基于過冷相變材料熱開關(guān)的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)

王澤旭，李冰辰，許瑤，劉倩，李凱璇，巨星

（電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 昌平區(qū) 102206）

0 引言

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無污染等優(yōu)點[1-3]，是目前最有前途和競爭力的二次電池[4-7]。然而鋰離子電池的運行溫度直接影響其安全性和壽命，運行溫度控制不合理將造成電池組一致性下降。當溫度過高時，極易引發(fā)熱失控現(xiàn)象的發(fā)生，引起冒煙、起火甚至爆炸等，是儲能和動力電池使用時的主要安全隱患之一[7-9]。

鋰離子電池作為電動汽車的核心構(gòu)件之一，其發(fā)電能力、壽命以及抗破壞和惡劣環(huán)境的能力均直接影響到汽車的使用壽命和續(xù)航能力。鋰離子電池的性能對溫度非常敏感，其最佳工作溫度應(yīng)在20～40 ℃[10-15]。然而在我國東北地區(qū)，冬天溫度甚至可達零下40 ℃，而在中南地區(qū)，如重慶夏天地表溫度可達60 ℃，這2個環(huán)境溫度都遠遠超出鋰離子電池的正常工作范圍。因此必須要對汽車動力電池進行充分的熱管理，旨在使動力電池組溫度分布趨于均勻，且工作溫度穩(wěn)定在合理區(qū)間。熱管理問題既包括低溫工作環(huán)境下的保溫，也包括高溫環(huán)境下的冷卻等。

電動汽車熱管理技術(shù)發(fā)展至今已較為成熟，有風冷式、液冷式、相變材料(phase change material，PCM)冷卻方式和熱管冷卻方式等類型[16-17]。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低，風冷式冷卻效果往往較差[18-20]，電池間存在較大溫度梯度，導(dǎo)致能耗增加。液冷方式下的冷卻效果較好[21]，但冷卻功耗往往高于風冷系統(tǒng)，液體的密封、換熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜性帶來的成本和質(zhì)量增加也是值得關(guān)注的問題[22-24]。PCM 電池熱管理目前尚未成熟，但越來越受到國內(nèi)外學者關(guān)注。目前多采用石蠟等相變材料，在電池溫度升高時，利用相變潛熱吸收電池多余熱量，以調(diào)控電池溫度并蓄存熱量，在電池溫度降低時放出，以緩和溫度過低問題，使電池工作溫度維持在合理區(qū)間[25]。楊成亮等[26]采用相變材料及其與微通道鋁扁管復(fù)合的冷卻方式對方形鋰離子電池進行研究，實驗結(jié)果表明，相變材料具有較好的控溫效果，復(fù)合冷卻方式冷卻效果良好。Wei 等[27]提出了一種基于液冷的柔性圓柱形鋰離子電池模塊熱管理系統(tǒng)，基于流動沸騰相變的鋁制柔性微通道冷卻系統(tǒng)，可以有效地將熱量從電池傳遞到制冷劑中，具有良好的冷卻效果。Lei 等[28]對無冷卻、相變冷卻、熱管與風冷結(jié)合、相變材料與熱管液冷結(jié)合4 種方式的熱管理系統(tǒng)進行比較，結(jié)果表明相變材料與熱管液冷結(jié)合的方式下冷卻效果最好。除此之外，廣義上的相變材料還可以實現(xiàn)很多特殊的控制功能，如Hao等[29]開發(fā)了記憶合金彈簧熱開關(guān)用于電池熱管理，當溫度過高時，金屬固固相變后彈簧收縮，緊貼空冷或液冷壁面對電池進行降溫。在不消耗外界額外能量的條件下，基于相變材料的電池熱管理系統(tǒng)可能是電池冷卻的合適解決方案[30]。

本文提出一種將熱開關(guān)與具有過冷性質(zhì)的相變材料耦合的新型熱管理系統(tǒng)。一方面，利用相變過程中相變材料體積顯著變化這一特性，使熱開關(guān)閉合/斷開，從而遲滯電池溫度上升/下降的速率；另一方面，利用相變材料的過冷特性，進一步延緩電池在低溫環(huán)境下溫度下降的速率，使電池溫度在更長時間控制在最佳區(qū)間。

