基于相變儲熱技術的電池熱管理系統研究進展

羅明昀，凌子夜，2，方曉明，2，張正國，2

（1 華南理工大學化學與化工學院，傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640；2 廣東省熱能高效儲存與利用工程技術研究中心，廣東 廣州 510640）

在全球變暖的趨勢下，世界各國都在努力減少碳排放，實現“碳中和”的目標。隨著我國提出在2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的“雙碳”目標，發展綠色能源、推動新能源汽車替代傳統燃油汽車已經成為未來必然的發展趨勢。新能源汽車的動力來源主要有氫燃料電池、鉛酸電池和鋰離子電池。鋰離子電池具有能量密度高、比功率大、自放電率低和循環壽命長等優點，被認為是目前最適合的新能源汽車動力裝置。目前，世界上主要的汽車生產商包括寶馬、奧迪、特斯拉、豐田、比亞迪等，都將鋰離子電池作為其新能源汽車的動力裝置。但是鋰離子電池在充放電過程中受溫度影響很大，其最佳的工作溫度范圍為20～50℃。當溫度高于50℃時，鋰離子電池的功率和容量會明顯降低，在55℃環境下經過490次循環后，電池的容量就衰減了30%。鋰離子電池工作溫度過高還會使其固體電解質界面（SEI）膜發生分解，從而引發熱失控，甚至導致燃燒、爆炸等事故。當溫度低于0℃時，電池的內阻增大，放電電壓降低，產生鋰鍍，電池的充放電容量和循環壽命都會大幅衰減。因此，在鋰離子電池的使用過程中，熱管理系統可以保證電池在最佳溫度范圍內工作，是其不可或缺的一部分。

電池熱管理系統可分為主動式熱管理系統和被動式熱管理系統。主動式熱管理系統通過換熱介質，如空氣、液體等將電池的熱量帶走從而達到冷卻電池的目的。空氣熱管理系統結構簡單、重量輕、能耗低、易于維護，其技術成熟并且已經在商用車上得到了應用，如日產Leaf、本田Prius 和三菱i-MiEV。但是空冷系統的冷卻效果較差，當電池發熱量較大時容易導致電池組溫度分布不均勻，甚至無法滿足控溫需求。液體冷卻具有更大的對流換熱系數和更高的冷卻能力，也被廣泛應用于電動汽車的動力電池冷卻。這種基于液體冷卻的電池熱管理系統需要增加復雜的管道和泵等輔助設備，使得系統有著更復雜的結構、更大的重量以及更高的成本，并且還面臨著泄露的風險。被動式熱管理系統，如熱管熱管理和相變材料熱管理，結構簡單、不需要復雜龐大的輔助設備，并且不需要消耗額外的能量。熱管熱管理利用熱管優異的導熱性能，可以將電池產生的熱量快速地帶走從而達到冷卻電池的目的。但是，熱管的自身形狀限制了其只能用于特定形狀的電池中，而且其更多的是作為主動式冷卻系統的導熱工具使用。相變儲熱材料在相變時可以吸收大量熱量并且保持溫度基本不變，這種特性恰好可以滿足電池熱管理的需求。通過與多孔材料以及高導熱填料復合得到的復合相變材料，具有無泄漏、熱導率大、可加工成任意形狀等優點。因此，相變材料熱管理系統可以適用于任意形狀的電池，結構緊湊，并且溫度一致性好，是一類非常有前景的動力電池熱管理系統。本文綜述了基于相變儲熱技術的電池熱管理系統的研究進展，并對未來相變材料熱管理系統的設計進行了展望。

