相變材料 (Phase - Change Material， PCM) 是一類特殊的功能性材料， 能在 恒溫或近似恒溫的情況下發(fā)生相變， 同時(shí)伴隨有較大熱量的吸收或釋放。 PCM 最初是用來作為儲存熱量的介質(zhì)， 主要目的是平衡熱能的供需差異。 PCM 應(yīng)用 的基礎(chǔ)有兩個(gè): 其一， PCM 相變過程的等溫性， 這種特性有利于將溫度變化控制在較小的范圍內(nèi)，可以用來控制溫度; 其二， PCM有很高的相變潛熱， 少量的材料可以存儲大量的熱量， 在各系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)可顯著減輕系統(tǒng)重量。PCM 發(fā)生的相變可以是固態(tài) - 氣態(tài)、 固態(tài) - 液態(tài)以及液態(tài) - 氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)變， 固 態(tài) - 氣 態(tài)、 固態(tài) - 氣態(tài)的轉(zhuǎn)變盡管相變潛熱很高， 但是由于體積變化大， 對于系統(tǒng)的空間需求就會增加， 這是不實(shí)際的。 另外 一種固態(tài)-固態(tài)轉(zhuǎn)變只是晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變， 因?yàn)闈摕彷^小故應(yīng)用也很少。 PCM通常利用的是固態(tài) - 液態(tài)轉(zhuǎn)變， 這一過程伴隨著較高的相變潛熱以及較小的溫度 與體積變化。 相變冷卻的優(yōu)點(diǎn)在于:

1) 冷卻效率比液冷高出3~4倍。 2) 更能滿足快充需求。

3) 結(jié)構(gòu)緊湊。

4) 潛在地降低了成本。

5) 避免了乙二醇溶液在電池箱體內(nèi)部的流動。

PCM 用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)， 把電池組浸在 PCM 中， PCM 吸收電池放出的 熱量而使溫度迅速降低， 熱量以相變熱的形式儲存在 PCM 中， 在充電或很冷的 環(huán)境下工作時(shí)釋放出來，

針對電動汽車散熱， 相 變材料可以安放在電池組內(nèi)， 直接與電池模塊接觸換熱， 還可以包覆在電池模塊 外表面， 采用間接接觸的方式。 相變冷卻方式能夠較好地緩解動力電池內(nèi)部的溫 升， 是較為有效的冷卻方式， 但同時(shí)也增加了電池組系統(tǒng)的重量和成本， 使結(jié)構(gòu) 更為復(fù)雜， 維護(hù)也不方便。

寶馬 i3 的熱管理采用直冷方案 (也有液冷方案)， 制冷劑為 R134a，相變冷卻技術(shù)中還有一種熱管技術(shù)， 熱管由管殼、 吸液芯和端蓋組成， 將管 內(nèi)抽成1.3 ×(10-1 ~10-4)Pa 的負(fù)壓后充以適量的工作液體， 使緊貼管內(nèi)壁的 吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。 管的一端為蒸發(fā)段 (加熱段)， 另一端為冷凝段 (冷卻段)， 根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱 段。 它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷 介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)， 透過熱管將 發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外， 其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱 能力。

熱管工作原理

熱管具有導(dǎo)熱性高、 等溫性高、 熱流方向可逆等優(yōu)點(diǎn)， 已經(jīng)在電子、 航天等 領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中， 熱管式冷卻系統(tǒng)與強(qiáng)制對流散熱系統(tǒng)相 比， 可以使動力電池在正常溫度范圍工作， 并能夠很好地保持電池單體之間的溫 度均勻性。

著名科學(xué)家 Cotter 為熱管學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)， 一般稱之為 Cotter 理論， 其中 提到了熱管正常工作的必要條件:

Δpc≥Δpl +Δpv +Δpg (1-1) 熱管內(nèi)的流體流動屬于氣 - 液兩相逆流流動， 其中蒸氣從蒸發(fā)段流向冷凝段 會產(chǎn)生壓力降Δpv， 冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段會產(chǎn)生壓力降Δpl， 而重力場 對液體流動也會產(chǎn)生壓力降 Δpg ( 可以是正值、 負(fù)值或?yàn)榱悖?視熱管在重力場中 的位置而定)。 Δpl + Δpv + Δpg 形成了工質(zhì)回流的阻力， 而熱管中工質(zhì)的循環(huán)動

力依靠毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)與工作液體產(chǎn)生的毛細(xì)壓頭， 也就是Δpc。 Δpv和Δpl一般隨熱負(fù)荷的增加而增加， 主要受工質(zhì)的黏度、 密度、 質(zhì)量流 量、 熱管長度、 多孔物質(zhì)滲透系數(shù)等影響， 而Δpc則由吸液芯結(jié)構(gòu)決定， 毛細(xì)孔 半徑越小， Δpc越大。 毛細(xì)結(jié)構(gòu)為循環(huán)提供的毛細(xì)壓頭是有限的， 如果由毛細(xì)力 作用抽回的液體不能滿足蒸發(fā)所需的量， 便會出現(xiàn)蒸發(fā)段的吸液芯干涸， 造成蒸 發(fā)段管壁溫度劇烈上升， 甚至出現(xiàn)燒壞管壁和熱源的現(xiàn)象， 這就是常見的毛細(xì)極