基于相變散熱的動力電池熱管理系統(tǒng)設計探究

摘要：當前以動力電池作為新能源汽車運行的動力源，在高溫運行中存在熱安全問題，傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)也存在導熱性能不足及因環(huán)境變化性能不穩(wěn)定等問題。對此，探討基于新型復合板的動力電池熱管理系統(tǒng)，因為復合板因其特殊的結構具有高效傳導熱量和在不同環(huán)境下能保持穩(wěn)定的性能，故該熱管理系統(tǒng)能夠直接控制電池組最高溫度以及整個溫度的均勻調控，彌補現有熱管理系統(tǒng)存在的欠缺和不足，極大地提高熱管理系統(tǒng)的效率?；诖?，從動力電池熱管理系統(tǒng)概況出發(fā)，深入探討了基于復合板的動力電池熱管理系統(tǒng)設計思路，并針對該系統(tǒng)進行了實驗和模擬分析，為進一步研究出新型高效動力電池熱管理系統(tǒng)做參考。

關鍵詞：相變散熱；動力電池；復合板；熱管理系統(tǒng)；設計

中圖分類號：U462收稿日期：2024-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.025

1前言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，動力電池的性能和安全性成為研究熱點。從運行狀態(tài)看，動力電池由于產生大量熱量造成溫度過高等情況，會直接影響其性能、壽命、安全性，一旦熱管理不當，就會誘發(fā)電池容量衰減、性能降低以及熱失控等一系列風險隱患。

擁有減小溫度波動、提高散熱效率等多種功能的相變散熱技術，在電子設備散熱、芯片散熱以及空調制冷等多個領域得到了有效應用，由此，將該技術應用到動力電池熱管理系統(tǒng)設計中，可以高效發(fā)揮熱傳遞特性，并在相變過程中吸收、釋放大量熱量，使得溫度得到良好控制。除此之外，良好的熱管理系統(tǒng)還可以進一步增加電動汽車續(xù)航里程，增強電車整體性能，從而保證電池工作整體穩(wěn)定性、可靠性。

2動力電池熱管理系統(tǒng)概述

2.1動力電池熱管理系統(tǒng)基本情況

動力電池熱管理系統(tǒng)是一個復雜的重要系統(tǒng)，具有強制冷卻、電池加熱等功能，保證電池溫度穩(wěn)定性，同時也能夠使單體電池電壓具有一致性，從而全方位提升電池的整體性能，例如續(xù)航能力、使用壽命等。

目前，電池熱管理系統(tǒng)的分類通常依照傳熱介質來劃分[1]，常見的有四種：a.空冷系統(tǒng)是利用空氣傳熱；b.液冷系統(tǒng)依靠液體散熱；c.相變材料（PCM）冷卻系統(tǒng)憑借材料相變時吸熱或放熱；d.熱管冷卻系統(tǒng)則通過熱管實現高效熱傳遞。這些系統(tǒng)各有特點，分別適用于不同的電池工作場景和需求，以保障電池的正常運行和性能發(fā)揮。表1所示為四種主流電池熱管理系統(tǒng)的優(yōu)缺點對比情況。

通過對表1的觀察和分析可知，不同類型的電池熱管理系統(tǒng)功能作用存在較大的差異性。

a.液體冷卻系統(tǒng)適用于高端電動汽車，例如，特斯拉的Model高端車型以及ModelX高端車型等，在熱管理動力電池時，就采用液體冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的作用下，即便電池的工作環(huán)境較高仍能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1所示。

b.空氣冷卻系統(tǒng)的運行模式主要有兩種，分別是自然冷卻與強制冷卻，這兩種方式核心作用機理為：利用空氣流動作用，分散電池的熱量，因具有輕便、低能耗等優(yōu)勢特點，在電動無人機以及電動飛行汽車中應用廣泛。

c.熱管冷卻系統(tǒng)主要是借助熱管本身的熱量傳導性能，將動力電池產生的熱量高效迅速地傳導給冷卻介質，達成快速散熱的目標，在純電動卡車以及乘用車等車型上應用頻率較高，如圖2所示。

d.相變材料冷卻因優(yōu)勢特征較多而成為動力電池熱管理領域未來發(fā)展的主要方向，在鋰離子動力電池中應用這種系統(tǒng)綜合效果顯著，如圖3所示。

2.2研究現狀

相變材料冷卻系統(tǒng)因其結構簡單、緊湊、質量輕、散熱效果好，無需外加耗能等優(yōu)點，具有良好的應用前景。目前，石蠟無腐蝕性、無毒、化學性質穩(wěn)定、相變潛熱高，而且價格低，在實際應用中，能夠有效地控制電池溫度，確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，是當前電池熱管理系統(tǒng)里使用最多的相變材料。但純石蠟的導熱系數較低，會影響電池熱量的正常傳導，同時也會失去相變材料內存儲的熱量。