1 被動式熱管理系統

1.1 高溫熱管理系統

Al-Hallaj 等首次提出了將相變材料用于鋰離子電池的熱管理中。通過數值模擬的方式，發現在近似絕熱的條件下，包裹相變材料后的電池溫度可以降低約8℃。在這之后的一系列實驗和數值模擬的研究也證明了相變材料在電池熱管理系統中的有效性。Duan 等采用加熱棒模擬電池，設計了兩種相變材料裝填結構來包裹電池，如圖1 所示。實驗結果證明，兩種設計均能有效地將加熱棒的溫度控制在安全范圍內，并且包裹了相變材料的加熱棒溫度比在自然對流情況下的降低了約30℃，證明了相變材料熱管理控溫的有效性。但是傳統的有機相變材料存在熱導率低、易泄露等問題。應用了相材料熱管理系統的電池組往往溫度均勻性差，并且需要復雜的密封結構。將相變材料與泡沫金屬或石墨基多孔材料復合，可以解決相變材料在熔化后的泄露問題，同時可以提高材料的熱導率。復合相變材料熱導率的提高可以降低電池間的溫差，提高電池組的溫度均勻性。Rao 等采用三維模型研究了相變溫度和熱導率對相變材料熱管理系統控溫性能的影響。結果表明提高相變材料的熱導率和適當降低相變溫度可以提高相變材料的傳熱性能，減小電池組的溫差。Ling等使用石蠟和膨脹石墨（EG）復合制備得到高導熱復合相變材料，并將其應用于圓柱形電池熱管理系統的研究，系統示意圖如圖2 所示。該研究使用加熱棒（直徑18mm、長度100mm）來模擬電池發熱，并將石蠟/EG 復合相變材料壓實填充在圓柱形的不銹鋼桶中包裹著加熱棒。通過改變復合相變材料的相變溫度、石蠟質量分數以及壓實密度，研究了相變材料的相變溫度和熱導率對電池組溫度以及溫度均勻性的影響。實驗結果表明，相變材料的相變溫度越高，電池溫度達到60℃的時間越長。但是當相變材料的相變溫度大于50℃時，電池的工作溫度會超過50℃，這不利于延長電池的循環壽命。因此，在相變材料電池熱管理系統中，復合相變材料的相變溫度應在40～45℃之間。然而在實際應用過程中，傳統剛性復合相變材料存在機械強度低、易碎和接觸熱阻大等問題。使用熱塑性彈性體，如烯烴塊共聚物（OBC）、氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）等作為支撐材料與有機相變材料復合可以制備得到具有柔性的復合相變材料。Huang等將柔性相變材料與傳統的剛性相變材料進行對比發現，柔性相變材料與電池的接觸熱阻為461mm·K/W，而剛性相變材料與電池之間的接觸熱阻為1818mm·K/W。由于更低的接觸熱阻，使用柔性相變材料的電池組比使用剛性相變材料的電池組溫度降低了6.5℃。柔性復合相變材料可直接通過注塑成型等工藝制備得到電池組形狀，并通過過盈配合的方式進行組裝，不需要涂抹熱潤滑脂和導熱硅脂。這極大地簡化了電池模組的生產和組裝，具有很好的應用前景。當前，相變材料在電池熱管理系統中的應用主要受限于材料本身的性能，如熱導率低、易燃性、導電性以及機械強度低等問題。在實際應用當中，應該提升相變材料的熱導率和機械強度，降低其可燃性以及導電性。

圖1 兩種相變材料熱管理系統的結構示意圖[24]

圖2 石蠟/EG復合相變材料填充的電池熱管理系統[30]

1.2 低溫熱管理系統

在低溫環境下工作時，鋰離子電池的性能也會遭受很嚴重的影響。低溫會降低電池電解質的導電性和鋰離子的擴散速率，從而導致電池電壓下降、容量損失。此外，在低溫下操作還會導致電池電極上產生鋰鍍，增加內短路的風險。相變材料在融化時吸收大量的熱量從而起到冷卻電池的作用。同樣地，其凝固時會釋放大量的熱量，可用于電池的低溫熱管理系統。Ling 等使用RT28/氣相二氧化硅復合相變材料來減緩電池溫度的降低。單電池測試的實驗結果表明，在-10℃的環境下，包裹了復合相變材料的電池在1h 后溫度仍高于5℃，而沒有包裹復合相變材料的電池不到30min 溫度就降低至0℃以下。電池工作溫度的提高可以有效地提高其放電電壓和容量。從長期來看，該復合相變材料可以連續提高電池的平均工作溫度，40 個循環后電池的循環壽命提高了76%。Huo等采用晶格玻爾茲曼模型探究了相變材料的熱導率、潛熱以及環境溫度對電池溫度以及溫度分布的影響。模擬結果表明，相變材料的潛熱可以有效地延緩電池溫度下降、提高電池組的溫度均勻性。但是部分相變材料凝固后溫度會下降得更快，從而導致電池組的溫差急劇上升。相變材料的熱導率對電池組的溫差也有很大的影響。低熱導率可以減緩相變材料的凝固過程，但是會導致電池組的溫度差異增加。提高相變材料的熱導率可以降低電池組的溫差，改善電池組的溫度均勻性。為研究相變材料的熱導率對電池組溫度分布的影響，Ling等使用兩種不同熱導率的復合相變材料——高導熱性的RT44HC/膨脹石墨復合相變材料和低導熱性的RT44HC/氣相二氧化硅復合相變材料，用于低溫熱管理性能測試。使用RT44HC/氣相二氧化硅復合相變材料的電池組在工作過程中的溫差超過了12℃，導致了電池之間電壓差異增大，如圖3所示，最終提前終止了充放電。而使用高導熱性的RT44HC/膨脹石墨復合相變材料的電池組溫差始終低于5℃，平均放電電壓提高了0.02V。

