相变材料在电池散热系统中的应用研究

摘要

动力电池是新能源汽车的核心部件之一，其可靠性、安全性等性能影响着新能源汽车的发展，电池热管理在电动汽车领域中的重要性不言而喻。

文章在传统电池热管理系统中将风冷和液冷转变为相变材料冷却，利用相变材料潜热特性，并且单独对每个单体电池形成热管理系统，有利于控制电池包中单体电池间的温度一致性，也能解决单体电池在组装成电池包后实际工作温度与其最佳温度存在差异性问题，同时可根据对电池包的需要，将单体电池拼装成指定需要容量的电池包，提高电池包的工作安全性。

引言

随着纯电动汽车市场的快速增长， 车用动力电池的热管理问题也日益凸显， 动力电池工作的最高温度和最低温度在0~40℃较为适宜， 在20~30℃范围是其最佳的工作温度， 且电池模组之间的温度差不超过5℃， 这样才能够保证动力电池高效的放电性能， 同时具备较高的安全性。

本文首先介绍相变材料的特性， 然后建立一种带有相变材料的电池模型， 利用仿真软件分析对比相变材料冷却和自然风冷条件下动力电池的散热情况， 从而建立一种有效的含有相变材料的电池散热模型。

相变材料电池模型的建立

随着纯电动汽车市场的快速增长， 车用动力电池的热管理问题也日益凸显， 动力电池工作的最高温度和最低温度在0~40℃较为适宜， 在20~30℃范围是其最佳的工作温度，且电池模组之间的温度差不超过5℃，这样才能够保证动力电池高效的放电性能， 同时具备较高的安全性。

本文首先介绍相变材料的特性，然后建立一种带有相变材料的电池模型， 利用仿真软件分析对比相变材料冷却和自然风冷条件下动力电池的散热情况，从而建立一种有效的含有相变材料的电池散热模型。

再将微胶囊固定封装填入到单体电池安装模块中， 此相变材料的导热率为0.365W/（m·K），密度为0.856g/cm3，固液相变温度为30℃。 

含有相变材料的18650单体电池外观如图1所示。

带 有 PCM 的 动 力 电 池 模 组 包 括PCM外壳和10个动力电池单体。

此动力电池模组由10个单体电池串联组成，之间通过导线相连接。 

基于CFD中的压力算法及熔化/凝固模型， 利用仿真软件对比自然风冷和PCM对动力电池的散热效果。 

对PCM作出如下假设：①PCM在 吸 放热过程中密度不改变；②PCM在相变过程中 其 比 热容和导热率保持恒定；③PCM在各项参数保 持 均 匀统一性。 

PCM电池模组剖面如图2所示。

电池特性参数与模拟条件

所用动力电池单体为某款18650电池， 容量为1.8Ah，内阻为65mΩ， 质量为45g， 比热容为870kJ/（kg·K）， 电池模块由10块电池单体串联而成， 单体间的间隔为2个电池单体安装模块安装后的距离， 此处设定为10mm。

假设此动力电池模组在环境温度25℃下以3C放电倍率放电， 那么放电时间最多为1200s， 软件模拟仿真放电结束电池模块温度场分布， 同时记录在此放电过程中随着时间电池模块最高温度的变化。

仿真模拟结果分析

图3为电池模组以3C放电倍率在环境温度为25℃自然风冷条件下的温度场， 电池模组最高温度为66.9853℃， 最低温度为27.7178℃。

根据动力电池对温度的最适宜范围要求， 此自然风冷状态下电池模组的最高温度已超出电池最适宜工作温度18~45℃范 围，最高温度与最低温度之差39.2675℃亦远超出电池温度一致性5℃温度范围， 同时由于电池单体之间亦存在热交换，使得电池模组中单体电池温度相互影响。

自然风冷的散热效率低下， 在电池大倍率放电时很难将电池的热量散发带走。

图4为电池模组以3C放电倍率在环境温度为25℃包含PCM的单体电池外壳模块下的温度场， 电池模组最高温度为30.2281℃， 最低温度为26.2031℃，最大温差为4.0250℃，整个电池模组的最高温度和温度一致性均满足动力电池温度的最适宜工作范围。 

