基于泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统性能

施尚，余建祖,2，陈梦东，高红霞,2，谢永奇

（1北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191；2北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京 100191）

基于泡沫铜/石蜡的锂电池热管理系统性能

施尚1，余建祖1,2，陈梦东1，高红霞1,2，谢永奇1

（1北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191；2北京航空航天大学人机工效与环境控制重点学科实验室，北京 100191）

高效的热管理系统能极大提高电池使用寿命并保证电池安全运行。为提高能源利用效率，针对动力电池组散热问题设计了基于相变材料的被动式热管理系统。采用泡沫铜/石蜡构成复合相变材料以提高石蜡的导热性能，并对复合相变材料导热性能进了测试。通过改变孔隙率、加热功率及环境温度，对不同工况下基于复合相变材料的热管理系统性能进行了实验研究。实验结果表明，泡沫铜孔隙率分别为 96%、95%以及93%的复合相变材料的热导率分别是纯石蜡的14.2倍、19.2倍和25.4倍。基于复合相变材料的热管理系统能显著降低热源温度，其冷却性能优于自然对流风冷热管理系统。当热源发热量及环境温度为定值，相同结构复合相变材料下，泡沫铜孔隙率越低，热管理系统性能越好。基于复合相变材料的热管理系统能显著减小由于加热功率和环境温度变化导致的温度波动，提高了热源温度稳定性。

热管理；相变；石蜡；泡沫铜；对流；热传导

Key words：thermal management; phased change; paraffin; foam copper; convection; heat conduction

引 言

新型锂离子电池具有质量轻、体积小、比能量高、比功率大、自放电少、无污染、无记忆效应、循环特性好等优点，广泛应用于便携式电子产品、交通、储能等领域[1-2]。但在锂离子电池大规模使用的同时，由其引发的安全事故也频频出现。锂离子引发的安全事故主要是由于电池的热失控引起的[3]。电池组温度以及温度均匀性是影响电池的工作性能以及使用寿命的关键要素。在高温环境下，电池内部不可逆反应增加，不可逆反应将会导致电池的可用容量减少，当达到最大容量的80%，电池寿命终结。电池组温差导致电池之间内阻不同，长期工作会使各个电池生热不均，进而导致电池之间存在容量差距。而电池组的容差与最差电池容量一致，所以电池内部温度差异不可忽视[4-5]。电池热管理系统（TMS）的作用是降低电池最高温度，同时尽可能保证电池整体温度一致，使得电池工作在最佳温度范围，从而提高电池寿命，避免电池出现安全性事故。

电池热管理可分为主动式热管理以及被动式热管理。主动式热管理方式，如基于空气介质的电池热管理[6]、基于液体介质的热管理[7-8]，其在运行过程中需要额外消耗电池有限的能源，是以减少电池可用功率来换取电池安全温度。相变热管理具有系统简单，无功耗的优点，得到了越来越多的关注。Khateeb等[9-10]设计了基于相变材料的热管理系统，研究表明，相变材料可以应用于电池热管理中。Rao等[11]采用数值模拟的方法，模拟分析了基于相变材料的圆柱形LiFePO4动力电池模块的降温与均温性能。结果表明，相比没有填充相变材料（PCM）情况，填充 PCM 后，最高温度随时间呈现先明显升高后逐渐平缓的趋势，但随着热导率的进一步增加，最高温度降低不明显。相变材料如石蜡类的热导率很小，从而给相变材料应用带来限制。为了提高相变材料热导率，通常在石蜡中添加（嵌入）泡沫金属[12-14]、翅片[5]、膨胀石墨[15-16]构成复合相变材料。李钊等[17]制备了基于膨胀石墨/石蜡的复合相变材料，并计算出不同膨胀石墨质量分数下复合相变材料热物性参数的理论值。Alipanah等[18]设计了以石蜡/泡沫铝为复合相变材料的热管理系统。Wu等[19]将相变材料填充进铜网中构成复合相变材料热管理系统以提高纯相变材料的热导率。另外，由于相变材料充装量的限制，相变热管理系统工作时间有限，为延长热管理工作时间，采用将风冷-相变材料[20]、液冷-相变材料[21]、热管-相变材料[22]相结合成为重要手段。

