車(chē)用鋰離子電池相變冷卻技術(shù)研究綜述

張浩文 秦永法 翁佳昊 曾勵(lì)

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

1 前言

車(chē)用動(dòng)力鋰離子電池的冷卻方法主要有3 種，即空氣冷卻、液冷、相變材料冷卻。空氣冷卻分為自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷，自然冷卻是利用空氣的對(duì)流換熱進(jìn)行冷卻，成本較低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但散熱效率低[1-2]。風(fēng)冷作為動(dòng)力電池空氣冷卻的一種方式，雖然散熱效率有所提高，但是利用風(fēng)扇或者氣泵強(qiáng)制空氣對(duì)流會(huì)造成系統(tǒng)能量損失[3-5]。液冷系統(tǒng)散熱效率較風(fēng)冷系統(tǒng)更高，但液冷系統(tǒng)制造復(fù)雜，成本高，質(zhì)量大，而且冷卻液存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，電動(dòng)泵需要消耗一定功率[6]。相變材料冷卻是指溫度不變的情況下改變物質(zhì)狀態(tài)并且提供潛熱物質(zhì)，轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程會(huì)吸收或釋放大量潛熱，使電池降溫[7-8]。近年來(lái)，相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用引起了研究人員的高度關(guān)注，不少研究人員開(kāi)展了富有成效的研究。從相變材料的選取與制備，相變材料新型冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，相變材料冷卻與其它冷卻方式耦合形成的散熱系統(tǒng)這3 個(gè)方面，總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，并展望該領(lǐng)域的研究前景。

2 相變材料的選取與制備

2.1 相變材料的分類

相變材料根據(jù)材料組成可以分為無(wú)機(jī)相變材料，有機(jī)相變材料。其中無(wú)機(jī)相變材料主要有石墨、熔融鹽、結(jié)晶水等，優(yōu)點(diǎn)是相變焓高，熱導(dǎo)率高，但是過(guò)冷度也較高，而且熱穩(wěn)定性差。有機(jī)相變材料例如石蠟、醋酸等具有無(wú)腐蝕性、過(guò)冷度低、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，所以更傾向于使用有機(jī)相變材料。按照相變過(guò)程，相變材料可以分為固-氣相變、液-氣相變、固-固相變以及固-液相變材料[9-10]。固-氣相變、液-氣相變?cè)谙嘧冞^(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量氣體，并且相變物質(zhì)體積變化量較大，所以實(shí)際應(yīng)用較少；固-固相變材料因?yàn)榉N類較少，不易獲取，所以應(yīng)用也較少。而固-液相變材料由于相變潛熱大、相變前后體積變化量小、過(guò)冷度低、化學(xué)性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。

2.2 相變材料的制備

固液相變材料主要包括單一相變材料與復(fù)合相變材料，單一相變材料例如石蠟、葵酸。它們的制備工藝簡(jiǎn)單，但導(dǎo)熱率低，在相變后易流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致泄漏等安全問(wèn)題，所以很少單獨(dú)使用。石墨具有化學(xué)穩(wěn)定性好、密度小、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，所以常常通過(guò)添加石墨組成復(fù)合相變材料，從而解決單一相變材料導(dǎo)熱率低的問(wèn)題。制備復(fù)合相變材料的方法一般有熔融浸滲法、微膠囊法和多孔無(wú)極載體復(fù)合法。在制備石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的過(guò)程中常常采用熔融浸滲法，其制備工藝如圖1 所示，將固態(tài)石蠟放入燒杯中，然后放到80 ℃的恒溫水浴鍋加熱使其融化，然后加入經(jīng)過(guò)高溫膨脹過(guò)的膨脹石墨，先手動(dòng)攪拌5 min 后再用電動(dòng)攪拌器攪拌，直至材料混合均勻，最后放入模具脫模成型，形成復(fù)合相變材料模塊。

