相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究

尤 若 波

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相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究

尤 若 波

（寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司，福建寧德352100）

相變控溫技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)始研究的新型鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾矸绞?。本工作采用SEM和DSC等分析了某商用石蠟/石墨復(fù)合固液相變材料的基本物性，確定該相變材料的相變溫度在40℃左右，潛熱約為160 J/g。對(duì)比了添加相變材料前后及不同厚度相變材料對(duì)電池組溫升的影響，結(jié)果表明盡管相變材料會(huì)降低電池組的能量密度，但相變材料能有效控制電池的溫升，因此在高功率動(dòng)力電池應(yīng)用上有很好的前景。最后，仿真設(shè)計(jì)表明，相變材料與液冷等冷卻方式結(jié)合的復(fù)合控溫策略是動(dòng)力鋰離子電池?zé)峁芾淼难芯糠较蛑弧?/p>

相變材料；動(dòng)力電池?zé)峁芾恚粍?dòng)力電池?zé)岱抡?；?dòng)力電池?zé)釡y(cè)試

根據(jù)《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南2015—2020年》，2020年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車保有量預(yù)計(jì)將達(dá)到500萬(wàn)輛，而電動(dòng)汽車目前普遍使用鋰離子電池作為動(dòng)力源。因此，鋰離子電池的安全性是關(guān)乎用戶生命財(cái)產(chǎn)安全和電動(dòng)汽車行業(yè)良性發(fā)展的重要課題，對(duì)鋰離子電池的安全性研究也越來(lái)越多[1-3]。雖然影響鋰離子電池安全性的因素較多，但溫度是其中的關(guān)鍵因素。實(shí)際使用中，鋰離子電池的溫度需控制在合理范圍內(nèi)（圖1）。溫度過(guò)高，電池內(nèi)部易產(chǎn)生副反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致SEI（固態(tài)電解質(zhì)界面膜）膜溶解、自放電加劇等，進(jìn)而可能觸發(fā)熱失控。溫度過(guò)低，電池性能無(wú)法正常發(fā)揮，功率性能和可用能量均會(huì)大幅下降且存在析鋰風(fēng)險(xiǎn)。為了控制鋰離子電池的溫度，動(dòng)力電池系統(tǒng)中一般集成具有冷熱一體功能的熱管理系統(tǒng)：當(dāng)溫度低于下限目標(biāo)值時(shí)對(duì)電池系統(tǒng)加熱，當(dāng)溫度高于上限目標(biāo)值時(shí)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

影響鋰離子電池溫度的因素包括內(nèi)因和外因。外因?yàn)殡姵嘏c環(huán)境之間的熱交換，內(nèi)因則是電池系統(tǒng)的產(chǎn)熱。電池溫度由熱平衡方程決定：，其中C為電池比熱容，J/(g·K)；為電池質(zhì)量，g。鋰離子電池系統(tǒng)中的產(chǎn)熱分為兩部分：充放電過(guò)程中外電路產(chǎn)生的歐姆熱和電池內(nèi)部的產(chǎn)熱。基于Bernardi理論[4]，電池內(nèi)部產(chǎn)熱可簡(jiǎn)化為可逆熱（re）和不可逆熱（ir），其中可逆熱（re）表現(xiàn)為電池自身的熵變，；不可逆熱（ir）表現(xiàn)為極化熱，其中：為電流，A；為電池電壓，V；為電池?zé)o極化電壓，V。極化熱可按電池內(nèi)部產(chǎn)熱機(jī)理的不同進(jìn)一步分解為歐姆極化熱、電化學(xué)極化熱和濃差極化熱?；贜ewman的電化學(xué)模型，WHITE等[5]將歐姆極化熱和濃差極化熱進(jìn)一步分解為固相和液相兩部分。

