相变材料在动力电池热管理系统中的应用进展

刘　伶，张宏庆，关　昶

(1.吉林化工学院石油化工学院，吉林　132022；2.中国石油吉林石化公司乙二醇厂，吉林　132021)



相变材料在动力电池热管理系统中的应用进展

刘伶1，张宏庆2，关昶1

(1.吉林化工学院石油化工学院，吉林132022；2.中国石油吉林石化公司乙二醇厂，吉林132021)

动力电池作为电动汽车的核心部件对整车的性能有很大影响，而其性能的发挥又受工作温度影响，只有确保在一定的温度范围内动力电池的性能才能最好的发挥。因此动力电池组必须安装有效的热管理系统，保证正常的工作温度，缩小单体电池的温差。相变材料是一种可以被用于热管理系统的新型材料，本文分别从相变材料的性能、动力电池热管理系统现状和相变材料在动力电池热管理系统中的应用三个方面对基于相变材料的热管理系统进行了综述。

相变材料； 动力电池； 热管理系统； 安全性

1　引　言

为了解决日趋严重的环境污染和能源匮乏两大问题，各国都在致力于寻找新的能源和发展新的交通工具，同时也加大了对节能环保类产业的支持。这些因素激发了汽车企业研发新能源车的热情，国内外许多汽车厂家都把开发新能源汽车作为未来的重要发展战略。2015年，我国的新能源汽车产销量有望突破30万辆，中国无疑会成为全球最大的新能源汽车市场。从全球新能源汽车的发展来看，其动力电源主要包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器，其中锂离子动力电池是目前最被市场看好的一种。无论是那一种类型的新能源汽车，它的品质和性能在很大程度上都取决于其所配置的电池组的性能，特别是电池组的循环性能和安全性能。影响电池组安全性能的因素有很多，其中电池的温度对电池整体性能的影响最为显著。对于大多数类型的电池来讲，电池的最佳工作温度范围为10～50 ℃。为了使电池处于最佳的工作温度范围内，传统的方法是以廉价空气或水为冷却介质来进行散热，这种散热方式的系统复杂且占用的空间较大，并且只能解决电池组过热的情况，产生的热量不能回收，不利于能量的合理利用。因此，开发一种同时兼顾两种情况(过冷或过热)下电池工作的性能的热管理系统，使电池组在正常温度范围内工作成为了急待解决的问题。

相变材料(PhaseChangeMaterial，PCM)是一种能够利用其自身的相变潜热吸收或释放系统热能的材料，它的特点是可以几乎无限期循环使用[1,2]。虽然目前其在电池热管理系统中的研究还较少，但是其在建筑节能领域、太阳能利用等方面已经得到应用，其特性得到了很多研究人员的验证[3-6]。这种材料对节能减排、促进环保意义重大，因此以后会受到越来越多领域研究人员的重视。

2　PCM的性能及应用进展

相变材料是指在其物相变化过程中，可以从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量，从而达到通过能量交换控制环境温度和利用能量目的的一种材料。相变材料发生物理变化时把大量相变热转移到环境中时，产生了一个宽的温度平台，延长了恒温的时间。理想的相变材料一般符合以下三个方面的要求：(1)热导率高，热量的存入和取出容易；(2)性能稳定，不发生熔析和副反应，材料各状态的密度大，体积稳定。(3)材料价格便宜，储量丰富等。

按化学组成不同可将相变材料分为无机水合盐相变材料、有机相变材料、复合相变材料。其中，无机水合盐相变材料的熔解热和熔点较大，通常作为中、低温相变储能材料。常见的无机水合盐有：CaCl2·6H2O、Na2SO4·10H2O、CaBr2·6H2O、CH3COONa·3H2O等。有机相变材料是通过在不同温度下不同晶型之间和高分子支链的转变来进行吸热或放热，常见的有机相变材料有石蜡和酯酸类高分子化合物。其中石蜡的相变潜热和熔化温度都较高，且具有较低的成本，是目前研究较多的一类相变材料，其商业化潜力很大。复合相变材料主要包括两种，一种是以无机材料作为网络基质，有机相变材料嵌在无机网络结构里，其中无机材料维持材料的形状、力学性能，有机材料通过相变来吸收和释放能量；另一种是将导热纤维和相变材料制成的纤维复合材料。

