相变材料动力电池热管理系统-----张国庆

1、第十一届全国轻型电动车技术研讨会相变材料动力电池热管理系统张国庆，钟官进，张江云 (广东工业大学材料与能源学院 ，广东 广州 510006)摘要：为了解决制约电动汽车发展动力电池热安全性和可靠性问题，开发具有了新型相变材料(Phase Change Material,简称PCM)热管理功能的动力电池模组。并对市场上的热管理技术进行调研评价。通过一代产品泡沫铜/石蜡42110相变模组（48V/10Ah）3C高倍率放电，二代产品石墨/石蜡复合相变材料模组（48V/7Ah）在室温下30A、100A高倍率大电流循环充放电。并对 96V/20Ah电池包进行装车测试，研究了相变材料热管理系统的控温性能。结

2、果表明：PCM冷却技术能够将最高温度和最大温差分别控制在50和5以内，具有良好的控温和均温能力。关键词：热管理；相变材料；控温性能；电池模组；0前言作为新能源汽车核心部件的动力电池，其安全性能将会对整车的总体性能产生直接或间接的影响。电池爬坡、启动或者突然加速时，瞬间产生大量的热量，电池内部温度达到100，过充接近200，温度不均衡导致电芯性能不均衡、电容量衰减、电池老化加速、电池寿命缩短，甚至引起燃烧或爆炸1。近几年来发生多起电动汽车起火燃烧事件。燃烧事故原因都指向动力电池组的热管理系统。例如：2010年1月，雷博新能源与安徽安凯汽车联合开发生产的两辆纯电动客车在乌鲁木齐发生了自燃事故； 2

3、011年7月，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）开展了一次对通用汽车雪佛兰VOLT电动车的侧面碰撞测试工作，测试过程中，停在NHTSA测试中心的VOLT测试车突然起火； 2012年6月12日，一辆深圳比亚迪电动出租车E6近日被GTR跑车以每小时100公里以上的速度从尾部撞击后起火；2013年11月7日，特斯拉MODELS在行驶过程中突然发生自燃；2014年7月5日，特斯拉MODELS在洛杉矶高速公路上发生碰撞引发着火。燃烧事故原因都指向动力电池组的热管理系统。因此，深入研究动力电池组热管理技术具有非常重要的意义。一个有效的动力电池热管理系统主要保持电芯间良好的温度均一性；实时采集、监测和

4、控制温度；温度过高时的有效通风和散热；低温条件下的快速加热。相关研究结果表明对于小型的电池组，单体电池间的最大温差在23就可以满足电池的散热需求，而大型的模块，最大温差在78将会对模块的性能和寿命很有利2，3。本文开发的相变材料热管理技术将电池的最大温差控制在5以内，基本上可以满足单体电池较好的一致性要求，可以提高电池组的性能和服役寿命，减少电池的更换组装以及事故多发频率，有效改善电池组的安全性。1动力电池热管理技术1.1 市场上热管理技术的特点及现状目前市场上主要采用空气冷却和液体冷却技术。前者采用空气作为传热介质，直接把空气导入使其穿过模块以达到热管理的目的。空气冷却方式的优点是:(1)结

5、构简单，重量相对较小；(2)有害气体产生时能有效通风； (3)工艺简单，成本较低。缺点是散热效果差，且易引起模块中电池间温度不均衡,进而损害电池的使用寿命。国内大多采用空气冷却技术，美国Enerl Think City 电池组为28KWh,电池组由432片单体电池组成，采用空气冷却；日本Toyota Prius采用空气冷却。液体冷却技术采用液体作为传热介质，为了使动力电池与液体进行良好绝缘，液体冷却通过在电池模块间布置管线或者夹套，或者直接将模块浸渍在电解质液体中。液体冷却技术具有较好的散热效果，但是较容易造成液体的泄露，管路的布置较为复杂，成本较高，系统的维护比较困难。美国的GM Volt采

6、用的液冷方法，冷却液为50%的水和50%的乙二醇混合物。金属散热片间隔于单体间，冷却液在散热片内封闭循环，单体散热片厚度仅为1mm左右，当温度过低时，加热线圈可加热冷却液并为电池升温。Tesla roadster动力电池的热管理系统采用的是液冷，冷却液为50%的水，50%的乙二醇。1.2 相变材料冷却技术PCM冷却技术是采用相变材料作为传热介质来达到散热的目的，是一种被动式的动力电池热管理技术。PCM应用于电池热管理系统中，即将整个电池组浸渍在PCM中，电池组放电时产生的热量由PCM吸收从而使电池温度降低，同时热量以相变热的形式存储在PCM中，并配合二次散热措施，可有效地控制电池温度的急剧上升