圖3 具有不同熱導率的相變材料電池熱管理系統的溫度和電壓差異比較[45]

在上述研究中，相變材料的低溫熱管理系統雖然能有效地延緩電池溫度的降低，但是卻無法對電池組預熱。當電池組長時間處于低溫環境時，完全凝固后的相變材料不僅起不到保溫的作用，反而會阻礙電池組工作時自身溫度的升高。Zhong 等將電阻絲埋在相變材料中作為加熱元件。電阻絲在低溫下可以加熱相變材料，進而對電池組預熱。相變材料在其中起到均溫作用，使得電池組可以被均勻地加熱。預熱實驗結果表明，電池組在300s 內溫度升高了40℃，加熱速率高達8℃/min。Luo等提出了一種基于導電復合相變材料電加熱的策略，該策略賦予了相變材料主動加熱的功能，使相變材料同時具有加熱和冷卻的功能。該研究制備得到石蠟/膨脹石墨導電復合相變材料，并將其包裹在電池周圍，如圖4所示。利用石蠟/膨脹石墨高效的電熱轉換特性，在3.4V的電壓下，電池組從-25℃被加熱至35℃僅需280s，加熱速率高達13.4℃/min。整個加熱過程中電池組最大溫差僅3.3℃，這表明該加熱策略具有出色的溫度均勻性。此外，該團隊還設計了一個大容量電池組（由56 個電池單體組成），當環境溫度在-40～50℃的極端條件下波動時，該復合相變材料熱管理系統都能將電池溫度保持在20～55℃之間。這證明了該系統具備向實用化方向拓展的能力。有研究提出了一種新奇的電池預熱方法，該方法利用水合鹽相變材料在其過冷狀態下儲存熱量，在需要加熱時觸發材料相變從而快速加熱電池。如圖5所示，水合鹽相變材料在過冷狀態（溫度低于其相變溫度）時依然呈現液態，可以把潛熱儲存起來。施加局部壓力可以觸發過冷相變材料的凝固，相變材料的溫度快速升高至相變溫度，從而達到加熱電池的目的。實驗結果表明，該加熱策略的加熱速率可達到7.5℃/min，預熱后電池的放電容量和功率分別提高了9.87%和7.56%。該策略雖然可以將電池工作過程中產生的熱量儲存起來用于加熱電池，不消耗額外能量。但是相變材料在過冷狀態下的不穩定性、系統的密封性以及過冷觸發的有效性依然是一個巨大的挑戰。

圖4 導電復合相變材料的制備及其用于電池主動預熱的原理[47]

圖5 利用過冷相變材料的潛熱釋放來主動加熱電池的原理[48]

由于有機相變材料具有相變焓值高、穩定、無過冷等優點，在電池熱管理中得到廣泛應用，幾乎所有的電池熱管理都使用有機相變材料。但是大多有機相變材料都是易燃物。當電池發生熱失控時，有機材料的燃燒可能會引發熱蔓延，造成整個電池組燃燒或爆炸。添加阻燃劑如石墨、玻璃纖維、三聚氨酯焦化劑和多磷酸銨等可以降低有機相變材料的可燃性，但是無法使其變成完全不可燃。無機相變材料有著天然的不可燃性，相變焓高并且成本低廉，適合用于電池組熱失控的防護。Ling 等制備了三水乙酸鈉/尿素/膨脹石墨（SATurea/EG）復合相變材料，并將其用于電池熱管理系統。為防止結晶水流失，復合材料外層用有機硅進行多尺度封裝，如圖6 所示。該電池組在2倍率下放電時的最高溫度不超過52.3℃，溫差低于4℃。此外，該水合鹽復合相變材料具有優異的阻燃性，即使暴露在高溫火焰下也完全不會燃燒。其峰值熱釋放率（PHRR）僅10kW/m，是有機復合相變材料PHRR 的1/143。更多有關該水合鹽復合相變材料和有機復合相變材料的燃燒參數如表1所示。由于其優異的阻燃性，該水合鹽復合相變材料比可燃的有機相變材料更加安全，可以保護電池免受意外火災引起的熱蔓延。

