性能。結(jié)果表明，復(fù)合板能有效提高電池的散熱性能，保證電池溫度的一致性，同時(shí)還能提高電池組的隔熱性能，防止熱失控。

圖 6 夾層復(fù)合板熱管理系統(tǒng)

由于金屬鋁具有良好的導(dǎo)熱性與較小的密度，也有學(xué)者采用金屬鋁作為導(dǎo)熱介質(zhì)，可同時(shí)兼顧導(dǎo)熱與輕量化。JIANG 等設(shè)計(jì)了由膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料、鋁管、隔板和外殼組成的熱管理系統(tǒng)。如圖 7 所示，空氣在流道中多次轉(zhuǎn)向，可提高換熱效率，安全性能得到提高。

圖 7 PCM 耦合導(dǎo)熱鋁板的熱管理系統(tǒng)

綜上，PCM 耦合風(fēng)冷可降低并均化電池溫度，通過對(duì)主被動(dòng)散熱位置進(jìn)行設(shè)計(jì)、引入導(dǎo)熱性良好的金屬進(jìn)行風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段，可獲得較好的散熱效果。

PCM 耦合液冷的熱管理系統(tǒng)

在 PCM 耦合液冷的熱管理系統(tǒng)中，液體冷卻介質(zhì)取代前述的空氣對(duì)流用于冷卻相變材料，電池溫度上升時(shí)，PCM 發(fā)生相變，由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，而液冷介質(zhì)致力于吸收 PCM 的熱量，將其由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，以便持續(xù)冷卻電池。

王子緣設(shè)計(jì)了復(fù)合相變材料耦合液冷管道的鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)中，復(fù)合相變材料填充在中部能連接液體通道的導(dǎo)熱棒體，棒體插在電池單體之間的間隙處。研究發(fā)現(xiàn)，2 C 充放電時(shí)，該熱管理系統(tǒng)最高溫度比單一相變材料冷卻降低了約 3℃，比自然冷卻降低了約 6℃。

JAVANI 等設(shè)計(jì)了液體冷卻結(jié)合 PCM 冷卻的混合式熱管理系統(tǒng)，為減小管殼式換熱器尺寸，在PCM 材料中添加了碳納米管或石墨烯等高導(dǎo)熱材料，使得系統(tǒng)整體導(dǎo)熱性能提高，減小了換熱器最優(yōu)長(zhǎng)度尺寸，滿足汽車使用要求，而且改進(jìn)后的熱管理系統(tǒng)優(yōu)于空氣冷卻和液體冷卻。

RAO 等設(shè)計(jì)了 PCM 耦合微通道的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并采用數(shù)值模擬的方法研究了水的質(zhì)量流量、相變溫度和熱導(dǎo)率等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，通道數(shù)的增加可減少電池的最高溫度和最大溫差。

LOPEZ 等將傳統(tǒng) PCM 耦合液冷進(jìn)行電池?zé)峁芾恚陔姵亟M上下兩側(cè)安置了冷卻板，研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的散熱效果與 PCM 的熱性能和電池間距關(guān)系很大。

PCM 耦合液冷熱管理系統(tǒng)中，散熱效果不僅與相變材料本身性能、液體流量、電池布置間距有關(guān)，也與系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，合理的設(shè)計(jì)能顯著影響電池冷卻效果。

BAI 等將相變材料和強(qiáng)制液冷配合設(shè)計(jì)了分層散熱結(jié)構(gòu)，如圖 8 所示，冷卻板安裝在電池之間間隙的上部分，相變材料填充在冷卻板的下方。研究結(jié)果表明：設(shè)置在靠近電極區(qū)的水冷板可以有效帶走放電過程中的大部分熱量；冷卻板高度、電池間距、進(jìn)液口質(zhì)量流量、流動(dòng)方向、PCM 導(dǎo)熱系數(shù)及熔點(diǎn)等因素均對(duì)模塊冷卻效果有影響。

圖 8 PCM 耦合水冷板分層散熱原理

LV 等開發(fā)了一種膨脹石墨/石蠟/低密度聚乙烯三元復(fù)合材料與翅片耦合的熱管理系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 3.5 C 高倍率放電時(shí)電池組能在 50℃的安全溫度和 5℃的安全溫差下工作，說(shuō)明散熱翅片能提高相變材料冷卻系統(tǒng)的表面?zhèn)鳠崮芰Α?/div>