圖1 石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料制備工藝流程

2.3 復(fù)合相變材料的成分配比

制備復(fù)合相變材料的目的就是提高導(dǎo)熱率，組成復(fù)合相變材料的各成分質(zhì)量配比不同則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱率的不同。王孔波等將石蠟與石墨按照不同比例配備成復(fù)合相變材料，結(jié)果表明當(dāng)石墨的含量為25%時(shí)，制備的復(fù)合相變材料控溫能力較好，且比熱容相變焓較為合適[11]。

碳纖維，石墨烯的加入組成復(fù)合相變材料，也可以提高導(dǎo)熱性。Deqiu Zhou 選取了由石墨烯與多壁碳納米管組成的復(fù)合相變材料，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯與多壁碳納米管的比例為3/7 時(shí)，此時(shí)在復(fù)合相變材料內(nèi)部形成一個(gè)三維換熱路徑，導(dǎo)熱系數(shù)最好[12]。Xiaohang Luo 等將石蠟，膨脹石墨，環(huán)氧樹(shù)脂以5:2:3 的比例制成相變材料，并且與石墨薄膜組合形成新型的復(fù)合相變材料，該復(fù)合相變材料在高倍率充放電保持了較好的散熱效果。當(dāng)石蠟熔化為液體，由于環(huán)氧樹(shù)脂的存在，該結(jié)構(gòu)依然具有良好的溫控性[13]。

可見(jiàn)，在車(chē)用鋰離子電池?zé)峁芾磉@一領(lǐng)域，為保證相變材料具有更高的熱導(dǎo)率，相變材料的選取要盡可能選取復(fù)合相變材料，通過(guò)試驗(yàn)確定復(fù)合相變材料組成各成分的比例與各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小，不僅有利于獲得最佳散熱效果，還能夠充分提高相變材料利用率。

3 相變材料新型冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 翅片

金屬翅片具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電器冷卻與熱能儲(chǔ)存等領(lǐng)域，通過(guò)加入翅片設(shè)計(jì)出相變材料新型冷卻結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)整體的散熱效率。Zhiqiang Sun 等設(shè)計(jì)了一種圓柱環(huán)加縱向翅片的新型復(fù)合相變材料冷卻結(jié)構(gòu)，如圖2所示，試驗(yàn)中采用電加熱器模擬電池，電池的外表面與若干縱向翅片相連，圓柱形環(huán)接在縱向翅片上，圓柱形環(huán)與縱向翅片的厚度均為1 mm，高度和電池的高度相同，與縱向翅片外部相連的是圓柱形的尼龍外殼。相變材料置于尼龍外殼、縱向翅片和電池之間。翅片，圓柱環(huán)的數(shù)量為試驗(yàn)中變量。當(dāng)電池放電時(shí)，熱量通過(guò)縱向翅片傳遞到相變材料中，從而利用相變材料的潛熱抑制溫升。

圖2 圓柱環(huán)加縱向翅片的新型復(fù)合相變材料冷卻結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)結(jié)果表明裝有圓柱環(huán)加縱向翅片的結(jié)構(gòu)比純相變材料散熱效果好，且圓柱環(huán)越大，電池溫度越低。但是圓柱環(huán)過(guò)大，導(dǎo)致相變材料減少，導(dǎo)熱性隨之下降。而增加圓環(huán)的數(shù)量對(duì)電池?zé)峁芾頍o(wú)明顯改善作用。翅片越多，散熱效果越好，但是翅片過(guò)多，散熱效果不明顯[14]。隋楊等通過(guò)試驗(yàn)得到了翅片的加入可以增強(qiáng)電池的熱特性的結(jié)論，使得電池在低溫條件下工作時(shí)間更長(zhǎng)，并減小電池因高溫工況造成的容量衰減[15]。