常規(guī)條件下電池對(duì)環(huán)境的熱交換和在異常條件下的電池?zé)崾Э胤雷o(hù)是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮的兩個(gè)主要任務(wù)。常規(guī)條件下，從單體電池至電池組再到電池系統(tǒng)，由于多層防護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電池散熱路徑的熱阻不斷增大，再加上用戶對(duì)電池充放電功率和耐久性要求的提高，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)面對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)越來(lái)越大。當(dāng)前動(dòng)力電池系統(tǒng)上常見(jiàn)的熱管理系統(tǒng)有風(fēng)冷、液冷和制冷劑直冷系統(tǒng)。其中，風(fēng)冷方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低但存在散熱功率不足的問(wèn)題，液冷和直冷系統(tǒng)散熱功率高但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜和存在冷卻介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于風(fēng)冷、液冷和直冷這類依賴于外動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式的主動(dòng)熱管理方式，相變材料控溫是被動(dòng)式熱管理，具有儲(chǔ)熱蓄能功能、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此在一些對(duì)散熱要求高但又布置空間有限的電池組中，相變材料控溫有很大的應(yīng)用前景。異常條件下，熱管理系統(tǒng)需要在電池?zé)崾Э匕l(fā)生初期發(fā)揮抑制作用，在熱失控發(fā)生過(guò)程中能有效阻止電池?zé)崾Э芈?。相?duì)于常規(guī)的風(fēng)冷和液冷熱管理，相變材料控溫系統(tǒng)特有的儲(chǔ)熱蓄能特性在這方面具有較好的作用。

常見(jiàn)的相變儲(chǔ)熱材料包括固液相變（熔化-凝固）和汽液相變（蒸發(fā)-冷凝）。動(dòng)力鋰離子電池由于其使用溫度區(qū)間溫和，要求適用于動(dòng)力鋰離子電池的相變材料須具有低溫相變特性，即要求相變溫度低。針對(duì)不同電池對(duì)溫度的需求差異，材料的相變溫度點(diǎn)也需允許適當(dāng)改變，即要求材料成分可調(diào)節(jié)。此外，實(shí)際使用中往往要求相變材料不發(fā)生流動(dòng)，因此固液相變前后，材料外觀均能維持固態(tài)的相變材料正成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前該類相變材料研究較多的是由石墨和石蠟組成的復(fù)合相變材料，該相變材料的主要組分為石蠟和石墨，利用石蠟的固液相變特性實(shí)現(xiàn)相變控溫功能。石蠟與石墨復(fù)合后，當(dāng)石蠟由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w時(shí)，由于石墨的多孔特性，其對(duì)液態(tài)石蠟具有良好的吸附作用，雖然微觀上石蠟為液態(tài)，但是宏觀上材料整體仍然維持固體形狀。WILKE等[6]將這類復(fù)合相變材料應(yīng)用于18650電池模組穿釘實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明相變復(fù)合材料能夠有效抑制電池穿釘后的熱擴(kuò)散及降低穿釘電池的溫升。李釗等[7]、王彥紅等[8]和張正國(guó)等[9]均對(duì)膨脹石墨與石蠟的比例進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了不同類型膨脹石墨/石蠟復(fù)合相變材料對(duì)電池散熱的 影響。

雖然國(guó)內(nèi)外諸多科研人員對(duì)相變控溫技術(shù)有諸多研究，但與新能源汽車動(dòng)力電池實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的研究性報(bào)道較少。本文擬從產(chǎn)業(yè)化角度，研究相變材料在動(dòng)力鋰離子電池中的應(yīng)用前景，并提出符合鋰離子電池要求的性能要求。

1 材料物性分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇的是一款定制的石蠟與石墨復(fù)合相變材料（簡(jiǎn)稱PCC，由Allcell公司提供）。根據(jù)電池的實(shí)際需要，這款材料的組分配比可以滿足相變溫度點(diǎn)在40 ℃左右的需求。PCC材料的主要熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PCC材料的基本物性參數(shù)

對(duì)PCC做材料特性的分析主要包括：采用掃描電子顯微鏡（SEM/EDS，JSM-6010LV，JEOL Ltd.）對(duì)復(fù)合相變材料的形貌進(jìn)行表征。圖2為PCC相變材料的微觀表面形貌圖，從圖中可以看出，材料微觀表現(xiàn)為典型的層狀結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明該P(yáng)CC相變材料較好的保持了石墨的主體形貌，石蠟?zāi)軌蜉^好的填充于石墨多孔間隙中。采用STA409PC型熱重-差熱分析儀對(duì)相變材料進(jìn)行熱重、相變焓和相變溫度分析。圖3為該P(yáng)CC相變材料的差熱分析儀（DSC）測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試數(shù)據(jù)可判斷該相變材料的相變溫度約為40 ℃。另外，熱重（TG）測(cè)試結(jié)果顯示 200 ℃開(kāi)始發(fā)生失重，且最終重量損失維持在93%左右，這表明石蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為93%，石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7%。

