相變材料在動力電池模組中的應(yīng)用現(xiàn)狀

楊瀾

由于石油資源日漸枯竭，以及世界環(huán)境的日益惡化，未來對電動汽車（EV）/混合動力電動汽車（HEV）的大力支持成為必然趨勢。EV/HEV都使用鋰電池作為動力來源，在EV/HEV行駛中，如何使動力電池的性能達(dá)到最優(yōu)是目前的主要研究方向。由于鋰電池具有更高的能量密度和較低的自放電率，因此被全球普遍應(yīng)用于電子和汽車產(chǎn)品上。然而，溫度是影響電池可靠性、壽命、安全性和性能[1，2]的一個(gè)主要的因素，當(dāng)溫度較高（高于50℃[3]）時(shí)，會增加電池內(nèi)部的熱反應(yīng)率，導(dǎo)致更大的熱量產(chǎn)生，一個(gè)“熱失控”的條件可能會導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸[1]。而在極冷的溫度，由于高內(nèi)阻電池性能釋放緩慢，充放電效果都不好。電池的工作溫度必須保持在20℃和40℃[2]之間才能實(shí)現(xiàn)良好的性能，使用壽命也會更長。此外，為了避免短路或局部退化導(dǎo)致的熱點(diǎn)，整個(gè)電池組溫度分布均勻性是很重要的。同時(shí)，考慮到溫度對電池電壓的依賴性，當(dāng)電池組中有一個(gè)大的溫度變化時(shí)，會引起電池組中的單體電池電壓不平衡而導(dǎo)致安全問題。因此，規(guī)定單體和單體之間以及模組與模組之間的溫差值都不能超過5℃[3]。為了避免溫度的不利影響，對應(yīng)用在車輛上的電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常采用空氣或液體冷卻形式的對流熱管理[4]。熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)在復(fù)雜程度以及成本高低2方面存在很大的差異。在最低端的產(chǎn)品上，熱管理系統(tǒng)可能僅使用一個(gè)小風(fēng)扇來維持運(yùn)行。這種方法相當(dāng)簡單和廉價(jià)，但它可能無法有效地管理熱量。復(fù)雜度高的高端電池組，管理系統(tǒng)可能包括一個(gè)溫度控制的液體冷卻裝置。這種方法可以將電池組中的溫度調(diào)節(jié)均勻，并允許在一系列環(huán)境溫度和工作條件下的電池全功率工作能力，但這種方法成本較高，空間占用率也較高。因此，當(dāng)今需要開發(fā)更有效、更簡單、更便宜的熱管理方案，從而有助于保障動力電池和EV/HEV的進(jìn)步及發(fā)展。

相變材料（Phase Change Material，PCM）是一種能夠利用其自身的相變潛熱吸收或釋放系統(tǒng)熱能的材料，它的特點(diǎn)是可以幾乎無限期循環(huán)使用[5，6]。同時(shí)，由于相變材料有著潛熱大，儲能密度高，所需相變溫度范圍可控等優(yōu)勢。無論從節(jié)能角度還是從續(xù)駛里程角度考慮，采用PCM材料作為傳熱介質(zhì)較前2種方法具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，是目前動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的首選材料。

一、動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的進(jìn)展

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（The battery thermal management system，BTMS）的目的是為電池提供有效的冷卻解決方案，并開發(fā)新的工具用于冷卻液，將它應(yīng)用在電池的性能最優(yōu)方面。它包括以下幾方面的功能：①電池和環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測量與監(jiān)控；②溫度過高時(shí)的有效散熱；③低溫條件下的快速加熱；④電池包內(nèi)有害氣體的有效通風(fēng)；⑤整個(gè)電池組溫度均勻性的保證[7]。