相变热管理系统中，相变材料与电池直接接触可有效冷却电池，但当相变材料完全熔化后，液态相变材料将对电池“保温”，电池热管理系统性能会急剧恶化，进而导致电池急剧升温。针对上述问题，本文设计了基于石蜡/泡沫铜复合相变材料的冷却热管理系统，并对该热管理系统性能进行了实验研究；对多种规格的石蜡/泡沫铜复合相变材料的导热性能进行测试；分析了孔隙率、加热功率以及环境温度对热源温度特性的影响。实验结果可为相变热管理系统设计提供指导。

1 实验系统

1.1 泡沫铜/石蜡复合相变材料导热性能测试

相变热管理系统中，选择纯度99%的正二十烷（C20H42）为热管理系统工作介质，其热导率为0.274 W·m-1·K-1，潜热为 241 kJ·kg-1，熔点为 36.8℃。泡沫铜选用的孔隙率分别为96%、95%和93%。采用水浴的方式将相变材料熔化，将熔融后的液态相变材料加压填充至泡沫铜内制作成复合相变材料样件（80 mm×80 mm×30 mm），并对样件上下表面进行校平。使用Hot Disk热常数测定仪在室温环境下对试件热参数进行测量。

1.2 基于泡沫铜/石蜡相变材料热管理系统

图 1为采用泡沫铜/石蜡复合相变材料的热管理系统结构。由于电池多次充放电循环后，电池容量会发生变化导致电池发热量不一致，因此实验中采用与真实电池相同尺寸的电加热器（图 2）来模拟电池发热。电加热器由导热硅胶片-铝片-电加热膜-铝片-导热硅胶片叠加构成，其中导热硅胶片的厚度为2.5 mm，热导率为3.6 W·m-1·K-1；铝片用于确保电加热器有一定的结构强度以及让加热器温度分布均匀，厚度为0.3 mm；电加热膜为24 V/12 W的聚酰亚胺加热膜。共6片电加热器被放置在实际电池堆的多孔框架中（ABS材料），多孔框架用于安装固定电加热器，同时允许气流通过框架上的孔洞流经加热器表面。加热器表面布置铝导热片，导热片规格为200 mm × 100 mm × 0.35 mm，用于将电加热器产生的热量传递至相变模块。两个相变模块（PCM1、PCM2）布置在电池组侧边，相变模块填充两种类型的相变材料，分别是：①采用由正二十烷以及孔隙率95%镀镍泡沫铜构成的复合相变材料；②使用纯石蜡。为减少石蜡灌注过程中出现的气体空腔，采用真空灌注的方式填装石蜡[23]。为尽可能提高热管理系统工作时间，相变模块尽可能充装较多相变材料，结合相变模块的安装限制，PCM1的结构尺寸定为 42 mm × 32 mm × 110 mm，PCM2的结构尺寸定为 42 mm×40 mm ×150 mm。

图1 复合相变材料热管理系统结构Fig.1 Schematic diagram of TMS with composite PCM

图2 电加热器Fig.2 Electric heater

1.3 热管理系统性能测试

图3为复合相变热管理系统性能测量实验台结构。在整个实验过程中实验件都放置于恒温实验箱（QGT302P）内，用以对实验件进行实验前的预热和在实验中保持恒定环境温度，其温度调控精度为±0.5℃。实验过程中设定实验温度为28℃和35℃。采用 DH1722A-2型直流稳压稳流电源给电加热器供电。单体电加热器的加热功率分别为3、4和5 W。加热器以及相变模块布置PT100温度传感器，布置位置如图3所示，采用Agilent数据采集仪（34970A）采集温度数据。

