基于相变材料和液体换热的锂电池热管理系统设计

孔得朋， 杜 金， 平 平

（中国石油大学（华东）a.海洋油气装备及安全技术研究中心；b.化学工程学院，山东青岛266580）

0 引 言

锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、环境污染小等卓越性能，目前已在便携式电子设备领域成为主导电源，并在新能源电动汽车与储能领域拥有广阔的应用前景［1］。温度是影响锂离子电池性能的重要因素［2］，过高或过低的温度均会影响电池的性能，缩短使用寿命，甚至引发安全事故。因此，有必要采用合理的电池热管理系统对电池工作温度加以控制，从而提高工作效率，保障其安全性。常见的锂电池热管理系统分为被动散热、主动散热、被动保温、主动加热等方式［3-14］。大部分热管理系统只能应对高温或低温中的一种工况，无法兼顾不同环境温度，并且功耗较大，监控状态复杂［15-16］。为使锂电池热管理系统适应不同环境温度，同时降低功耗，本文设计了一种基于相变材料（PCM）和液体换热的低功耗锂电池热管理系统。

1 工作原理及硬件设计

图1 为热管理系统的结构框图，主要由温度监测、温度控制、控制器等部分组成。温度监测模块采集电池组内单体电池、相变材料、换热液体以及外界环境等的温度信息，并将数据集中传输至控制器，是整个系统的信息输入口；控制器模块接收来自传感器的温度等信息，当温度值超过阈值时发出指令，控制温控模块对电池组进行温度调整；温度控制模块由换热液体、制冷及加热组件、散热金属管、冷却风扇等组成。该模块通过PCM储能和液体换热的方式对电池组的温度进行调整，使电池组处于合理的工作温度区间，从而提高充放电效率，延长使用寿命。

图1 锂离子电池热管理系统结构框图

1.1 温度监测模块

目前常用的温度传感器主要有热电偶传感器、热敏电阻传感器、热电阻传感器和集成电路热敏传感器。锂电池组的温度监测需要准确快速地获取电池组各处的实时温度，因此，锂电池组的温度监测需要一种体积小巧、测量准确快速、工作时间长、不易损坏的温度传感器。热敏电阻传感器的测量精度较高且体积小巧，控制方式简单，具有较好的线性且重复度优异，其工作范围在-100 ～450 ℃，适合长期布设于电池组内部。本系统中，热敏电阻选用100 kΩ，精度±1%，B 值为3 950 的NTC热敏电阻，热敏电阻的温度

式中：Rt为热敏电阻在某温度（T1）下的阻值；R 为热敏电阻在常温（T2＝25 ℃）下的标称阻值；B 值为负温度系数热敏电阻器的热敏常数。

热敏电阻的数量可根据电池组的规模调整。本系统使用4S3P 的锂电池组进行搭建，通过调整热敏电阻的数量和位置，使用最少数量的热敏电阻监测电池组整体温度。热敏电阻分布如表1 和图2 所示。

1.2 温度控制模块

为实现不同温度环境下调整电池组温度的功能，热管理系统需同时具有冷却和加热功能。因此，温度控制模块选用帕尔贴和陶瓷加热片对换热液体进行加热和冷却。帕尔贴片的基本工作原理为温差电效应。帕尔贴片与陶瓷加热片通过PWM 转电压模块与控制器相连，使用频率为0 ～20 kHz的PWM信号源控制输出DC 0 ～400 W 的实时功率。控制器读取热敏电阻温度数据并计算控制帕尔贴与陶瓷加热片需要输出的实时功率。系统中的水泵采用相同的方式与控制器相连。

为降低液体循环的功耗，同时保证循环系统的换热能力并减少电池温度波动，采用PCM与液体换热耦合的热管理结构，热管理系统的结构如图3 所示。该结构通过PCM在其相变温度点附近吸收大量热量的同时，维持温度稳定的特性和液体换热方式能够迅速释放热量的特性，保证电池组温度处于合理范围并且不发生剧烈波动，同时降低能量消耗，提高温度均一性。串联连接的4 组电池的间距为3 mm，并联连接的3 组电池的间距为10 mm，散热金属管的外径为8 mm，壁厚0.5 mm。电池与电池之间填充相变材料，相变材料内部铺设金属散热管，散热管呈S 型或U型分布环绕电池。电池组处于常温或高温环境中，温度升高时，PCM在前期吸收绝大部分热量，当PCM 潜热耗尽，液体换热及制冷启动，将热量释放至外界环境，从而恢复PCM潜热，使其能够继续维持电池组温度。电池组处于低温环境中，温度较低时（＜10 ℃），液体换热及加热以较低功率运行，以提高PCM 及电池组温度，避免低温造成的电池组容量及寿命衰减。

表1 热敏电阻位置及数量分布表

图2 热敏电阻分布位置示意图

图3 PCM液管耦合结构示意图

为提高温度控制模块的换热效率，采用传热效率高、成本低的乙二醇水溶液，50%浓度的水溶液在40℃时的比热为3.358 kJ／（kg·K）。散热金属管材质选用耐腐蚀、易加工、热导率高的纯铝，其导热系数为217.7 W／mK。