2 硬殼電池組的熱分析

2.1 測(cè)試方案

首先，實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置選取CATL公司6.9 A·h硬殼方形電芯組裝成1串5并（1S5P）的電池組，相鄰電芯間夾一層10 mm厚度的石蠟與石墨復(fù)合相變材料PCC，電池組的4個(gè)側(cè)面也分別緊貼PCC片且由膠帶綁緊固定。用于監(jiān)控電池溫度的傳感器分別布置在電芯的底部，側(cè)面和頂部的中心位置。圖4為實(shí)驗(yàn)中PCC片與電芯組裝成的模組照片。

然后，將電池組靜置于20 ℃恒溫箱內(nèi)，保持電池組初始溫度與恒溫箱相同。采用Arbin-BT2000電池充放電機(jī)依次對(duì)電池組進(jìn)行10C放電和11C放電實(shí)驗(yàn)，記錄電池組的溫升情況。具體充放電流程如下：

（1）0.1C恒流放電至2.7 V；

（2）靜置至室溫，1C恒流充電至4.2 V，4.2 V恒壓充電至0.05C；

（3）靜置5 min，10C放電至2.7 V；

（4）靜置5 min，1C恒流充電至4.2 V，4.2 V恒壓充電至0.05C；

（5）靜置5 min，11C放電至2.7 V。

（a）頂部

（b）底部

圖4 帶PCC材料的電池模組示意圖

Fig.4 A 1S5P battery module with PCC

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

在環(huán)境溫度為20 ℃條件下，分別對(duì)比了添加PCC相變材料前后該電池組的充放電溫升。電池組的最高溫度和電壓變化曲線，如圖5所示。圖中紅線為未添加相變材料時(shí)電池組的最高溫度曲線圖，藍(lán)線為添加相變材料后電池組的最高溫度曲線圖，綠線為電池組的電壓曲線圖（添加PCC相變材料前后電壓曲線無(wú)變化）。從圖中可以看出，在10C放電末期（第1個(gè)峰值），添加PCC后電池組的最大溫升下降了約11 ℃；在11C放電末期（第2個(gè)峰值），添加PCC的電池組的最大溫升下降了約24 ℃。這表明PCC相變材料通過(guò)吸收電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，有效降低了電池組在大倍率充放電過(guò)程中的溫升。

此外，對(duì)比未添加PCC材料時(shí)電池組的溫升曲線（紅色）和添加PCC材料時(shí)電池組的溫升曲線（藍(lán)色）可明顯看出，10C工況下加入PCC材料后電池組的最大溫升速率約為2.5 ℃/min，小于未添加PCC材料后電池組的最大溫升速率（約為4.5 ℃/min）；而11C工況下則分別為3.67 ℃/min和8.0 ℃/min。這表明相變材料的引入不僅有助于降低電池組的最大溫升，還有助于降低溫升速率。實(shí)際上，降低溫升速率對(duì)電池?zé)岚踩头乐篃崾Э刂陵P(guān)重要。進(jìn)一步推導(dǎo)可知，當(dāng)電池組自身產(chǎn)熱速率小于從電池傳導(dǎo)到相變材料的散熱速率時(shí)，在相變材料未完全發(fā)生相變前電池組的溫度將不會(huì)超過(guò)相變溫度點(diǎn)。然而，雖然相變材料能有效降低電池組在大倍率充放電條件下的溫升，但是其對(duì)電池組能量密度的影響也是比較明顯的。在此1S5P電池組中PCC的加入使整體能量密度降低了18%。表2對(duì)比了電池組在PCC加入前后的溫升和能量密度的對(duì)比。

2.3 熱仿真分析

為了和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?duì)應(yīng)，全面分析電池組的溫度分布，采用三維流體傳熱仿真軟件Flo-EFD構(gòu)建了嵌入PCC片的1S5P硬殼方型電池組CFD模型。

表2 添加PCC相變材料前后的模組溫升和能量密度對(duì)比

仿真模型基于產(chǎn)熱方程及邊界條件描述見(jiàn)式(1)：

能量守恒（傳熱）方程：

式中，熱源項(xiàng)=?*=(-ocv)*；為密度，kg/m3；C為比熱容，J/(kg·K)；為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；為溫度，K；為不同倍率電壓曲線，V；ocv為開(kāi)路電壓曲線，V；為不同倍率電流；為電芯體積，m3；沿電池和環(huán)境的熱交換邊界面：

式中，為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；為與環(huán)境接觸面積，m2。初始條件=0:initial=amb；邊界條件：環(huán)境溫度amb，自然對(duì)流散熱。

