相變材料在電動汽車電池組熱管理中的應用進展

曾契

摘 要： 動力電池組是電動汽車的關(guān)鍵部件，充放電過程中的熱管理將對電池組的使用效率、壽命和可靠性產(chǎn)生重要影響，應用基于相變材料設計的電池組熱管理系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、溫度控制均勻性好以及能量效率高等優(yōu)勢。本文介紹了以導熱顆粒、金屬片、膨脹石墨以及金屬泡沫等為載體的相變材料在電池熱管理中的應用狀況，對不同結(jié)構(gòu)和組合的相變材料熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行了綜述。分析結(jié)果表明，膨脹石墨和金屬泡沫載體相變材料具有較高的傳熱效率，性能穩(wěn)定；基于相變材料和液體冷卻設計的熱管理系統(tǒng)能夠有效降低冷卻功耗，并提升電池組熱管理的溫度均勻性。

關(guān)鍵詞：相變材料 電動汽車 電池組 熱管理

Abstract：Power battery group is the key element for the electric cars. That thermal management of battery charging and discharging has significant effects on its using efficiency， life span and reliability. Thermal management system based on the phase changing material is simple， and its temperature controlling uniformity is good， having high heat transfer performance. This paper gives an application overview of phase changing material based on the thermal conductive particles， metal fin， expanded graphite and metal foam， and research on different thermal management structures and combinations based on phase changing material are summarized. The analysis results indicate that phase changing material based on expanded graphite and metal foam has high heat transfer efficiency， more stable performance. And the compound thermal management system based on phase changing material and liquid cooling can keep temperature control uniform while reducing system power consumption.

Key words：Phase changing material， Electric vehicle， Batteries， Thermal management

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）07-0193-01

前言

隨著化石能源的短缺和溫室效應的加劇，汽車動力系統(tǒng)正向著電動化的方向不斷前進。以動力電池組為基礎(chǔ)的混合動力系統(tǒng)和純電動系統(tǒng)正蓬勃發(fā)展[1，2]。動力電池組作為汽車電動化的關(guān)鍵性技術(shù)要素，其在充放電過程中將產(chǎn)生大量的熱量，并無法及時擴散，最終導致動力電池組過熱。大量的研究表明，電池組運行溫度對充放電效率、能量密度、功率輸出、安全性、可靠性和生命周期等有著重要的影響[3，4]。因此，設計開發(fā)高效的動力電池熱管理系統(tǒng)（Thermal Management System， TMS）對于保證電池組功率的輸出和性能的穩(wěn)定至關(guān)重要[5，6]。

根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同，動力電池的熱管理系統(tǒng)TMS可分為空氣冷卻系統(tǒng)、液體冷卻系統(tǒng)、空調(diào)冷卻系統(tǒng)和材料相變冷卻系統(tǒng)，以上各種冷卻系統(tǒng)可以相互組合，形成混合的動力電池冷卻系統(tǒng)（如圖1所示）[6]。

傳統(tǒng)的動力電池組采用空氣、液體以及空調(diào)冷卻系統(tǒng)，雖然能取得一定的熱管理效果，但會產(chǎn)生額外的功耗[7，8]。相變材料通過物相的改變，能夠存儲或釋放熱量，能在基本不消耗額外功率的前提下實現(xiàn)動力電池組的熱管理。具有熱管理功能的相變材料應具有高潛熱、高比熱容、高的熱傳導率和合理的相變溫度等特點。然而常用的相變材料（如石蠟）的熱傳導率非常低（0.2～0.3W·m-1·K-1），不利于物相過程的轉(zhuǎn)化[5，9]。基于上述背景，本文討論了基于相變材料石蠟的動力電池熱管理系統(tǒng)，綜述了改善相變材料性能的技術(shù)方法和特性，并對不同結(jié)構(gòu)、不同組合的相變材料熱管理系統(tǒng)性能進行了對比分析。

一、相變材料熱傳導率改善方法

目前的研究表明，主要有三種方法改善相變材料的熱傳導率：

（1）在相變材料中添加導熱顆粒，如碳納米顆粒、碳纖維、鋁粉等；

（2）采用金屬板附著相變材料；

（3）采用多孔材料吸收相變材料形成混合體，如金屬泡沫、延展石墨基體等。

1.導熱顆粒載體相變材料

在相變材料中加入導熱顆粒可以有效提升導熱率，增大動力電池組熱管理系統(tǒng)的散熱、放熱潛能。文獻[10～12]研究了在相變材料中加入碳纖維顆粒對其性能的影響，如圖2所示。