PCM 耦合液冷的熱管理系統(tǒng)能進(jìn)一步降低電池溫度，但結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍有較多可提升的空間。

PCM 耦合熱管的熱管理系統(tǒng)

采用熱管耦合 PCM 的熱管理系統(tǒng)，巧妙利用了熱管體積小的特點(diǎn)，將熱管伸入熱量積聚且不易排出的地方將熱量導(dǎo)出，避免使用復(fù)雜的冷卻管路帶來(lái)的流體壓降現(xiàn)象。

WU 等設(shè)計(jì)了基于熱管輔助相變材料的熱管理系統(tǒng)，將 PCM 的大蓄熱能力與熱管的良好冷卻效果相結(jié)合，在高放電功率下，熱管的存在使得電池模塊溫度分布更均勻，即使在高達(dá) 5 C 的放電倍率和循環(huán)工況下，電池的溫度也能控制在 50℃以下，且溫度波動(dòng)更小。

ZHAO 等設(shè)計(jì)的 PCM 耦合熱管的熱管理系統(tǒng)如圖 9 所示，研究結(jié)果表明，相比單純 PCM，PCM耦合熱管進(jìn)行電池?zé)峁芾砜墒箿囟炔罱档?28.9%，且電池間溫差更小。

圖 9 PCM 耦合熱管的熱管理系統(tǒng)：（a）結(jié)構(gòu)模型；（b）實(shí)物實(shí)驗(yàn)

WU 等和 TIARI 等都對(duì)熱管配合相變材料的散熱方式進(jìn)行了研究，其研究差別主要在于熱管冷凝端的冷卻方式不同。

LEI 等也設(shè)計(jì)了相變材料耦合熱管的熱管理系統(tǒng)，如圖 10，在熱管的尾端采用噴淋冷卻的方式，該系統(tǒng)能將電池表面最大溫差抑制在 2.6℃以內(nèi)。相較風(fēng)冷與水冷，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，且考慮了節(jié)能與減重等因素。

圖 10 基于 PCM 及噴霧冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理

從以上例子可以看出，熱管體積小、傳熱效率高的特點(diǎn)，與 PCM 結(jié)合后，可快速將 PCM 局部集聚的熱量導(dǎo)出，提高冷卻效率，但想要獲得更好的冷卻效果，需要在熱管冷凝端進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)，輔以其他冷卻方式提升整體效果。

結(jié)論與展望

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)續(xù)航里程要求越來(lái)越高，電池模組內(nèi)單體電池的數(shù)量和能量不斷提高，隨之而來(lái)的電池散熱問題越來(lái)越嚴(yán)重。具有高相變潛熱的 PCM 在電池控溫儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，但 PCM 存在熱導(dǎo)率低、易泄漏、價(jià)格高等問題，其導(dǎo)熱增強(qiáng)復(fù)合材料多次相變易出現(xiàn)離析問題，因而在目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能商業(yè)推廣。

根據(jù)目前 PCM 研究現(xiàn)狀，今后研究可重點(diǎn)往以下幾個(gè)方向發(fā)展：

（1）優(yōu)化材料性能，提高熱導(dǎo)率、封裝性能及多次循環(huán)后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用合適孔隙密度及孔隙率的泡沫材料作為骨架材料避免循環(huán)作用后結(jié)構(gòu)坍塌，添加新型高導(dǎo)熱顆粒，提高 PCM 熱導(dǎo)率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好封裝。

（2）結(jié)合風(fēng)冷、液冷、熱管技術(shù)，優(yōu)化基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案?？煽紤]多種方式并存的設(shè)計(jì)，保證熱管理系統(tǒng)性能的同時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單兼顧成本的熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

（3）加大對(duì)相變材料熱管理數(shù)值模擬分析的研究。相變傳熱問題影響因素較多，且計(jì)算復(fù)雜，建立更精確的相變材料熱管理模型，有利于進(jìn)行熱設(shè)計(jì)分析，降低實(shí)驗(yàn)成本，優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。

（4）加大相變材料在嚴(yán)寒天氣中電池加熱上的研究。目前大部分 PCM 熱管理研究均為對(duì)電池進(jìn)行冷卻，但實(shí)際應(yīng)用中，特別是嚴(yán)寒天氣下，電池的加熱也同樣重要，需加大研究。

分享到：