1.3 控制器模块

控制器模块是整个锂电池热管理系统的核心组件，电池组工作时的运行数据汇总至控制器进行分析，并控制相应模块，维持电池组温度。本系统中，选用ATmega2560 主控芯片，该芯片可提供54 路数字输入／输出端口（其中15 个可以作为PWM输出），16 路模拟输入端口，4 路UART 串口，具有成本低，扩展性强的优点。

控制器模块及其组件的连接示意如图4 所示。控制器读取模拟量温度信号，判断电池组温度是否需要调整，通过PWM 转电压模块将模拟量控制信号转换为电压信号，控制水泵，加热器和制冷器的运行。水泵、水箱、散热器、金属管等通过软管连接，形成液体循环的回路，直接调整电池组的工作温度。

图4 热管理系统结构组成及连接示意图

2 系统软件设计

2.1 控制器工作逻辑

热管理系统控制器的工作逻辑如图5 所示。

图5 控制器工作逻辑图

系统启动，读取各点温度及环境温度Tatm，计算电池组平均温度Tave，判断电池组所处的温度环境。当设备处于低温环境时，启动液体换热对电池组进行预热，将电池组预热至合适温度T正常。当设备处于常温或高温环境时，控制器监测电池组各点温度，一旦超过PCM相变温度T临界时液体换热启动，将相变材料储存的热量传递至外界环境，恢复PCM潜热。系统运行过程中，控制器持续采集电池组各点温度信息，用于换热液体的控制，形成一个闭环系统。

2.2 温度监测与控制

根据热敏电阻的测温公式编写测温程序，测温程序每秒采集一次温度数据，每次采集12 组，同步采集电池组、环境及换热液体的温度。根据锂电池组充放电过程中温度及电压的变化特征编写控制帕尔贴片、陶瓷加热片、水泵的控制代码。用于获取电池表面温度测点的程序为：

图6 为使用LabVIEW 编写的串口通信程序。控制器通过串口通信的方式与计算机进行数据交互，控制器定时向上位机输送数据，将电池组各点温度实时显示在上位机软件中。图7 为电池热管理系统上位机软件。上位机软件可实时观察电池组充放电过程中的温度变化趋势，并对温度数据进行保存便于后续分析。

图6 LabVIEW串口通信程序框图

图7 热管理系统上位机软件界面

3 测试结果与讨论

为验证该热管理系统的效果，使用电池充放电循环仪对电池组进行充放电循环测试，图8 为锂电池热管理系统测试平台。在10、20、40 ℃的环境温度下，使用0.5C／3C 的充放电倍率对电池组进行循环测试。为模拟实际使用环境，测试前将电池组置于恒温箱中，使电池组整体温度接近设定环境温度后开始测试。

图8 热管理系统测试平台

图9 所示为不同环境温度下电池组的充放电循环温度曲线。由图9 可知，当环境温度为10 ℃时，为提高电池的放电效率，热管理系统会在第1 次循环的放电阶段对电池进行预热。从温度曲线中可以观察到，电池组温度从10 ℃升高至20 ℃时的温升速率较高，且电池组温度一致性较好。随后两次循环测试中电池组最低温度为20.3 ℃，处于电池的正常工作温度范围内。由于PCM的储能作用，加热器前期释放的热量足够维持电池组的正常工作温度，无需额外消耗能量，以达到降低功耗的效果。

当环境温度为20 ℃时，电池组的最高温度为37.8℃，最低温度为22.8 ℃，除电池组正常充放电的温度波动外，未出现温度异常情况。测试结果证明当电池组处于低温或常温环境中时，PCM 液体换热耦合的热管理结构能够将电池组温度维持在20 ～40 ℃的合理温度区间，并提供较好的热管理效果。

图9 电池组循环温度及液体流量曲线

当环境温度为40 ℃时，电池组的第1 次循环测试中出现温度超过40 ℃的情况，其主要原因为循环前电池组温度已经接近40 ℃，PCM的潜热在测试前耗尽，导致无法进一步吸收热量，从而导致温度超高。系统启动后，检测到温度较高，液体换热随之启动，释放PCM潜热，第1 次循环测试结束前电池组温度下降至正常水平。随后的两次循环测试中，电池组温度均未超过40 ℃，测试结果证明本系统在高温环境中同样能够提供较好的热管理效果。

4 结 语

针对锂离子电池在极端温度下容易引发电池性能衰退，甚至导致热失控的问题，设计了用于多温度环境下的电池热管理系统。该系统采用PCM 液管耦合的主被动热管理结构，实现了对锂电池组的温度控制。电池组循环充放电测试证明该系统能够有效地的对电池组进行热管理，减小电池的温度波动，同时具有体积较小、工作效率高、可扩展性强的优势。