相變材料動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)-----張國(guó)慶

1、第十一屆全國(guó)輕型電動(dòng)車技術(shù)研討會(huì)相變材料動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)張國(guó)慶，鐘官進(jìn)，張江云 (廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 ，廣東 廣州 510006)摘要：為了解決制約電動(dòng)汽車發(fā)展動(dòng)力電池?zé)岚踩院涂煽啃詥?wèn)題，開(kāi)發(fā)具有了新型相變材料(Phase Change Material,簡(jiǎn)稱PCM)熱管理功能的動(dòng)力電池模組。并對(duì)市場(chǎng)上的熱管理技術(shù)進(jìn)行調(diào)研評(píng)價(jià)。通過(guò)一代產(chǎn)品泡沫銅/石蠟42110相變模組（48V/10Ah）3C高倍率放電，二代產(chǎn)品石墨/石蠟復(fù)合相變材料模組（48V/7Ah）在室溫下30A、100A高倍率大電流循環(huán)充放電。并對(duì) 96V/20Ah電池包進(jìn)行裝車測(cè)試，研究了相變材料熱管理系統(tǒng)的控溫性能。結(jié)

2、果表明：PCM冷卻技術(shù)能夠?qū)⒆罡邷囟群妥畲鬁夭罘謩e控制在50和5以內(nèi)，具有良好的控溫和均溫能力。關(guān)鍵詞：熱管理；相變材料；控溫性能；電池模組；0前言作為新能源汽車核心部件的動(dòng)力電池，其安全性能將會(huì)對(duì)整車的總體性能產(chǎn)生直接或間接的影響。電池爬坡、啟動(dòng)或者突然加速時(shí)，瞬間產(chǎn)生大量的熱量，電池內(nèi)部溫度達(dá)到100，過(guò)充接近200，溫度不均衡導(dǎo)致電芯性能不均衡、電容量衰減、電池老化加速、電池壽命縮短，甚至引起燃燒或爆炸1。近幾年來(lái)發(fā)生多起電動(dòng)汽車起火燃燒事件。燃燒事故原因都指向動(dòng)力電池組的熱管理系統(tǒng)。例如：2010年1月，雷博新能源與安徽安凱汽車聯(lián)合開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的兩輛純電動(dòng)客車在烏魯木齊發(fā)生了自燃事故； 2

3、011年7月，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）開(kāi)展了一次對(duì)通用汽車雪佛蘭VOLT電動(dòng)車的側(cè)面碰撞測(cè)試工作，測(cè)試過(guò)程中，停在NHTSA測(cè)試中心的VOLT測(cè)試車突然起火； 2012年6月12日，一輛深圳比亞迪電動(dòng)出租車E6近日被GTR跑車以每小時(shí)100公里以上的速度從尾部撞擊后起火；2013年11月7日，特斯拉MODELS在行駛過(guò)程中突然發(fā)生自燃；2014年7月5日，特斯拉MODELS在洛杉磯高速公路上發(fā)生碰撞引發(fā)著火。燃燒事故原因都指向動(dòng)力電池組的熱管理系統(tǒng)。因此，深入研究動(dòng)力電池組熱管理技術(shù)具有非常重要的意義。一個(gè)有效的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要保持電芯間良好的溫度均一性；實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)和

4、控制溫度；溫度過(guò)高時(shí)的有效通風(fēng)和散熱；低溫條件下的快速加熱。相關(guān)研究結(jié)果表明對(duì)于小型的電池組，單體電池間的最大溫差在23就可以滿足電池的散熱需求，而大型的模塊，最大溫差在78將會(huì)對(duì)模塊的性能和壽命很有利2，3。本文開(kāi)發(fā)的相變材料熱管理技術(shù)將電池的最大溫差控制在5以內(nèi)，基本上可以滿足單體電池較好的一致性要求，可以提高電池組的性能和服役壽命，減少電池的更換組裝以及事故多發(fā)頻率，有效改善電池組的安全性。1動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)1.1 市場(chǎng)上熱管理技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)狀目前市場(chǎng)上主要采用空氣冷卻和液體冷卻技術(shù)。前者采用空氣作為傳熱介質(zhì)，直接把空氣導(dǎo)入使其穿過(guò)模塊以達(dá)到熱管理的目的?？諝饫鋮s方式的優(yōu)點(diǎn)是:(1)結(jié)