PCM具有高效、节能、环保、安全等多项优势，非常适合于建筑、太阳能和工业等领域，从而代替传统的材料及取暖方法。目前，PCM的应用方向主要包括：(1)建材将PCM应用于建筑物的围护结构，达到节能环保的目的，PCM构成的相变墙体和相变地板是目前国内外研究的热点。 (2)太阳能供暖系统的储热PCM可以弥补太阳能受天气情况影响的缺陷，在白天和晴天吸收大量的热，以便在夜间和阴雨天时将能量释放出来以维持供应热水。(3)工业加热过程中余热的利用利用PCM的储热系统可以克服传统蓄热器体积过大、价格昂贵、热惯性大、输出功率衰减的缺点，使加热系统在采用节能设备后仍能稳定地运行。目前，相变材料已经在许多领域得到了广泛应用，但其在电池热管理系统中的研究还较少，由于相变材料可以吸收和释放电池所产生的热量，达到减少电池组中的温度变化的目的，因此将其应用于电池热管理系统将会有良好的产业前景。

3　动力电池热管理系统现状

温度的高低对于动力电池整体性能，包括电池的容量、功率、充放电效率、安全性和寿命都有着非常显著的影响。随着电池的充放电过程的深入，电池的温度会随之升高，因此需要有效的降温方法。为了达到这一目的我们不仅要从改善电池组中各单体电池性能着手，还需要设计有效的电池组热管理系统。热管理系统不仅是动力电池系统中不可或缺的组成部分，更是电池优良性能的保障。热管理系统对电池即要起到冷却作用同时也要起到加热的作用,而冷却作用是更重要的环节。在整个热管理系统中对冷却效果影响最大的是传热介质的性能，其类型的选择是在设计热管理系统之前确定的，一般按照传热介质的类型可将热管理系统分为三类：空冷，液冷以及相变材料冷却。

空气冷却是指通过将外部空气导入电池组内部，空气在电池表面发生对流换热，然后再将热量从电池组内部排出的过程。按照空气流动的方式，一般将空气冷却分为自然冷却和强制冷却。自然冷却的空气流动是自发的，它通过车辆行驶中的自然对流将空气导入电池组，这种方式的对流传热系数较小一般为5W/(m·k)；强制冷却的空气流动是非自发的，它通过风扇将空气导入电池组，这种方式的对流传热系数和风速成正比，一般大于 10W/(m·k)[7]。空冷方式具有结构简单，重量轻，成本较低，无漏液，有害气体产生时能有效通风等优点。缺点在于这种换热方式的换热系数低，从而造成冷却和加热速度慢；同时对于风道的设计要求很高，很难达到流场一致，导致单体电池温度一致性不好。

液体冷却是指通过液体传热介质在电池组内部的流动来换热，液体的传热系数通常比空气的传热系数要高，并且液体的边界层更薄，从而使得其导热率更高[8]。液体冷却按照其与电池是否直接接触，可分为直接接触式冷却和非直接接触式冷却。直接接触式冷却的传热介质采用矿物油，由于矿物油的粘度高，进行换热时就需要较大的泵功率才能运行，这一点对电动车来讲是非常不利的。非直接接触式冷却的传热介质多采用水、乙二醇和防冻液等[9]。非直接接触式冷却要想达到较好的控温效果，必须保证液体管路有良好的密封性能以及合理的管路走向，因此这种方式对电池箱设计及加工的要求较高[10]。

采用PCM材料的热管理系统是通过PCM材料在相变过程中的潜热在电池升温时来吸收电池的热量，减小单体电池之间温度差；在电池工作温度过低时释放热量，对电池起到保温作用，从而提高电池在寒冷条件下的性能[11]。无论从节能角度还是从续驶里程角度考虑，采用PCM材料作为传热介质较前两种方法具有其独特的优势，是目前动力电池热管理系统的首选材料。

