相變材料在動力電池熱管理系統中的應用進展

劉　伶，張宏慶，關　昶

(1.吉林化工學院石油化工學院，吉林　132022；2.中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林　132021)

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相變材料在動力電池熱管理系統中的應用進展

劉伶1，張宏慶2，關昶1

(1.吉林化工學院石油化工學院，吉林132022；2.中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林132021)

動力電池作為電動汽車的核心部件對整車的性能有很大影響，而其性能的發揮又受工作溫度影響，只有確保在一定的溫度范圍內動力電池的性能才能最好的發揮。因此動力電池組必須安裝有效的熱管理系統，保證正常的工作溫度，縮小單體電池的溫差。相變材料是一種可以被用于熱管理系統的新型材料，本文分別從相變材料的性能、動力電池熱管理系統現狀和相變材料在動力電池熱管理系統中的應用三個方面對基于相變材料的熱管理系統進行了綜述。

相變材料； 動力電池； 熱管理系統； 安全性

1　引　言

為了解決日趨嚴重的環境污染和能源匱乏兩大問題，各國都在致力于尋找新的能源和發展新的交通工具，同時也加大了對節能環保類產業的支持。這些因素激發了汽車企業研發新能源車的熱情，國內外許多汽車廠家都把開發新能源汽車作為未來的重要發展戰略。2015年，我國的新能源汽車產銷量有望突破30萬輛，中國無疑會成為全球最大的新能源汽車市場。從全球新能源汽車的發展來看，其動力電源主要包括鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池、鉛酸電池、超級電容器，其中鋰離子動力電池是目前最被市場看好的一種。無論是那一種類型的新能源汽車，它的品質和性能在很大程度上都取決于其所配置的電池組的性能，特別是電池組的循環性能和安全性能。影響電池組安全性能的因素有很多，其中電池的溫度對電池整體性能的影響最為顯著。對于大多數類型的電池來講，電池的最佳工作溫度范圍為10～50 ℃。為了使電池處于最佳的工作溫度范圍內，傳統的方法是以廉價空氣或水為冷卻介質來進行散熱，這種散熱方式的系統復雜且占用的空間較大，并且只能解決電池組過熱的情況，產生的熱量不能回收，不利于能量的合理利用。因此，開發一種同時兼顧兩種情況(過冷或過熱)下電池工作的性能的熱管理系統，使電池組在正常溫度范圍內工作成為了急待解決的問題。

相變材料(PhaseChangeMaterial，PCM)是一種能夠利用其自身的相變潛熱吸收或釋放系統熱能的材料，它的特點是可以幾乎無限期循環使用[1,2]。雖然目前其在電池熱管理系統中的研究還較少，但是其在建筑節能領域、太陽能利用等方面已經得到應用，其特性得到了很多研究人員的驗證[3-6]。這種材料對節能減排、促進環保意義重大，因此以后會受到越來越多領域研究人員的重視。

2　PCM的性能及應用進展

相變材料是指在其物相變化過程中，可以從外界環境吸收熱量或者向外界環境放出熱量，從而達到通過能量交換控制環境溫度和利用能量目的的一種材料。相變材料發生物理變化時把大量相變熱轉移到環境中時，產生了一個寬的溫度平臺，延長了恒溫的時間。理想的相變材料一般符合以下三個方面的要求：(1)熱導率高，熱量的存入和取出容易；(2)性能穩定，不發生熔析和副反應，材料各狀態的密度大，體積穩定。(3)材料價格便宜，儲量豐富等。

按化學組成不同可將相變材料分為無機水合鹽相變材料、有機相變材料、復合相變材料。其中，無機水合鹽相變材料的熔解熱和熔點較大，通常作為中、低溫相變儲能材料。常見的無機水合鹽有：CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、CaBr2·6H2O、CH3COONa·3H2O等。有機相變材料是通過在不同溫度下不同晶型之間和高分子支鏈的轉變來進行吸熱或放熱，常見的有機相變材料有石蠟和酯酸類高分子化合物。其中石蠟的相變潛熱和熔化溫度都較高，且具有較低的成本，是目前研究較多的一類相變材料，其商業化潛力很大。復合相變材料主要包括兩種，一種是以無機材料作為網絡基質，有機相變材料嵌在無機網絡結構里，其中無機材料維持材料的形狀、力學性能，有機材料通過相變來吸收和釋放能量；另一種是將導熱纖維和相變材料制成的纖維復合材料。