5、構(gòu)簡(jiǎn)單，重量相對(duì)較?。?2)有害氣體產(chǎn)生時(shí)能有效通風(fēng)； (3)工藝簡(jiǎn)單，成本較低。缺點(diǎn)是散熱效果差，且易引起模塊中電池間溫度不均衡,進(jìn)而損害電池的使用壽命。國(guó)內(nèi)大多采用空氣冷卻技術(shù)，美國(guó)Enerl Think City 電池組為28KWh,電池組由432片單體電池組成，采用空氣冷卻；日本Toyota Prius采用空氣冷卻。液體冷卻技術(shù)采用液體作為傳熱介質(zhì)，為了使動(dòng)力電池與液體進(jìn)行良好絕緣，液體冷卻通過(guò)在電池模塊間布置管線或者夾套，或者直接將模塊浸漬在電解質(zhì)液體中。液體冷卻技術(shù)具有較好的散熱效果，但是較容易造成液體的泄露，管路的布置較為復(fù)雜，成本較高，系統(tǒng)的維護(hù)比較困難。美國(guó)的GM Volt采

6、用的液冷方法，冷卻液為50%的水和50%的乙二醇混合物。金屬散熱片間隔于單體間，冷卻液在散熱片內(nèi)封閉循環(huán)，單體散熱片厚度僅為1mm左右，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，加熱線圈可加熱冷卻液并為電池升溫。Tesla roadster動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)采用的是液冷，冷卻液為50%的水，50%的乙二醇。1.2 相變材料冷卻技術(shù)PCM冷卻技術(shù)是采用相變材料作為傳熱介質(zhì)來(lái)達(dá)到散熱的目的，是一種被動(dòng)式的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)。PCM應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，即將整個(gè)電池組浸漬在PCM中，電池組放電時(shí)產(chǎn)生的熱量由PCM吸收從而使電池溫度降低，同時(shí)熱量以相變熱的形式存儲(chǔ)在PCM中，并配合二次散熱措施，可有效地控制電池溫度的急劇上升

7、，縮短了電池處于高溫時(shí)間，有效地防止電池?zé)崾Э?，提高電池模組的使用壽命。其工作原理如圖1-1所示。 圖1-1 PCM冷卻技術(shù)工作原理Sabbah Rami4等通過(guò)對(duì)18650電池模塊（14.4V/7.5Ah）進(jìn)行空氣冷卻和PCM冷卻對(duì)比，得到室外環(huán)境溫度為45或者高至52時(shí)，模塊高倍率放電下，PCM冷卻時(shí)電池的最高溫度依然可以保持在安全工作范圍內(nèi)，而空氣冷卻則不能達(dá)到相應(yīng)的效果。Al-Hallaj5做了采用相變材料作為動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，研究表明了相變材料熱管理系統(tǒng)的可行性，相變材料熱管理系統(tǒng)更節(jié)省空間。PCM動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加的簡(jiǎn)單，有利于降低電池箱的成本，不需要消耗電池模組

8、的能量，有利于提高續(xù)航里程。同時(shí)，在電池箱的撞擊過(guò)程中可以起到緩沖的作用。2.相變冷卻電池模塊測(cè)試研究2.1泡沫銅/石蠟復(fù)合相變模組測(cè)試研究2.1.1泡沫銅/石蠟復(fù)合相變材料的制備將泡沫銅/石蠟復(fù)合相變材料應(yīng)用于42110電池模塊（48/10Ah），進(jìn)行室溫不同放電倍率的測(cè)試驗(yàn)證相變材料對(duì)電池模塊散熱的影響。通過(guò)真空低溫灌注方法制備石蠟/泡沫銅復(fù)合材料，灌注時(shí)將與單體電池同樣尺寸的模具代替42110，完全冷卻后，再將模具取出6。42110電池模塊復(fù)合材料模塊如圖2-1所示。之后將事先匹配好的42110單體電池以對(duì)稱原則布上熱電偶，如圖2-2所示，放入灌注后的復(fù)合材料模塊，進(jìn)行電連接和絕緣連接，

