文接上篇《德耐隆浅谈相变材料的电动汽车电池热管理研究进展(1)》
3基于PCM的电池热管理模块
3.1PCM电池热管理模块设计、组装和测试
PCM与电池整合，通过利用材料熔化或凝固时的吸放热特性来对电池进行热管理，结合辅助设备和装置，可以形成电池热管理模块。该模块可以将电池组温度有效控制在最佳范围，从而提升电池单体间的温度分布均一性。其中，PCM是热管理系统的核心，其相变温度的确定与电池的最佳工作温度相关，材料的用量主要取决于其相变潜热，其热导率影响到电池产热能否被材料快速吸收和模块的均温性。除提升材料的热导率以外，材料在电池热管理系统中的分布方式对有效导热也有着重要影响，因此需对包含PCM的电池热管理模块进行布局设计、试验测试和参数优化。
最早的基于PCM的热管理产品由Al-Hallaj团队于年开发，如图7所示。他们将相变温度为42~45℃、焓值为kJ/kg、热导率为16．6W/(m·K)的PCM/膨胀石墨复合材料填充到用于容纳电池的封闭盒，然后将圆柱状电池插入间隙，构成材料-电池模块。经测试，与空气冷却系统相比，该系统能够将电池中心与电池周边的温差从3℃降低至0．2℃，提升了电芯间的温度均一性，有效冷却了电池包。该团队成立了AllCellTechnologies公司，开发了应用于不同场景的产品。
利用石墨等碳材料作为导热添加剂形成定型的块体复合材料是早期研究的主要手段。许多工作围绕不同的电池类型，选择不同的PCM和模组设计，皆为达到降低模组整体温度的目的。Sabbah等将相变温度为52~58℃的PCM与石墨混合制备了复合材料，用于电池热管理。实验结果显示，当电池的放电速率为2C或环境温度低于25℃时，空气冷却与包含PCM的电池热管理系统并没有显著区别;当电池的放电速率达6．67C或环境温度高于45℃时，采用了复合PCM的电池热管理系统表现出更好的延迟温升效果。Lin等开发了添加膨胀石墨的PCM作为LiFePO4电池模块的被动热管理系统，并通过添加石墨片进一步降低电池和材料的接触热阻(图8)。实验结果表明，与不加相变热管理单元相比，在放电电流为40A和80A的条件下，电池模块的温度可分别降低32%和37%。
采用复合PCM改善电池模组均温性的效果也十分显著。曹建华开发了基于泡沫金属骨架的复合PCM，能够有效降低电池组内最高温度。针对不同的电池组，通过调整泡沫金属的孔隙率，均可以获得最佳的性能。系统设计如图9所示，材料填充于方形电池单体之间和箱体四壁。研究发现，在常温和高温下工作时，PCM热管理系统电池组内最高温度比自然冷却条件下的热管理系统低，单体之间最大温度差更小;在低温环境中冷却时，相比自然冷却的热管理系统，PCM热管理系统电池组内温度下降慢得多;当某个单体电池出现热失控时，PCM热管理系统电池组内最高温度比自然冷却的热管理系统低很多。
在实际应用中，不仅要考虑PCM的导热性能，还要考虑材料自身的其他物理性质，如密度、相变前后的体积改变、热稳定性等也会带来其他问题，甚至成为安全隐患。凌子夜制作了类似AllCell产品的模块，将圆柱状电池埋入膨胀石墨复合PCM，形成电池热管理模块，实物如图10所示。结果表明，针对该电池产品，选用材料的最佳相变温度在40~45℃之间;增大PCM的密度可以提高PCM的热导率，从而提升系统温度均匀性，减小电池与PCM间的接触热阻，降低电池温度。但是密度过大会破坏膨胀石墨的孔结构，导致熔化后的复合PCM发生液漏现象。
对于石蜡质量分数为75%和85%的复合PCM，最大密度不应超过kg/m3和kg/m3。目前，复合材料开发大多采用多元增强手段，以达到导热系数、机械性能等的综合优化。Li等将普通石蜡与膨胀石墨、SiO2和铝蜂窝组件进行复合，结果表明，通过硅胶的封装可以防止材料液化后的泄露和降低过冷度，从而改善材料的抗压和抗形变性能，而铝蜂窝结构能够充分保证优异的散热效率。电池测试实验中，能够将LiFeO4电池组的温度控制在安全温度(50℃)范围之内。
