相變材料在動力電池熱管理系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

郭寶會

（1.渭南師范學院 數(shù)理學院，陜西 渭南 714099；2.三門峽速達交通節(jié)能科技股份有限公司，河南 三門峽 472000）

鋰離子電池具有高能量密度、高功率密度及良好的循環(huán)性能，已是混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）的主要動力源[1,2]。然而在電池組運行過程中，由于電池內(nèi)部電阻及傳熱不良等因素會引起電池組溫度升高，造成熱失控而引起火災或爆炸。另外，在低溫狀態(tài)下，電池內(nèi)阻過高會造成充放電效果不佳，影響動力電池的工作性能。理想的電池工作溫度介于20℃和40℃之間，對電池組的有效控制是決定電動汽車電池商業(yè)化的關鍵技術之一[3～5]。

傳統(tǒng)電池熱管理系統(tǒng)需要外動力驅(qū)動，體積龐大（如空氣冷卻和液體冷卻），因此出故障的概率也較大。利用相變材料發(fā)生相變時放出的潛熱吸收電池工作組放出的熱量，成為了一種新型的電池被動熱管理系統(tǒng)，具有設計簡單和可靠性高等優(yōu)點[1,2,4～6]。同時，相比材料具有潛熱大，儲能密度高，可以有效控制電池溫度范圍，平衡電池組內(nèi)各個電池間的溫差，從而提高電池的使用壽命和可靠性。本文主要介紹了相變材料的分類、工作原理和應用形式及存在的問題。

1 相變材料的分類及工作機制

相變材料種類繁多，按照不同目的，可以有不同的分類。按相變材料的相變溫度分類可分為低溫相變材料（＜20℃）、中溫相變材料（20℃～ 250℃）和高溫相變材料（＞250℃）[7～10]。按相變類型可分為固-液、固-固、固-氣、液-氣四種，其中固-固相變材料和固-液相變材料應用較廣。如按物質(zhì)類型可分為無機相變材料、有機相變材料和復合相變材料三大類[7]。石蠟、硬脂酸、聚乙二醇是目前廣泛應用于電池熱管理的有機相變材料，其中石蠟無毒、無腐蝕性、性能穩(wěn)定，價格便宜，是研究者們關注的重點[7,9]。在不同溫度條件下，石蠟的主要成分烷烴的晶型和分子鏈結(jié)構(gòu)會發(fā)生轉(zhuǎn)變，同時伴隨有吸熱和放熱現(xiàn)象，從而實現(xiàn)能量的存儲和釋放。但是石蠟的缺點是熱導系數(shù)較低和相變焓較低，而且易燃，使得其在電池熱管理系統(tǒng)中受到較大限制。無機相變材料主要包括熔融鹽類、結(jié)晶水合鹽類、合金類及金屬等[7,9,10]。無機相變材料的熱導率高，價格低廉，儲能密度大，但也存在腐蝕性較大，容易出現(xiàn)“相分離”和“過冷”等現(xiàn)象，限制了其在實際電池熱管理中的應用[10]。為了克服無機相變材料的腐蝕性和有機相變材料的低導熱系數(shù)和低相變焓的問題，綜合兩者之間的優(yōu)點，人們開發(fā)出了將有機相變材料和無機相變材料結(jié)合的復合相變材料，擴大了相變材料的應用范圍[10]。

圖1 采用相變材料(PCM)板的電池組熱管理系統(tǒng)剖視圖

相變材料熱管理的機制利用其相變過程中吸收或者釋放大量潛熱而保持自身溫度不變或變化微弱，給電池模塊一個相對恒定和均勻的溫度環(huán)境[11,12]，采用相變材料(PCM)板的電池模塊如圖1所示。在電池充放電過程中，電池組溫度會升高使得相變材料融化而吸熱貯存能量，使電池組溫度恒定在熔點附近；在低溫環(huán)境下，相變材料會逐漸凝固而釋放熱量，防止電池組溫度過低，保證電池組的正常工作[11,12]。

2 相變材料用于電池熱管理的研究現(xiàn)狀

2.1 應用形式

目前，相變材料在電池組中的應用方式主要有兩種方式，第一種是將電池單元置于相變材料中（如圖2(a)所示），這種結(jié)構(gòu)簡單，容易操作，是主要的應用形式[13]。第二種是將電池單元夾在相變材料中，形成三明治結(jié)構(gòu)（如圖2(b)所示），這種結(jié)構(gòu)熱交換效率高，但是因為結(jié)構(gòu)較為復雜，對工藝要求較高[13]。

2.2 相變材料用于電池熱管理的研究現(xiàn)狀

圖2 相變材料在電池組中的應用形式[13]

美國伊利諾斯工學院的Al-Hallaj[14,15]教授的研究團隊首次將相變材料用于電動滑板車電池熱管理系統(tǒng)中，將9個18650鋰離子電池置于熔點在41℃～44℃的PCM中，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變材料使電池工作溫度更加穩(wěn)定和均勻，在無需其它輔助設備的情況下，提高了能源利用率，使電池效率和電池壽命得到了提高[1,14,15]。2005年，他們在泡沫鋁中加入PCM，將電池置于該體系中，PCM加入泡沫鋁中可以有效的控制溫度[15]。

2008年，Al-Hallaj[16～18]教授對鋰離子電池組的熱管理系統(tǒng)進行了研究，對比發(fā)現(xiàn)在大電流放電和高溫環(huán)境下，PCM的冷卻效果遠遠優(yōu)于空氣冷卻的效果[16]。因此，他們又研發(fā)了一種新的PCM材料（將石蠟和石墨復合后制成相變材料），結(jié)果發(fā)現(xiàn)此種相變材料同時解決了電池組溫度過高的問題，在電池放電結(jié)束時使溫度控制在45℃以下，也可將電池組中心和邊緣溫差縮小不到4℃。將石蠟和膨脹石墨復合制成的復合相變材料，可以使單體電池之間的溫度差縮小到0.2℃以內(nèi)[18]。

3 相變材料用于電池熱管理系統(tǒng)存在的問題

動力電池熱管理系統(tǒng)采用相變材料進行溫度控制是一個比較新的研究領域，目前相變材料冷卻技術大多數(shù)還處于實驗室的研究階段，缺乏系統(tǒng)全面的研究[5,13]。相變材料存在的主要問題是導熱系數(shù)小、較大的相變體積變化、封裝困難、不能循環(huán)流動和價格較高等不足[13]。首先在選擇相變材料上，要綜合考慮相變材料的熱物理性質(zhì)、化學性質(zhì)及動力學性質(zhì)，合適的相變材料是保證電池熱管理系統(tǒng)能否達到要求的前提，另外也要綜合考慮生產(chǎn)成本、回收處理、環(huán)保性能等經(jīng)濟性及環(huán)境影響等因素[28]。其次，在改善相變材料熱導率問題上，需要通過合理有效的設計，如采用泡沫金屬可以在一定程度上提高相變材料的熱導率，但會增加系統(tǒng)質(zhì)量和提高生產(chǎn)成本。另外，對于由石蠟和石墨組成的復合相變材料，設計需要考慮掉粉和分層剝離的問題，而且材料的機械性能和易燃性也有待提高[3]。最后，在被動熱管理系統(tǒng)中，相變材料具有設計結(jié)構(gòu)簡單和成本較低等優(yōu)點，但在大電流充放點時，相變材料對電池組的散熱效果就有限了，建議可以采用相變材料的主動熱管理系統(tǒng)，其散熱能力明顯優(yōu)于被動熱管理系統(tǒng)，適合用于大容量電池組[11]。