1 過冷相變熱開關(guān)溫控系統(tǒng)理念與結(jié)構(gòu)設(shè)計

相變材料是指在轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程中，吸收或釋放大量相變潛熱的物質(zhì)[31]。相比于傳統(tǒng)的顯熱儲能與化學反應(yīng)儲能，采用相變材料的潛熱儲能具有儲熱密度大、工作溫度區(qū)間易于控制、安全性較高的優(yōu)點，被認為是儲存熱能最有效的形式[32]。相變材料的過冷是指在一定的壓力條件下，當液相的溫度低于理論結(jié)晶點溫度時不凝固或結(jié)晶，需要冷卻到結(jié)晶點以下才開始結(jié)晶的現(xiàn)象。過冷度是指材料在低于其熔點時保持液態(tài)的溫度范圍，被定義為熔化的起始溫度和開始結(jié)晶溫度之間的差值[33]。圖1 顯示了過冷相變材料六水合氯化鈣融化與凝固過程中的溫度變化曲線[34]，可以明顯地看出該相變材料具有較大的過冷度。本設(shè)計采用過冷相變材料可以實現(xiàn)在電池溫度升高時存儲熱量，在電池溫度較低時放出熱量，從而讓電池的溫度控制在合理的工作區(qū)間。

圖1 六水合氯化鈣熔化和凝固曲線Fig.1 Melting and solidification curves of calcium chloride hexahydrate

熱開關(guān)是利用與溫度有關(guān)的機械接觸來實現(xiàn)對溫度調(diào)控的一種裝置，通過利用氣體或液體的熱膨脹來控制截面面積、流體流動阻力，或采用機械接觸的方式被動地將溫度保持在最佳設(shè)定值，可以實現(xiàn)不同有效導(dǎo)熱率的切換。熱開關(guān)?；诓牧系臒崦浝淇s特性、記憶合金的熱應(yīng)變、磁性納米流體的磁響應(yīng)等原理開發(fā)，以根據(jù)不同溫度條件實現(xiàn)裝置散熱或保溫的功能。當溫度高于某一溫度時，機械開關(guān)閉合，熱開關(guān)啟用，熱量在熱端與冷端之間高效傳遞，有效導(dǎo)熱率高，熱開關(guān)作為散熱裝置運行；當溫度低于某一溫度時，機械開關(guān)斷開，熱開關(guān)關(guān)閉，有效導(dǎo)熱率低，熱開關(guān)作為絕熱裝置運行。熱開關(guān)的節(jié)能效果突出，其具體形式和尺寸很多[35-36]，目前廣泛應(yīng)用于建筑、航空等熱管理領(lǐng)域[37]。圖2 顯示了本文所采用的熱開關(guān)原理，相變材料在相變的過程中密度發(fā)生較大的變化，因此具有顯著的體積變化，可以用自身的受熱膨脹性質(zhì)來調(diào)控機械開關(guān)，進而實現(xiàn)熱開關(guān)的作用。

圖2 熱開關(guān)示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal switch

本文設(shè)計的熱管理系統(tǒng)將過冷相變材料與熱開關(guān)進行耦合。當電池溫度高于相變材料熔點時，相變材料熔化吸熱，將電池散發(fā)的熱量儲存到相變材料中。同時，相變材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積膨脹，熱開關(guān)啟用，移動銅板向冷板貼合，借助冷板來進行輔助換熱。當電池恢復(fù)到正常溫度時，由于過冷相變材料具有較大的過冷度，并不會將儲存的熱量放出。當電池溫度繼續(xù)降低時，相變材料達到凝固點，進行凝固放熱，體積縮小，熱開關(guān)關(guān)閉，移動銅板與冷板脫離，使相變材料儲存的熱量最大程度地傳導(dǎo)給鋰離子電池，提高電池溫度，使電池在低溫環(huán)境仍然能夠正常工作。

熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示，整個幾何高度為H，電池組由4 個單體18650 鋰離子電池構(gòu)成(頂部與底部封蓋未在圖中展現(xiàn))。18650 鋰離子電池的額定容量為1 500 mA·h，標稱電壓為3.7 V，最大(最小)電壓為4.2(3.0)V[37]。拱形銅制外殼通過焊接的方式與冷板相連，為整個熱管理系統(tǒng)提供機械結(jié)構(gòu)支撐，同時增強相變材料之間的熱量傳遞，進而增強溫度分布的均勻性。半圓弧段處與電池之間的相變材料受熱較為均勻，從而起到更好的膨脹效果，而平直段處能夠起到限制移動銅板運動方向的作用，從而讓移動銅板有確定的運動軌跡。移動銅板與外殼接觸區(qū)域采用合理的密封圈密封方式，保證移動銅板與外殼緊密貼合，確保相變材料處于液態(tài)時不會產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，也確保外界空氣不會漏入相變儲能材料區(qū)域。外殼與電池之間填充過冷相變材料，相變材料與鋰離子電池、拱形外殼和移動銅板三者相接觸，起到傳熱和儲熱的作用。移動銅板通過彈簧與冷板相聯(lián)結(jié)，銅板和冷板之間為空氣層，通過調(diào)節(jié)空氣層的厚度進而實現(xiàn)調(diào)節(jié)等效導(dǎo)熱系數(shù)的目的?？諝鈱拥暮穸扔上率酱_定：

圖3 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3 Structure design of thermal management system

式中：ρs，ρl分別為相變材料固相和液相的密度；l為移動銅板的長度。

模型幾何參數(shù)如表1 所示，熱管理系統(tǒng)各類材料物性參數(shù)[38-40]如表2所示。

表1 模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of model

表2 各部分材料的物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of each part of the material

由于模型具有對稱性和周期性，只取一個單體電池來進行分析，簡化后的模型如圖4所示。假定鋰離子電池為剛體，因此忽略相變材料融化膨脹導(dǎo)致的鋰離子電池發(fā)生的體積變化。由于相變材料完全融化后移動銅板與冷板間的間隙極小(約為0.05 mm)，對整個熱量傳遞的影響可以忽略不計，因此忽略接觸熱阻對散熱過程的影響。彈簧的體積較小，所以實驗中忽略彈簧對導(dǎo)熱的影響。

圖4 電池單體Fig.4 Battery cell

2 溫控模擬物理模型與數(shù)值模型

2.1 鋰離子電池的生熱速率模型

假設(shè)18650 鋰離子電池的材料具有各向同性和均勻性，認為電池的密度和比熱容等物性參數(shù)不隨溫度改變，并且電池具有正交各向異性熱導(dǎo)率[38]。由于電池內(nèi)部的熱輻射和對流換熱對傳熱的影響較小，可以忽略，因此電池內(nèi)部的熱傳遞方式主要為熱傳導(dǎo)。在柱坐標系下的電池熱傳遞的能量守恒方程為

式中：T為電池溫度；ρ為電池平均密度；cP為電池平均比熱；λr，λφ，λz分別為電池在柱坐標下r，φ，z三個方向的熱導(dǎo)率；q˙為單位體積電池生熱速率。

Bernardi 等[41]在1985 年提出了一個電池生熱速率模型，是目前應(yīng)用最為廣泛的計算模型，本文采用該電池生熱速率模型來模擬電池的生熱過程：

式中：I為電池充放電電流，放電時I＞0，充電時與之相反；V為電池體積；E為電池開路電壓；U為電池端電壓；T為電池溫度；I2Rj為電池焦耳熱；I2RP為電池極化熱；表示可逆反應(yīng)熱，對電池生熱的影響較小，工程計算中一般為經(jīng)驗常數(shù)11.16 mV[42]。

為了較好地擬合電池中內(nèi)阻的變化，忽略溫度對內(nèi)阻的影響，認為電池內(nèi)阻只與SOC有關(guān)。電池內(nèi)阻和SOC的擬合關(guān)系式[43]如下：

電池SOC是在放電一段時間后電池剩余容量與電池額定容量的比值，SOC=0 時表示完全放電，SOC=100%時表示完全充滿。則電池的放電容量為1-SOC。恒流充放電時SOC與電流和時間成線性關(guān)系，可由下式[44]計算得出：

式中：SOCnew為下一時刻的電池的SOC值；SOCold為起始時刻SOC值，本文中該值取100%，即認為電池從滿電狀態(tài)開始放電；t為電池充放電時間；CR為電池額定容量。