将上述定型材料用于热管理系统还存在两个问题，一是达到相变焓吸热饱和状态后液态材料的流动和泄漏，二是相变前后换热器表面的接触热阻发生改变。对此，Huang等开发了一种利用高熔点(＞℃)聚合物作为骨架材料、结合低熔点PCM构成的复合柔性材料，达到了固定结构形态的效果。他们将该PCM放入半圆形的模具中，注塑成适合包绕圆柱电池的形状，紧密接触电池表面，从而达到降低接触热阻的目的。结果发现，在10C放电速率下，电池组的温度降低了18℃。该团队研究了多种柔性PCM，发现相变温度为33℃的材料适用于低温环境下的小功率电池组，而相变温度为47℃的材料适用于高温环境下的大功率电池组。此外，与普通PCM相比，柔性PCM的热管理的应用场景更灵活。
微胶囊封装PCM芯材分散在水z形成相变乳液，与定型PCM相比，其流动性使得散热效率更高。Zhang等设计了一种二元相变流体，用于电池包加热/冷却循环管道和换热系统，相变温度为28℃的十八烷发生相变时，吸收电池产生热量并通过换热将热量释放到驾驶室;相变温度为9．9℃的十五烷吸收驾驶室热量后，通过循环到达电池包，经过液固相变释放热量达到加热效果。Wang等制备了固含量分别为10%和20%的石蜡微乳液，相变温度为26℃时，相变潜热分别为21．6kJ/kg和44．1kJ/kg;将乳液灌入电池包水冷管道以取代水进行循环冷却(图11)。经模拟计算和实验测试，与水冷相比，相变乳液能够有效降低电池包最高温度以及减小最大温差，但是乳液的过冷度(~20℃)和导热系数(0．53~0．65W/(m·K))以及冷管布局结构等仍存在很大的改善空间。
3.2PCM电池热管理系统的模拟与仿真
PCM和电池之间的传热过程可以通过实验对其内部温度、热流等变量进行测量。但实验测量数据比较有限，难以直观获得系统内部温度、热流等参数的整体分布。而且实验的变量通常不止一个，当变量改变时，实验工况也要进行相应的改变，因而工作量大、周期长。使用计算流体力学(Compu-tationalfluiddynamics，CFD)及数值传热学(Numericalheattransfer，NHT)仿真方法、借助AnsysFluent、COMSOLMul-tiphysics等对电池工作的热过程建模，能减少重复性实验的工作量，达到快速优化电池模组设计的目的。
基本思路是:首先，对单体电池充放电过程中的产热过程进行分析，建立相应的电-热模型;其次，利用软件模拟单体电池工作过程中的温度分布情况;最后，将简化后的单体电池发热模型应用于电池组的传热过程模拟，获取整个电池组的温度分布及变化情况，并根据仿真结果优化电池组结构、尺寸，调整局部设计，减少热量的局部积累，使电池组整体温度更均匀。
Liu等对含有20只串联电池的电池组进行简化建模，其中，模组两侧的冷却管道可以流通空气、硅油或者PCM。选取具有代表性的计算域(如图12所示)，建立了包含电池材料、冷却流道及散热流体的二维非稳态传热模型，模拟该电池组在20℃、2C放电倍率下的放热过程，获取其内部对称截面上的温度分布情况，分析了环境温度、气流雷诺数和放电速率对电池温升及温度分布的影响，仿真结果如图13所示。相较于强制空冷和强制液冷，PCM系统的温度缓冲能力最强，可以将电池的内部发热迅速吸收，控制电池升温在7℃左右，显著低于空冷的近25℃温升和液冷的12℃温升。进一步地，该研究还对比了不同放电速率下强制空冷、强制液冷和PCM热管理系统(从上到下)的单电池表面温度分布图(图13)，从左到右的放电速率依次为0．5C、2C和4C。