此外， 在PCM的吸热作用下， 电池单体间的热量基本上不发生热量的传递， 能更好保证电池模组的温度一致性要求。

此电池外壳安装模块中包含PCM， 此种PCM的相变温度范围为30℃， PCM在与电池接触的局部温度达到30℃时，已到达相变材料的熔点， 此时相变材料开始发生相变吸收电池的热量， 使得电池的最高温度保持在30℃左右。 

两种散热方式下电池组最高温度如图5所示， 即有PCM电池安装模块下和无PCM自然风冷下电池模组中最高温度随放电时间变化的对比。

从图5的电池最高温度上升趋势图对比可以看出，电池由于持续放电产生热量积累温度逐渐升高。

自然风冷条件下，在持续放电进行到600s时，电池最高温度已达45℃以上，超出电池的工作安全温度。

而用装有PCM的电池安装模块的电池模组的最高温度在600s以后就趋于稳定状态，在这之前由于PCM处于固态状态只能依靠显热来对电池进行冷却，冷却效率不够高，但是比自然风冷的效果稍好。

当电池局部最高温度达到30℃时，与之相接触的PCM开始发生固液相变，以潜热的形式将电池的温度吸收，达到快速冷却电池的目的。

从图6中可以发现，当电池开始放电后，由于电池温度不断上升，与电池相接触的PCM在吸收热量的同时自身的物理状态也发生着改变。

在当电池模组以3C放电倍率持续放电至600s之前，电池的温度低于30℃，此时PCM处于固态，依靠显热来给予电池降温，这一过程中PCM发生着固-固相变，只是PCM内部的结构改变，潜热小。

当持续放电至600s以后，电池的局部温度已经达到30℃，与之相接触的那一部分PCM开始发生固液相变，此时PCM的温度、体积变化小，潜热大，冷却效果好。

由于PCM发生固-气、液-气相变时体积变化大，空间需求高，故在实际应用中不切合实际。

 

相变材料在动力电池散热系统中的应用

基于上述情况，可以将含有PCM的微胶囊应用于动力电池的热管理中。

此微胶囊将相变材料包裹在其内部，用固态PCM封装技术分散成球形小颗粒，再在表面封装一层性能稳定的壳材，即得到相变材料微胶囊，每个微胶囊中包含的相变材料为1g。

此种相变材料的相关物理性质为:导热率为0.365W/(m·K)，密度为0.856g/cm，固液相变温度为30℃，其吸热相变潜热为128.5kJg，放热相变潜热为125.2kJ/kg。

上文中由于每个单体18650电池都安装在包含有PCM的外壳模块中，所以每个单体18650电池之间发生的热扩散可忽略不计。

此款18650电池容量为1.8Ah:那么以3C放电倍率放电时，放电电流为5.4A，放电时间为1200s。当电池以大电流放电时，电池中产生的反应热较少，可忽略不计，主要热量来源于电池的内阻热。内阻产生的热量为0=PRt=5.42x0.065x1200J=0.42kJ。电池工作温度保持在30℃。

假设此种单体18650电池在25℃的环境温度中工作，那么电池吸收的热量0,=CmAt=0.87x0.045x5kJ=0.196kJ那么还剩0:=0:-0,=0.42-0.196=0.224kJ的热量需要被相变材料吸收，那么所需相变材料的质量为1.74g，假设此种单体18650电池在-20℃的环境温度中工作，同理至少需要相应的相变材料的质量为12.28g；在80℃的环境温 度 中 工 作 ， 同 理 至 少 需 要 相 应 的 相 变 材 料 的 质 量 为18.5g。

综合计算， 当每个单体电池外壳模块中含有18.5g的相变材料， 即19个相变材料微胶囊，可使此种单体18650电池在环境温度为-20~80℃的范围内保持30℃的工作温度。利用上述的理论基础和计算方法，将相变材料应用于汽车动力电池的热管理中， 可以根据电池的选型和电芯的数量来制备相应的含有相变材料的模块，这样能够满足电池的热管理需求。

总结

利用仿真软件， 进行相变材料和自然风冷条件下的电池温度场仿真， 发现相变材料在动力电池热管理中的应用能够提高电池热管理的效率。 

根据相变的物性特征， 为保持电池在合理的工作温度区间， 计算动力电池在不同的温度环境中需要的相变材料质量， 提高电池热管理的使用效率。