翅片的數(shù)量，厚度，高度，形狀，排列方式等因素對(duì)相變材料散熱性的改善也引起了國(guó)外學(xué)者的廣泛討論。AI-Abidi 等研究了翅片的長(zhǎng)度，數(shù)量，厚度對(duì)相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的散熱效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)翅片的數(shù)量越多，長(zhǎng)度越大，散熱效果越好，而翅片的厚度的變化對(duì)系統(tǒng)性能影響不大[16]。Hosseinizadeh 也發(fā)現(xiàn)了翅片長(zhǎng)度對(duì)散熱的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于翅片厚度對(duì)散熱的影響[17]。Nayak 建立了桿翅式與板翅式的翅片排列模型，在不同功率下，桿翅式排列模型能夠使的系統(tǒng)溫度保持在較低水平，而且均溫性更好[18]。因此，在復(fù)合相變材料中加入金屬翅片是提高系統(tǒng)散熱效率的一種有效途徑，選取金屬翅片還需要考慮到成本，輕量化，環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題。

3.2 泡沫金屬的加入

泡沫金屬具有高孔隙率，高導(dǎo)熱率，低密度，空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，比表面積大，制造工藝成熟等特點(diǎn)，以泡沫銅，泡沫鋁為主的泡沫金屬材料的加入成為了提高相變材料散熱效率的一種重要方式。

W Q.Li 將泡沫銅填充到相變材料中形成復(fù)合材料，鋰離子電池與相變材料相間分布，并將加入泡沫銅形成的新型相變結(jié)構(gòu)，與純相變材料結(jié)構(gòu)對(duì)比具有良好的導(dǎo)熱性。在高倍率放電時(shí)，這種新型相變結(jié)構(gòu)對(duì)電池溫度的控制更好。泡沫銅的孔隙率與孔隙密度對(duì)泡沫金屬的散熱性影響較大，孔隙密度不變，孔隙率越低，導(dǎo)熱性越好。而孔隙密度增加會(huì)造成電池溫度上升[19]。電動(dòng)汽車(chē)的電池組對(duì)質(zhì)量要求較為嚴(yán)格，泡沫銅的加入可以提高散熱效率，但不利于電池組的輕量化。

鎳這種金屬材料具有良好的可塑性與耐腐蝕性，將鎳作為泡沫金屬可以保證足夠的孔隙率與孔隙密度。Hussain 等以鎳作為泡沫金屬填充到石蠟中形成復(fù)合相變材料，在2C 的放電倍率下，電池的最高溫度比在純石蠟散熱條件下降低24%。同樣，他發(fā)現(xiàn)了泡沫金屬的孔隙率，孔隙密度越低，越有利于散熱[20]。

以上2 種方法都是將泡沫金屬添加到相變材料中，Zhuqiang Zhang 等提出了將石蠟這種相變材料埋在泡沫金屬骨架來(lái)提高系統(tǒng)導(dǎo)熱率。他采用體心立方與面心立方的方法建立2 個(gè)三維泡沫骨架，如圖3 所示。同時(shí)將石蠟包放入泡沫骨架形成復(fù)合相變材料。將純相變材料散熱系統(tǒng)與這2 種結(jié)構(gòu)的熱管理性能比較，發(fā)現(xiàn)泡沫骨架的溫控性較好，而面心立方結(jié)構(gòu)相變材料熔化速度最快，熱導(dǎo)率最好，且其溫度分布均勻性較好[21]。實(shí)際上，不管是將泡沫金屬加入到相變材料中，還是將相變材料填充到泡沫金屬里，都是是通過(guò)增大換熱面積來(lái)提高相變材料的散熱性能。

圖3 相變材料加入泡沫金屬骨架的兩種冷卻結(jié)構(gòu)

4 相變材料冷卻與其它冷卻方式耦合形成的散熱系統(tǒng)

4.1 主要的耦合形式

4.1.1 相變材料與空氣耦合的散熱系統(tǒng)

空氣冷卻成本較低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但散熱效率低。很多學(xué)者希望設(shè)計(jì)一種綜合式散熱系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題。湖南大學(xué)鐘俊夫設(shè)計(jì)了相變材料與空氣耦合的散熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用相變材料與空氣同時(shí)為電池散熱，試驗(yàn)結(jié)果表明該耦合裝置的控溫性更好[22]。

