德耐隆浅谈相变材料的电动汽车电池热管理研究进展(3)

  金 露1，谢 鹏1，赵彦琦2，邹博杨2，丁玉龙2，蓝元良1，谯 耕1   2023-03-06 次浏览

3 基于 PCM 的电池热管理模块

3.1 PCM 电池热管理模块设计、组装和测试

PCM 与电池整合，通过利用材料熔化或凝固时的吸放热特性来对电池进行热管理，结合辅助设备和装置，可以形成 电池热管理模块 。该模块可以将电池组温度有效控制在最 佳范围，从而提升电池单体间的 温度分布均一性 。其 中， PCM 是热管理系统的核心，其相变温度的确定与电池的最佳 工作温度相关，材料的用量主要取决于其相变潜热，其热导 率影响到电池产热能否被材料快速吸收和模块的均温性。 除提升材料的热导率以外，材料在电池热管理系统中的分布 方式对有效导热也有着重要影响，因此需对包含 PCM 的电 池热管理模块进行布局设计、试验测试和参数优化。

最早的基于 PCM 的热管理产品由 Al-Hallaj 团队于 2004年开发 ，如图 7 所示 。他们将相变温度为 42 ~ 45 ℃ 、焓值为127 kJ /kg、热导率为 16．6 W /(m ·K) 的 PCM/ 膨胀石墨复合材 料填充到用于容纳电池的封闭盒，然后将圆柱状电池插入间 隙，构成材料-电池模块 。经测试，与空气冷却系统相比，该系 统能够将电池中心与电池周边的温差从 3 ℃ 降低至 0．2 ℃ ，提 升了电芯间的温度均一性，有效冷却了电池包 。该团队成立 了 AllCell Technologies 公司，开发了应用于不同场景的产品。

利用石墨等碳材料作为导热添加剂形成定型的块体复 合材料是早期研究的主要手段 。许多工作围绕不同的电池类型，选择不同的 PCM 和模组设计，皆为达到降低模组整体 温度的目的 。Sabbah 等将相变温度为 52 ~ 58 ℃ 的 PCM 与石墨混合制备了复合材料，用于电池热管理 。实验结果显 示，当电池的放电速率为 2C 或环境温度低于 25 ℃ 时，空气 冷却与包含 PCM 的电池热管理系统并没有显著区别 ; 当电 池的放电速率达 6．67C 或环境温度高于 45 ℃ 时，采用了复合PCM 的电池热管理系统表现出更好的延迟温升效果 。Lin 等 开发了添加膨胀石墨的 PCM 作为 LiFePO4 电池模块的被动热管理系统，并通过添加石墨片进一步降低电池和材 料的接触热阻( 图 8) 。实验结果表明，与不加相变热管理单 元相比，在放电电流为 40 A 和 80 A 的条件下，电池模块的温 度可分别降低 32%和 37% 。

采用复合 PCM 改 善 电 池 模 组均温性的效果也十分显著 。曹建华开发了基于泡沫金属骨架的复合 PCM，能够 有效降低电池组内最高温度 。针对不同的电池组，通过调整 泡沫金属的孔隙率，均可以获得最佳的性能 。系统设计如图 9 所示，材料填充于方形电池单体之间和箱体四壁 。研 究 发 现，在常温和高温下工作时，PCM 热管理系统电池组内最高 温度比自然冷却条件下的热管理系统低，单体之间最大温度 差更小 ; 在低温环境中冷却时，相比自然冷却的热管理系统， PCM 热管理系统电池组内温度下降慢得多 ; 当某个单体电池 出现热失控时，PCM 热管理系统电池组内最高温度比自然冷 却的热管理系统低很多。

在实际应用中，不仅要考虑PCM的导热性能，还要考虑材料自身的其他物理性质，如密度、相变前后的体积改变、热稳定性等也会带来其他问题，甚至成为安全隐患 。 凌子夜 制作了类似 AllCell 产品的模块，将圆柱状电池埋入膨胀石墨复合PCM，形成电池热管理模块，实物如图10所示。 结果表明，针对该电池产品，选用材料的最佳相变温度在40 ~ 45 ℃之间 ; 增大PCM的密度可以提高PCM的热导率，从而提升系统温度均匀性，减小电池与 PCM 间的接触热阻，降低电池温度 。但是密度过大会破坏膨胀石墨的孔结构，导致熔化后的复合PCM发生液漏现象 。

