相變材料應(yīng)用于電池模組散熱特性的模擬實驗

李妙妙，丁世云，周旭峰，劉兆平

(1.寧波石墨烯創(chuàng)新中心有限公司，浙江 寧波 315201；2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201)

動力電池自身溫度的高低和內(nèi)部溫度均勻性對其性能和壽命影響很大，大多數(shù)動力電池能夠在一定的溫度范圍內(nèi)(25～40 ℃)高效安全地充放電。隨著電池的大型化，電池的能量密度不斷增加，電池內(nèi)部熱量不易散出，導(dǎo)致電池溫度過高，影響電池的性能和使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致安全事故發(fā)生。電動汽車在啟動、加速等情況下，電流變化較大且產(chǎn)熱不均衡，導(dǎo)致電池內(nèi)部不同模塊之間的溫度差異過大，會加劇電池內(nèi)阻和容量的不一致性，長時間積累會造成部分電池過充電或過放電現(xiàn)象，進而影響電池的壽命和性能，造成安全隱患，因此需要對動力電池模組進行熱管理[1-2]。

相變材料是隨著溫度變化發(fā)生物相轉(zhuǎn)變的材料，在相變過程中吸收或釋放潛熱且保持溫度不變，相變材料能恒溫或近似恒溫地與外界發(fā)生熱量交換，從而達到儲能、控溫的目的，成為電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究熱點[3]。

目前針對相變材料應(yīng)用于動力電池?zé)峁芾黹_展了大量研究。王治源等[4]根據(jù)動力電池的散熱問題設(shè)計了一套基于相變材料的熱管理系統(tǒng)，采用功率可調(diào)節(jié)的鑄鋁電加熱板模擬電池不同工況下的發(fā)熱情況，結(jié)果表明相變材料可有效抑制加熱板的溫升速率。王之偉等[5]采用18650鋰離子電池尺寸制造仿形外殼，中間開孔容納加熱器模擬電池發(fā)熱，研究不同加熱功率下相變材料的溫控特性，結(jié)果表明相變材料具有良好的溫控特性。陳志能等[6]以納米氮化硼為填料，制備不同質(zhì)量分數(shù)的石蠟基納米復(fù)合材料，對其進行熱物理表征，并將該材料應(yīng)用于鋰離子電池?zé)峁芾恚Y(jié)果氮化硼含量為1%時熱導(dǎo)率最高為0.338 6 W/(m·K)，在3C和5C放電條件下，復(fù)合材料比純石蠟降溫和均溫效果更好。朱波等[7]研究了一種基于相變材料的純電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并對其進行仿真與分析，結(jié)果表明結(jié)合相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在常溫下可有效抑制電池溫升速度，在低溫下可更快提升電池工作溫度。楊成亮等[8]采用三種不同相變溫度的固體定形相變材料包覆方形電池的方法，研究了相變材料冷卻大容量鋰電池的效果，結(jié)果表明液冷加相變復(fù)合冷卻方式的冷卻效果良好。

本實驗采用石蠟、膨脹石墨(EG)、高導(dǎo)熱石墨膜制備相變復(fù)合材料(PCM)，并采用鋁塑袋對相變復(fù)合材料進行封裝，制備出了導(dǎo)熱性好、安全性高的相變散熱材料。組建了一套軟包電池模組熱管理模擬測試系統(tǒng)，采用鋁加熱板模擬電池發(fā)熱，研究了復(fù)合相變材料對加熱板溫升情況、各加熱板之間溫差以及同一加熱板不同位置各點溫差的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

石蠟，熔點48 ℃，相變潛熱170 J/g，上海誼久化工有限公司；膨脹石墨，蟲體，原始膨脹體積600 mL/g，青島巖海碳材料有限公司；高導(dǎo)熱石墨膜，厚度0.5 mm，導(dǎo)熱系數(shù)150 W/(m·K)，青島巖海碳材料有限公司；鋁塑袋，尺寸250 mm×180 mm；鋁加熱板，額定電壓220 V、額定電流1 A，尺寸260 mm×210 mm×2 mm。

1.2 復(fù)合相變材料的制備

(1)將石蠟加熱到150 ℃使其全部熔融；(2)加入膨脹石墨，150 ℃下繼續(xù)攪拌30 min，使其混合均勻；(3)將膨脹石墨/石蠟混合物置于模具中，在80 ℃平板壓機中熱壓成復(fù)合相變片材；(4)在復(fù)合相變片材上下表面兩側(cè)采用80 ℃輥壓機熱貼覆高導(dǎo)熱石墨膜，熱熔的相變片材與石墨膜緊密貼合；(5)將相變片材置于鋁塑袋中，排除鋁塑袋中的空氣，采用塑封機對鋁塑袋進行封口，得到復(fù)合相變散熱片。