4　PCM在动力电池热管理系统中的应用进展

PCM材料的最早应用可以追溯到1945年，在美国波士顿的一座采用太阳能集热器的建筑上使用了硫酸钠作为保温材料[12]，随后此类相变材料逐渐被大家认可，应用范围从太阳能、建筑材料逐渐扩展到计算机[13]和电动汽车领域。

PCM在电动车领域的应用最早开始于2004年[14]，SaidAl-Hallaj的研究团队在采用锂离子电池的电动踏板车的电池热管理系统中使用了一种相变材料。他们对使用相变材料的电池组前后的温度控制情况进行了仿真分析，分析结果表明添加PCM的电池热管理系统可以更好的降低电池组的温度，同时缩小单体电池间的温差。2005年他们又提出在PCM中加入泡沫铝可以更好的控制电池的温度[15]。

为了证明采用PCM的电池热管理系统的优势，Sabbah等[16]针对混合动力电动车中的锂离子电池组的热管理系统进行了研究，分别对采用风冷和PCM材料的两种热管理系统进行了模型仿真。结果表明，采用PCM材料的热管理系统在大倍率、高环境温度等剧烈工况条件下表现出更出色的散热效果。同时，采用PCM能更好的降低单体电池间的温度差异，提高电池组的一致性。

此后各种新型的相变材料逐渐被研究人员应用到动力电池组的热管理系统中。例如，2008年Kizilel等[17]研究了一种由石蜡和石墨复合而成的相变材料，将其应用于电池热管理系统中，实验结果发现采用这种相变材料的电池热管理系统可以有效解决电池组温度过高的问题，在电池放电结束时可以将温度控制在45 ℃以下。同时可以有效的降低单体电池的温差，可以将电池组中心和边缘温差缩小到4 ℃。这些数据都证明采用此种相变材料的热管理系统可以更好的满足动力电池组对温度的要求。在2009年他们又进一步研究出一种石蜡和膨胀石墨复合而成的相变材料[18]，这种相变材料可以使单体电池之间的温度差缩小到0.2 ℃以内。同时，通过仿真模拟在电池热失控的条件下采用这种相变材料可以有效的阻止单体电池的问题传导到其他电池，并可以将失控电池的温度减低到正常水平。

随着PCM的研究不断深入，研究人员对于其在实际应用中的效果也进行了考察。Duan等[19]研究了在不同的环境温度下，PCM材料的应用情况。结果发现PCM材料在电池恒定放热率和非恒定放热率下都可以有效的控制电池的温度，其冷却效果比自然冷却好，并且在较低的环境温度下对于环境的适应性更好。

5　展　望

相变材料的种类很多，不同的体系所适用的相变材料不同。相变材料的两个重要指标相变潜热和相变温度决定了可以吸收和储存热量的数量及其发生储热过程的温度。目前虽然其在电池热管理系统中的研究还较少，但是其在在建筑节能领域、太阳能利用等方面已经得到应用，其特性得到了很多研究人员的验证。这种材料对节能减排、促进环保意义重大，因此以后会受到越来越多领域研究人员的重视。由于目前国家对新能源汽车的补贴政策，必然会导致汽车行业逐步将发展方向转移到电动汽车或混合动力汽车上。就目前的发展趋势看，虽然很多厂家都推出了各种类型的电动汽车，但要得到消费者的认可，还要在提高其性能的稳定性和安全性上做进一步的研究。采用相变材料作为电池组热管理系统的介质，将提高电池在各种滥用或恶劣气候的情况下的工作稳定性，从而扩大动力汽车的应用范围，因此相变材料在电动车市场里具有广阔的应用前景。

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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

吉林市科技支撑计划项目(2013324003)

刘伶(1980-)，女，博士，副教授.主要从事锂离子电池材料方面的研究.

关昶，硕士，副教授.

TM911

A

1001-1625(2016)01-0150-04