7、，缩短了电池处于高温时间，有效地防止电池热失控，提高电池模组的使用寿命。其工作原理如图1-1所示。 图1-1 PCM冷却技术工作原理Sabbah Rami4等通过对18650电池模块（14.4V/7.5Ah）进行空气冷却和PCM冷却对比，得到室外环境温度为45或者高至52时，模块高倍率放电下，PCM冷却时电池的最高温度依然可以保持在安全工作范围内，而空气冷却则不能达到相应的效果。Al-Hallaj5做了采用相变材料作为动力电池热管理系统的模拟实验，研究表明了相变材料热管理系统的可行性，相变材料热管理系统更节省空间。PCM动力电池冷却系统结构更加的简单，有利于降低电池箱的成本，不需要消耗电池模组

8、的能量，有利于提高续航里程。同时，在电池箱的撞击过程中可以起到缓冲的作用。2.相变冷却电池模块测试研究2.1泡沫铜/石蜡复合相变模组测试研究2.1.1泡沫铜/石蜡复合相变材料的制备将泡沫铜/石蜡复合相变材料应用于42110电池模块（48/10Ah），进行室温不同放电倍率的测试验证相变材料对电池模块散热的影响。通过真空低温灌注方法制备石蜡/泡沫铜复合材料，灌注时将与单体电池同样尺寸的模具代替42110，完全冷却后，再将模具取出6。42110电池模块复合材料模块如图2-1所示。之后将事先匹配好的42110单体电池以对称原则布上热电偶，如图2-2所示，放入灌注后的复合材料模块，进行电连接和绝缘连接，

9、包括模块与充放电保护板的连接、防震和防水措施。图2-1灌注后的复合材料模块 图2-2 42110电池模块热电偶布置2.1.2 2C放电实验测试先对电池模组进行充电，并确保电池模块电量饱和。因为电池在充电过程中会产生热量，等电池温度恢复到室温时，再对电池模组进行放电实验。选择如图2-2所示的处于模块最中间的电池即6、8、12、13测温点进行测试，这些测温点更能反应温度的影响。测试结果如图2-3所示。图2-3模块温度测试结果（2C）由图2-3可知，电池模块中电池的最高温度达到46.5，最低温度43.6比最低温度高出6.6%，最大温差为3.0。位于模块中心处电池的温度随着放电时间的增加而逐渐升高，当

10、温度达到石蜡的熔点时温度不再升高而是逐渐下降，这是由于石蜡相变融化，吸收了电池放电时产生的热量从而与环境进行对流换热所致。因此CF/PCM将电池的最高温度控制在了安全工作范围内，且模块中电池之间的温差保持在5以下，冷却效果和温度均衡效果比较明显，满足模组的应用需求。2.2 石墨/石蜡复合相变模组测试研究2.2.1石墨/石蜡复合相变材料模组制备将石墨/石蜡复合相变材料应用于LP2770112方形电池模组，在室温下对模组进行高倍率测试，验证石墨/石蜡复合相变材料在模组中的散热效果。石墨、石蜡质量比按照一定的比例复合，加上铜网压制成LP2770112方形电池大小的薄板8，如图2-5所示。图2-5相变

11、材料 图2-6 相变材料的放置石墨/石蜡复合相变材料板夹在两块LP2770112方形电池的两个大的表面制作成电池模组，如图2-6所示。在每个电池表面的中心处都布上测温用的热电偶，电池编号和热电偶的编号相同，如图2-7所示。图示2-8的是本团队制作的电池箱，包括两组电模组，每个模组由15个单体电芯串接而成。电池模组规格参数为48V/7Ah。同时，电池箱中设计有风道，电池箱一端按装有轴流式小风扇。 图2-7模组电池布置图 图2-8模组实物图2.2.2电池模组100A实验测试先用1C的倍率对电池模组(48V/7Ah)进行充电，然后使模组在31.433的室温下条件下以100A的大电流高倍率放电。温度采

12、集使用基于labview开发的电池热管理系统自动采集。由于电池箱的两个模组基本对称，因此，放电实验只在一个模组中进行。由于温度采集系统的数据采集通道不足，而电池13、14、15的位置和电池3、4、5的位置对称，所以通过观察电池3、4、5的温度来观察电池13、14、15的温度。温度测试结果如图2-9所示。由数据可知，当电池箱在没开轴流小风扇，没有风冷的条件下，第一次采用100A高倍率大电流放电时，电池模组温度逐渐升高。在A点处模组放电结束，但模组放电结束后温度还是继续缓慢上升。电池模组电池表面最高温度为47，控制在50以下。第一次放电时电池间的温差在12左右。结果表明，最高温度在控制范围内，电池

13、单体间的温度较均匀，温差较小。 图2-9 模组放电结果（100A）2.2.3 使用二次散热电池模组100A连续充放电循环测试石墨/石蜡复合相变材料冷却系统的热量完全释放后，使模组（48V/7Ah）在3335的室温，开启轴流风扇，有风冷的条件下连续以100A的大电流高倍率放电，1C倍率充电，并采集电池单体温度变化数据。温度采集使用基于labview开发的电池热管理系统自动采集。温度采集点为模组中单体电池的中心。连续充放电测试温度测试结果如图2-10所示。模组在大电流放电时温度逐渐升高，充电过程中，电池的温度逐渐降低。在每个循环中，模组的最高温度呈逐渐升高的趋势，因为在循环中热量还没完成释放。第一