為此，一些國外研究人員在實驗中利用膨脹石墨、泡沫鋁、碳纖維等材料提高其導熱系數。大量實驗研究結果表明，通過添加高導熱材料能夠提升相變材料的導熱系數，并且能較好地提升復合相變材料體系的冷卻效果。但是相變材料若僅作為儲熱或吸熱材料，無法達到很強的散熱能力，一般通過借助與空氣對流進行散熱。因此，單一相變材料冷卻系統(tǒng)并不符合高倍率、高溫、較長工作場景中，必須與其他主動式散熱方式相互配合，才能夠實現及時散熱，提升其整體散熱性能，這也是未來重要的發(fā)展方向。

在高倍率、高溫的工作場景下，受過熱、碰撞、過充等內外部多種因素的影響，會導致動力電池產生鏈式反應現象，這一現象會使動力電池在短時間內散發(fā)大量的有害氣體，并且熱量也會隨之升高，造成相變材料的熔化，影響到電池的安全運行，嚴重情況下還會誘發(fā)爆炸事故，危及相關人員的生命健康安全。因此，為保證散熱效果的安全性與可靠性，需要將相變材料與其他主動式散熱方式緊密配合，以適應動力電池各種復雜的工作場景。

總體而言，以往諸多對動力電池熱管理系統(tǒng)的研究，主要聚焦在散熱性能方面，缺乏對熱失控阻隔能力的研究[2]。在實際應用中，當電池組出現熱失控的情況時，熱管理系統(tǒng)的熱失控阻隔能力就變得至關重要。一旦熱失控傳播無法有效阻隔，可能引發(fā)嚴重后果，影響電池的安全使用。

3系統(tǒng)的基本設計思路

當前，電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)的散熱與熱失控阻隔無法相互協(xié)同，如果通過增加阻隔措施，便會增加散熱難度，致使溫度不均，從而引發(fā)熱失控風險，若是采取降低隔離措施，即使能達到增強散熱的效果，但也會降低熱失控阻隔性能。基于上述分析，PCM熱管理系統(tǒng)雖然具有很好的散熱性能，但單一的PCM系統(tǒng)無法有效阻隔電池組熱失控傳播。因此，必須設計出新型高效動力電池熱管理系統(tǒng)，以便提高系統(tǒng)的散熱與熱失控阻隔協(xié)同性，進而提升電動車行車安全性，避免出現安全事故。

本次研究設計了一種新型的復合板，該結構包含相變材料、導熱殼、隔熱板三部分。其中，導熱殼采用高導熱系數金屬，如銅或鋁，及時散熱；隔熱板在正中間，采用低導熱材料，如玻璃纖維等阻止熱量橫向傳播；相變材料填充在中間，選用高相變潛熱、導熱率較高的材料如石蠟/膨脹石墨等，以便吸收熱量，提高電池組溫度均勻性。

在實際選擇應用各種材料的過程中，考慮到導熱殼需要具備較強的導熱性能，綜合對比市面上各種導熱性較強的材料，發(fā)現銅與鋁的導熱系數分別為400W/（m·k）、237W/（m·K），因此最終選擇銅作為導熱殼的原材料。

隔熱板的主要功能是控制熱量橫向傳播，而玻璃纖維的熱量隔絕效果較強，熔點大于1000℃，適用于隔熱板的生產制造。

同時將石蠟與膨脹石墨的復合材料作為相變材料，相較于純石蠟，這種復合型材料的導熱系數由4.089W/（m·K）升高至5.336W/（m·K）。采用此種復合板，可以有效避免電池系統(tǒng)熱失控阻隔與散熱之間的問題，提高二者協(xié)同性，有效保證電池組運行安全性穩(wěn)定。尤其是長時間處于高溫運行環(huán)境的工況時，這種復合板也能有效保障電池正常工作且防止熱失控傳播。

本次研究采用20Ａ·ｈ方形電池，正常情況下，電池組由多節(jié)電池串并聯(lián)構成。此次研究中為簡化計算過程，主要選用了單元電池組為研究對象，其中包含三塊方形單體電池，并將復合板放在電池空隙區(qū)域，電池箱置于最外側，確保電池和復合板相互交替、緊密貼合。為進一步驗證，主要采取4種不同結構進行對比，并分別標記成“結構1”到“結構4”，不同結構的電池配置不同，包括緊密貼合、存在空氣間隙、安置簡單散熱板或復合板。而后在實際測試中，觀察不同結構下各電池的溫度變化等數據，通過對比，從而評估復合板在散熱和熱失控阻隔方面的效果[3]。通過對這簡化方法的合理應用，最終得出的評估數據，能夠大幅度提高研究結果的專業(yè)性與可靠性。