風(fēng)冷是空氣冷卻的一種方式，是通過(guò)風(fēng)扇或者氣泵強(qiáng)制對(duì)流散熱，施尚等設(shè)計(jì)了相變材料與風(fēng)冷耦合的散熱系統(tǒng)，結(jié)合電池生熱與散熱機(jī)理，建立了該熱管理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種耦合方式的散熱效果要好于純風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，他還分析了環(huán)境溫度，對(duì)流熱阻等因素對(duì)散熱效果的影響[23]?？諝獾臒釋?dǎo)率較低，當(dāng)電池在環(huán)境溫度較高，大倍率放電的工況下，即使通過(guò)使用風(fēng)扇與氣泵強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，也難以達(dá)到理想的散熱效果，而且會(huì)造成風(fēng)扇與氣泵許多能量損失。

4.1.2 相變材料與液冷耦合的散熱系統(tǒng)

與空氣冷卻方式相比，液體冷卻具有更好的冷卻性能，因此，相變材料與液體耦合形成綜合式熱管理系統(tǒng)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。Hengyun Zhang 等設(shè)計(jì)相變材料與底部液冷耦合的熱管理系統(tǒng)，試驗(yàn)中將106 塊電池呈11×10 矩陣排列，四角用于填充相變材料，蓄電池中心鉆孔來(lái)放加熱器模擬發(fā)熱，通過(guò)熱模型將電池接到底部的液冷通道，通過(guò)熱電偶測(cè)量電池溫度，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。結(jié)果表明該系統(tǒng)與液冷系統(tǒng)相比，電池最高溫度，最大溫差都有所降低。此外，該系統(tǒng)可以有效抑制熱累積，循環(huán)多次電池最高溫度均在50 ℃以下[24]。

圖4 相變材料與底部液冷耦合的散熱系統(tǒng)

Fanfei Bai 等設(shè)計(jì)了相變材料與液冷耦合的分層式的散熱系統(tǒng)，如圖5 所示，由于鋰離子電池在靠近電極位置溫度較高，所以在2 塊電池之間的上部采用液體冷卻，并將相變材料放在兩塊電池之間的下部。仿真結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以有效保持電池溫度的均勻性，而且5 cm 高的液冷板具有最佳冷卻效果[25]。

圖5 相變材料與液冷耦合的分層式散熱

Depeng Kong 等討論了不同的冷卻液流速，通道數(shù)量，電池間距與環(huán)境溫度對(duì)相變材料與液冷耦合的散熱系統(tǒng)的影響，通過(guò)試驗(yàn)得出了電池間距，通道數(shù)量，冷卻液流速的增大有利于散熱效率提高的結(jié)論，并提出了一種控制冷卻液入口溫度與冷卻液流速的策略，這既能將有效抑制電池溫升，又能減小系統(tǒng)的能量損失[26]。Zhiguo An 針對(duì)圓柱電池設(shè)計(jì)的微小通道與相變材料耦合的冷卻系統(tǒng)研究了微小通道如何布置可以使得散熱性最好，試驗(yàn)中，每4 個(gè)圓柱電池中間都有一個(gè)孔，向其中的4 個(gè)孔輸入冷卻液形成微小通道，其余孔用于固定減重，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)4 個(gè)微小通道的孔呈最大的方形陣列排布時(shí)，散熱性能最佳[27]?？梢?jiàn)，相變材料與液冷耦合的散熱系統(tǒng)能夠有效抑制溫升，而散熱性能的好壞主要取決于冷卻通道數(shù)量，冷卻液流速，電池的排布，環(huán)境溫度等因素。

4.1.3 相變材料與熱管耦合的散熱系統(tǒng)

熱管是一種具有高度導(dǎo)熱性能的傳熱元件，一般是由管殼，吸液芯，端蓋組成，通常分為蒸發(fā)端，冷凝端。管中被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入一種沸點(diǎn)低，易于蒸發(fā)的工質(zhì)，利用工質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝傳熱。它的特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)高，環(huán)境適應(yīng)性好[28-29]。ZY Jiang 等設(shè)計(jì)了一種相變材料與熱管耦合的熱管理系統(tǒng)。目的是研究該系統(tǒng)的溫度響應(yīng)特性以及相變材料最佳利用效果。該系統(tǒng)的電池，相變材料，銅板被設(shè)計(jì)成一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)，熱管被焊接到銅管上。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好溫控性，在環(huán)境溫度為30 ℃，相變材料熔點(diǎn)為30 ℃，相變材料吸熱最好。當(dāng)熱管冷凝段傳熱系數(shù)為30～60 W/m2·K，電池與相變材料厚度比為0.17，相變材料利用效果最佳[30]。