9、包括模塊與充放電保護(hù)板的連接、防震和防水措施。圖2-1灌注后的復(fù)合材料模塊 圖2-2 42110電池模塊熱電偶布置2.1.2 2C放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試先對(duì)電池模組進(jìn)行充電，并確保電池模塊電量飽和。因?yàn)殡姵卦诔潆娺^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，等電池溫度恢復(fù)到室溫時(shí)，再對(duì)電池模組進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。選擇如圖2-2所示的處于模塊最中間的電池即6、8、12、13測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，這些測(cè)溫點(diǎn)更能反應(yīng)溫度的影響。測(cè)試結(jié)果如圖2-3所示。圖2-3模塊溫度測(cè)試結(jié)果（2C）由圖2-3可知，電池模塊中電池的最高溫度達(dá)到46.5，最低溫度43.6比最低溫度高出6.6%，最大溫差為3.0。位于模塊中心處電池的溫度隨著放電時(shí)間的增加而逐漸升高，當(dāng)

10、溫度達(dá)到石蠟的熔點(diǎn)時(shí)溫度不再升高而是逐漸下降，這是由于石蠟相變?nèi)诨樟穗姵胤烹姇r(shí)產(chǎn)生的熱量從而與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱所致。因此CF/PCM將電池的最高溫度控制在了安全工作范圍內(nèi)，且模塊中電池之間的溫差保持在5以下，冷卻效果和溫度均衡效果比較明顯，滿足模組的應(yīng)用需求。2.2 石墨/石蠟復(fù)合相變模組測(cè)試研究2.2.1石墨/石蠟復(fù)合相變材料模組制備將石墨/石蠟復(fù)合相變材料應(yīng)用于LP2770112方形電池模組，在室溫下對(duì)模組進(jìn)行高倍率測(cè)試，驗(yàn)證石墨/石蠟復(fù)合相變材料在模組中的散熱效果。石墨、石蠟質(zhì)量比按照一定的比例復(fù)合，加上銅網(wǎng)壓制成LP2770112方形電池大小的薄板8，如圖2-5所示。圖2-5相變

11、材料 圖2-6 相變材料的放置石墨/石蠟復(fù)合相變材料板夾在兩塊LP2770112方形電池的兩個(gè)大的表面制作成電池模組，如圖2-6所示。在每個(gè)電池表面的中心處都布上測(cè)溫用的熱電偶，電池編號(hào)和熱電偶的編號(hào)相同，如圖2-7所示。圖示2-8的是本團(tuán)隊(duì)制作的電池箱，包括兩組電模組，每個(gè)模組由15個(gè)單體電芯串接而成。電池模組規(guī)格參數(shù)為48V/7Ah。同時(shí)，電池箱中設(shè)計(jì)有風(fēng)道，電池箱一端按裝有軸流式小風(fēng)扇。 圖2-7模組電池布置圖 圖2-8模組實(shí)物圖2.2.2電池模組100A實(shí)驗(yàn)測(cè)試先用1C的倍率對(duì)電池模組(48V/7Ah)進(jìn)行充電，然后使模組在31.433的室溫下條件下以100A的大電流高倍率放電。溫度采

12、集使用基于labview開(kāi)發(fā)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)自動(dòng)采集。由于電池箱的兩個(gè)模組基本對(duì)稱，因此，放電實(shí)驗(yàn)只在一個(gè)模組中進(jìn)行。由于溫度采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道不足，而電池13、14、15的位置和電池3、4、5的位置對(duì)稱，所以通過(guò)觀察電池3、4、5的溫度來(lái)觀察電池13、14、15的溫度。溫度測(cè)試結(jié)果如圖2-9所示。由數(shù)據(jù)可知，當(dāng)電池箱在沒(méi)開(kāi)軸流小風(fēng)扇，沒(méi)有風(fēng)冷的條件下，第一次采用100A高倍率大電流放電時(shí)，電池模組溫度逐漸升高。在A點(diǎn)處模組放電結(jié)束，但模組放電結(jié)束后溫度還是繼續(xù)緩慢上升。電池模組電池表面最高溫度為47，控制在50以下。第一次放電時(shí)電池間的溫差在12左右。結(jié)果表明，最高溫度在控制范圍內(nèi)，電池