表1 水合鹽復合相變材料與石蠟/膨脹石墨（EG）復合相變材料的燃燒參數對比

圖6 阻燃性無機復合相變材料的結構及其電池熱管理系統示意[54]

2 主動式熱管理系統

主動式熱管理系統通過換熱介質將電池產生的熱量帶走從而冷卻電池，主要分為空氣冷卻和液體冷卻。空氣冷卻是一種最簡單也是最常見的冷卻方式，其系統結構簡單、重量輕，很早就被用于商業電動車，如本田Insight和豐田的Prius。但隨著電池能量密度以及發熱密度的增大，空氣冷卻已經無法滿足電池熱管理的需求。液體具有更大的對流換熱系數以及比熱容，因此液體冷卻系統具有更好的冷卻效果。根據電池表面是否與液體直接接觸，液體冷卻系統可分為直接冷卻系統和間接冷卻系統。在直接冷卻系統中，電池直接浸沒在介電液體中，傳熱阻力小，電池產生的熱量可以直接被液體帶走。因此直接冷卻系統具有結構緊湊、冷卻效率高的優點。但直接冷卻系統重量大、密封難度大，并且介電流體往往黏度較大，從而使系統需要更大的泵功耗。因此，開發一種低黏度的介電流體對于直接冷卻式熱管理系統是非常重要的。在間接冷卻系統中，流體通過管道或冷板與電池進行換熱，不與電池直接接觸。因此間接冷卻系統可以使用水-乙二醇等低黏度流體作為冷卻介質，在更小的泵功率下可以有更大的流速，冷卻效果好、安全性強并且更加容易實現。當前主流的電動汽車如特斯拉model S、比亞迪漢等都采用的間接液冷的模式進行電池組冷卻。對于直接冷卻式系統，通過設計冷板和電池組的結構，如蛇形冷板等，可以提高系統的冷卻效果以及整個電池組的緊湊性。

潛熱型功能流體是一種集儲熱與強化傳熱功能于一體的新型工質，是通過將相變材料添加到傳統工作流體中所得到的流體，主要有相變微膠囊液漿及相變乳液等。潛熱型功能流體比水具有更大的比熱容以及可以發生相變，可以提高換熱系統的傳熱能力。使用潛熱功能熱流體替代水作為液冷系統的冷卻介質可以提高系統的冷卻效果。Qaderi 等將納米相變微膠囊分散在水中制備得到相變液漿，并通過數值模擬的方式驗證了該相變微膠囊液漿在電池熱管理中的作用。模擬結果表明，與水系統相比，相變微膠囊液漿可以使電池單元的平均溫度和最高溫度分別降低34%和51%。此外，電池組的溫度均勻性也得到提升。Bai 等將相變微膠囊液漿（PCS）與微通道冷卻板結合，用于鋰離子電池冷卻。試驗結果表明，當冷卻流量小于3×10m/s 時，由20%正十八烷微膠囊和80%水組成的PCS的冷卻性能優于純水、乙二醇溶液和礦物油。而當冷卻流量超過3×10m/s 時，PCS 的冷卻效果反而不如水。相變微膠囊液漿的高潛熱特性可以提高電池熱管理系統的冷卻能力，但相變微膠囊漿液的黏度大，在運行過程中會增大系統的泵功耗。特別是當冷卻流量增大時，相變微膠囊液漿的冷卻效率降低，泵功耗增大。因此，在應用過程中，應當綜合考慮系統的冷卻效率和泵功耗之間的關系。在低功率做功的電池組中可以優先考慮使用相變微膠囊漿液。相變材料乳液，即將相變材料通過表面活性劑直接乳化分散在連續相液體中。相比于相變微膠囊液漿，相變乳液具有成本低、制備方法簡單、界面表面活性劑層的熱阻可以忽略不計的優點，顯示出作為傳熱流體的廣闊應用前景。Wang 等使用超聲的方法將石蠟OP28E 分散到水中制備得到納米乳液。相比于純水冷卻的電池熱管理系統，在相同的冷卻流量下，使用該相變納米乳液作為冷卻介質的電池組的最高溫度和溫差分別降低了1.1℃和0.8℃。在后續研究中，該團隊在微通道液體冷卻板中使用納米相變乳液來冷卻電池，如圖7。該納米乳液中石蠟的相變溫度為44℃并且質量分數為10%。在9倍率放電下，使用納米乳液的電池組的最高溫度和最大溫差分別為46℃和3.5℃，比水冷系統電池組的分別低3.5℃和1.3℃。如圖8所示，相變納米乳液在低流量下的冷卻效果比水好，納米相變乳液在10L/h流量下的冷卻效果與水在30L/h 的冷卻流量下有著相同的冷卻性能。在相同冷卻效果時，使用納米乳液的系統壓降小，所需要的泵功率也因此更小。雖然相變乳液作為冷卻介質比水有著更好的冷卻性能，但是其本身易分層、過冷度大、不穩定的缺點亟需解決。

