杨澜

由于石油资源日渐枯竭，以及世界环境的日益恶化，未来对电动汽车（EV）/混合动力电动汽车（HEV）的大力支持成为必然趋势。EV/HEV都使用锂电池作为动力来源，在EV/HEV行驶中，如何使动力电池的性能达到最优是目前的主要研究方向。由于锂电池具有更高的能量密度和较低的自放电率，因此被全球普遍应用于电子和汽车产品上。然而，温度是影响电池可靠性、寿命、安全性和性能[1，2]的一个主要的因素，当温度较高（高于50℃[3]）时，会增加电池内部的热反应率，导致更大的热量产生，一个“热失控”的条件可能会导致火灾或爆炸[1]。而在极冷的温度，由于高内阻电池性能释放缓慢，充放电效果都不好。电池的工作温度必须保持在20℃和40℃[2]之间才能实现良好的性能，使用寿命也会更长。此外，为了避免短路或局部退化导致的热点，整个电池组温度分布均匀性是很重要的。同时，考虑到温度对电池电压的依赖性，当电池组中有一个大的温度变化时，会引起电池组中的单体电池电压不平衡而导致安全问题。因此，规定单体和单体之间以及模组与模组之间的温差值都不能超过5℃[3]。为了避免温度的不利影响，对应用在车辆上的电池系统的设计通常采用空气或液体冷却形式的对流热管理[4]。热管理系统设计在复杂程度以及成本高低2方面存在很大的差异。在最低端的产品上，热管理系统可能仅使用一个小风扇来维持运行。这种方法相当简单和廉价，但它可能无法有效地管理热量。复杂度高的高端电池组，管理系统可能包括一个温度控制的液体冷却装置。这种方法可以将电池组中的温度调节均匀，并允许在一系列环境温度和工作条件下的电池全功率工作能力，但这种方法成本较高，空间占用率也较高。因此，当今需要开发更有效、更简单、更便宜的热管理方案，从而有助于保障动力电池和EV/HEV的进步及发展。

相变材料（Phase Change Material，PCM）是一种能够利用其自身的相变潜热吸收或释放系统热能的材料，它的特点是可以几乎无限期循环使用[5，6]。同时，由于相变材料有着潜热大，储能密度高，所需相变温度范围可控等优势。无论从节能角度还是从续驶里程角度考虑，采用PCM材料作为传热介质较前2种方法具有其独特的优势，是目前动力电池热管理系统的首选材料。

一、动力电池热管理系统的进展

电池热管理系统（The battery thermal management system，BTMS）的目的是为电池提供有效的冷却解决方案，并开发新的工具用于冷却液，将它应用在电池的性能最优方面。它包括以下几方面的功能：①电池和环境温度的准确测量与监控；②温度过高时的有效散热；③低温条件下的快速加热；④电池包内有害气体的有效通风；⑤整个电池组温度均匀性的保证[7]。

在国外，与电池热管理相关的工作最早见于20世纪80年代，伴随着银氩电池以及锂离子电池的发展，电池产热致高温问题逐渐引起一些工程师以及科学家的关注，但那时由于电池的应用主要在一些小功率设备上，电池热管理并未引起足够重视。21世纪初期，随着动力设备的不断升级对电池性能以及电池模块化的要求越来越高，电池产热而引起的一系列问题日益突出。美国可再生能源实验室（NREL）和伊利诺斯理工学院等研究机构采用数值仿真和实验相结合的方法，对单体电池和模组的热特性、电池箱体结构、冷却方式等热管理系统要素进行了较多研究。在国内，“电池热管理”一词最早由张国庆博士在20世纪90年代中后期提出，但当时并未引起足够重视。随着电动汽车的发展，电动汽车对动力电池性能提升要求更加严格。伴随电池大尺寸和模块化的发展，电池产热温度问题更加突出，电池过热引起的EV/HEV起火事件频发。因此，电动汽车动力电池的热问题是亟待解决的核心技术难题。目前，国内外对电动汽车电池热问题的研究主要集中在3个方面，即单体电池生热模型、成组电池热耦合模型和电池冷却方式等。

单体电池生热模型大都以bernardi[8]模型为基础；成组电池热耦合模型则应考虑电池组的具体特点、布置型式等，其研究成果已接近实用化；电池冷却方式的研究则是目前的热点和焦点。冷却介质主要有空气、液体和相变材料等。张国庆等[9]设计了一种液体冷却与相变材料冷却结合的装置，能够实现电动汽车电池在比较恶劣的热环境下电池装置整体有效地降温，又能满足各单体电池间温度分布的均衡，同时易循环利用，从而达到最佳运行条件，并降低成本，增强经济性。目前只有雪佛兰Bolt EV的电池系统采用类似印刷电路一般的水冷管路密布的水冷散熱的方式。其他制造商大多数不愿意选择液体冷却是因为密封不好会导致液体泄漏，所以密封设计是极其重要的。