2.2 相變材料的相變與過冷特性

對于PCM，采用焓法求解傳熱和相變過程。假設(shè)PCM 熔化的過程中熱量傳遞的方式為熱傳導(dǎo)，即忽略對流換熱。假設(shè)液態(tài)PCM的流動方式為層流，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，比熱以及密度隨液相率的變化而變化。

則連續(xù)性方程表示為

能量方程表示為

式中：為流速；S為熵變；H為焓變，可由式(8)計算。

式中：href為在參考溫度Tref時的參考焓；CP為定壓比熱容；ΔH為潛熱，介于0～L之間。

式中：L是比相變焓；β為液相率；Ts，Tl分別為相變材料開始融化和完全融化時的溫度。

假設(shè)相變材料的熱物性隨液相率線性變換，則相變材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度的變化分別可表示為：

式中：λs，CPs分別為相變材料固態(tài)時的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱；λl，CPl分別為相變材料液態(tài)時的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱。

采用等效熱源的方法來模擬相變材料過冷的過程，將相變材料所儲存的潛熱等效為熱源，當相變材料溫度達到凝固點時熱源開始發(fā)揮作用，釋放熱量使相變材料溫度在短時間內(nèi)快速上升。

2.3 熱開關(guān)物理模型

假設(shè)銅板側(cè)壁與外殼貼合良好且受力均勻，銅板只能定向移動；當相變材料完全熔化時銅板完全與冷板貼合，且銅板的位移隨液相率線性變換，則銅板的位移X可用下式給出：

2.4 邊界條件

由于電池產(chǎn)生的熱量大部分被相變材料儲存以及通過冷板中流體的流動耗散，只有極少部分散失到環(huán)境中，因此可以忽略整個單體模型與環(huán)境之間的對流換熱。通過改變單體模型與冷板貼合面的對流換熱系數(shù)來等效不同介質(zhì)的流體在冷板中的流動情況。由于空氣層較薄，因此認為熱量在移動銅板和空氣層以及冷板之間主要以熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量，忽略空氣層內(nèi)的對流換熱。

相變冷卻鋰電池模塊邊界條件：

相變材料與冷板之間的換熱可用下式表示：

式中：T0為初始溫度；Tc為電池溫度；TPCM為相變材料溫度；Tcopper為移動銅板溫度；Tair為空氣層溫度；Tplate為冷板溫度；n為法線方向；λc，λPCM，λcopper，λair分別為電池、相變材料、移動銅板、空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.5 網(wǎng)格無關(guān)性和時間步長無關(guān)性

為了獲得足夠的精度并降低計算要求，利用基礎(chǔ)工況，通過不同數(shù)量的網(wǎng)格(1,2,3)和不同的時間步長來進行網(wǎng)格無關(guān)性和時間步長無關(guān)性測試。通過比較單體電池的溫度差異來確定最佳網(wǎng)格數(shù)和時間步長。如圖5所示，三維單元幾何在網(wǎng)格2中包含9 940個節(jié)點。當網(wǎng)格3中單元電池的節(jié)點數(shù)增加到19 782時，單體電池的溫度增加0.417 6%。然而，當網(wǎng)格1 中的單元的節(jié)點數(shù)減少到4 650 時，相對變化為0.212 6%。因此，所有模擬都選擇網(wǎng)格2，以保持精度和計算需求之間的平衡。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性Fig.5 Grid independence

選用最佳網(wǎng)格數(shù)的模型來確定最佳的時間步長。如圖6所示，選取時間步長分別為1 s、2 s、4 s來確定最佳時間步長。通過比較可以看出，當時間步長由2 s縮短為1 s后，單體電池的溫度減小了0.086 573%。當時間步長由2 s增加為4 s后，單體電池溫度沒有變化。結(jié)果表明，當時間步長為2 s時，結(jié)果穩(wěn)定在0.1%，因此2 s為最佳時間步長。