圖7 相變乳液的結構及其用于微通道冷板的電池熱管理系統示意圖[74]

圖8 相變乳液和水在不同流量下的冷卻效果對比[74]

3 耦合式熱管理系統

在相變材料被動式熱管理系統中，相變材料吸收了電池的熱量后無法及時地將熱量導出到外界環境中。在電池大倍率放電或是多次循環的情況下，相變材料的溫度無法降低至相變溫度以下，使其控溫能力喪失，最終導致電池的溫度突破安全上限。通過將其他散熱技術與相變材料耦合，可以將相變材料吸收的熱量擴散到環境中，增強系統的穩定性和安全性。熱管具有出色的等效熱導率和簡單的幾何形狀等優點，可以快速地將相變材料吸收的熱量導出。Jiang等通過模擬證明熱管可以輸出PCM 吸收的熱量，從而保證電池充放電結束時PCM 潛熱的回收。Zhang 等設計了一種熱管和相變材料耦合的電池熱管理系統，相變材料吸收的熱量通過熱管導出，最終通過自然對流或強制對流的方式將熱量擴散至環境中。當該電池組在1、3和4放電倍率時，即使無輔助風扇，該系統可以將電池組的最高溫度控制在45℃以下。并且熱管的高導熱性能可以改善電池組的溫度均勻性。在5的極高放電倍率下，該電池組的最大溫差也可以控制在5℃以內。熱管雖然具有很高的等效熱導率，但是其與相變材料都屬于被動式熱管理技術，最終依然需要靠主動散熱技術將熱量帶走。

因此，通過將主動冷卻技術和相變材料結合，形成主被動耦合式的熱管理系統，可以更好地解決相變材料熱積累的問題。在主被動耦合的熱管理系統中，主動冷卻技術和相變材料冷卻形成了互補：主動冷卻技術可以及時地將相變材料儲存的熱量帶走，而相變材料又可以有效地降低電池間的溫差，提高電池組的溫度均勻性。Ling等將相變材料熱管理系統與強制風冷相結合，集成設計了一個主動和被動耦合的電池熱管理系統。在該耦合系統中，強制風冷可以快速地將相變材料儲存的熱量帶走，成功地防止了相變材料的熱量堆積。如圖9(c)、(d)所示，當強制對流的風速為5m/s 時，電池組的最高溫度在所有周期中都不超過50℃。若沒有強制風冷，電池組在第二個循環（1.5倍率放電）結束時的溫度就達到了將近60℃。該研究表明，相變材料被動式熱管理系統與主動式冷卻技術相結合，可以提高系統的控溫性能和安全穩定性，在很大程度上降低了系統發生失效的可能。通過增大換熱面積、優化流道結構和進出口位置等措施，可以進一步提高系統的冷卻性能和電池組的溫度均勻性。然而受限于空氣的換熱能力，當環境溫度較高或是電池組充放電倍率較大時，強制空冷無法及時地將相變材料的熱量帶走。同時，由于空氣的比熱容較小，導致系統進出口溫差較大，從而引起電池組溫差的增大。