二、PCM在动力电池热管理系统中的应用进展

2004年，美国伊利诺斯工学院S. Al-Hallaj[10]教授的研究团队首次将相变材料用于BTMS中，研究表明相变材料可以对电池进行有效控温，使工作环境温度更加均勾和适宜，在无需辅助设备的情况下，有助于提高能源利用率、提升电池效率和延长电池寿命。S.Al-Hallaj和sdman并为这一技术申请了相关专利。2005年他们又提出在PCM中加入泡沫铝可以更好地控制电池的温度[11]。

为了证明采用PCM的电池热管理系统的优势，2008年Sabbah等[12]针对混合动力电动车中的锂离子电池组的热管理系统进行了研究，分别对比分析了空气冷却和PCM冷却在大电流放电和高环境温度下的散热效果，发现在剧烈工况下，空气冷却不能满足需要，必须依靠辅助风扇才能达到PCM冷却的效果。同年Kizilel等[13]研究了一种由石蜡和石墨复合而成的相变材料，将膨胀石墨/石蜡复合材料应用到锂离子电池热管理，进一步研究了PCM导热系数增加对系统温度降低的影响和PCM热管理对减小电池容量衰减的积极作用将其应用于电池热管理系统中，实验结果发现采用这种相变材料的电池热管理系统可以有效解决电池组温度过高的问题，在电池放电结束时可以将温度控制在45℃以下。同时可以有效地降低单体电池的温差，可以将电池组中心和边缘温差缩小到4℃。在2009年他们又进一步研究出一种石蜡和膨胀石墨复合而成的相变材料[14]，这种相变材料可以使单体电池之间的温度差缩小到0.2℃以内。国内的Rao和Zhang等[15]将石錯和石墨按一定比例配合，对镍氢电池进行了空气冷却和相变冷却对比试验，当石蜡与石墨的比例为4∶1时，电池组的冷却效果最好。

随着PCM的研究不断深入，为了抵消简化的数值模型中低估的非均匀性预测的单体电池和模块规模的温度。为了解决这个问题，Jarret和基姆[16]用四简化线性产生的热量分布与恒定的总热量。该方法可以提高温度梯度估计的准确性，但是在锂离子电池的温度分布不一定是线性的，在充电和/或放电周期中的热量是不恒定的。

三、基于PCM的各类数值模型结构介绍

1.Rao和Zhang等圆柱形动力电池PCM散热的结构

国内的Rao和Zhang等[15]对圆柱形的动力电池的采用了PCM（脉冲编码调制）散热的热模型数值模型（如图1所示）。他们的模型考虑到内部传导和外部自然对流不稳定的热量产生。他们通过采取了一项简化的研究产生的热量，而不是电化学模型，并通过假设的物理PCM的电池持续整个计算中的性能。

2.Ramandi等[17]圆柱形动力电池的双层结构PCM散热结构

由于固液相变的相变材料的密度变化是微不足道的，和熔点的PCM是常数而不是一个温度范围。PCM也被假定为均匀的和各向同性的辐射换热是不考虑过的，所以当选择合适的材料，在自然对流条件下，PCM能够保持温度低于45℃。然而，如图2所示，在中心点和圆柱以外的部分，PCM的低导热率可以导致较大的温度差。

Ramandi等[17]研究了电气的传热和车辆通过PCM热管理，他们提出了的种双层结构PCM散热的数学模型如图3所示。

3.Al-Hallaj设计圆柱形电池的电池模组PCM散热结构

Al-Hallaj设计圆柱形电池的电池模组PCM散热结构，如图4所示，设计的相变材料用于热管电池组形成一个模块，首先计算出所需PCM的质量，再根据电池的形状确定相变材料基体的几何尺寸，制作相变材料基体，并在基体上均匀挖出与单体电池尺寸相同的洞，洞的数量由电池模组中能够容纳的单体电池数量决定。

4.Jarret和基姆[16]的PCM冷却系统

在该设计中每一个单体电池的边界是由2个相对较薄的PCM层组成，因此，对于具有N个电池模块，要使用N+1个PCM（如图5所示）。

四、展望

相变材料用于电池热管理系统中具有不需要运动部件、不需要耗费电池额外能量等优势。用于电池组的热管理系统中可以有效吸收充放电过程中放出的热量，降低电池温升，保证电池在正常温度下工作。同时在动力电池模块中加入固液相转变的相变物质，可控制动力电池模块的温度。然而相变物质相变前后会发生固液相转变，动力电池模块需要密封防止相变物质流动；这对动力电池模块的制作工艺提出极大的挑战。此外，液化后的相变物质存在对动力电池模块的腐蚀风险。但是随着研究的不断深入，也会克服目前存在的缺点。总之，电池热管理系统是适应未来电动汽车发展的重要方向，而PCM材料及其结构的研究也仍會是未来研究的热点。

参考文献

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