仿真结果表明，强制液冷的局部冷却效果最好(最高温度略低于其他方式)，而使用PCM在降温的同时能更好地分散热量，达到均温效果。Qu等同样采用了瞬态模型，对使用金属泡沫铜/石蜡复合PCM进行热管理的大功率商用方形电池包的温度分布情况进行了模拟，并对模拟结果进行了实验验证。电池结构及热管理材料布置示意图见图14a。该模型结合了电池的电化学-热模型和表征泡沫铜中石蜡固液相变化的模型，其中电化学-热模型包括质量守恒、电荷守恒和能量守恒方程;
相变模型中，考虑了熔融石蜡与外部的自然对流以及局部热非平衡效应。模拟的初始温度为25℃，45min后，在1C放电速率下，采用隔热材料、自然空气对流以及采用泡沫铜复合相变材料这三种热管理模式下，电池模块温度分别升高了88℃、65．9℃和47．9℃(图14b)。对图14b三种模拟结果进行对比后可知，添加了金属泡沫铜的石蜡复合PCM有效地降低了温升，且电池模块在垂直方向上的温度分布较为均匀。
Lin等利用三维模型模拟了LiFePO4电池及石蜡/膨胀石墨复合PCM热管理系统。图15a展示了该模型所模拟的电池模块装置及结构布置示意图。该模型综合考虑了电池的内阻热、极化热和反应热。为简化模型，进行了合理的假设:复合PCM中膨胀石墨均匀分散，熔融状态的石蜡为不可压缩牛顿流体，并没有内部对流;电池的比热和热导率为常数，且该电池组与周围环境没有热交换。
利用该模型获取了电池模块在1C放电速率下的温度分布，模拟结果如图15b所示。在电池模块的放电过程中，电池中心的温度最高，整体温度得到了有效控制，PCM包裹在电池模块外起储热和温度缓冲作用。模拟结果表明，电池模块(不包括外围材料)在放电结束时的温度为23．1~24．7℃。该模拟温度结果与实验结果(22．4~24．4℃)进行了比较验证，温度值较为接近。
以上仿真案例说明，将电池的电化学-热模型与计算传热学模型相结合能够较为准确地模拟不同工况下电池组的温度分布情况。简化的二维模型可以极大地节省计算资源，但是仿真结果不能完全反映三维温度分布，应根据不同设计阶段和对仿真精度的要求选取合适的仿真模型。利用数值仿真有助于更高效地进行PCM热管理系统的结构优化、材料选型及控制优化。
4基于PCM的电池热管理系统
电池组的性能直接影响电动汽车整车系统的性能。除提升电池本身性能之外，还应对电池热管理系统进行优化和完善。车载动力电池对安全性能以及使用寿命有较高的要求，电池热管理系统的目标是把电池温度控制在安全范围之内，并尽可能减小电池之间的温差。对热管理系统的要求包括:(1)每个电池单体的温度都能控制在最佳范围内;(2)单电池内部的温差和电池模块内电池之间的温差要尽可能小;(3)电池模块之间的温差尽可能小;(4)系统体积小、质量轻、可靠性好，而且价格低廉。
4.1结合PCM的混合式冷却系统
通过合理设计基于PCM的热管理系统，可以获得均匀的电池温度分布，降低电池热失控的风险，但是PCM只能被动吸热，在高环境温度、高热流密度以及电池长期运行条件下，有效相变焓的消耗速率非常快，一旦吸热饱和，热管理系统就有可能失效。因此，为了提升PCM控温的可靠性，目前很多研究工作将被动热管理和基于空冷、液冷等的传统热管理方式相结合，形成混合热管理系统，其均温、冷却和节能效果更为显著。
Ling等将采用石蜡/膨胀石墨的被动热管理系统与结合了主动空冷的混合热管理系统进行实验对比，发现仅采用前者的5S4P的电池包在1.5C/2C(充/放倍率)循环两次之后，最高温度达到60℃;而采用后者的最高温度要低10℃，并且均温性效果更好(＜3℃)。模拟实验也验证了混合热管理模式能够通过空气流动对吸收热量的材料进行有效散热，防止因材料内部热量积聚造成的热管理失效。