图3 实验系统Fig.3 Schematic diagram of experimental system

2 实验结果与讨论

2.1 复合相变材料导热性能

表 1为泡沫铜/石蜡复合相变材料热性能测试结果。结果表明，泡沫铜作为填充材料与相变材料相结合后，不同孔隙率（ε）下的复合相变材料热导率分别是纯石蜡的14.2倍、19.2倍和25.4倍，热扩散率分别是纯石蜡的14.2倍、19倍和24.7倍，主要原因是热量沿金属纤维快速传递，并通过较大的比表面积将热量迅速扩散到整个相变装置内部，从而提高相变装置的传热速率，缓解热源的热量堆积。另外，高孔隙率的泡沫金属的引入不会对系统质量及储能量产生较大影响。

表1 相变复合材料热性能结果Table 1 Thermal performance of composite PCMs

表2为纯石蜡和95%泡沫铜/石蜡复合相变材料热管理系统在不同加热功率下，加热时间为3000 s，加热器表面的最高温度。结果表明，采用泡沫铜/石蜡复合相变材料后，不同加热功率下加热器表面最高温度52.8℃，低于动力电池运行的极限温度（55℃）。而采用纯石蜡后，加热器出现了超温。3000 s时刻，不同加热功率下，基于复合相变材料的热管理系统中加热器表面最高温度比基于纯石蜡热管理系统中加热器表面最高温度降低了 2.1、2.9、4和5.1℃，主要原因是降低泡沫铜孔隙率可以提高复合相变材料导热能力，因此孔隙率95%泡沫铜/石蜡复合相变材料的导热性能优于纯石蜡的导热性能，单位时间内，相变材料吸收的热量更多，导致加热器表面温度降低。

表2 相变材料导热性能对加热器最高温度的影响Table 2 Effect of thermal conductivity of PCMs on maximum temperature

2.2 加热功率对热管理系统性能影响

图4为加热功率4 W时复合相变材料热管理系统的温度曲线。结果显示，相变材料熔融区间温度为36～37.8℃，加入泡沫铜不会改变相变材料的熔化温度。加热过程中加热器稳步升温且未达到稳定状态。加热开始后，PCM2首先达到相变温度，相变材料以潜热的形式吸收热量，加热器表面升温速率明显下降。当加热时间达到4000 s，PCM2相变完全，此时PCM1承担主要散热量，由于PCM1距离热源较远，热阻较大，因此加热器升温速率出现明显增加。当加热时间达到6800 s，PCM2相变完全，加热器进一步升温，但升温速率没有明显增加，主要原因是复合相变热管理系统在相变材料完全熔化后，由于相变材料未直接接触热源，因此加热器散热未发生明显恶化，自然对流仍承担了一定的散热量。相变材料达到熔融温度后，其温度曲线在相变过程中仍然存在一个较小的斜率。4 W工况下，当时间为4600和6800 s，PCM1与PCM2分别升高了10.5和4.2℃。产生上述现象的原因是相变储能过程中虽然相变温度不变，但已发生相变的石蜡逐渐形成热源与未熔化材料之间的热阻，导致吸热面和已熔化部分温度不断上升并保持一定温度梯度以驱使热量不断传递到未熔化部分的复合材料中。由于泡沫铜的导热增强作用，复合材料导热能力得到显著提高，储能过程中的温度梯度被保持在一定范围内，缓解了热源的热量堆积。

图4 4 W加热功率下加热器温升Fig.4 Temperature of electric heater at 4 W

图5 不同加热功率下加热器温升Fig.5 Temperature of electric heater with different heating powers

图5为加热功率分别为4 W和3 W，加热时间3600 s，相变冷却以及自然对流冷却下加热器表面温度对比。加热器温升过程为瞬态过程，初始温度对加热器最终温度有较大的影响。受限于恒温箱调节精度，很难保持电池初始温度完全一致。相同环境温度及加热功率下，初始温度差异总是大于最终温度差异[24]，较小初始温度差异不会对最终时刻温度产生较大影响。图中初始温度最大差异为1.5℃，可忽略。4 W工况下，复合相变冷却最高温度比自然对流冷却降低了6.5℃，显示相同加热功率下，复合相变材料冷却效果明显优于自然对流冷却。同一冷却方式下，加热功率增加，加热器表面最高温度增加。当加热功率从3 W增加到4 W，复合相变冷却最高温度升高了 2.2℃。而对于自然对流冷却工况，4 W与3 W之间最大温差（ΔT）为4.9℃，温度增加幅度显著大于复合相变材料冷却工况。上述结果表明相变材料由于有着较大的潜热值，相变材料热管理系统在无须消耗电池电量的条件下能有效控制热源温度；相变热管理系统能有效减小由于加热功率变化对加热器温度的影响。