13、單體間的溫度較均勻，溫差較小。 圖2-9 模組放電結(jié)果（100A）2.2.3 使用二次散熱電池模組100A連續(xù)充放電循環(huán)測(cè)試石墨/石蠟復(fù)合相變材料冷卻系統(tǒng)的熱量完全釋放后，使模組（48V/7Ah）在3335的室溫，開(kāi)啟軸流風(fēng)扇，有風(fēng)冷的條件下連續(xù)以100A的大電流高倍率放電，1C倍率充電，并采集電池單體溫度變化數(shù)據(jù)。溫度采集使用基于labview開(kāi)發(fā)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)自動(dòng)采集。溫度采集點(diǎn)為模組中單體電池的中心。連續(xù)充放電測(cè)試溫度測(cè)試結(jié)果如圖2-10所示。模組在大電流放電時(shí)溫度逐漸升高，充電過(guò)程中，電池的溫度逐漸降低。在每個(gè)循環(huán)中，模組的最高溫度呈逐漸升高的趨勢(shì)，因?yàn)樵谘h(huán)中熱量還沒(méi)完成釋放。第一

14、次放電電池模組的最高溫度為42左右。第二次放電電池模組的最高溫度為46左右。但經(jīng)過(guò)連續(xù)的三次高倍率放電，模組的最高溫度依然控制在50以內(nèi)，電池單體間的溫差控制在5內(nèi)。模塊的最高溫度和最大溫差都在我們控制需求范圍內(nèi)，能夠滿足電池散熱的需求。因此，模組連續(xù)大電流高倍率充放電時(shí)，PCM冷卻系統(tǒng)在結(jié)合風(fēng)冷或液冷冷卻方式下，能很好的滿足散熱要求。通過(guò)結(jié)合風(fēng)冷和液冷帶走相變材料中蓄的熱量，進(jìn)行二次散熱，可以有效加快相變材料中熱量的散失，增強(qiáng)石墨/石蠟復(fù)合相變材料冷卻系統(tǒng)的控溫效果。圖2-10模組循環(huán)充放電結(jié)果（100A）2.2.4電池模組30A連續(xù)充放電測(cè)試在石墨/石蠟復(fù)合相變材料冷卻系統(tǒng)的熱量完全釋放后

15、，使模組（48V/7Ah）在3335的室溫，不加風(fēng)冷的條件下連續(xù)以30A的大電流放電，1C倍率充電。模組30A連續(xù)充放電測(cè)試溫度測(cè)試結(jié)果如圖2-11所示。由數(shù)據(jù)可知，模組在放電時(shí)，電池溫度升高，在模組的充電過(guò)程中，電池的溫度逐漸降低。第一次放電結(jié)束后電池模組的最高溫度為38.5，第一次放電結(jié)束后電池模組的最高溫度為42.5，第一次放電結(jié)束后電池模組的最高溫度為46。經(jīng)過(guò)三次循環(huán)，模組的最高溫度依然控制在50以內(nèi)，電池單體間的溫差控制在5內(nèi)。從數(shù)據(jù)可知，在減小電池模組的放電放電倍率的情況下，石墨/石蠟復(fù)合相變材料冷卻系統(tǒng)可以滿足溫度控制的要求。圖2-11 模組循環(huán)充放電（30A）3.電動(dòng)車的整車

16、測(cè)試為了驗(yàn)證電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)電池模組溫度變化規(guī)律，驗(yàn)證PCM相變材料熱管理對(duì)電池模組溫度管理的有效性，因此，將鋰電池組進(jìn)行裝車運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。鋰電池組為96V/20Ah,由1個(gè)石墨/石蠟相變模組（48V/10Ah）和3個(gè)空氣冷卻模組(48V/10Ah)進(jìn)行2串2并組成。整車試驗(yàn)原理圖如圖3-1所示。圖3-1 整車實(shí)驗(yàn)原理圖 圖3-2模組裝車測(cè)試過(guò)程模組的裝車測(cè)試是在一段平整的路段中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中單體電池溫度的采集選取了對(duì)稱位置上的一個(gè)空氣冷卻模組和一個(gè)石墨/石蠟相變模組的部分單體電池作為采集對(duì)象。空氣冷卻模組的測(cè)試結(jié)果如圖3-3所示，相變材料冷卻模組的測(cè)試結(jié)果與空氣冷卻模組的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖3-