羅煒寧也設(shè)計(jì)了相變材料與熱管耦合的熱管理系統(tǒng)，他發(fā)現(xiàn)了相變材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加有利于對(duì)溫升的抑制[31]。因?yàn)樵谠囼?yàn)中相變材料一部分會(huì)用于吸收電池?zé)崃?，一部分吸收環(huán)境熱量，這樣會(huì)造成相變潛熱的浪費(fèi)，所以要盡量選取相變材料的熔點(diǎn)高于環(huán)境溫度，低于電池使用安全可容忍溫度。

對(duì)于電池?zé)崃咳菀锥逊e而其他散熱方式難以實(shí)現(xiàn)的位置，熱管的導(dǎo)入將會(huì)帶來(lái)很多方便，并且熱管具有足夠高的導(dǎo)熱率，但熱管的使用也增加了成本。

4.2 相變材料冷卻與其他冷卻方式耦合需要注意的問(wèn)題

通過(guò)已有的研究可以發(fā)現(xiàn)，相變材料與液冷的耦合應(yīng)用最廣，并且展現(xiàn)了良好的散熱性能，但也引出了一系列問(wèn)題，例如有時(shí)候電池所需的冷卻量較小，如果冷卻系統(tǒng)輸出的冷卻量過(guò)大不但會(huì)導(dǎo)致電池放電倍率下降，還會(huì)造成的冷卻工質(zhì)的浪費(fèi)。對(duì)于這一問(wèn)題，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制冷卻液介入時(shí)機(jī)來(lái)控制冷卻量的大小，這樣在關(guān)注散熱效率的同時(shí)也兼顧到散熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。此外，電池在充放電的過(guò)程中，各個(gè)部分發(fā)熱量不同，溫度也不同，在使用相變材料與其他方式耦合的散熱系統(tǒng)時(shí)，可以將制冷量大的系統(tǒng)用于電池發(fā)熱量大的部分，達(dá)到均溫的目的。相變材料與液冷的耦合中需要用到液冷板，而液冷板的選取也要考慮材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與成本。

5 總結(jié)與展望

相變材料的冷卻在車(chē)用鋰離子電池中具有廣泛應(yīng)用，通過(guò)相變冷卻與其他冷卻方式相耦合，可以提高散熱效率，這已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)方向，尤其是在相變冷卻系統(tǒng)與液冷系統(tǒng)的耦合方面，取得了許多具有應(yīng)用潛力的科研成果。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)仍然存在一些尚待解決的問(wèn)題，例如相變材料液化泄漏對(duì)電池會(huì)造成污染、相變材料的潛熱性在相變過(guò)程中不穩(wěn)定等。為了普及相變冷卻技術(shù)在動(dòng)力電池?zé)峁芾矸矫娴膽?yīng)用，在如下方面有待開(kāi)展更加深入的研究。

a.由于石蠟等相變材料液化后進(jìn)入單體電池，會(huì)造成單體電池不能順利充放電，甚至?xí)斐蔁崾Э氐劝踩詥?wèn)題，如何避免相變材料的泄漏將成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

b.尋求合適的復(fù)合相變材料各種成分的配比方案，在保證其發(fā)揮最大散熱效果的同時(shí)，盡可能地節(jié)約材料，降低使用成本。

c.熱管自身導(dǎo)熱性好，與相變材料耦合可以大幅提高散熱量，因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注熱管在車(chē)用動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)相變冷卻技術(shù)方面的應(yīng)用研究。

d.優(yōu)化相變材料電池的熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，努力實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的輕量化。