在國外，與電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)的工作最早見于20世紀(jì)80年代，伴隨著銀氬電池以及鋰離子電池的發(fā)展，電池產(chǎn)熱致高溫問題逐漸引起一些工程師以及科學(xué)家的關(guān)注，但那時(shí)由于電池的應(yīng)用主要在一些小功率設(shè)備上，電池?zé)峁芾聿⑽匆鹱銐蛑匾暋?1世紀(jì)初期，隨著動力設(shè)備的不斷升級對電池性能以及電池模塊化的要求越來越高，電池產(chǎn)熱而引起的一系列問題日益突出。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和伊利諾斯理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對單體電池和模組的熱特性、電池箱體結(jié)構(gòu)、冷卻方式等熱管理系統(tǒng)要素進(jìn)行了較多研究。在國內(nèi)，“電池?zé)峁芾怼币辉~最早由張國慶博士在20世紀(jì)90年代中后期提出，但當(dāng)時(shí)并未引起足夠重視。隨著電動汽車的發(fā)展，電動汽車對動力電池性能提升要求更加嚴(yán)格。伴隨電池大尺寸和模塊化的發(fā)展，電池產(chǎn)熱溫度問題更加突出，電池過熱引起的EV/HEV起火事件頻發(fā)。因此，電動汽車動力電池的熱問題是亟待解決的核心技術(shù)難題。目前，國內(nèi)外對電動汽車電池?zé)釂栴}的研究主要集中在3個(gè)方面，即單體電池生熱模型、成組電池?zé)狁詈夏Ｐ秃碗姵乩鋮s方式等。

單體電池生熱模型大都以bernardi[8]模型為基礎(chǔ)；成組電池?zé)狁詈夏Ｐ蛣t應(yīng)考慮電池組的具體特點(diǎn)、布置型式等，其研究成果已接近實(shí)用化；電池冷卻方式的研究則是目前的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。冷卻介質(zhì)主要有空氣、液體和相變材料等。張國慶等[9]設(shè)計(jì)了一種液體冷卻與相變材料冷卻結(jié)合的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車電池在比較惡劣的熱環(huán)境下電池裝置整體有效地降溫，又能滿足各單體電池間溫度分布的均衡，同時(shí)易循環(huán)利用，從而達(dá)到最佳運(yùn)行條件，并降低成本，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性。目前只有雪佛蘭Bolt EV的電池系統(tǒng)采用類似印刷電路一般的水冷管路密布的水冷散熱的方式。其他制造商大多數(shù)不愿意選擇液體冷卻是因?yàn)槊芊獠缓脮?dǎo)致液體泄漏，所以密封設(shè)計(jì)是極其重要的。

二、PCM在動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展

2004年，美國伊利諾斯工學(xué)院S. Al-Hallaj[10]教授的研究團(tuán)隊(duì)首次將相變材料用于BTMS中，研究表明相變材料可以對電池進(jìn)行有效控溫，使工作環(huán)境溫度更加均勾和適宜，在無需輔助設(shè)備的情況下，有助于提高能源利用率、提升電池效率和延長電池壽命。S.Al-Hallaj和sdman并為這一技術(shù)申請了相關(guān)專利。2005年他們又提出在PCM中加入泡沫鋁可以更好地控制電池的溫度[11]。

為了證明采用PCM的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)勢，2008年Sabbah等[12]針對混合動力電動車中的鋰離子電池組的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分別對比分析了空氣冷卻和PCM冷卻在大電流放電和高環(huán)境溫度下的散熱效果，發(fā)現(xiàn)在劇烈工況下，空氣冷卻不能滿足需要，必須依靠輔助風(fēng)扇才能達(dá)到PCM冷卻的效果。同年Kizilel等[13]研究了一種由石蠟和石墨復(fù)合而成的相變材料，將膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料應(yīng)用到鋰離子電池?zé)峁芾?，進(jìn)一步研究了PCM導(dǎo)熱系數(shù)增加對系統(tǒng)溫度降低的影響和PCM熱管理對減小電池容量衰減的積極作用將其應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用這種相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以有效解決電池組溫度過高的問題，在電池放電結(jié)束時(shí)可以將溫度控制在45℃以下。同時(shí)可以有效地降低單體電池的溫差，可以將電池組中心和邊緣溫差縮小到4℃。在2009年他們又進(jìn)一步研究出一種石蠟和膨脹石墨復(fù)合而成的相變材料[14]，這種相變材料可以使單體電池之間的溫度差縮小到0.2℃以內(nèi)。國內(nèi)的Rao和Zhang等[15]將石錯(cuò)和石墨按一定比例配合，對鎳氫電池進(jìn)行了空氣冷卻和相變冷卻對比試驗(yàn)，當(dāng)石蠟與石墨的比例為4∶1時(shí)，電池組的冷卻效果最好。