按2.2節(jié)所述熱測(cè)試充放電過(guò)程模擬計(jì)算電池組的溫度分布。模型設(shè)置的初始和邊界條件與測(cè)試一致：自然對(duì)流散熱；電池初始溫度為20 ℃。其中，將PCC材料相變過(guò)程（38～38.5 ℃）的比熱容設(shè)置為溫度的分段函數(shù)，以保持潛熱值滿足160 J/g（圖6）。

圖7展示了模型計(jì)算的電池組在11C放電末期的溫度分布。結(jié)果顯示電芯頂蓋中間最大溫度約為41 ℃，溫升約為21 ℃，這與實(shí)測(cè)結(jié)果（溫升20 ℃）基本吻合。從云圖可以看出電流總輸出/輸入極溫度較高，這是因?yàn)闇y(cè)試電池組為1S5P設(shè)計(jì)，總輸入/輸出極過(guò)380 A電流且考慮輸出/輸入極與測(cè)試裝置的接觸電阻較大所致。

需要說(shuō)明的是，實(shí)際應(yīng)用中除考慮電池組的最高溫度外，還需考慮電池組內(nèi)各電池之間的溫度一致性。單體電池間的溫差過(guò)大，將直接影響電池組的使用壽命。一般可通過(guò)電池組熱管理部件和串并聯(lián)方式將各單體電池之間的溫度差異性控制在 5 ℃以內(nèi)。由于本實(shí)驗(yàn)特制電池組的成組方式為1S5P，導(dǎo)致總正/總負(fù)處的電流過(guò)大，造成近輸出極端的電池與遠(yuǎn)輸出極端的電池之間溫差大于10 ℃。實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電池成組方式（SP）主要以串聯(lián)為主，并聯(lián)數(shù)（）一般小于3。所以電池組中溫差大于10 ℃的情況，在實(shí)際產(chǎn)品中是可以避免的。

此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中還需兼顧單體電池和熱管理部件的本征熱物性參數(shù)，建立基于單體電池或電池組的熱阻模型，確定電池組內(nèi)的傳熱路徑，并針對(duì)熱阻較大的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或材料優(yōu)化，最終控制電池單體之間以及電池自身溫差。

3 軟包電池組的熱分析

3.1 應(yīng)用背景

小型無(wú)人飛行器常常在高機(jī)動(dòng)狀態(tài)下持續(xù)飛行10 min以上，為滿足其高功率需求，軟包電池組需要持續(xù)大倍率放電提供動(dòng)力。這一過(guò)程導(dǎo)致電池組溫升顯著，如無(wú)有效散熱，其最高溫度可超過(guò)60 ℃，影響電池使用的可靠性和安全性。如何在外型包絡(luò)和結(jié)構(gòu)基本不變的情況下改善電池組的溫升狀況成為電池?zé)峁芾淼碾y題。下文將分析通過(guò)加入相變材料后對(duì)電池組溫升的改善效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在1P12S三元軟包電池組中加入5 mm厚PCC材料，以上述“三明治”的方式放置在電芯間，對(duì)比加入PCC前后電池的溫升狀況，測(cè)試條件見(jiàn)表3。

表3 軟包電池組熱測(cè)試條件

受空間限制及對(duì)稱性緣故，實(shí)驗(yàn)中對(duì)12個(gè)電芯中的6個(gè)布置熱電偶做溫度監(jiān)控，其中第1個(gè)電芯采集7個(gè)點(diǎn)，其余5個(gè)電芯只采集電芯大面中心點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)電池組的組裝和12個(gè)溫度傳感器的具體布點(diǎn)見(jiàn)圖8。整個(gè)實(shí)驗(yàn)于23 ℃的恒溫房中進(jìn)行，電池包無(wú)冷卻風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流。在5C放電的末期對(duì)比有無(wú)PCC的溫升差異，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示加入相變材料前其最高溫度達(dá)到56.6 ℃，電池組最大溫差達(dá)到8.2 ℃；加入相變材料后，電池包最高溫度降至45.3 ℃，電池組最大溫差縮小為5.8 ℃。相變材料的加入與否最大可引起約16 ℃的溫降，對(duì)于電池包散熱貢獻(xiàn)顯著。需要注意的是，在放電過(guò)程中電池最高溫度已經(jīng)超過(guò)了相變溫度點(diǎn)40 ℃。這說(shuō)明，在帶有相變材料的電池組中，相變材料通過(guò)自身相變吸熱性能，確實(shí)能夠有效降低電池組的溫升和溫升速率，其相變材料的吸熱能力與其使用量和自身屬性（潛熱值等）成正比。