圖6 時間步長無關(guān)性Fig.6 Time step independence

3 結(jié)果與討論

3.1 過冷相變熱開關(guān)對溫控過程的影響

3.1.1 電池放電(升溫)過程

圖7 顯示了在電池放電倍率為5C 的條件下，采用過冷相變熱開關(guān)溫控方式與只采用相變控溫方式對放電過程中電池溫度的影響。圖8為電池溫度的變化及相變材料液相率的變化，可以直觀地看出，電池溫度以及相變材料液相率隨放電量的變化情況：采用過冷相變熱開關(guān)控溫時，熱開關(guān)與冷板的相互作用有效地延長了相變材料溫度達到熔點的時間，進而減緩電池溫度升高的速率。相變材料在融化的同時體積膨脹，推動銅板向冷板貼合，冷板與活塞間的空氣層減小，相變材料與冷板間的等效導(dǎo)熱系數(shù)減小。因此電池產(chǎn)生的熱量一部分儲存在相變材料中，另一部分熱量通過活塞的移動，不斷與冷板增強對流換熱而耗散到環(huán)境中，對電池的溫度有較好的控制效果。

圖7 高放電倍率下不同熱管理系統(tǒng)對電池溫度的影響Fig.7 Influence of different thermal management systems on battery temperature at high discharge rate

圖8 電池溫度的變化及相變材料液相率的變化Fig.8 Change of battery temperature and liquid phase rate of PCM thermal switch temperature control

3.1.2 電池靜置(降溫)過程

假設(shè)電池初溫為30 ℃時進入外界溫度為-20 ℃的環(huán)境中，并且冷板處于關(guān)閉狀態(tài)，相變材料與外界為自然對流換熱。假定一種材料，該材料與六水合氯化鈣具有相同的熱物理性質(zhì)，但是不具有過冷的特性，以此來驗證材料的過冷特性對溫度變化的影響。圖9 顯示了六水合氯化鈣過冷現(xiàn)象對電池在低溫環(huán)境中延長保溫時間的作用。定義電池溫度從初始溫度到溫度控制區(qū)間下限溫度所經(jīng)歷的時間為管理時間，并且將10 ℃作為電池正常工作溫度區(qū)間的下限溫度。從圖9可以看出，具有過冷性質(zhì)的相變材料溫控方式有效地延緩了電池的降溫速率，電池溫度達到工作溫度區(qū)間下限10 ℃的時間為8 660 s。該材料與不具有過冷性質(zhì)的相變材料相比，管理時間延長了660 s。

圖9中水平的虛線表示2種熱管理方式的平均換熱溫度。一方面，具有過冷特性的相變材料的平均換熱溫度明顯低于不具有過冷特性的相變材料的平均換熱溫度。從整個過程來看，具有過冷特性的相變材料與外界環(huán)境的溫差更小，因此熱流量小，熱量損失的速率較慢。另一方面，材料液態(tài)和固態(tài)的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)具有較大差異。具有過冷特性的相變材料在凝固點之前都處于液態(tài)，由于液態(tài)時六水合氯化鈣導(dǎo)熱系數(shù)較小，可以起到較好的保溫作用，有效地減小了熱量的散失，并且液態(tài)時材料的比熱容較大，降低相同溫度能夠釋放更多的熱量，進一步延長了熱管理時間。因此，雖然2 種材料的潛熱相同，但管理時間存在差異。

圖9 電池處于低溫環(huán)境時溫度的變化Fig.9 Temperature variation of the battery in a low temperature environment

3.2 電池放電過程與相變過程的關(guān)聯(lián)

圖10、11分別表示相變溫控和過冷相變熱開關(guān)溫控2種溫控方式的液相率，以及2種方式對相變材料內(nèi)部溫度分布均勻性的影響。相變溫控在放電初始階段采用顯式儲熱的方式吸收電池的熱量，因此相變材料內(nèi)部溫差逐漸增大，并在一段時間達到熱平衡狀態(tài)，溫差趨于定值。當放電量達17.2%時，相變材料開始發(fā)生相變，電池附近的相變材料溫度保持不變，而距離電池較遠的相變材料相變過程尚未開始，溫度繼續(xù)升高，因此相變的初始階段相變材料的內(nèi)部溫差會有所減小。隨著放電量的增加，相變材料逐漸融化，內(nèi)部溫差逐漸增大。由于液態(tài)的相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，靠近電池的部分與遠離電池的部分會有更大的溫差，加劇了溫度分布的不均勻性。當放電結(jié)束后，相變材料內(nèi)部溫差為2.74 ℃。

