摘要：新能源汽車在冬季低溫環(huán)境下會出現(xiàn)電池組的放電電壓過低，電池可用容量衰減，電池組循環(huán)壽命縮短等問題。而目前主要是通過電池自身放電或者外接熱源對電池組冷啟動前進行預熱來提升電池溫度，這種方法一定程度上緩解了電池的放電衰減問題，但加熱電池或弱短路會犧牲部分電池電量。本研究提出一種新型共晶相變儲能材料及動力電池低溫熱管理系統(tǒng)，將電動汽車行駛過程電池釋放的熱量儲存于材料中，低溫過冷保存（可在-20℃環(huán)境長期保存），在電動汽車再次啟動時，通過觸發(fā)裝置使材料蓄存的熱量高效釋放，加熱電池組，儲熱材料自身可在-20℃環(huán)境中升溫至25.4℃，電池組可被加熱至0℃，這一過程不消耗額外電力，僅僅利用電池前次運行過程的電池放熱。對比實驗表明，在-20℃條件下，1C放電倍率時，采用低溫熱管理的電池組與普通電池組相變放電功率提升6.8%。本研究為電動汽車冬季熱管理提供新的思路。

詳情參見Journal of Energy Storage, 2022, 50, 104240；https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X22002699一種動力電池熱管理系統(tǒng)，ZL 202010833640.6；一種大過冷度二元低共熔結晶水合鹽相變材料的制備方法及應用，ZL 202110542101.1

動力電池低溫熱管理系統(tǒng)運行模式

新能源汽車的運行過程如下：如下圖（a）所示，動力電池組外層設有金屬鋁殼內部填充共晶相變儲能材料，在新能源汽車運行過程中（圖1b），電池組在不同放電倍率下進行放電，伴隨著放電過程電池組會由于產(chǎn)生焦耳熱電池周圍的環(huán)境溫度提升，待其達到相變材料的相變溫度（41℃）時，相變材料吸熱由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，當汽車停止運行時（圖1c），環(huán)境溫度-20℃，此時電池及相變儲能材料隨著環(huán)境溫度的降低而降低，并且由于相變材料存在過冷現(xiàn)象，并不會自發(fā)發(fā)生相變過程，在低溫環(huán)境下相變材料依舊為液態(tài)。當新能源汽車下次冷啟動之前觸發(fā)相變材料（圖1d），此時相變材料發(fā)生液固相變，釋放出儲存的潛熱，提升電池組溫度。溫度變化過程如圖1e所示。

圖1 共晶相變材料應用于冬季低溫電池熱管理示意圖

深度過冷相變材料制備及測試
本研究采用的結晶水合鹽為三水乙酸鈉、五水硫代硫酸鈉和去離子水，質量比為64.4%：27.6%：8%。共晶相變材料的相變溫度為41.4℃，潛熱值169.3kJ/kg，過冷度為71.4℃。將制備的共晶相變儲能材料置于低溫環(huán)境中，通過一種可控觸發(fā)相變裝置，即含有共晶顆粒的金屬棒作為成核中心，觸發(fā)結晶成核釋放潛熱，通過下圖所示（a、b），共晶相變儲能材料能夠在觸發(fā)3min內完全相變凝固，且能夠放出熱量將試劑瓶壁面溫度從-21.3℃提升至25.4℃。

圖2 觸發(fā)相變后相變材料釋熱溫升圖
動力電池低溫放電實驗測試
動力電池熱管理裝置采用蜂巢式設計，外部為鋁殼，內部填充過冷相變材料，相變材料體積占電池包總體積的45%。為防止相變材料對鋁殼的腐蝕，在鋁殼表層進行了氧化處理，厚度為50微米。實驗過程使用NCR18650B鋰離子電池進行充放電實驗，將36節(jié)鋰離子電池采用18串2并的排列方式如圖3a所示，電池組最大放電電壓為72V，截止電壓為50V，并采用低溫恒溫箱模擬環(huán)境溫度?？煽蒯専釂卧獮閹в薪Y晶鹽的粗糙鋁棒，由電機驅動與相變材料接觸或分離。整個實驗臺搭建如圖3b所示。

圖3（a）動力電池熱管理單元（b）實驗平臺
動力電池組放電性能測試
本研究對采用熱管理單元前后的動力電池分別進行了低溫條件放電性能測試，溫度為-20℃，設定低溫時間為12h之后，此時電池組與液態(tài)相變儲能材料都已達到-20℃，通過電機驅動觸發(fā)相變材料結晶相變后，此時液態(tài)相變儲能材料發(fā)生結晶釋熱過程，瞬間提升電池組溫度至0℃，如4a所示。在不同放電倍率下（1C、2C、3C，放電電流為（5.2A、10.4A、15.6A），對比測試了填充深度過冷相變材料（綠線）與未填充相變儲能材料（藍線）的電池放電電壓，在1C條件下，采用了熱管理的電池放電功率對比未采用熱管理的大6.8%，在3C條件下，未采用熱管理的電池輸出電壓低于截止電壓50伏，難以放電，而采用了熱管理系統(tǒng)的動力電池組可以有效放電。

圖4 動力電池組不同倍率、溫度下的放電性能
結論和展望
本文制備出了一種能夠在深度過冷條件下通過添加成核中心方式來觸發(fā)共晶相變材料凝固相變，將潛熱值完全釋放的復合相變材料。將其應用于動力電池熱管理中，能夠在冬季低溫環(huán)境下，明顯提升了汽車在冷啟動時電池組周圍的溫度（-20℃提升至0℃），對電池組的放電電能和放電電壓都有提升。在此基礎上，實驗室利用材料深度過冷特性，開展了基于本相變材料的夏季熱管理研究，利用相變材料作為載冷工質對電池組進行降溫，如圖5所示。目前已取得初步結果。

圖5 夏季工況實驗示意圖
作者：孫鳴洋、劉彤、李沐霖、陳貴軍、姜東岳，劉雪玲工作單位：大連理工大學海洋能源利用與節(jié)能重點實驗室；天津大學中低溫熱能高效利用重點實驗室