表4 加入PCC片前后的軟包電池組布點(diǎn)處溫度對(duì)比

3.3 仿真分析

仿真模型的輸入條件和實(shí)驗(yàn)條件相同。產(chǎn)熱輸入基于電池的極化電壓而得，單體電池的產(chǎn)熱曲線見(jiàn)圖9。

在所取的4個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)比電池組加入5 mm相變材料后的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果中（圖10和表5），可以看到電芯溫度的差別基本可以控制在2 ℃內(nèi)，證實(shí)仿真模型的精度可靠。

不同厚度相變材料仿真結(jié)果如圖11和表6所示。電池組未添加相變材料時(shí)，其中間電池比兩端電池溫度高，最高溫度可達(dá)59.4 ℃，溫升約36 ℃，電芯間溫差約5.8 ℃；加入2 mm厚的PCC后，電池組的最高溫度為52.1 ℃，相當(dāng)于7 ℃左右的下降。最高溫度出現(xiàn)在兩端電芯，這是由于受限于PCC的厚度及位置，電池組兩端的電池溫度下降較小，而中間電池因相變材料吸熱溫降達(dá)7.8 ℃，使電池組的整體溫差縮小到約0.5 ℃。進(jìn)一步增厚相變材料，電池組的溫升狀況可獲得進(jìn)一步的改善，加入5mm厚PCC的電池組最高溫度為47.3 ℃，相對(duì)于無(wú)PCC電池組有約12 ℃的下降。最高溫度仍出現(xiàn)在兩端電芯，中間電芯溫度較低，整體溫差約5.2 ℃。仿真結(jié)果表明相變材料的厚度與散熱效果呈正相關(guān)性。

表5 仿真和實(shí)測(cè)溫度的對(duì)比

表6 不同厚度PCC對(duì)應(yīng)的電池組溫度分布

相變材料的形狀及放置位置對(duì)電池溫升的改善具有明顯影響；仿真中相變材料的放置方式采用“三明治”形式，只不過(guò)是每4個(gè)電芯間放置一片相變材料。利用電池大面積接觸傳熱的方式吸收電池放電產(chǎn)生的熱量。另外，受制于該放置方式，電池組兩側(cè)的電芯溫度要高于其余電芯。

3.4 熱量分解分析

加入不同厚度的相變材料對(duì)于電池的吸收熱量存在明顯不同，帶來(lái)的溫降效果也明顯不同，表7總結(jié)了電池組加入相變材料前后的熱量流向；可以發(fā)現(xiàn)，電池組總的產(chǎn)熱基本轉(zhuǎn)化為4部分，分別為自然散熱，PCC的潛熱，PCC溫升吸熱以及電池溫升吸熱。另外，相變材料越厚可釋放的潛熱越多，對(duì)熱量吸收的占比也越來(lái)越大（5 mm時(shí)可占比達(dá)到38%），對(duì)于電池組散熱管理更有益。表7和圖12詳細(xì)分析了不同PCC厚度對(duì)散熱的影響及熱能分解比重的對(duì)比。

表7 不同厚度PCC電池組熱量分解對(duì)比（5C放電715秒）

4 相變熱管理設(shè)計(jì)方案評(píng)估

相變材料在電池組熱管理系統(tǒng)中主要起蓄熱池作用，電池組利用溫度梯度將電芯內(nèi)部的熱能傳導(dǎo)給相變材料，相變材料在將部分熱量通過(guò)對(duì)流或傳導(dǎo)方式傳遞給外界的同時(shí)，自身發(fā)揮相變過(guò)程中的高蓄熱能力也可以吸收剩余的熱能，以實(shí)現(xiàn)控溫目標(biāo)。在給定相變材料質(zhì)量和潛熱值的前提下，對(duì)于相變控溫方式而言，其最大瓶頸在于如何提高相變材料與外界的熱交換能力。基于上述討論，復(fù)合控溫策略（如相變材料復(fù)合風(fēng)冷，相變材料復(fù)合水冷等）方式將會(huì)是未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。圖13和表8利用仿真模型比較了水冷控溫、相變控溫、相變-水冷復(fù)合控溫和自然冷卻四種概念設(shè)計(jì)方案的控溫效果。仿真對(duì)象為由5個(gè)單體電芯（電芯尺寸為26 mm×148 mm×90 mm）并列組成的電池組，每個(gè)單體電芯的平均發(fā)熱功率假設(shè)為35 W，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)1800 s。其中水冷控溫方案假設(shè)在電芯底部緊貼一塊10 mm厚的鋁板，其中均勻分布4條直徑為9 mm的流道；相變控溫假設(shè)在電芯底部緊貼厚度為10 mm的PCC板（重量275 g）；復(fù)合控溫方案假設(shè)在底部放置一塊10 mm厚且內(nèi)部均勻分布2條直徑為9 mm流道的PCC板（重量260 g）；四種情況的其它邊界條件均相同。從圖中可以看出，采用相變復(fù)合水冷控溫方式與采用水冷策略效果接近，電池組的溫度均得到有效控制，在46 ℃左右。但與水冷方式相比，復(fù)合冷卻方式的管道和冷卻劑用量下降了50%，整體重量下降了約40%，性價(jià)比更高。而采用自然冷卻和純相變控溫方式時(shí)，電池組的最高溫度分別為68 ℃和58 ℃。這表明自然冷卻和純相變控溫方式不適用于該電池組散熱，這也印證了前述相變控溫的瓶頸在于其自身的蓄熱能力。