圖10 相變材料的液相率Fig.10 Liquid phase ratio of PCM

采用過冷相變熱開關(guān)溫控時，對相變材料溫度分布均勻性有較大改善。由于遠離電池側(cè)的相變材料會受到水流散熱作用的影響，溫度上升較慢，因此在初始階段，與相變溫控的方式相比，溫差會增大，溫度均勻性會有所下降。當相變材料發(fā)生相變后，溫差會先下降后上升，但下降和上升的幅度均有所減小。當電池放電結(jié)束后，采用過冷相變熱開關(guān)溫控的相變材料內(nèi)部的最大溫差為1.67 ℃。對比2 種情況，說明過冷相變熱開關(guān)溫控優(yōu)化了相變材料溫度分布的均勻性。

圖11 相變材料的溫差Fig.11 Temperature difference of PCM

3.3 相變材料的儲熱性能

圖12顯示了不同熱管理方式對相變材料儲熱量的影響。在初始階段，相變材料通過顯式儲熱的方式來吸收電池產(chǎn)生的熱量，熱開關(guān)尚未啟用，因此2 種溫控方式對儲熱量的影響較小。當電池溫度達到相變材料的熔點后，相變材料融化吸熱，其主要的吸熱方式由顯式儲熱變?yōu)槔孟嘧儩摕醽韮Υ鏌崃俊τ谙嘧儨乜氐那闆r，電池釋放的熱量大部分被相變材料吸收。當熱管理系統(tǒng)采用過冷相變熱開關(guān)溫控時，由于水的比熱容較大，而且對流換熱系數(shù)較大，因此電池很大一部分的熱量通過與水的換熱而散失。二者相比，相變溫控的儲熱量要遠遠高于過冷相變熱開關(guān)溫控的儲熱量，其差值為76 816 J。

圖12 相變材料的儲熱量Fig.12 Heat storage of PCM

相變材料的儲熱量與電池產(chǎn)生的熱量的比值定義為吸收比，能更直觀地比較不同熱管理方式的儲熱能力。圖13顯示了不同冷卻方式對吸收比的影響。在相變材料未融化之前，吸收比逐漸增大并趨于一個定值，此時整個系統(tǒng)逐漸趨于熱平衡狀態(tài)。當相變材料開始融化后，儲熱方式由顯式儲熱轉(zhuǎn)為相變儲熱。當電池的放電容量達到80%時，相變材料的大部分相變潛熱都被利用，吸收比達到最大值。隨后，部分儲存的熱量耗散到環(huán)境中，吸收比有所降低，最終熱管理系統(tǒng)又達到了新的熱平衡狀態(tài)。采用過冷相變熱開關(guān)溫控的方式時，由于水冷的對流換熱效果較強，電池初始放電的階段吸收比先上升后下降，部分相變材料的顯熱散失到水中，因此沒有明顯的熱平衡狀態(tài)。當放電容量達到24%時，相變材料融化，吸收比增加。電池放電結(jié)束后，由于水流的冷卻作用使得一部分的熱量散失到環(huán)境中，因此相變材料只有一部分利用潛熱儲存了熱量，與相變溫控相比，吸收比較低，其差值為0.41。

圖13 相變材料的吸收比Fig.13 Absorption ratio of PCM

從熱管理的角度來看，采用過冷相變熱開關(guān)溫控能帶走更多電池產(chǎn)生的熱量，進而減緩整個系統(tǒng)的溫度增長，起到了更好的控溫作用。但從節(jié)能減排的角度來看，電池產(chǎn)生的熱量大部分通過對流換熱的方式耗散到與之作用的水中，與相變溫控相比儲存的熱量有較大幅度的減少，熱量可再次利用的效率降低。

3.4 放電倍率對熱管理系統(tǒng)的影響

圖14(a)和(b)顯示了在不同的放電倍率下無溫控的單電池和具有熱管理系統(tǒng)的單電池在放電過程中的溫度變化。由圖14(a)可知，無溫控的單電池在1C 和3C 的放電倍率下完全放電后的溫度均小于50 ℃，而當電池以5C 的倍率放電時最終溫度為68.37 ℃，遠遠高于電池工作區(qū)間的溫度上限50 ℃。因此，電池在較高的放電倍率工作時，需采用必要的熱管理設(shè)施以減緩電池溫度升高的速率。由圖14(b)可知，熱管理系統(tǒng)有效地減緩了電池的溫升速率。采用相變溫控的熱管理方式后，電池在1C、3C、5C的放電條件下的最終溫度分別為28.8 ℃、29.6 ℃、32.3 ℃。采用過冷相變熱開關(guān)溫控的熱管理方式后，最終溫度分別為25.5 ℃、28.3 ℃、30.7 ℃。與相變溫控相比，采用過冷相變熱開關(guān)溫控的方式在1C、3C、5C的放電條件下，電池的最終溫度分別下降了3.3 ℃、1.3 ℃、1.6 ℃。因此，新型熱管理系統(tǒng)對電池溫度的控制有更好的效果。