PCM具有高效、節能、環保、安全等多項優勢，非常適合于建筑、太陽能和工業等領域，從而代替傳統的材料及取暖方法。目前，PCM的應用方向主要包括：(1)建材將PCM應用于建筑物的圍護結構，達到節能環保的目的，PCM構成的相變墻體和相變地板是目前國內外研究的熱點。 (2)太陽能供暖系統的儲熱PCM可以彌補太陽能受天氣情況影響的缺陷，在白天和晴天吸收大量的熱，以便在夜間和陰雨天時將能量釋放出來以維持供應熱水。(3)工業加熱過程中余熱的利用利用PCM的儲熱系統可以克服傳統蓄熱器體積過大、價格昂貴、熱慣性大、輸出功率衰減的缺點，使加熱系統在采用節能設備后仍能穩定地運行。目前，相變材料已經在許多領域得到了廣泛應用，但其在電池熱管理系統中的研究還較少，由于相變材料可以吸收和釋放電池所產生的熱量，達到減少電池組中的溫度變化的目的，因此將其應用于電池熱管理系統將會有良好的產業前景。

3　動力電池熱管理系統現狀

溫度的高低對于動力電池整體性能，包括電池的容量、功率、充放電效率、安全性和壽命都有著非常顯著的影響。隨著電池的充放電過程的深入，電池的溫度會隨之升高，因此需要有效的降溫方法。為了達到這一目的我們不僅要從改善電池組中各單體電池性能著手，還需要設計有效的電池組熱管理系統。熱管理系統不僅是動力電池系統中不可或缺的組成部分，更是電池優良性能的保障。熱管理系統對電池即要起到冷卻作用同時也要起到加熱的作用,而冷卻作用是更重要的環節。在整個熱管理系統中對冷卻效果影響最大的是傳熱介質的性能，其類型的選擇是在設計熱管理系統之前確定的，一般按照傳熱介質的類型可將熱管理系統分為三類：空冷，液冷以及相變材料冷卻。

空氣冷卻是指通過將外部空氣導入電池組內部，空氣在電池表面發生對流換熱，然后再將熱量從電池組內部排出的過程。按照空氣流動的方式，一般將空氣冷卻分為自然冷卻和強制冷卻。自然冷卻的空氣流動是自發的，它通過車輛行駛中的自然對流將空氣導入電池組，這種方式的對流傳熱系數較小一般為5W/(m·k)；強制冷卻的空氣流動是非自發的，它通過風扇將空氣導入電池組，這種方式的對流傳熱系數和風速成正比，一般大于 10W/(m·k)[7]?？绽浞绞骄哂薪Y構簡單，重量輕，成本較低，無漏液，有害氣體產生時能有效通風等優點。缺點在于這種換熱方式的換熱系數低，從而造成冷卻和加熱速度慢；同時對于風道的設計要求很高，很難達到流場一致，導致單體電池溫度一致性不好。

液體冷卻是指通過液體傳熱介質在電池組內部的流動來換熱，液體的傳熱系數通常比空氣的傳熱系數要高，并且液體的邊界層更薄，從而使得其導熱率更高[8]。液體冷卻按照其與電池是否直接接觸，可分為直接接觸式冷卻和非直接接觸式冷卻。直接接觸式冷卻的傳熱介質采用礦物油，由于礦物油的粘度高，進行換熱時就需要較大的泵功率才能運行，這一點對電動車來講是非常不利的。非直接接觸式冷卻的傳熱介質多采用水、乙二醇和防凍液等[9]。非直接接觸式冷卻要想達到較好的控溫效果，必須保證液體管路有良好的密封性能以及合理的管路走向，因此這種方式對電池箱設計及加工的要求較高[10]。

采用PCM材料的熱管理系統是通過PCM材料在相變過程中的潛熱在電池升溫時來吸收電池的熱量，減小單體電池之間溫度差；在電池工作溫度過低時釋放熱量，對電池起到保溫作用，從而提高電池在寒冷條件下的性能[11]。無論從節能角度還是從續駛里程角度考慮，采用PCM材料作為傳熱介質較前兩種方法具有其獨特的優勢，是目前動力電池熱管理系統的首選材料。