表8 四種熱管理方式性能對(duì)比

雖然概念設(shè)計(jì)中只需將相變材料簡(jiǎn)單布置于電池組底部，但實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮材料的老化性能、電氣性能和力學(xué)性能等；隨著對(duì)電池系統(tǒng)能量密度的要求越來(lái)越高，電池包中提供給相變材料的填充空間也越來(lái)越小。此外，由于復(fù)合相變材料由石墨和石蠟組成，設(shè)計(jì)需要考慮材料掉粉和分層剝離的風(fēng)險(xiǎn)。因此，盡管相變復(fù)合控溫方式具有蓄熱控溫優(yōu)點(diǎn)，但仍需要提高材料的機(jī)械性能和易燃性等短板，以擴(kuò)展在電池系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比添加相變材料前后電池組的溫升，發(fā)現(xiàn)相變材料在相變過(guò)程中能夠有效控制電池組的溫升；當(dāng)電池組自身產(chǎn)熱速率小于從電池傳遞到相變材料的導(dǎo)熱速率時(shí)，在相變材料未完全相變完成前，電池組的溫度將控制在相變材料的相變溫度之下。此外，基于仿真設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步研究了相變材料在電池系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，結(jié)果表明相變材料能有效控制電池溫升，但也會(huì)造成電池系統(tǒng)重量的明顯增加。而與水冷系統(tǒng)結(jié)合后，僅需采用少量的相變材料和小功率水冷系統(tǒng)即可滿足電池系統(tǒng)的控溫要求。集成多種控溫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合控溫技術(shù)，將是未來(lái)鋰離子電池?zé)峁芾淼难芯糠较颉ｋm然相變材料具有蓄熱控溫的優(yōu)點(diǎn)，但是其力學(xué)性能較差且燃點(diǎn)偏低是其仍需要進(jìn)一步改善的地方。

當(dāng)前鋰離子電池面臨越來(lái)越高的比能量和安全性要求，適用于鋰離子電池的相變材料必需滿足以下條件：① 高潛熱，密度低，性價(jià)比高；② 相變溫度可調(diào)，阻燃性好；③ 化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性好，耐弱酸弱堿性能，不與電器件發(fā)生化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕；④ 熱循環(huán)壽命長(zhǎng)；⑤ 導(dǎo)熱系數(shù)高，接觸熱阻低；⑥ 機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械加工性好，相變體積變化率小。

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A study of phase-change material application in lithium-ion power battery thermal management

YOU Ruobo

(Contemporary Amperex Technology Limited, Ningde 352100, Fujian, China)

Phase change composite (PCC) thermal control technology is a novel type of lithium-ion power battery thermal management in recent years. The key physical properties of a paraffin/graphite composite PCC were analyzed by SEM, DSC and TG, the results show that the phase transition temperature is about 40 ℃and the latent heat is about 160 J/g. Before and after adding PCC, the temperature rises of battery modules at different discharge rates were studied numerically and experimentally. The results showed that adding PCC can effectively improve the battery module thermal control ability, although the energy density is somewhat impacted. Therefore, its application in high power output energy system is very promising. Finally, the simulation results show that the composite control strategy with combining phase change material and liquid cooling method is one of the research directions of power lithium ion battery thermal management.

phase change composite; battery thermal management; battery thermal simulation; battery thermal test

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0038

TK 02

A

2095-4239（2017）05-1148-10

2017-04-05；

2017-05-17。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0100400）。

尤若波（1975—），男，博士，從事鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾硐嚓P(guān)研究，E-mail：yourb@catlbattery.com。