2.3 环境温度对热管理系统性能影响

实验过程处于封闭的自然对流环境下，由于自然对流传热系数较小，相变模块与外界热量交换可忽略。图6为相变冷却以及自然对流冷却条件下，加热功率为3 W，环境温度分别为28、35℃，加热时间3000 s的工况下加热器表面温度对比。结果显示，环境温度越高，加热器表面温度越高，但不同冷却方式下，环境温度对加热器最高温度的影响程度差别较大。图6(a)为复合相变材料冷却升温结果，当环境温度分别为28和35℃，加热器温度最高分别为46.5和47.2℃。由环境温度差异导致的加热器最大温差（ΔT）仅为0.7℃。图6(b) 为自然对流冷却加热器表面温度结果，当环境温度分别为 28和35℃，加热器最高温度分别为44.5和50.7℃，加热器最大温差（ΔT）为 6.2℃。表明相变热管理系统受外界环境温度变化的影响程度较小，因此对于环境温度剧烈变化的场合，相变热管理系统能更好地维持系统温度稳定。

图6 不同热管理方式下环境温度对温升的影响Fig.6 Temperature of electric heater with different cooling methods at ambient temperature of 28℃ and 35℃

3 结 论

本文对不同孔隙率的泡沫铜/石蜡复合相变材料的导热性能进行了测试，分析了复合相变材料热导率、加热功率以及环境温度对复合相变材料热管理系统性能的影响，得出如下结论：泡沫铜孔隙率越低，复合相变材料的热导率越高，其中93%泡沫铜/石蜡复合相变材料的热导率为纯石蜡的25.4倍。提高复合相变材料热管理系统中相变材料的热导率有效降低了加热器表面温度。不同加热功率及环境温度下，复合相变材料热管理系统能有效维持加热器表面温度低于55℃。与风冷相比，复合相变热管理系统显著减小了由于加热功率和环境温度变化导致的加热器温度变化幅度。

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Battery thermal management system using phase change materials and foam copper

SHI Shang1, YU Jianzu1,2, CHEN Mengdong1, GAO Hongxia1,2, XIE Yongqi1
(1School of Aeronautics Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2Fundamental Science on Ergonomics and Environment Control Laboratory, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

An efficient thermal management system (TMS) can significantly improve the battery life and ensure the safe operation of the battery. In the paper, a passive thermal management system based on phase change material (PCM) was designed to solve the battery heat dissipation. The composite PCM using paraffin and foam copper was employed to improve the thermal conductivity of the PCM and the experimental research on the conductivity of the composite PCM. The performance of the TMS with the composite PCM was investigated by the change of the porosity, heating power and ambient temperature. The results showed that the thermal conductivities of the composite PCM with porosity of 96%, 95% and 93% were 14.2 times, 19.2 times and 25.4 times as much as that of the pure paraffin, respectively. The TMS with composite PCM significantly reduced the temperature of the heat source and its performance was superior to the natural convection cooling. Under the conditions of the fixed heating power and the ambient temperature, the maximum temperature of the heat source declined with the decrease of the porosity. In addition, the TMS of the composite PCM can significantly reduce the temperature fluctuation caused by the change of the heating power and the ambient temperature, and improve the temperature stability of the heat source.

date:2017-01-04.

YU Jianzu, yjz@ buaa.edu.cn

TK 11

A

0438—1157（2017）07—2678—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20170006

2017-01-04收到初稿，2017-04-06收到修改稿。

联系人：余建祖。

施尚（1989—），男，博士研究生。