4　PCM在動力電池熱管理系統中的應用進展

PCM材料的最早應用可以追溯到1945年，在美國波士頓的一座采用太陽能集熱器的建筑上使用了硫酸鈉作為保溫材料[12]，隨后此類相變材料逐漸被大家認可，應用范圍從太陽能、建筑材料逐漸擴展到計算機[13]和電動汽車領域。

PCM在電動車領域的應用最早開始于2004年[14]，SaidAl-Hallaj的研究團隊在采用鋰離子電池的電動踏板車的電池熱管理系統中使用了一種相變材料。他們對使用相變材料的電池組前后的溫度控制情況進行了仿真分析，分析結果表明添加PCM的電池熱管理系統可以更好的降低電池組的溫度，同時縮小單體電池間的溫差。2005年他們又提出在PCM中加入泡沫鋁可以更好的控制電池的溫度[15]。

為了證明采用PCM的電池熱管理系統的優勢，Sabbah等[16]針對混合動力電動車中的鋰離子電池組的熱管理系統進行了研究，分別對采用風冷和PCM材料的兩種熱管理系統進行了模型仿真。結果表明，采用PCM材料的熱管理系統在大倍率、高環境溫度等劇烈工況條件下表現出更出色的散熱效果。同時，采用PCM能更好的降低單體電池間的溫度差異，提高電池組的一致性。

此后各種新型的相變材料逐漸被研究人員應用到動力電池組的熱管理系統中。例如，2008年Kizilel等[17]研究了一種由石蠟和石墨復合而成的相變材料，將其應用于電池熱管理系統中，實驗結果發現采用這種相變材料的電池熱管理系統可以有效解決電池組溫度過高的問題，在電池放電結束時可以將溫度控制在45 ℃以下。同時可以有效的降低單體電池的溫差，可以將電池組中心和邊緣溫差縮小到4 ℃。這些數據都證明采用此種相變材料的熱管理系統可以更好的滿足動力電池組對溫度的要求。在2009年他們又進一步研究出一種石蠟和膨脹石墨復合而成的相變材料[18]，這種相變材料可以使單體電池之間的溫度差縮小到0.2 ℃以內。同時，通過仿真模擬在電池熱失控的條件下采用這種相變材料可以有效的阻止單體電池的問題傳導到其他電池，并可以將失控電池的溫度減低到正常水平。

隨著PCM的研究不斷深入，研究人員對于其在實際應用中的效果也進行了考察。Duan等[19]研究了在不同的環境溫度下，PCM材料的應用情況。結果發現PCM材料在電池恒定放熱率和非恒定放熱率下都可以有效的控制電池的溫度，其冷卻效果比自然冷卻好，并且在較低的環境溫度下對于環境的適應性更好。

5　展　望

相變材料的種類很多，不同的體系所適用的相變材料不同。相變材料的兩個重要指標相變潛熱和相變溫度決定了可以吸收和儲存熱量的數量及其發生儲熱過程的溫度。目前雖然其在電池熱管理系統中的研究還較少，但是其在在建筑節能領域、太陽能利用等方面已經得到應用，其特性得到了很多研究人員的驗證。這種材料對節能減排、促進環保意義重大，因此以后會受到越來越多領域研究人員的重視。由于目前國家對新能源汽車的補貼政策，必然會導致汽車行業逐步將發展方向轉移到電動汽車或混合動力汽車上。就目前的發展趨勢看，雖然很多廠家都推出了各種類型的電動汽車，但要得到消費者的認可，還要在提高其性能的穩定性和安全性上做進一步的研究。采用相變材料作為電池組熱管理系統的介質，將提高電池在各種濫用或惡劣氣候的情況下的工作穩定性，從而擴大動力汽車的應用范圍，因此相變材料在電動車市場里具有廣闊的應用前景。

[1] 劉濤，李月明，王竹梅，等.無機鹽/石英復合相變儲能材料多孔陶瓷基體的制備[J].硅酸鹽通報，2013,32(12)：2476-2480.

[2] 席國喜，路寬.硬脂酸/埃洛石復合相變材料的制備及其性能研究[J].硅酸鹽通報，2011，30(5)：1155-1159.

[3]AmarMK,FaridMM．Areviewonenergyconservationinbuildingapplicationswiththermalstoragebylatentheatusingphasechangematerials[J].Energy Conversion and Management, 2004,45: 263-275.

[4]PeippoK,KauranenP,LundPD.AmulticomponentPCMwalloptimizedforpassivesolarheating[J].Energy and Buildings,1991,17(4):259-270.