圖9 電池組在1.5C倍率下循環放電時的溫度情況[80]

相比于空氣，液體有著更大的對流換熱系數和比熱容。因此，液冷技術與相變材料耦合的熱管理系統有著更好的冷卻性能。Ling 等根據響應表面方法（RSM）和數值傳熱模型開發優化方法，通過分析相變材料的物性、電池模塊布局和主動冷卻技術對熱管理系統的影響，設計了復合相變材料和液冷板組成的結構，如圖10 所示。優化后，電池組中相變材料的質量減少了94.1%，體積縮小了一半。并且電池組在1.5倍率放電時的最高溫度僅37℃，電池組的最大溫差小于3℃。在后續的研究中，該團隊考慮了電池組平面溫差和電池的軸向溫差，通過實驗和數值模擬結合的方式分別探究了相變材料和液冷板對電池組溫度以及溫差的影響。結果表明，水冷板的最佳進口水溫應在30℃左右。并且當電池組在最佳工作溫度范圍時，應盡量使用較低的冷卻水流量來減小電池的軸向溫差。對于復合相變材料的熱物性而言，提高復合相變材料的相變焓和熱導率有助于減小電池的平面溫差和軸向溫差。而在電池大倍率放電的情況下，提高相變材料相變焓的作用更為明顯。通過設計不同的流道結構或者液冷與相變材料的耦合方式，系統的冷卻效率、結構的緊湊性以及安全性可以得到進一步的改善。Rao等提出了一種相變材料/迷你水冷通道耦合的電池熱管理系統。在該系統中，迷你水冷通道嵌入復合相變材料中組成相變水冷板，然后將該相變水冷板與棱柱電池組成三明治結構的電池組，如圖11(a)所示。該電池組結構緊湊，水冷通道與相變材料之間具有較大的換熱面積。相比于沒有水冷通道的電池組，相變材料/迷你水冷通道耦合的電池組溫度降低了14.8℃。然而，微通道結構不可避免地會導致壓降增大，從而增加泵的功耗。并且在實際使用過程中，流道尺寸太小還更容易造成堵塞等問題。可以根據電池組不同的工況來選取適當尺寸的微通道冷管。在低倍率放電的電池組中，冷卻系統所需的流量較小，可以使用尺寸較小的微通道冷管。隨著電池放電倍率的增大，冷卻管的尺寸應該適當地增大以減小流動中的壓降。Cao 等和Zhang 等采用了液冷板與電池組分離的方式，如圖11(b)所示。相變材料作為電池與液冷板之間的導熱介質，將電池產生的熱儲存起來，再通過電池組底部的冷板將熱量散走。這樣的結構降低了液冷板與電池電極接觸的可能性以及當液體泄漏時發生短路的風險。同時，當單體電池發生熱失控時，該結構還能有效地延緩或抑制熱失控的蔓延。正是由于底板冷卻的安全性，目前商業電動汽車上大多采用的是底板冷卻的方式。

圖10 液冷板與相變材料耦合的電池熱管理系統[90]

圖11 相變材料與液冷板分離的系統結構

液冷技術可以快速地將相變材料積累的熱量帶走，確保電池組最高溫度不超過安全上限，而相變材料可以有效地降低電池組的溫差。因此，液冷技術與相變材料耦合的熱管理系統在電池冷卻方面表現出了優異的性能。然而，正是由于液冷具有很好的冷卻效果，電池組在大多數時間的溫度都達不到相變材料的相變溫度。這會導致相變材料的潛熱沒能得到很好地利用。當電池組的規模增大或放電倍率增大時，液冷板進出口的溫差會增大，進而導致電池組的溫度均勻性降低。Cao 等提出了一種延遲液冷的策略，并將其應用于由40 個圓柱形電池組成的大型電池組。在延遲液冷的模式中，液冷系統不是一直處于工作狀態的。當電池組溫度升高到41℃，接近相變材料的相變溫度時，液冷系統才開始工作。如圖13 所示，采用延遲液冷模式的電池組的最高溫度與連續冷卻的電池組的幾乎相同，但軸向和面內的最大溫差都明顯降低。即使在4倍率下放電時，電池組的最高溫度、平面最大溫差以及軸向最大溫差分別低于55℃、4℃和1℃。該延遲液冷策略確保了相變材料的潛熱得以發揮作用，不僅有效降低了電池組的溫差，而且縮短了液冷系統的工作時長，降低了系統的總功耗。因此，為確保相變材料在相變材料/液冷耦合系統中發揮出最大的作用，耦合系統應該增加控制系統來保證電池組的工作溫度處于相變材料的相變溫度范圍內。