圖14 單電池溫度變化情況Fig.14 Temperature of battery cell

3.5 環(huán)境初溫對熱管理系統(tǒng)的影響

圖15、16表示在5C放電倍率的條件下不同環(huán)境初溫對電池溫度變化情況的影響(冷板中水流溫度與環(huán)境溫度相同)。當環(huán)境初溫為35 ℃和45 ℃，且高于相變材料的熔點時，相變材料完全融化，處于液態(tài)。此時熱開關(guān)完全啟用，活塞與冷板間的空氣層變得極薄，可以近似地認為活塞與冷板完全貼合。當電池完全放電后，電池溫度分別升高了8.74 ℃和8.6 ℃。當電池初溫為25 ℃時，隨著放電容量的增大，電池溫度逐漸升高；電池溫度達到29 ℃后，相變材料開始融化，利用潛熱來吸收電池放出的熱量，同時熱開關(guān)開始啟用，增強對流換熱能力。完全放電后，電池溫度升高了5.69 ℃。當電池在較低的初溫條件下，由于相變材料的溫度沒有達到熔點，始終處于固態(tài)，熱開關(guān)處于斷開的狀態(tài)，因此只能采用顯式儲熱的方式來吸收熱量，無法與冷板進行高效的換熱，與其他環(huán)境初溫相比，電池在放電結(jié)束后溫升較高，為9.39 ℃。

圖15 不同初溫電池的溫度變化Fig.15 Temperature changes of the battery with different initial temperatures

從圖16 可以看出，由于相變材料所處的狀態(tài)受到環(huán)境溫度的影響，因此不同初溫下控溫效果不同。在較高和較低的環(huán)境初溫情況下，雖然相變材料都沒有發(fā)生相變，但在放電結(jié)束后電池的溫度略有差異。一方面，相變材料完全融化時熱開關(guān)完全啟用，增強了與冷板的換熱效果，使熱量快速耗散。另一方面，六水合氯化鈣液態(tài)時的比熱容要大于固態(tài)時的比熱容，升高相同的溫度時能儲存更多的熱量，顯式儲熱的能力更強，因此相較于低溫情況，高溫時熱管理系統(tǒng)的管理效果較好。而在正常初溫情況下，熱管理系統(tǒng)可以通過相變儲熱以及熱開關(guān)與冷板的對流換熱來將電池產(chǎn)生的熱量儲存和耗散，因此具有更好的溫度控制效果，能夠?qū)㈦姵氐臏囟仍谳^長時間內(nèi)控制在最佳溫度工作區(qū)間。

圖16 不同初溫時電池的溫升Fig.16 Temperature rise of the battery at different initial temperatures

4 結(jié)論

1）電池在較大的放電倍率下溫升速率較快，因此必須采用必要的溫控措施來保證電池的溫度處于正常的工作溫度區(qū)間，相變材料在溫升控制上具有更好的效果，使電池較長時間保持在30 ℃附近，從而讓電池具有最佳的放電性能。

2）雖然冷板中水流的持續(xù)流動可以帶走一部分電池的熱量，并且使相變材料內(nèi)部溫度分布較為均勻，但相變材料的儲熱量會有所降低。冷板內(nèi)液體流動應(yīng)進一步進行調(diào)控，當活塞與冷板完全貼合后再開啟冷板，這樣既增加了相變材料的儲熱量，又減少了泵功。

3）當外界環(huán)境溫度較低時，相變起到溫度緩沖的作用。相變材料的過冷特性使電池溫度下降至工作溫度區(qū)間下限的時間延長約660 s。相比于無過冷的相變溫控，過冷相變溫控具有更好的熱管理效果，使電池較長時間地處于正常溫度區(qū)間。