李妙妙，丁世云，周旭峰，刘兆平

(1.宁波石墨烯创新中心有限公司，浙江 宁波 315201；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315201)

动力电池自身温度的高低和内部温度均匀性对其性能和寿命影响很大，大多数动力电池能够在一定的温度范围内(25～40 ℃)高效安全地充放电。随着电池的大型化，电池的能量密度不断增加，电池内部热量不易散出，导致电池温度过高，影响电池的性能和使用寿命，甚至会导致安全事故发生。电动汽车在启动、加速等情况下，电流变化较大且产热不均衡，导致电池内部不同模块之间的温度差异过大，会加剧电池内阻和容量的不一致性，长时间积累会造成部分电池过充电或过放电现象，进而影响电池的寿命和性能，造成安全隐患，因此需要对动力电池模组进行热管理[1-2]。

相变材料是随着温度变化发生物相转变的材料，在相变过程中吸收或释放潜热且保持温度不变，相变材料能恒温或近似恒温地与外界发生热量交换，从而达到储能、控温的目的，成为电池热管理领域的研究热点[3]。

目前针对相变材料应用于动力电池热管理开展了大量研究。王治源等[4]根据动力电池的散热问题设计了一套基于相变材料的热管理系统，采用功率可调节的铸铝电加热板模拟电池不同工况下的发热情况，结果表明相变材料可有效抑制加热板的温升速率。王之伟等[5]采用18650锂离子电池尺寸制造仿形外壳，中间开孔容纳加热器模拟电池发热，研究不同加热功率下相变材料的温控特性，结果表明相变材料具有良好的温控特性。陈志能等[6]以纳米氮化硼为填料，制备不同质量分数的石蜡基纳米复合材料，对其进行热物理表征，并将该材料应用于锂离子电池热管理，结果氮化硼含量为1%时热导率最高为0.338 6 W/(m·K)，在3C和5C放电条件下，复合材料比纯石蜡降温和均温效果更好。朱波等[7]研究了一种基于相变材料的纯电动汽车电池热管理系统，并对其进行仿真与分析，结果表明结合相变材料的电池热管理系统在常温下可有效抑制电池温升速度，在低温下可更快提升电池工作温度。杨成亮等[8]采用三种不同相变温度的固体定形相变材料包覆方形电池的方法，研究了相变材料冷却大容量锂电池的效果，结果表明液冷加相变复合冷却方式的冷却效果良好。

本实验采用石蜡、膨胀石墨(EG)、高导热石墨膜制备相变复合材料(PCM)，并采用铝塑袋对相变复合材料进行封装，制备出了导热性好、安全性高的相变散热材料。组建了一套软包电池模组热管理模拟测试系统，采用铝加热板模拟电池发热，研究了复合相变材料对加热板温升情况、各加热板之间温差以及同一加热板不同位置各点温差的影响。

1 实验

1.1 实验材料

石蜡，熔点48 ℃，相变潜热170 J/g，上海谊久化工有限公司；膨胀石墨，虫体，原始膨胀体积600 mL/g，青岛岩海碳材料有限公司；高导热石墨膜，厚度0.5 mm，导热系数150 W/(m·K)，青岛岩海碳材料有限公司；铝塑袋，尺寸250 mm×180 mm；铝加热板，额定电压220 V、额定电流1 A，尺寸260 mm×210 mm×2 mm。

1.2 复合相变材料的制备

(1)将石蜡加热到150 ℃使其全部熔融；(2)加入膨胀石墨，150 ℃下继续搅拌30 min，使其混合均匀；(3)将膨胀石墨/石蜡混合物置于模具中，在80 ℃平板压机中热压成复合相变片材；(4)在复合相变片材上下表面两侧采用80 ℃辊压机热贴覆高导热石墨膜，热熔的相变片材与石墨膜紧密贴合；(5)将相变片材置于铝塑袋中，排除铝塑袋中的空气，采用塑封机对铝塑袋进行封口，得到复合相变散热片。

1.3 软包电池模组热管理模拟测试系统

软包电池模组热管理模拟测试系统由3 个部分组成，包括软包电池模组模拟系统、加热功率调节系统和数据采集系统，如图1 所示。

图1 软包电池模组热管理模拟测试系统

软包电池模组模拟系统由13 个额定功率、尺寸相同的铝加热板组成，加热板额定电压220 V、额定电流1 A，尺寸为260 mm×210 mm×2 mm，加热板置于软包电池模组专用塑料框架中，通过与塑料框架顶部的铜条连接使铝加热板并联。相变复合散热片尺寸为260 mm×210 mm×2 mm，通过双面胶紧密贴覆在铝加热板表面，热电偶贴附在加热板表面进行测温，热电偶在加热板表面测温点的布置如图2 所示。加热速率调节系统由MS-305D 直流电源进行调节，通过调节直流电源的输出电压从而调节并联电路中铝加热板的电压，从而调节铝加热板的加热功率。数据采集系统采用SH-40 多路温度记录仪，40 通道，温度记录仪一端与热电偶连接进行温度变化的测试，另一端与计算机连接，用于记录温度变化数据，设置采样时间为1 s。

图2 热电偶在加热板表面测温点布置示意图

2 结果与讨论

2.1 复合相变散热片的基本性能

复合相变材料的物性参数为：密度0.758 g/cm3，相变焓153.5 J/g，相变温度48 ℃，导热系数2.761 W/(m·K)。制备的相变材料在高于相变温度下容易压制成任意尺寸和厚度的片材，适合应用于软包电池模组的热管理。

2.2 软包电池模组模拟系统的温升情况

某电池厂家提供的48 V、126 Ah 软包电池，内阻0.7 mΩ，根据电池内阻生热的计算公式Q=I2×R估算出13 块电池模组0.5C、1C、1.5C、2C放电时的总生热量分别为36、144、325和577 W，调节模拟电池模组的电压电流，使总加热功率与电池理论生热量相近。