通過COMSOL仿真軟件構建電池三維熱模型，對動力電池組在不同結構下的散熱能力和熱失控阻隔能力進行對比分析。通過對這些數據的排序來判斷不同結構散熱能力的強弱效果，主要是根據電池組在正常放電情況下的最高溫度和最大溫差，從而評估散熱能力。熱失控阻隔能力強弱的判定，主要結合熱濫用條件下相鄰兩塊電池間的熱失控時間差。

對于一些其他影響散熱因素，如放電倍率，它影響電池產熱速率，以及PCM的潛熱和相變溫度，這決定了其吸熱和放熱的能力。深入探究各個方面的影響因素能夠為復合板系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化設計提供科學參考。

比如，當發(fā)現高放電倍率下散熱不佳時，就可以針對性地調整復合板的材料或結構；如果PCM的潛熱不足，就考慮更換潛熱更高的相變材料。通過全面的分析和研究，能夠使復合板系統(tǒng)更有效地滿足電池組的散熱和熱失控阻隔需求。此外，還需注意的是，在電池三維熱模型的設計中，要對各類技術參數等進行合理設計，如圖4所示。

4系統(tǒng)的驗證及模擬

復合板熱管理系統(tǒng)在散熱和隔熱方面表現出色，能有效提升電池安全性。然而，要將其應用于實際的電池熱管理系統(tǒng)，還需要開展進一步工作。通過實驗驗證、模擬分析，深入探究這一系統(tǒng)的性能，為后續(xù)實際應用提供科學參考以及充分的數據支持。

4.1實驗設計

a.制備復合板。

將普通電池銅殼作為導熱殼，玻璃纖維板作為隔熱板，并選用RT45型石蠟為相變材料，而后按照指定步驟，即打開電池殼頂蓋，將隔熱板插入導熱殼中部，倒入熔化的相變材料，待冷卻后蓋上頂蓋并密封處理，即可獲得實驗所需復合板。復合板結構如圖5所示。

在實際制備過程中，為保證復合板的質量性能，要結合各類材料的性質特點，采取針對性的操作措施。以玻璃纖維隔熱板為例。對質量好、長度均勻的玻璃纖維進行全方位的檢測，確保其符合技術要求后，再結合復合板的需要，做好切割處理，并按照一定的比例，將玻璃纖維與樹脂、固化劑等材料混合到一起，主要的工藝流程為：模具制備——手工貼合——樹脂涂布——涂布壓制。

b.正常充放電散熱性能測試。

選用三元鋰單體電池，電池兩側貼高導熱石墨膜以提高電池表面?zhèn)鳠崧?，最終完成復合板系統(tǒng)的組裝。為保證實驗結果的真實性與準確性，選擇能量密度較高、環(huán)境適應性較強和低溫放電性能優(yōu)越的三元鋰單體電池，同時考慮到復合板的體積及其對導熱性能的需求，還要加強對厚度輕薄、均勻散熱的高導熱石墨膜的有效應用。在實際測試過程中，取兩塊電池編號并放入復合板，用充放電循環(huán)儀和熱電偶等設備，在不同放電電流下，對比有復合板和石墨膜、只有石墨膜、無任何熱管理系統(tǒng)這三種情況的散熱性能，實驗環(huán)境溫度穩(wěn)定[4]。

c.熱失控工況模擬實驗。

為有效模擬出熱失控單體電池產熱情況，主要選用加熱速度快、適用范圍廣且熱效率高的100W的電熱管，而后對比電池與電熱管直接接觸和中間放置復合板兩種情況電池表面的溫度變化。為確保相關測量準確性，需要通過熱電偶完成，同時，必須在高溫防爆箱內實施，起到防爆安全作用。為保證模擬環(huán)境與實際熱失控情況之間的相似性，對電池內部狀態(tài)和使用環(huán)境等進行全方位仿真后，建立精確的電化學與熱傳導模型，用于熱失控工況模擬實驗中。