1.3 軟包電池模組熱管理模擬測試系統(tǒng)

軟包電池模組熱管理模擬測試系統(tǒng)由3 個部分組成，包括軟包電池模組模擬系統(tǒng)、加熱功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 軟包電池模組熱管理模擬測試系統(tǒng)

軟包電池模組模擬系統(tǒng)由13 個額定功率、尺寸相同的鋁加熱板組成，加熱板額定電壓220 V、額定電流1 A，尺寸為260 mm×210 mm×2 mm，加熱板置于軟包電池模組專用塑料框架中，通過與塑料框架頂部的銅條連接使鋁加熱板并聯(lián)。相變復(fù)合散熱片尺寸為260 mm×210 mm×2 mm，通過雙面膠緊密貼覆在鋁加熱板表面，熱電偶貼附在加熱板表面進行測溫，熱電偶在加熱板表面測溫點的布置如圖2 所示。加熱速率調(diào)節(jié)系統(tǒng)由MS-305D 直流電源進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓從而調(diào)節(jié)并聯(lián)電路中鋁加熱板的電壓，從而調(diào)節(jié)鋁加熱板的加熱功率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用SH-40 多路溫度記錄儀，40 通道，溫度記錄儀一端與熱電偶連接進行溫度變化的測試，另一端與計算機連接，用于記錄溫度變化數(shù)據(jù)，設(shè)置采樣時間為1 s。

圖2 熱電偶在加熱板表面測溫點布置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合相變散熱片的基本性能

復(fù)合相變材料的物性參數(shù)為：密度0.758 g/cm3，相變焓153.5 J/g，相變溫度48 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)2.761 W/(m·K)。制備的相變材料在高于相變溫度下容易壓制成任意尺寸和厚度的片材，適合應(yīng)用于軟包電池模組的熱管理。

2.2 軟包電池模組模擬系統(tǒng)的溫升情況

某電池廠家提供的48 V、126 Ah 軟包電池，內(nèi)阻0.7 mΩ，根據(jù)電池內(nèi)阻生熱的計算公式Q=I2×R估算出13 塊電池模組0.5C、1C、1.5C、2C放電時的總生熱量分別為36、144、325和577 W，調(diào)節(jié)模擬電池模組的電壓電流，使總加熱功率與電池理論生熱量相近。

模擬系統(tǒng)兩端分別加載25、50、75、100 V 的電壓時，電流分別為1.43、2.87、4.30、5.75 A，模擬系統(tǒng)的加熱功率分別為35.7、143.5、322.5、575.0 W，加熱板最高溫度點的溫升速率分別為0.21、1.14、3.63、5.71 ℃/min，各加熱板表面溫升情況如圖3 所示。

圖3 不同加熱功率下各加熱板表面溫升曲線

35.7 W 時，各加熱板的溫升速率為：1#<13#<2#<12#<3#～11#，最外側(cè)1#和13#由于熱量易于向外界散發(fā)，因此溫升速率最低，2#和12#溫升速率次之，中間部分3#～11#發(fā)熱板溫升速率基本一致。143.5 W 時最外側(cè)1#和13#溫升速率最低，2#～12#發(fā)熱板溫升速率基本一致。

322.5和575.0 W 時，隨著加熱功率的進一步增加，熱量在模擬組件內(nèi)部大量積聚，加熱板溫升受加熱功率和熱量積聚的雙重影響，各加熱板之間溫升速率出現(xiàn)不一致性，加熱板發(fā)熱功率越高，各發(fā)熱板之間溫升速率差別越大。

2.3 相變材料對模擬系統(tǒng)溫升情況的影響

各加熱板表面貼附2 mm 厚度的相變材料，將模擬系統(tǒng)兩端加載不同加熱功率時，各加熱板表面溫升情況如圖4 所示。由圖4 可知，使用相變材料后，加熱板的溫升曲線發(fā)生明顯的變化，與無相變材料相比，使用相變材料的加熱板在室溫～45 ℃溫區(qū)內(nèi)升溫速率有所降低，但降低效果不明顯；而在45～50 ℃溫區(qū)內(nèi)，升溫曲線呈平緩趨勢，升溫速率顯著降低。這是因為加熱板在加熱過程中產(chǎn)生的熱量會傳遞到相變材料內(nèi)部，在初始階段溫度沒有達到相變材料的相變溫度，相變材料吸收的熱量是顯熱，吸收的熱量使固態(tài)相變材料溫度升高；當(dāng)相變材料溫度升高到45 ℃以上時，達到相變溫度開始融化發(fā)生相變，此時相變材料從加熱板吸收的熱量是潛熱，吸收的潛熱使相變材料發(fā)生相變而溫度保持恒定；當(dāng)相變材料吸收熱量全部融化完全相變后，繼續(xù)吸收的熱量作為液態(tài)相變材料的顯熱，此時溫度急劇升高。