14、次放电电池模组的最高温度为42左右。第二次放电电池模组的最高温度为46左右。但经过连续的三次高倍率放电，模组的最高温度依然控制在50以内，电池单体间的温差控制在5内。模块的最高温度和最大温差都在我们控制需求范围内，能够满足电池散热的需求。因此，模组连续大电流高倍率充放电时，PCM冷却系统在结合风冷或液冷冷却方式下，能很好的满足散热要求。通过结合风冷和液冷带走相变材料中蓄的热量，进行二次散热，可以有效加快相变材料中热量的散失，增强石墨/石蜡复合相变材料冷却系统的控温效果。图2-10模组循环充放电结果（100A）2.2.4电池模组30A连续充放电测试在石墨/石蜡复合相变材料冷却系统的热量完全释放后

15、，使模组（48V/7Ah）在3335的室温，不加风冷的条件下连续以30A的大电流放电，1C倍率充电。模组30A连续充放电测试温度测试结果如图2-11所示。由数据可知，模组在放电时，电池温度升高，在模组的充电过程中，电池的温度逐渐降低。第一次放电结束后电池模组的最高温度为38.5，第一次放电结束后电池模组的最高温度为42.5，第一次放电结束后电池模组的最高温度为46。经过三次循环，模组的最高温度依然控制在50以内，电池单体间的温差控制在5内。从数据可知，在减小电池模组的放电放电倍率的情况下，石墨/石蜡复合相变材料冷却系统可以满足温度控制的要求。图2-11 模组循环充放电（30A）3.电动车的整车

16、测试为了验证电动汽车实际运行时电池模组温度变化规律，验证PCM相变材料热管理对电池模组温度管理的有效性，因此，将锂电池组进行装车运行实验。锂电池组为96V/20Ah,由1个石墨/石蜡相变模组（48V/10Ah）和3个空气冷却模组(48V/10Ah)进行2串2并组成。整车试验原理图如图3-1所示。图3-1 整车实验原理图 图3-2模组装车测试过程模组的装车测试是在一段平整的路段中进行。实验过程中单体电池温度的采集选取了对称位置上的一个空气冷却模组和一个石墨/石蜡相变模组的部分单体电池作为采集对象。空气冷却模组的测试结果如图3-3所示，相变材料冷却模组的测试结果与空气冷却模组的测试结果对比如图3-

17、4所示。 图3-3装车空气冷却模组测试结果 图3-4装车相变材料模组测试结果图3-3表明空气冷却的模块单体电池温度随着放电时间呈急剧增高的趋势，单体的最高温度达到56.8。同时，模组电池单体间的温差逐渐增大，单体间的温差较大，超过5。图3-4表明了石墨/石蜡相变模组单体温度随着放电时间变化平缓，石墨/石蜡相变冷却模组的单体电池最高温度为36，较空气低了57.7%，具有很好的冷却效果。电池温度急剧升高，易对电池的性能造成损害，甚至引发起火爆炸，所以PCM冷却模块对于电池的控温以及降低温升速率具有积极的意义。4.结论PCM冷却技术具有散热和均温性能效果好，系统结构简单的特点，对温度的管理具有可行性

18、。采用泡沫铜/石蜡复合相变材料应用于42110电池单体，制作成电池模组。电池模组在2C和3C倍率放电时，电池的温度均在50以下，电池间的温差在5以内。LP2770112方形电池模组的高倍率大电流循环充放电测试表明，放电过程中模组温度升高，充电时温度降低。模组首次大电流放电，石墨/石蜡复合相变材料热管理系统具有好温度管理性能，温度可以控制在50以内，电池间温差较小。LP2770112方形电池模组（48V/7Ah）在30A电流循环充放电时，石墨/石蜡复合相变材料热管理系统可以满足控温和均温要求。模组连续的高倍率大电流（100A）首次放电时能满足控温和均温要求，但是连续的高倍率大电流（100A）充放

19、电循环时，因为石墨/石蜡复合相变材料蓄的热在充电过程中来不及全部放出，热管理系统蓄热能力逐渐饱和，放电最高温度逐渐升高。多次循环充放电后，温度超过了50。在有风冷二次散热的情况下，模组连续高倍率充放电循环中，模组温度能被控制在50内。所以，相变材料热管理系统需要结合风冷或者液冷进行二次散热。在风冷模组和相变材料冷却模组的装车对比实验中表明，相变材料冷却对温度的管理效果比风冷的温度管理有明显的优势。可以看出，相变材料热管理系统是一种很有潜力的动力电池热管理系统，是未来主要的动力电池冷却技术之一。 参考文献1 胡华宋慧电动汽车（第三版）M 北京：人民交通出版社，20122S. A. Khateeb

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