4.2研究結果與分析

a.電池組溫升特性。

以放電電流為20A且電池之間直接貼合情況為例，電池放電過程中的溫度變化曲線主要分成三個階段。第一階段，放電剛開始時，電池內部化學反應較為劇烈，產生的熱量較多，所以產熱速率大，溫度上升較快；第二階段，在放電中期，溫度接近平衡狀態(tài)，產熱與散熱呈現動態(tài)平衡狀態(tài)，所以溫度不會出現明顯的上升；第三階段，接近放電末期，溫度迅速升高，因為正極嵌鋰接近飽和，這會導致電池內阻增大。內阻增大使得電池在工作時消耗的電能更多地轉化為熱能，從而引起溫度快速上升。其中1＃電池右側表面溫度高于2＃電池。當1#電池的溫度長期高于2#電池時，會導致2#電池的使用年限與安全性能遠遠低于1#電池。

保持同樣條件，貼上石墨膜且有復合板時，電池表面溫度變化與電池直接貼合情況非常相似。與電池直接貼合相比，溫度有所下降，主要是因為相變材料吸收了電池產生的熱量，而且石墨膜面內導熱系數高，再加上相變材料潛熱高，二者能把電池產生的熱迅速且均勻地分布到電池表面，提高散熱效果。

b.正常放電條件下系統(tǒng)情況。

不同熱管理系統(tǒng)下的電池模型基于單電池電化學-熱耦合模型建立，模擬環(huán)境溫度與實驗溫度保持一致。如圖6所示，放電電流相同時，電池直接貼合最高溫度比有復合板條件下溫度較高，此外，利用該模型研究高放電倍率，增大放電倍率會使最高溫度增大，有復合板的系統(tǒng)散熱能力優(yōu)于直接貼合的系統(tǒng)。如放電電流相同時，有復合板的系統(tǒng)最高溫度明顯低于直接貼合的系統(tǒng)最高溫度，而后者可能影響電池壽命或熱失控[5]。

通過對電池電化學原理的深入分析和研究可知，在正常放電狀態(tài)下，雖然有復合板的系統(tǒng)內部結構較為復雜，但散熱性能更強，可實現對熱量的均勻散熱，因此散熱能力要強于直接貼合系統(tǒng)。

c.熱濫用條件下系統(tǒng)情況。

首先分析電池與電熱管直接接觸時，實驗中電熱管溫度先迅速后緩慢升高，電池受電熱管影響溫度升高，能預測熱濫用下溫度變化以預警熱失控。

當在特定條件下，即電池與電熱管間存在復合板時，模擬得出的曲線和實驗所得曲線大致相同。實驗里電池表面溫度處于正常范圍，不會有熱失控的危險。其原因在于復合板內的PCM能夠吸收熱量，并且隔熱板可以阻擋熱量傳遞。

在不同的狀態(tài)下，復合板內的PCM和隔熱板，主要有兩種熱量傳遞模式，分別是熱傳導與流換熱。前者指的是利用電池內部的物分子傳遞熱量，而后者主要是電池表面與外部環(huán)境之間的熱量傳遞與交換。比如在汽車電池組中，這種復合板結構能有效保障電池安全，避免過熱引發(fā)故障。

對比有無復合板發(fā)現，無復合板400s時電池有熱失控風險，有復合板1350s時電池溫度正常，可見復合板能提高熱失控阻隔能力，延長熱量傳播時間，提高電池組安全性。

5結語

通過對動力電池熱管理系統(tǒng)基于相變散熱的設計分析與論述，結合不同結構、PCM的相變溫度以及潛熱等因素，在實際應用中不難發(fā)現，復合板的引入增強了熱失控阻隔能力，增強了散熱效果，但在大規(guī)模實際應用中還需要進一步優(yōu)化和研究，從而進一步提升動力電池運行安全性、穩(wěn)定性。在相變散熱系統(tǒng)未來的發(fā)展過程中，為實現大規(guī)模應用，應進一步優(yōu)化升級系統(tǒng)的性能，確保系統(tǒng)長期處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并改進復合板的生產工藝，降低生產成本，促進相變散熱系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，為我國動力電池熱管理領域的長效健康發(fā)展，提供有力的技術支撐。

參考文獻：

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[2]崔巍，李淵，賈巖.動力電池熱管理系統(tǒng)復合散熱裝置的結構設計與優(yōu)化[J].內蒙古工業(yè)大學學報（自然科學版），2024，43（2）：115-122.

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[4]李忠，李端凱，許東陽.基于氫動力系統(tǒng)的動力電池熱管理系統(tǒng)設計研究[J].電子技術與軟件工程，2021，34（6）：214-217.

[5]傅剛，黃藝坤.基于數值模擬的動力電池熱管理系統(tǒng)設計——評《電動汽車動力電池熱管理技術》[J].電池，2021，51（3）：324-325.

作者簡介：

高德寶，男，1984年生，副教授，高級工程師，研究方向為汽車制造與試驗技術、新能源汽車技術。

黃李麗（通訊作者），女，1982年生，副教授，研究方向為新能源汽車技術。