圖4 相變材料對模擬系統(tǒng)溫升情況的影響

加熱功率分別為35.7、143.5、322.5 和575.0 W 時，模擬系統(tǒng)使用和未使用相變材料，加熱板表面溫升速率比較如表1所示。當(dāng)加熱功率分別為35.7、143.5、322.5 W 時，使用相變材料后，隨著加熱功率的增加，加熱板表面最高溫升速率分別降低38%、49%、58%，使用相變材料使模擬系統(tǒng)加熱板表面溫升速率顯著降低，相變材料降溫效果明顯；當(dāng)加熱功率升高到575.0W 時，使用相變材料反而使加熱板溫升速率提高133%，這是由于加熱功率過高，熱量不能快速傳遞到相變材料內(nèi)部，而相變材料反而起到保溫作用，使溫升速率升高。

表1 模擬系統(tǒng)溫升速率比較

加熱功率分別為35.7、143.5、322.5 和575.0 W 時，模擬系統(tǒng)使用和未使用相變材料，各加熱板之間溫差比較如表2 所示。當(dāng)加熱功率分別為35.7、143.5 W 時，使用相變材料使模擬系統(tǒng)各加熱板表面溫差分別降低33%和19%，相變材料均溫效果明顯；當(dāng)加熱功率升高到322.5 和575.0 W 時，使用相變材料反而使各加熱板之間的溫差增加49%和108%，這是由于加熱功率過高，熱量在模擬系統(tǒng)內(nèi)部積聚，導(dǎo)致有些加熱板貼覆的相變材料已經(jīng)完成相變，溫度開始急劇升高；而有些加熱板貼覆的相變材料相變還在進行中而保持溫度恒定，因此導(dǎo)致各加熱板之間溫差變大[9]。

表2 模擬系統(tǒng)各加熱板之間溫差比較

選取5#加熱板作為代表，研究相變材料對加熱板表面不同位置溫度差的影響，如圖5 和表3 所示。由結(jié)果可知，無相變材料時加熱板的發(fā)熱功率較小時，各點溫差較小，均溫性良好。隨著發(fā)熱功率的升高，熱量在發(fā)熱板內(nèi)部積聚，來不及在發(fā)熱板內(nèi)部均勻傳遞，導(dǎo)致發(fā)熱板各點升溫速率不一致，最終導(dǎo)致各點溫差增大。加熱板表面貼覆2 mm 相變材料后，隨著加熱功率由35.7 W 增加到575.0 W 時，相變材料使加熱板表面不同位置溫差分別減小33%、30%、19%、19%，相變材料可以降低加熱板表面不同位置的溫度差，提高加熱板表面的均溫性。

圖5 貼覆相變材料前后5#加熱板表面不同位置的溫升情況比較

表3 5#加熱板表面不同位置的溫差比較

3 結(jié)論

本文采用鋁加熱板建立軟包電池模組模擬系統(tǒng)，將厚度為2 mm 的相變材料應(yīng)用于模擬系統(tǒng)中，加熱功率分別為35.7、143.5、322.5、575.0 W 時，測試復(fù)合相變材料的性能，結(jié)果表明：

(1)加熱功率≤322.5 W 時，相變材料使加熱板表面最高溫升速率分別降低38%、49%、58%，隨著加熱功率的增加，相變材料的降溫效果增加；加熱功率≥575.0 W 時，相變材料反而使加熱板表面最高溫升速率增加133%，沒有降溫效果，而是起到了保溫作用。

(2)加熱功率≤143.5 W 時，相變材料使模擬系統(tǒng)各加熱板之間的溫差分別降低33%和19%，相變材料均溫效果明顯；加熱功率≥322.5 W 時，模擬系統(tǒng)各加熱板之間的溫差分別增加49%和108%，加熱功率過高時，由于不同加熱板表面的相變沒有同時發(fā)生而導(dǎo)致溫差加大。

(3)隨著加熱功率的增加，同一加熱板不同位置溫差分別降低33%、30%、19%和19%，相變材料對同一個加熱板具有良好的均溫效果。

在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)電池模組的發(fā)熱功率和相變材料的相變焓值計算所需相變材料的量，根據(jù)電池最佳工作溫度范圍選擇與之相匹配的相變溫度，否則相變材料不僅不能達到降溫效果，反而起到保溫作用，增加危險性。