隨著PCM的研究不斷深入，為了抵消簡化的數(shù)值模型中低估的非均勻性預(yù)測的單體電池和模塊規(guī)模的溫度。為了解決這個(gè)問題，Jarret和基姆[16]用四簡化線性產(chǎn)生的熱量分布與恒定的總熱量。該方法可以提高溫度梯度估計(jì)的準(zhǔn)確性，但是在鋰離子電池的溫度分布不一定是線性的，在充電和/或放電周期中的熱量是不恒定的。

三、基于PCM的各類數(shù)值模型結(jié)構(gòu)介紹

1.Rao和Zhang等圓柱形動力電池PCM散熱的結(jié)構(gòu)

國內(nèi)的Rao和Zhang等[15]對圓柱形的動力電池的采用了PCM（脈沖編碼調(diào)制）散熱的熱模型數(shù)值模型（如圖1所示）。他們的模型考慮到內(nèi)部傳導(dǎo)和外部自然對流不穩(wěn)定的熱量產(chǎn)生。他們通過采取了一項(xiàng)簡化的研究產(chǎn)生的熱量，而不是電化學(xué)模型，并通過假設(shè)的物理PCM的電池持續(xù)整個(gè)計(jì)算中的性能。

2.Ramandi等[17]圓柱形動力電池的雙層結(jié)構(gòu)PCM散熱結(jié)構(gòu)

由于固液相變的相變材料的密度變化是微不足道的，和熔點(diǎn)的PCM是常數(shù)而不是一個(gè)溫度范圍。PCM也被假定為均勻的和各向同性的輻射換熱是不考慮過的，所以當(dāng)選擇合適的材料，在自然對流條件下，PCM能夠保持溫度低于45℃。然而，如圖2所示，在中心點(diǎn)和圓柱以外的部分，PCM的低導(dǎo)熱率可以導(dǎo)致較大的溫度差。

Ramandi等[17]研究了電氣的傳熱和車輛通過PCM熱管理，他們提出了的種雙層結(jié)構(gòu)PCM散熱的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

3.Al-Hallaj設(shè)計(jì)圓柱形電池的電池模組PCM散熱結(jié)構(gòu)

Al-Hallaj設(shè)計(jì)圓柱形電池的電池模組PCM散熱結(jié)構(gòu)，如圖4所示，設(shè)計(jì)的相變材料用于熱管電池組形成一個(gè)模塊，首先計(jì)算出所需PCM的質(zhì)量，再根據(jù)電池的形狀確定相變材料基體的幾何尺寸，制作相變材料基體，并在基體上均勻挖出與單體電池尺寸相同的洞，洞的數(shù)量由電池模組中能夠容納的單體電池?cái)?shù)量決定。

4.Jarret和基姆[16]的PCM冷卻系統(tǒng)

在該設(shè)計(jì)中每一個(gè)單體電池的邊界是由2個(gè)相對較薄的PCM層組成，因此，對于具有N個(gè)電池模塊，要使用N+1個(gè)PCM（如圖5所示）。

四、展望

相變材料用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中具有不需要運(yùn)動部件、不需要耗費(fèi)電池額外能量等優(yōu)勢。用于電池組的熱管理系統(tǒng)中可以有效吸收充放電過程中放出的熱量，降低電池溫升，保證電池在正常溫度下工作。同時(shí)在動力電池模塊中加入固液相轉(zhuǎn)變的相變物質(zhì)，可控制動力電池模塊的溫度。然而相變物質(zhì)相變前后會發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變，動力電池模塊需要密封防止相變物質(zhì)流動；這對動力電池模塊的制作工藝提出極大的挑戰(zhàn)。此外，液化后的相變物質(zhì)存在對動力電池模塊的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。但是隨著研究的不斷深入，也會克服目前存在的缺點(diǎn)?？傊?，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是適應(yīng)未來電動汽車發(fā)展的重要方向，而PCM材料及其結(jié)構(gòu)的研究也仍會是未來研究的熱點(diǎn)。

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