德耐隆浅谈相变材料的电动汽车电池热管理研究进展(4)

  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

4 基于 PCM 的电池热管理系统

电池组的性能直接影响电动汽车整车系统的性能 。 除 提升电池本身性能之外，还应对电池热管理系统进行优化和 完善 。车载动力电池对安全性能以及使用寿命有较高的要 求，电池热管理系统的目标是把电池温度控制在安全范围之内，并尽可能减小电池之间的温差 。对热管理系统的要求包 括: ( 1) 每个电池单体的温度都能控制在最佳范围内; (2) 单电池内部的温差和电池模块内电池之间的温差要尽可能 小; (3) 电池模块之间的温差尽可能小; (4) 系统体积小、质量 轻、可靠性好，而且价格低廉。

4.1 结合 PCM 的混合式冷却系统

通过合理设计基于 PCM 的热管理系统，可以获得均匀 的电池温度分布，降低电池热失控的风险，但是 PCM 只能被 动吸热，在高环境温度、高热流密度以及电池长期运行条件 下，有效相变焓的消耗速率非常快，一旦吸热饱和，热管理系 统就有可能失效 。因此，为了提升 PCM 控温的可靠性，目前 很多研究工作将被动热管理和基于空冷、液冷等的传统热管 理方式相结合，形成混合热管理系统，其均温、冷却和节能效果更为显著。

Ling 等将采用石蜡 / 膨胀石墨的被动热管理系统与 结合了主动空冷的混合热管理系统进行实验对比，发现仅采 用前者的5S4P的电池包在 1.5C/2C ( 充 / 放倍率) 循环两次 之后，最高温度达到 60 ℃ ; 而采用后者的最高温度要低 10 ℃ ，并且均温性效果更好(＜3 ℃ ) 。模拟实验也验证了混 合热管理模式能够通过空气流动对吸收热量的材料进行有效散热，防止因材料内部热量积聚造成的热管理失效。

Jilte 等优化了 PCM 与圆柱状电池的结合模式(图 16a) 。电池由 4 mm 的 PCM 套管包裹，电池之间留有一定的空间，引入主动空气冷 却(图 16b) 。他们测试了在室温 27 ℃ 、35 ℃ 、40 ℃ 以及 2C 和 4C 放电倍率下的冷却效果。结果表明，在 40 ℃ 、4C 放电倍率 下，电池组升温不超过 5 ℃ ; 在 35 ℃ 下，分别以 2C 和 4C 放电倍 率放电 700 s，电池间温差分别控制在 0．05 ℃ 和0．12 ℃ 以内。在这种混合热管理模式之下，位于电池组中间的电池散热能更有 效地传递，从而增强了整体的均温性。

在混合热管理系统中，PCM 对于加强电池模组温度均匀 分散性起到了重要作用，在模组中个别电池局部过热的情况下，能够有效延缓热扩散，对其他电池起到了有效保护作用。 Hémery 等研究了空气自然冷却、空气主动冷却以及结合 PCM 的半主动式水冷系统的效果 。其中，半主动式的实验装 置如图 17 所示，相变温度为 28 ℃ 的 PCM 被灌入带有翅片的 圆柱形铝套管中形成相变组件，然后将圆柱形电池插入套管组件中。27 枚电池以蜂窝结构密排组成模块，模块上下放置铜冷 却板，循环冷却水朝相对方向流动，形成混合式热管理结构。

图 18A 展示了循环过程中电池模块的温度分布仿真模 拟结果 。 自然对流冷却未能起均温性效果，热区集中在模块中心 ; 而在不同空气流速的强制对流作用下，热区虽然被转移到传热介质下游出口，但仍然无法保证温度分布均匀 ; 而结合了PCM的液冷模式起到了显著的均温和快速冷却效果 ( 图 18B) 。并且，相比纯 PCM 的被动热管理系统，与液冷相 结合虽然会增加系统的净重，但整套混合热管理系统的电池模组质量与单纯液冷系统仍在同一个数量级，并且铝套管加PCM 的设计能够有效降低 PCM/ 电池的质量比至 13.4% 。

4．2 PCM 辅助的低温环境保温/ 预热系统

在低温环境下对动力电池包预热能够保证电池在短时间内达到优化工作温度。 目前，大部分商用电动车一般采用外部热 源(如电阻丝和电加热元件) 通过热传导或热对流方式对电池进 行预热。PCM 的凝固过程可以释放储存的潜热和显热，在环境 温度突然降低时，能够在短时间内为电池保温，防止电池温度显 著下降，但无法用于长时间保温的应用场景。Ghadbeigi 等的研究表明，石蜡材料因其低导热系数，能在－17 ℃ 的低温环境中 有效维持电池模组温度 10 min，但长时间(2h以上) 驻车，石蜡 反而会导致预热速率降低; 若使用石蜡/ 石墨复合材料，其较高 的导热系数会促进散热，但也不能提供有效的保温功能。

低温中长时间驻车后，PCM 吸收的热量会全部耗散，从而失去保温性能，因此仍然需要由内置的加热部件来对电池 包进行有效预热 。此时，材料可以暂时储热以备短时间驻车 保温之需 。Zhong 等设计了基于石蜡 / 石墨复合 PCM 与电阻丝结合的加热保温管理系统 ( 图 19) ，其中模块内每个 圆柱电池表面与电阻丝接触，剩余空间填满 PCM ; 箱体设计 翅片，这样有利于系统的热量均衡 。实验结果表明，3S5P 的 电池模组在 8min 内从－25 ℃ 被加热到 10 ℃ 。

