相变材料在动力电池热管理系统中的应用现状

郭宝会

（1.渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099；2.三门峡速达交通节能科技股份有限公司，河南 三门峡 472000）

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度及良好的循环性能，已是混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）的主要动力源[1,2]。然而在电池组运行过程中，由于电池内部电阻及传热不良等因素会引起电池组温度升高，造成热失控而引起火灾或爆炸。另外，在低温状态下，电池内阻过高会造成充放电效果不佳，影响动力电池的工作性能。理想的电池工作温度介于20℃和40℃之间，对电池组的有效控制是决定电动汽车电池商业化的关键技术之一[3～5]。

传统电池热管理系统需要外动力驱动，体积庞大（如空气冷却和液体冷却），因此出故障的概率也较大。利用相变材料发生相变时放出的潜热吸收电池工作组放出的热量，成为了一种新型的电池被动热管理系统，具有设计简单和可靠性高等优点[1,2,4～6]。同时，相比材料具有潜热大，储能密度高，可以有效控制电池温度范围，平衡电池组内各个电池间的温差，从而提高电池的使用寿命和可靠性。本文主要介绍了相变材料的分类、工作原理和应用形式及存在的问题。

1 相变材料的分类及工作机制

相变材料种类繁多，按照不同目的，可以有不同的分类。按相变材料的相变温度分类可分为低温相变材料（＜20℃）、中温相变材料（20℃～ 250℃）和高温相变材料（＞250℃）[7～10]。按相变类型可分为固-液、固-固、固-气、液-气四种，其中固-固相变材料和固-液相变材料应用较广。如按物质类型可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料三大类[7]。石蜡、硬脂酸、聚乙二醇是目前广泛应用于电池热管理的有机相变材料，其中石蜡无毒、无腐蚀性、性能稳定，价格便宜，是研究者们关注的重点[7,9]。在不同温度条件下，石蜡的主要成分烷烃的晶型和分子链结构会发生转变，同时伴随有吸热和放热现象，从而实现能量的存储和释放。但是石蜡的缺点是热导系数较低和相变焓较低，而且易燃，使得其在电池热管理系统中受到较大限制。无机相变材料主要包括熔融盐类、结晶水合盐类、合金类及金属等[7,9,10]。无机相变材料的热导率高，价格低廉，储能密度大，但也存在腐蚀性较大，容易出现“相分离”和“过冷”等现象，限制了其在实际电池热管理中的应用[10]。为了克服无机相变材料的腐蚀性和有机相变材料的低导热系数和低相变焓的问题，综合两者之间的优点，人们开发出了将有机相变材料和无机相变材料结合的复合相变材料，扩大了相变材料的应用范围[10]。

图1 采用相变材料(PCM)板的电池组热管理系统剖视图

相变材料热管理的机制利用其相变过程中吸收或者释放大量潜热而保持自身温度不变或变化微弱，给电池模块一个相对恒定和均匀的温度环境[11,12]，采用相变材料(PCM)板的电池模块如图1所示。在电池充放电过程中，电池组温度会升高使得相变材料融化而吸热贮存能量，使电池组温度恒定在熔点附近；在低温环境下，相变材料会逐渐凝固而释放热量，防止电池组温度过低，保证电池组的正常工作[11,12]。

2 相变材料用于电池热管理的研究现状

2.1 应用形式

目前，相变材料在电池组中的应用方式主要有两种方式，第一种是将电池单元置于相变材料中（如图2(a)所示），这种结构简单，容易操作，是主要的应用形式[13]。第二种是将电池单元夹在相变材料中，形成三明治结构（如图2(b)所示），这种结构热交换效率高，但是因为结构较为复杂，对工艺要求较高[13]。

2.2 相变材料用于电池热管理的研究现状

图2 相变材料在电池组中的应用形式[13]

美国伊利诺斯工学院的Al-Hallaj[14,15]教授的研究团队首次将相变材料用于电动滑板车电池热管理系统中，将9个18650锂离子电池置于熔点在41℃～44℃的PCM中，研究结果发现相变材料使电池工作温度更加稳定和均匀，在无需其它辅助设备的情况下，提高了能源利用率，使电池效率和电池寿命得到了提高[1,14,15]。2005年，他们在泡沫铝中加入PCM，将电池置于该体系中，PCM加入泡沫铝中可以有效的控制温度[15]。

2008年，Al-Hallaj[16～18]教授对锂离子电池组的热管理系统进行了研究，对比发现在大电流放电和高温环境下，PCM的冷却效果远远优于空气冷却的效果[16]。因此，他们又研发了一种新的PCM材料（将石蜡和石墨复合后制成相变材料），结果发现此种相变材料同时解决了电池组温度过高的问题，在电池放电结束时使温度控制在45℃以下，也可将电池组中心和边缘温差缩小不到4℃。将石蜡和膨胀石墨复合制成的复合相变材料，可以使单体电池之间的温度差缩小到0.2℃以内[18]。

3 相变材料用于电池热管理系统存在的问题

动力电池热管理系统采用相变材料进行温度控制是一个比较新的研究领域，目前相变材料冷却技术大多数还处于实验室的研究阶段，缺乏系统全面的研究[5,13]。相变材料存在的主要问题是导热系数小、较大的相变体积变化、封装困难、不能循环流动和价格较高等不足[13]。首先在选择相变材料上，要综合考虑相变材料的热物理性质、化学性质及动力学性质，合适的相变材料是保证电池热管理系统能否达到要求的前提，另外也要综合考虑生产成本、回收处理、环保性能等经济性及环境影响等因素[28]。其次，在改善相变材料热导率问题上，需要通过合理有效的设计，如采用泡沫金属可以在一定程度上提高相变材料的热导率，但会增加系统质量和提高生产成本。另外，对于由石蜡和石墨组成的复合相变材料，设计需要考虑掉粉和分层剥离的问题，而且材料的机械性能和易燃性也有待提高[3]。最后，在被动热管理系统中，相变材料具有设计结构简单和成本较低等优点，但在大电流充放点时，相变材料对电池组的散热效果就有限了，建议可以采用相变材料的主动热管理系统，其散热能力明显优于被动热管理系统，适合用于大容量电池组[11]。