模拟系统两端分别加载25、50、75、100 V 的电压时，电流分别为1.43、2.87、4.30、5.75 A，模拟系统的加热功率分别为35.7、143.5、322.5、575.0 W，加热板最高温度点的温升速率分别为0.21、1.14、3.63、5.71 ℃/min，各加热板表面温升情况如图3 所示。

图3 不同加热功率下各加热板表面温升曲线

35.7 W 时，各加热板的温升速率为：1#<13#<2#<12#<3#～11#，最外侧1#和13#由于热量易于向外界散发，因此温升速率最低，2#和12#温升速率次之，中间部分3#～11#发热板温升速率基本一致。143.5 W 时最外侧1#和13#温升速率最低，2#～12#发热板温升速率基本一致。

322.5和575.0 W 时，随着加热功率的进一步增加，热量在模拟组件内部大量积聚，加热板温升受加热功率和热量积聚的双重影响，各加热板之间温升速率出现不一致性，加热板发热功率越高，各发热板之间温升速率差别越大。

2.3 相变材料对模拟系统温升情况的影响

各加热板表面贴附2 mm 厚度的相变材料，将模拟系统两端加载不同加热功率时，各加热板表面温升情况如图4 所示。由图4 可知，使用相变材料后，加热板的温升曲线发生明显的变化，与无相变材料相比，使用相变材料的加热板在室温～45 ℃温区内升温速率有所降低，但降低效果不明显；而在45～50 ℃温区内，升温曲线呈平缓趋势，升温速率显著降低。这是因为加热板在加热过程中产生的热量会传递到相变材料内部，在初始阶段温度没有达到相变材料的相变温度，相变材料吸收的热量是显热，吸收的热量使固态相变材料温度升高；当相变材料温度升高到45 ℃以上时，达到相变温度开始融化发生相变，此时相变材料从加热板吸收的热量是潜热，吸收的潜热使相变材料发生相变而温度保持恒定；当相变材料吸收热量全部融化完全相变后，继续吸收的热量作为液态相变材料的显热，此时温度急剧升高。

图4 相变材料对模拟系统温升情况的影响

加热功率分别为35.7、143.5、322.5 和575.0 W 时，模拟系统使用和未使用相变材料，加热板表面温升速率比较如表1所示。当加热功率分别为35.7、143.5、322.5 W 时，使用相变材料后，随着加热功率的增加，加热板表面最高温升速率分别降低38%、49%、58%，使用相变材料使模拟系统加热板表面温升速率显著降低，相变材料降温效果明显；当加热功率升高到575.0W 时，使用相变材料反而使加热板温升速率提高133%，这是由于加热功率过高，热量不能快速传递到相变材料内部，而相变材料反而起到保温作用，使温升速率升高。

表1 模拟系统温升速率比较

加热功率分别为35.7、143.5、322.5 和575.0 W 时，模拟系统使用和未使用相变材料，各加热板之间温差比较如表2 所示。当加热功率分别为35.7、143.5 W 时，使用相变材料使模拟系统各加热板表面温差分别降低33%和19%，相变材料均温效果明显；当加热功率升高到322.5 和575.0 W 时，使用相变材料反而使各加热板之间的温差增加49%和108%，这是由于加热功率过高，热量在模拟系统内部积聚，导致有些加热板贴覆的相变材料已经完成相变，温度开始急剧升高；而有些加热板贴覆的相变材料相变还在进行中而保持温度恒定，因此导致各加热板之间温差变大[9]。

表2 模拟系统各加热板之间温差比较

选取5#加热板作为代表，研究相变材料对加热板表面不同位置温度差的影响，如图5 和表3 所示。由结果可知，无相变材料时加热板的发热功率较小时，各点温差较小，均温性良好。随着发热功率的升高，热量在发热板内部积聚，来不及在发热板内部均匀传递，导致发热板各点升温速率不一致，最终导致各点温差增大。加热板表面贴覆2 mm 相变材料后，随着加热功率由35.7 W 增加到575.0 W 时，相变材料使加热板表面不同位置温差分别减小33%、30%、19%、19%，相变材料可以降低加热板表面不同位置的温度差，提高加热板表面的均温性。

图5 贴覆相变材料前后5#加热板表面不同位置的温升情况比较

表3 5#加热板表面不同位置的温差比较

3 结论

本文采用铝加热板建立软包电池模组模拟系统，将厚度为2 mm 的相变材料应用于模拟系统中，加热功率分别为35.7、143.5、322.5、575.0 W 时，测试复合相变材料的性能，结果表明：

(1)加热功率≤322.5 W 时，相变材料使加热板表面最高温升速率分别降低38%、49%、58%，随着加热功率的增加，相变材料的降温效果增加；加热功率≥575.0 W 时，相变材料反而使加热板表面最高温升速率增加133%，没有降温效果，而是起到了保温作用。

(2)加热功率≤143.5 W 时，相变材料使模拟系统各加热板之间的温差分别降低33%和19%，相变材料均温效果明显；加热功率≥322.5 W 时，模拟系统各加热板之间的温差分别增加49%和108%，加热功率过高时，由于不同加热板表面的相变没有同时发生而导致温差加大。

(3)随着加热功率的增加，同一加热板不同位置温差分别降低33%、30%、19%和19%，相变材料对同一个加热板具有良好的均温效果。

在实际应用中应根据电池模组的发热功率和相变材料的相变焓值计算所需相变材料的量，根据电池最佳工作温度范围选择与之相匹配的相变温度，否则相变材料不仅不能达到降温效果，反而起到保温作用，增加危险性。