综上所述，PCM 作为冷却或加热部件，与主动热管理系 统如空冷、液冷、热管和加热片等结合，能够提升热管理系统 的整体性能 。一直以来，大部分研究都集中于利用 PCM 进行冷却，而低温环境中的驻车保温、冷启动预热研究相对较 少 。并且在冷却和加热两种模式下，对材料的导热性能要求 是不一致的，因此，需要结合具体应用场景，加以模拟仿真和 经济性分析，设计和优化热管理策略。

4.3 基于 PCM 的电池热管理系统产品化进展

除了实验室研究成果，很多大型车企、电池制造公司等也 投入资金开展基于 PCM 的热管理系统的研发工作 。 由于商业机密等原因，大部分资料来源于公开的专利，可见产品仍然处于研发初期，产品市场化仍然有一定难度 。 比亚迪公司申请了一项填充复合 PCM 的动力电池组发明专利 。PCM 填 充在图 20a 所示的箱体空隙内，如上盖、底座等 。动力电池组 通过导热胶层粘结在托盘上，然后将托盘固定于车身 。

使用 时 PCM 吸收电池组的热量并传导给箱体，不借助任何动力散热，散热效果好，成本低 。通用汽车全球技术运营有限责任公 司申请了图 20b 所示带有 PCM 的电池组专利，其中 PCM 构成冷板，电池单元安装在 PCM 冷板上 。该专利添加了冷却 翅片以加强 PCM 与电池之间的热传导 。Midtronics 蓄电池公 司 也发明了带有 PCM 的电池热管理系统 。与前两者不同 的是，该公司采用了圆柱形电池组，如图 20c 所示，电池组外部包裹着 PCM 。 电池组表面有突起的翅片，可用于增大 PCM 与 电池组的接触面积 。 目前，AllCell Technologies 公司进行了商 业化产品升级，发布 CORE 产品线，用于电动汽车动力电池 包、便携移动设备甚至静态电化学储能站 。如图 20d 所示，产品进行模块化生产，核心材料为相变复合体(PCC) ，导热系数 高达 25 W /(m ·K) ，模块有效降温达 10 ℃ 。

5 结语与展望

本文系统地介绍了基于 PCM 开发的电池热管理系统的 研究进展 。实验和模拟结果都表明，使用具有合适相变温 度、相变焓和导热系数的 PCM，在高温、高倍率放电工况下， 可以显著改善电池组的均温性 。通过材料性质优化以及与 传统热管理方式相结合，可以将电池运行温度控制在最佳温 度范围内，从而减少电池容量的损失，提高电池稳定性 。相 比主动热管理模式，其能在一定程度上减少能耗。

材料性质优化的关键是提高 PCM 的导热系数，从而提 高传热效率，增强电池间温度分布均匀性 。多数 PCM 的低 热导率限制了其应用领域，常规有效方案是进行导热增强复 合，添加金属或碳纳米粒子，或利用铝泡沫或者膨胀石墨进 行材料吸附，或在换热器内部构造金属翅片等结构单元 。但 是，在掺杂其他非 PCM 导热剂后，复合材料的有效相变焓会 相应降低，需要根据实际工况需求进行综合考虑 。此外，也 有学者开展了 PCM 微胶囊化的研究，相变微胶囊流体可以 结合液冷管道和换热结构，将系统中的热量快速输运到外界 环境中 。该技术的适用性及应用形式还需要进一步研究。 材料种类创新的空间已然不大，目前研究案例多采用石蜡， 而对脂肪酸和多元醇等其他类型的 PCM 的研究较少 。后者 尽管相变焓较低，但相变温度可以满足电池热管理温度要 求，且各具优点，有一定的发展潜力。

在装置层面，还需要进一步优化电池模块的布局结构， 实现控温时间的延长和体系均温性的提高 。一 方 面，由 于 PCM 吸热之后的流动性和漏液现象，需要强化密封性和绝缘 性 ; 另一方面，材料在相变前后会出现密度的变化，将会导致 体积的改变，多次充放热循环可能会使材料发生形变，进而 增大材料与电池壁面的接触热阻，降低传热速率，长此以往 甚至会导致容器受压形变 。因此需要对 PCM 封装方式及其 与电池的结合方式进行深入研究，实现机械性能、传热性能、 可靠性的综合优化。

动力电池组能量密度和功率密度的不断提高以及电动在不同气候环境中推广普及的需求对冷却系统提出了更 高的要求 。将强制空冷、液冷技术和 PCM 冷却技术相结合 的混合式热管理系统是提升热管理系统性能的一种有效途 径 。这不仅对硬件实现提出了一定的创新要求，而且需要根 据具体的应用场景进行热管理策略制定和控制优化 。 目前 国内外大部分研究还仅限于小功率电池模块，这些电池模块 只能用于电动滑板车等小功率电动车辆 。将混合式热管理 系统应用在大功率车载动力电池组中的技术开发、经济性分 析和模式探究仍有其必要性 。此外，利用 PCM 对电池保温的研究仍较少，但通过设计方案创新，如设计基于相变储热 材料的暖通空调蓄热单元，或许能提供一种节能环保 的替代方案。

文章来源：

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，

1 全球能源互联网研究院有限公司欧洲院

2 伯明翰大学化学工程系储能研究中心