17、4所示。 圖3-3裝車空氣冷卻模組測(cè)試結(jié)果 圖3-4裝車相變材料模組測(cè)試結(jié)果圖3-3表明空氣冷卻的模塊單體電池溫度隨著放電時(shí)間呈急劇增高的趨勢(shì)，單體的最高溫度達(dá)到56.8。同時(shí)，模組電池單體間的溫差逐漸增大，單體間的溫差較大，超過(guò)5。圖3-4表明了石墨/石蠟相變模組單體溫度隨著放電時(shí)間變化平緩，石墨/石蠟相變冷卻模組的單體電池最高溫度為36，較空氣低了57.7%，具有很好的冷卻效果。電池溫度急劇升高，易對(duì)電池的性能造成損害，甚至引發(fā)起火爆炸，所以PCM冷卻模塊對(duì)于電池的控溫以及降低溫升速率具有積極的意義。4.結(jié)論P(yáng)CM冷卻技術(shù)具有散熱和均溫性能效果好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，對(duì)溫度的管理具有可行性

18、。采用泡沫銅/石蠟復(fù)合相變材料應(yīng)用于42110電池單體，制作成電池模組。電池模組在2C和3C倍率放電時(shí)，電池的溫度均在50以下，電池間的溫差在5以內(nèi)。LP2770112方形電池模組的高倍率大電流循環(huán)充放電測(cè)試表明，放電過(guò)程中模組溫度升高，充電時(shí)溫度降低。模組首次大電流放電，石墨/石蠟復(fù)合相變材料熱管理系統(tǒng)具有好溫度管理性能，溫度可以控制在50以內(nèi)，電池間溫差較小。LP2770112方形電池模組（48V/7Ah）在30A電流循環(huán)充放電時(shí)，石墨/石蠟復(fù)合相變材料熱管理系統(tǒng)可以滿足控溫和均溫要求。模組連續(xù)的高倍率大電流（100A）首次放電時(shí)能滿足控溫和均溫要求，但是連續(xù)的高倍率大電流（100A）充放

19、電循環(huán)時(shí)，因?yàn)槭?石蠟復(fù)合相變材料蓄的熱在充電過(guò)程中來(lái)不及全部放出，熱管理系統(tǒng)蓄熱能力逐漸飽和，放電最高溫度逐漸升高。多次循環(huán)充放電后，溫度超過(guò)了50。在有風(fēng)冷二次散熱的情況下，模組連續(xù)高倍率充放電循環(huán)中，模組溫度能被控制在50內(nèi)。所以，相變材料熱管理系統(tǒng)需要結(jié)合風(fēng)冷或者液冷進(jìn)行二次散熱。在風(fēng)冷模組和相變材料冷卻模組的裝車對(duì)比實(shí)驗(yàn)中表明，相變材料冷卻對(duì)溫度的管理效果比風(fēng)冷的溫度管理有明顯的優(yōu)勢(shì)。可以看出，相變材料熱管理系統(tǒng)是一種很有潛力的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，是未來(lái)主要的動(dòng)力電池冷卻技術(shù)之一。 參考文獻(xiàn)1 胡華宋慧電動(dòng)汽車（第三版）M 北京：人民交通出版社，20122S. A. Khateeb

20、 , M. M. Farid , J. R. Selman Design and simulation of a lithium-ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooterJ.Journal of Power Sources,128 (2004):292307.3 彭強(qiáng).電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池?zé)嵝?yīng)研究D.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.4RizaKizilel, Rami Sabbah,J.Robert Selman, Said Al-Hallaj. An a

21、lternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs J. Journal of Power Sources,2009,194(2):1105-1112.5 A. Mills, S. Al-Hallaj, Journal of Power Sources, 141 (2005) 307-315.6 張江云.基于相變散熱的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研究D.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2010.7劉臣臻，張國(guó)慶，王子緣.膨脹石墨/石蠟復(fù)合材料的制備及其在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的散熱特性J新能源進(jìn)展，2（3）：233-238.8 R. Sabbah, R. Kizilel, J. R. Selman, S. Al-