Jilte等优化了PCM与圆柱状电池的结合模式(图16a)。电池由4mm的PCM套管包裹，电池之间留有一定的空间，引入主动空气冷却(图16b)。他们测试了在室温27℃、35℃、40℃以及2C和4C放电倍率下的冷却效果。结果表明，在40℃、4C放电倍率下，电池组升温不超过5℃;在35℃下，分别以2C和4C放电倍率放电s，电池间温差分别控制在0．05℃和0．12℃以内。在这种混合热管理模式之下，位于电池组中间的电池散热能更有效地传递，从而增强了整体的均温性。
在混合热管理系统中，PCM对于加强电池模组温度均匀分散性起到了重要作用，在模组中个别电池局部过热的情况下，能够有效延缓热扩散，对其他电池起到了有效保护作用。Hémery等研究了空气自然冷却、空气主动冷却以及结合PCM的半主动式水冷系统的效果。其中，半主动式的实验装置如图17所示，相变温度为28℃的PCM被灌入带有翅片的圆柱形铝套管中形成相变组件，然后将圆柱形电池插入套管组件中。27枚电池以蜂窝结构密排组成模块，模块上下放置铜冷却板，循环冷却水朝相对方向流动，形成混合式热管理结构。
图18A展示了循环过程中电池模块的温度分布仿真模拟结果。自然对流冷却未能起均温性效果，热区集中在模块中心;而在不同空气流速的强制对流作用下，热区虽然被转移到传热介质下游出口，但仍然无法保证温度分布均匀;而结合了PCM的液冷模式起到了显著的均温和快速冷却效果(图18B)。并且，相比纯PCM的被动热管理系统，与液冷相结合虽然会增加系统的净重，但整套混合热管理系统的电池模组质量与单纯液冷系统仍在同一个数量级，并且铝套管加PCM的设计能够有效降低PCM/电池的质量比至13.4%。
4．2PCM辅助的低温环境保温/预热系统
在低温环境下对动力电池包预热能够保证电池在短时间内达到优化工作温度。目前，大部分商用电动车一般采用外部热源(如电阻丝和电加热元件)通过热传导或热对流方式对电池进行预热。PCM的凝固过程可以释放储存的潜热和显热，在环境温度突然降低时，能够在短时间内为电池保温，防止电池温度显著下降，但无法用于长时间保温的应用场景。Ghadbeigi等的研究表明，石蜡材料因其低导热系数，能在－17℃的低温环境中有效维持电池模组温度10min，但长时间(2h以上)驻车，石蜡反而会导致预热速率降低;若使用石蜡/石墨复合材料，其较高的导热系数会促进散热，但也不能提供有效的保温功能。
低温中长时间驻车后，PCM吸收的热量会全部耗散，从而失去保温性能，因此仍然需要由内置的加热部件来对电池包进行有效预热。此时，材料可以暂时储热以备短时间驻车保温之需。Zhong等设计了基于石蜡/石墨复合PCM与电阻丝结合的加热保温管理系统(图19)，其中模块内每个圆柱电池表面与电阻丝接触，剩余空间填满PCM;箱体设计翅片，这样有利于系统的热量均衡。实验结果表明，3S5P的电池模组在8min内从－25℃被加热到10℃。
综上所述，PCM作为冷却或加热部件，与主动热管理系统如空冷、液冷、热管和加热片等结合，能够提升热管理系统的整体性能。一直以来，大部分研究都集中于利用PCM进行冷却，而低温环境中的驻车保温、冷启动预热研究相对较少。并且在冷却和加热两种模式下，对材料的导热性能要求是不一致的，因此，需要结合具体应用场景，加以模拟仿真和经济性分析，设计和优化热管理策略。
4.3基于PCM的电池热管理系统产品化进展
除了实验室研究成果，很多大型车企、电池制造公司等也投入资金开展基于PCM的热管理系统的研发工作。由于商业机密等原因，大部分资料来源于公开的专利，可见产品仍然处于研发初期，产品市场化仍然有一定难度。比亚迪公司申请了一项填充复合PCM的动力电池组发明专利。PCM填充在图20a所示的箱体空隙内，如上盖、底座等。动力电池组通过导热胶层粘结在托盘上，然后将托盘固定于车身。