对于石蜡质量分数为75%和85%的复合PCM，最大密度不应超过890kg/m3 和847kg/m3 。 目前，复合材料开发大多采用多元增强手段，以 达到导热系数、机械性能等的综合优化 。Li 等将普通石蜡与膨胀石墨、SiO2和铝蜂窝组件进行复合，结果表明，通过硅胶的封装可以防止材料液化后的泄露和降低过冷度，从而改善材料的抗压和抗形变性能，而铝蜂窝结构能够充分保证优异的散热效率 。 电池测试实验中，能够将 LiFeO4 电池组的温度控制在安全温度(50 ℃ ) 范围之内。

将上述定型材料用于热管理系统还存在两个问题，一是 达到相变焓吸热饱和状态后液态材料的流动和泄漏，二是相变前 后换热器表面的接触热阻发生改变 。 对此，Huang等 开发了一种利用高熔点 (＞100 ℃ ) 聚合物作为骨架材 料、结合低熔点 PCM 构成的复合柔性材料，达到了固定结构 形态的效果 。他们将该 PCM 放入半圆形的模具中，注塑成 适合包绕圆柱电池的形状，紧密接触电池表面，从而达到降 低接触热阻的 目的 。结果发现，在 10C 放电速率下，电池组 的温度降低了 18 ℃ 。该团队研究了多种柔性 PCM，发现相 变温度为 33 ℃ 的材料适用于低温环境下的小功率电池组， 而相变温度为 47 ℃ 的材料适用于高温环境下的大功率电池 组 。此外，与普通 PCM 相比，柔性 PCM 的热管理的应用场景 更灵活。

微胶囊封装 PCM 芯材分散在水z形成相变乳液，与定型 PCM 相比，其流动性使得散热效率更高 。Zhang 等设 计了一种二元相变流体，用于电池包加热 / 冷却循环管道和 换热系统，相变温度为 28 ℃ 的十八烷发生相变时，吸收电池 产生热量并通过换热将热量释放到驾驶室 ; 相变温度为 9．9 ℃ 的十五烷吸收驾驶室热量后，通过循环到达电池包，经过 液固相变释放热量达到加热效果 。Wang 等制备了固含 量分别为 10%和 20% 的石蜡微乳液，相变温度为 26 ℃ 时，相 变潜热分别为 21．6 kJ /kg 和 44．1 kJ /kg ; 将乳液灌入电池包水 冷管道以取代水进行循环冷却( 图 11) 。经模拟计算和实验 测试，与水冷相比，相变乳液能够有效降低电池包最高温度 以及减小最大温差，但是乳液的过冷度( ~ 20 ℃ ) 和导热系数 (0．53 ~ 0．65 W /(m ·K) ) 以及冷管布局结构等仍存在很大的 改善空间。

3.2 PCM 电池热管理系统的模拟与仿真

PCM和电池之间的传热过程可以通过实验对其内部温度、热流等变量进行测量 。但实验测量数据比较有限，难以 直观获得系统内部温度、热流等参数的整体分布 。而且实验 的变量通常不止一个，当变量改变时，实验工况也要进行相应的改变，因而工作量大、周期长 。使用计算流体力学(Compu- tational fluid dynamics ，CFD) 及 数 值 传 热 学 ( Numerical heattransfer，NHT) 仿 真 方 法、借 助 Ansys Fluent、COMSOL Mul- tiphysics 等对电池工作的热过程建模，能减少重复性实验的 工作量，达到快速优化电池模组设计的目的 。

基本思路是 : 首先，对单体电池充放电过程中的产热过程进行分析，建立 相应的电-热模型 ; 其次，利用软件模拟单体电池工作过程中 的温度分布情况 ; 最后，将简化后的单体电池发热模型应用 于电池组的传热过程模拟，获取整个电池组的温度分布及变 化情况，并根据仿真结果优化电池组结构、尺寸，调整局部设计，减少热量的局部积累，使电池组整体温度更均匀。