[5]AthienitisAK,LiuC,HawED,etal.Investigationofthethermalperformanceofapassivesolartest-roomwithwalllatentstorage[J].Build Environ, 1997, 32(5):405-410.

[6]FangXM,ZhangZG.Anovelmontmorillonite-basedcompositephasechangematerialanditsapplicationsintermalstoragebuildingmaterials[J].Energy and Buildings,2006,38(4):377-380.

[7] 林成濤，李騰，陳全世.錳酸鋰動力蓄電池散熱影響因素分析[J].兵工學報，2010，31(1)：88-93.

[8] 齊曉霞，王文，邵力清.混合動力電動車用電源熱管理的技術現狀[J].電源技術，2005,29(3)：178-181.

[9] 張劍波，盧蘭光，李哲.車用動力電池系統的關鍵技術與學科前沿[J].汽車安全與節能學報，2012，3(2)：87-104.

[10] 張國慶，馬莉，張海燕.HEV電池的產熱行為及電池熱管理技術[J].廣東工業大學學報，2008，25(1):1-4.

[11] 鐘盛文，李培植，張騫，等.鋰離子蓄電池正極材料LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2的安全性能[J].電源技術，2007, 31(12):954-970.

[12]BiswasDR.Thermalenergystorageusingsodiumsulfatedeca-hydrateandwater[J].Solar Energy,1997,19(1):99-100.

[13] 素德，宋國林，樊鵬飛，等.相變儲能材料的應用及研究進展[J].高分子材料科學與工程，2010，26(8)：161-164.

[14]KhateebSA,FaridMM,SelmanJR,etal.Designandsimulationofalithium-ionbatterywithaphasechangematerialthermalmanagementsystemforanelectricscooter[J].Journal of Power Sources,2004,128:292-307.

[15]KhateebSA,AmiruddinS,FaridM,etal.ThermalmanagementofLi-ionbatterywithphasechangematerialforelectricscooters:experimentalvalidation[J].Journal of Power Sources,2005,142:345-353.

[16]SabbahR,KizilelR,SelmanJR,etal.Active(air-cooled)vs.passive(phasechangematerial)thermalmanagementofhighpowerlithium-ionpacks:Limitationoftemperatureriseanduniformityoftemperaturedistribution[J].Journal of Power Sources,2008,182:630-638.

[17]KizilelR,LateefA,SabbahR,etal.Passivecontroloftemperatureexcursionanduniformityinhigh-energyLi-ionbatterypacksathighcurrentandambienttemperature[J].Journal of Power Sources,2008,183:370-375.

[18]KizilelR,SabbahR,SelmanJR,etal.AnalternativecoolingsystemtoenhancethesafetyofLi-ionbatterypacks[J].Journal of Power Sources,2009,194:1105-1112.

[19]DuanX,NatererGF.Heattransferinphasechangematerialsforthermalmanagementofelectricvehiclebatterymodules[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53:5176-5182.

ProgressinApplicationofPhaseChangeMaterialsinThermalManagementSystemsforPowerBattery

LIU Ling1,ZHANG Hong-qing2,GUAN Chang1

(1.CollegeofPetrochemicalEngineering,JilinInstituteofChemicalTechnology,Jilin132022,China;2.GlyoclFactoryofJilinPetrochemicalCompany,Jilin132021,China)

Asthecorecomponent,powerbatterydirectlyaffecttheperformanceoftheelectricvehicles,anditsperformanceisaffectedbytemperature,onlyatacertaintemperaturerangethebatterywillacquirethebestperformance.Thereforepowerbatterymustinstallaeffectivethermalmanagementsystemtocontrolthenormaloperatingtemperatureandreducethetemperaturedifferencebetweenmonomers.Phasechangematerial(PCM)isanewtypematerialusedforthermalmanagementsystem.ThePCMbasedthermalmanagementsystemisintroducedinthispaper,andtheperformanceofthePCM,thepresentsituationsofthethermalmanagementsystemandtheapplicationofPCMinthermalmanagementareallreviewed.

phasechangematerial；powerbattery；thermalmanagementsystem；security

吉林市科技支撐計劃項目(2013324003)

劉伶(1980-)，女，博士，副教授.主要從事鋰離子電池材料方面的研究.

關昶，碩士，副教授.

TM911

A

1001-1625(2016)01-0150-04