圖13 不同冷卻策略下電池溫度分布及冷卻時間的比較[95]

除了空冷和液冷兩種主動冷卻技術外，熱電冷卻器件作為一種新型的冷卻技術，具有冷卻速率快、無機械部件等優點。此外，熱電冷卻器件還可以通過切換電源正負極來實現加熱冷卻的切換，展現出了出色的熱管理優勢。Liao等設計了一種相變材料與熱電冷卻器件耦合的熱管理系統（圖12），用于華中和華南地區極端環境（高溫313.15K，低溫268.15K）運行的鋰離子電池。實驗結果表明，結合熱電冷卻增強的冷卻效果，當環境溫度為313.15K 時，可以將電池（3倍率下放電）的溫升和最大溫差控制在允許范圍內。此外，通過切換電源的正負極，該熱電冷卻器件可以實現對電池組的主動預熱。在工作電流為2.8A 時，電池的升溫速率為0.818K/min。雖然這類耦合系統結構緊湊、無振動部件、無噪聲，但熱電冷卻器件最大工作電流小、冷卻/加熱功率低且成本高等問題依然限制了其在實際熱管理系統中的應用。因此，相變材料/熱電冷卻耦合熱管理系統適用空間有限并且對噪聲控制嚴格的系統。

圖12 相變材料與熱點冷卻器件耦合的電池熱管理系統示意[97]

4 結語與展望

溫度對鋰離子電池的充放電性能以及安全性影響很大。鋰電池的最佳工作溫度范圍在20～50℃區間，溫度過高或是過低都會造成其容量衰減、壽命減短以及安全性降低等問題。相變儲熱材料在發生相變時可以吸收或放出大量熱量，并且溫度基本維持不變，這正好滿足了電池熱管理系統的需求。本文綜述了國內外基于相變儲熱技術的電池熱管理系統的研究進展，主要包括：相變材料被動式熱管理系統，主動式熱管理系統以及相變乳液在主動熱管理中的應用、主動式散熱技術與相變儲熱技術耦合的系統。國內外研究已經證明相變材料可以有效地控制電池溫度、降低電池組間溫差，并且相變材料電池熱管理系統結構緊湊、不消耗額外能量、無噪聲，具有很好的應用前景。對基于相變儲熱技術的電池熱管理系統研究所得的結論如下。

（1）通過與多孔導熱材料如膨脹石墨復合得到的復合相變材料，不僅可以解決相變材料的泄漏問題，還可以提高電池組的溫度均勻性；柔性材料的加入可以提高復合相變材料的機械性能，同時還能降低相變材料與電池間的接觸熱阻，提高冷卻效果；導電復合相變材料的電熱轉換特性可以用于電池的低溫快速預熱，使相變材料集加熱-冷卻功能于一體；使用無機復合相變材料可以解決有機相變材料可燃性問題，提高系統的安全性。

（2）相變潛熱型功能流體替代水作為冷卻介質可以提高系統的冷卻能力，降低泵功耗。但是相變乳液本身的不穩定性、過冷度大等問題還需要進一步研究解決。

（3）在相變材料電池熱管理系統中，相變材料吸收的熱量無法及時地導出，使得電池產生的熱量在相變材料中積累。將相變材料熱管理與主動散熱技術，如強制風冷和液冷結合可以有效地提高系統的冷卻性能。主動散熱技術可以快速地將相變材料積累的熱量帶走，而相變材料可以降低主動散熱產生的溫差。液冷與相變材料耦合的系統具有出色的冷卻效果，被認為是最有應用前景的。

綜上，對基于相變儲熱技術的電池熱管理系統的設計，未來應著重于更加實用化的方向進行，例如：①開發柔性高導熱不導電相變材料；②開發水合無機鹽相變材料，實現相變儲熱和熱化學儲熱耦合抑制熱失控；③相變材料與相變乳液結合。