Liu 等对含有 20 只串联电池的电池组进行简化建模，其中，模组两侧的冷却管道可以流通空气、硅油或者 PCM。选取具有代表性的计算域(如图12 所示) ，建立了包含电池材料、冷却流道及散热流体的二维非稳态传热模型，模拟该电池组在 20 ℃ 、2C 放电倍率下的放热过程，获取其内部 对称截面上的温度分布情况，分析了环境温度、气流雷诺数和放电速率对电池温升及温度分布的影响，仿真结果如 图 13 所示 。相较于强制空冷和强制液冷，PCM 系统的温度缓冲能 力最强，可以将电池的内部发热迅速吸收，控制电池升温在 7 ℃ 左右，显著低于空冷的近 25 ℃ 温升和液冷的 12 ℃ 温升。 进一步地，该研究还对比了不同放电速率下强制空冷、强制 液冷和 PCM 热管理系统(从上到下) 的单电池表面温度分布 图 ( 图 13) ，从左到右的放电速率依次为 0．5C、2C 和 4C 。

仿真结果表明，强制液冷的局部冷却效果最好 ( 最高温度略低 于其他方式) ，而使用 PCM 在降温的同时能更好地分散热 量，达到均温效果 。Qu 等同样采用了瞬态模型，对使用 金属泡沫铜 / 石蜡复合 PCM 进行热管理的大功率商用方形 电池包的温度分布情况进行了模拟，并对模拟结果进行了实 验验证 。 电池结构及热管理材料布置示意图见图 14a 。该模 型结合了电池的电化学-热模型和表征泡沫铜中石蜡固液相 变化的模型，其中电化学-热模型包括质量守恒、电荷守恒和 能量守恒方程 ;

相变模型中，考虑了熔融石蜡与外部的自然 对流以及局部热非平衡效应 。模拟的初始温度为 25 ℃ ，45 min 后，在 1C 放电速率下，采用隔热材料、自然空气对流以及 采用泡沫铜复合相变材料这三种热管理模式下，电池模块温 度分别升高了 88 ℃ 、65．9 ℃ 和 47．9 ℃ ( 图 14b) 。对图 14b 三种模拟结果进行对比后可知，添加了金属泡沫铜的石蜡复合 PCM 有效地降低了温升，且电池模块在垂直方向上的温 度分布较为均匀。

Lin 等利用三维模型模拟了 LiFePO4 电池及石蜡 / 膨 胀石墨复合 PCM 热管理系统 。 图 15a 展示了该模型所模拟 的电池模块装置及结构布置示意图 。该模型综合考虑了电 池的内阻热、极化热和反应热 。为简化模型，进行了合理的 假设 : 复合 PCM 中膨胀石墨均匀分散，熔融状态的石蜡为不 可压缩牛顿流体，并没有内部对流 ; 电池的比热和热导率为常数，且该电池组与周围环境没有热交换 。

利用该模型获取 了电池模块在 1C 放电速率下的温度分布，模拟结果如图 15b所示 。在电池模块的放电过程中，电池中心的温度最高，整 体温度得到了有效控制，PCM 包裹在电池模块外起储热和温 度缓冲作用 。模拟结果表明，电池模块(不包括外围材料) 在 放电结束时的温度为 23．1 ~ 24．7 ℃ 。该模拟温度结果与实验 结果(22．4 ~ 24．4 ℃ ) 进行了比较验证，温度值较为接近。

以上仿真案例说明，将电池的电化学-热模型与计算传热 学模型相结合能够较为准确地模拟不同工况下电池组的温 度分布情况 。简化的二维模型可以极大地节省计算资源，但 是仿真结果不能完全反映三维温度分布，应根据不同设计阶 段和对仿真精度的要求选取合适的仿真模型 。利用数值仿真有助于更高效地进行 PCM 热管理系统的结构优化、材料 选型及控制优化。