圖2中，銅管嵌入到相變材料中，碳纖維顆粒組合成片狀，覆蓋在銅管周圍；或者碳纖維顆粒組合成刷狀，和銅管組合嵌入到相變材料中。研究表明，占相變材料0.42%體積的碳纖維材料能有效提升熱傳導率，大大改善相變材料熱管理系統(tǒng)的熱量存儲和釋放功能。

文獻[13]報道了一種石蠟和石墨顆粒混合成的相變材料，能進一步提升熱傳導率（如圖3）。

2.金屬片載體相變材料

以金屬片為載體的相變材料，金屬片將石蠟隔斷成數(shù)個熱量存儲-釋放單元，有效增加相變材料的傳熱面積，從而有效提升了熱傳導率，基本的結(jié)構(gòu)如圖4所示[14～16]。

文獻[14～16]的研究結(jié)果表明，交叉布置的金屬片載體結(jié)構(gòu)更有利于熱傳導率的提升，且性能穩(wěn)定；當其結(jié)構(gòu)孔數(shù)增加時，熱傳導率逐漸提升，但孔數(shù)增加到一定數(shù)量后，熱傳導率不在隨孔數(shù)增加而明顯改善。

3.金屬泡沫及膨脹石墨載體相變材料

采用多孔載體材料，如膨脹石墨、金屬銅泡沫載體，以特定工藝組合成相變復合材料，能大幅度提升材料的熱傳導率。

文獻[17]給出了一種膨脹石墨載體相變材料的處理工藝，如圖5所示。首先片狀石墨在高溫熱爐中進行熱處理膨脹，然后對膨脹的石墨進行滾壓，最后將融化的石蠟分散到膨脹石墨中，使其被膨脹石墨吸收。文獻[18]的研究表明這種膨脹石墨載體的石蠟復合相變材料熱傳導率可達16.6W·m-1·K-1。

關(guān)于金屬銅泡沫載體（圖6）的石蠟相變材料的研究表明，相比于純石蠟相變材料，該復合相變材料能有效提升熱傳導率20～30倍[19]，熱傳導率達到7W·m-1·K-1。

綜合上述的研究資料，認為膨脹石墨和金屬泡沫載體相變材料具有較高的傳熱效率，動力電池組熱管理系統(tǒng)性能更為穩(wěn)定[10～19]。

二、相變材料與傳統(tǒng)介質(zhì)組合的電池冷卻方式

相變材料由于物相轉(zhuǎn)化熱能吸收潛能的限制，在用于動力電池組熱管理時會導致電池過熱的狀況。為了解決相變材料發(fā)生完全的物相轉(zhuǎn)化后，仍不能滿足電池熱管理要求的問題，通常將相變材料熱管理系統(tǒng)與空氣冷卻系統(tǒng)或液體冷卻系統(tǒng)相組合，以取得更為優(yōu)異的冷卻性能。

1.相變材料與空氣冷卻組合系統(tǒng)

研究了一種相變材料與空氣冷卻組合的電池熱管理系統(tǒng)。相變材料附著在電池周圍，空氣經(jīng)相變材料表面流動，在環(huán)境溫度為294.15K的條件下，能實現(xiàn)傳熱率為8.05W·m-1·K-1的較高傳熱效能（如圖7）。

2.相變材料與液體冷卻組合系統(tǒng)

設計了一種鋁盒裝載的圓柱形動力電池組，并填充石蠟相變材料，且上下蓋板中嵌入銅管，銅管中有冷卻液體流動，加強散熱（圖8和圖9）。電池組所散發(fā)熱量由石蠟相變材料吸收，石蠟物相由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，銅管中冷卻液體帶走液態(tài)石蠟中的熱量，石蠟物相由液相變?yōu)楣虘B(tài)，如此往復循環(huán)，實現(xiàn)了電池組的高效散熱。試驗研究結(jié)果表明，石蠟相變材料與液態(tài)冷卻組合的熱管理系統(tǒng)傳熱系數(shù)可達25W·m-1·K-1，實現(xiàn)了功耗較小的情況下高效能散熱，且溫度控制均勻性良好。

三、結(jié)論

1.以導熱顆粒、金屬片、膨脹石墨以及金屬泡沫等為載體的相變材料能夠增加傳熱系數(shù)，有效提升相變材料冷卻系統(tǒng)的熱傳導效能，并具有良好的溫度控制均勻性。

2.膨脹石墨載體、金屬泡沫載體比導熱顆粒載體、金屬片載體更能提升相變材料的傳熱性能。

3.相變材料與傳統(tǒng)介質(zhì)組合的電池冷卻方式可進一步提升電池組熱管理系統(tǒng)的性能。

4.石蠟相變材料與液體冷卻組合的相變材料熱管理系統(tǒng)傳熱系數(shù)可達25W·m-1·K-1，實現(xiàn)了功耗較小的情況下高效能散熱。

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