使用时PCM吸收电池组的热量并传导给箱体，不借助任何动力散热，散热效果好，成本低。通用汽车全球技术运营有限责任公司申请了图20b所示带有PCM的电池组专利，其中PCM构成冷板，电池单元安装在PCM冷板上。该专利添加了冷却翅片以加强PCM与电池之间的热传导。Midtronics蓄电池公司也发明了带有PCM的电池热管理系统。与前两者不同的是，该公司采用了圆柱形电池组，如图20c所示，电池组外部包裹着PCM。电池组表面有突起的翅片，可用于增大PCM与电池组的接触面积。目前，AllCellTechnologies公司进行了商业化产品升级，发布CORE产品线，用于电动汽车动力电池包、便携移动设备甚至静态电化学储能站。如图20d所示，产品进行模块化生产，核心材料为相变复合体(PCC)，导热系数高达25W/(m·K)，模块有效降温达10℃。
5结语与展望
本文系统地介绍了基于PCM开发的电池热管理系统的研究进展。实验和模拟结果都表明，使用具有合适相变温度、相变焓和导热系数的PCM，在高温、高倍率放电工况下，可以显著改善电池组的均温性。通过材料性质优化以及与传统热管理方式相结合，可以将电池运行温度控制在最佳温度范围内，从而减少电池容量的损失，提高电池稳定性。相比主动热管理模式，其能在一定程度上减少能耗。
材料性质优化的关键是提高PCM的导热系数，从而提高传热效率，增强电池间温度分布均匀性。多数PCM的低热导率限制了其应用领域，常规有效方案是进行导热增强复合，添加金属或碳纳米粒子，或利用铝泡沫或者膨胀石墨进行材料吸附，或在换热器内部构造金属翅片等结构单元。但是，在掺杂其他非PCM导热剂后，复合材料的有效相变焓会相应降低，需要根据实际工况需求进行综合考虑。此外，也有学者开展了PCM微胶囊化的研究，相变微胶囊流体可以结合液冷管道和换热结构，将系统中的热量快速输运到外界环境中。该技术的适用性及应用形式还需要进一步研究。材料种类创新的空间已然不大，目前研究案例多采用石蜡，而对脂肪酸和多元醇等其他类型的PCM的研究较少。后者尽管相变焓较低，但相变温度可以满足电池热管理温度要求，且各具优点，有一定的发展潜力。
在装置层面，还需要进一步优化电池模块的布局结构，实现控温时间的延长和体系均温性的提高。一方面，由于PCM吸热之后的流动性和漏液现象，需要强化密封性和绝缘性;另一方面，材料在相变前后会出现密度的变化，将会导致体积的改变，多次充放热循环可能会使材料发生形变，进而增大材料与电池壁面的接触热阻，降低传热速率，长此以往甚至会导致容器受压形变。因此需要对PCM封装方式及其与电池的结合方式进行深入研究，实现机械性能、传热性能、可靠性的综合优化。
动力电池组能量密度和功率密度的不断提高以及电动在不同气候环境中推广普及的需求对冷却系统提出了更高的要求。将强制空冷、液冷技术和PCM冷却技术相结合的混合式热管理系统是提升热管理系统性能的一种有效途径。这不仅对硬件实现提出了一定的创新要求，而且需要根据具体的应用场景进行热管理策略制定和控制优化。目前国内外大部分研究还仅限于小功率电池模块，这些电池模块只能用于电动滑板车等小功率电动车辆。将混合式热管理系统应用在大功率车载动力电池组中的技术开发、经济性分析和模式探究仍有其必要性。此外，利用PCM对电池保温的研究仍较少，但通过设计方案创新，如设计基于相变储热材料的暖通空调蓄热单元，或许能提供一种节能环保的替代方案。
文章来源：
金露1，谢鹏1，赵彦琦2，邹博杨2，丁玉龙2，蓝元良1，谯耕1，
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