施尚，余建祖,2，陳夢東，高紅霞,2，謝永奇

（1北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191；2北京航空航天大學人機工效與環(huán)境控制重點學科實驗室，北京 100191）

基于泡沫銅/石蠟的鋰電池熱管理系統(tǒng)性能

施尚1，余建祖1,2，陳夢東1，高紅霞1,2，謝永奇1

（1北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191；2北京航空航天大學人機工效與環(huán)境控制重點學科實驗室，北京 100191）

高效的熱管理系統(tǒng)能極大提高電池使用壽命并保證電池安全運行。為提高能源利用效率，針對動力電池組散熱問題設計了基于相變材料的被動式熱管理系統(tǒng)。采用泡沫銅/石蠟構成復合相變材料以提高石蠟的導熱性能，并對復合相變材料導熱性能進了測試。通過改變孔隙率、加熱功率及環(huán)境溫度，對不同工況下基于復合相變材料的熱管理系統(tǒng)性能進行了實驗研究。實驗結果表明，泡沫銅孔隙率分別為 96%、95%以及93%的復合相變材料的熱導率分別是純石蠟的14.2倍、19.2倍和25.4倍?；趶秃舷嘧儾牧系臒峁芾硐到y(tǒng)能顯著降低熱源溫度，其冷卻性能優(yōu)于自然對流風冷熱管理系統(tǒng)。當熱源發(fā)熱量及環(huán)境溫度為定值，相同結構復合相變材料下，泡沫銅孔隙率越低，熱管理系統(tǒng)性能越好?；趶秃舷嘧儾牧系臒峁芾硐到y(tǒng)能顯著減小由于加熱功率和環(huán)境溫度變化導致的溫度波動，提高了熱源溫度穩(wěn)定性。

熱管理；相變；石蠟；泡沫銅；對流；熱傳導

Key words：thermal management; phased change; paraffin; foam copper; convection; heat conduction

引 言

新型鋰離子電池具有質量輕、體積小、比能量高、比功率大、自放電少、無污染、無記憶效應、循環(huán)特性好等優(yōu)點，廣泛應用于便攜式電子產(chǎn)品、交通、儲能等領域[1-2]。但在鋰離子電池大規(guī)模使用的同時，由其引發(fā)的安全事故也頻頻出現(xiàn)。鋰離子引發(fā)的安全事故主要是由于電池的熱失控引起的[3]。電池組溫度以及溫度均勻性是影響電池的工作性能以及使用壽命的關鍵要素。在高溫環(huán)境下，電池內部不可逆反應增加，不可逆反應將會導致電池的可用容量減少，當達到最大容量的80%，電池壽命終結。電池組溫差導致電池之間內阻不同，長期工作會使各個電池生熱不均，進而導致電池之間存在容量差距。而電池組的容差與最差電池容量一致，所以電池內部溫度差異不可忽視[4-5]。電池熱管理系統(tǒng)（TMS）的作用是降低電池最高溫度，同時盡可能保證電池整體溫度一致，使得電池工作在最佳溫度范圍，從而提高電池壽命，避免電池出現(xiàn)安全性事故。

電池熱管理可分為主動式熱管理以及被動式熱管理。主動式熱管理方式，如基于空氣介質的電池熱管理[6]、基于液體介質的熱管理[7-8]，其在運行過程中需要額外消耗電池有限的能源，是以減少電池可用功率來換取電池安全溫度。相變熱管理具有系統(tǒng)簡單，無功耗的優(yōu)點，得到了越來越多的關注。Khateeb等[9-10]設計了基于相變材料的熱管理系統(tǒng)，研究表明，相變材料可以應用于電池熱管理中。Rao等[11]采用數(shù)值模擬的方法，模擬分析了基于相變材料的圓柱形LiFePO4動力電池模塊的降溫與均溫性能。結果表明，相比沒有填充相變材料（PCM）情況，填充 PCM 后，最高溫度隨時間呈現(xiàn)先明顯升高后逐漸平緩的趨勢，但隨著熱導率的進一步增加，最高溫度降低不明顯。相變材料如石蠟類的熱導率很小，從而給相變材料應用帶來限制。為了提高相變材料熱導率，通常在石蠟中添加（嵌入）泡沫金屬[12-14]、翅片[5]、膨脹石墨[15-16]構成復合相變材料。李釗等[17]制備了基于膨脹石墨/石蠟的復合相變材料，并計算出不同膨脹石墨質量分數(shù)下復合相變材料熱物性參數(shù)的理論值。Alipanah等[18]設計了以石蠟/泡沫鋁為復合相變材料的熱管理系統(tǒng)。Wu等[19]將相變材料填充進銅網(wǎng)中構成復合相變材料熱管理系統(tǒng)以提高純相變材料的熱導率。另外，由于相變材料充裝量的限制，相變熱管理系統(tǒng)工作時間有限，為延長熱管理工作時間，采用將風冷-相變材料[20]、液冷-相變材料[21]、熱管-相變材料[22]相結合成為重要手段。

相變熱管理系統(tǒng)中，相變材料與電池直接接觸可有效冷卻電池，但當相變材料完全熔化后，液態(tài)相變材料將對電池“保溫”，電池熱管理系統(tǒng)性能會急劇惡化，進而導致電池急劇升溫。針對上述問題，本文設計了基于石蠟/泡沫銅復合相變材料的冷卻熱管理系統(tǒng)，并對該熱管理系統(tǒng)性能進行了實驗研究；對多種規(guī)格的石蠟/泡沫銅復合相變材料的導熱性能進行測試；分析了孔隙率、加熱功率以及環(huán)境溫度對熱源溫度特性的影響。實驗結果可為相變熱管理系統(tǒng)設計提供指導。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 泡沫銅/石蠟復合相變材料導熱性能測試

相變熱管理系統(tǒng)中，選擇純度99%的正二十烷（C20H42）為熱管理系統(tǒng)工作介質，其熱導率為0.274 W·m-1·K-1，潛熱為 241 kJ·kg-1，熔點為 36.8℃。泡沫銅選用的孔隙率分別為96%、95%和93%。采用水浴的方式將相變材料熔化，將熔融后的液態(tài)相變材料加壓填充至泡沫銅內制作成復合相變材料樣件（80 mm×80 mm×30 mm），并對樣件上下表面進行校平。使用Hot Disk熱常數(shù)測定儀在室溫環(huán)境下對試件熱參數(shù)進行測量。

1.2 基于泡沫銅/石蠟相變材料熱管理系統(tǒng)

圖 1為采用泡沫銅/石蠟復合相變材料的熱管理系統(tǒng)結構。由于電池多次充放電循環(huán)后，電池容量會發(fā)生變化導致電池發(fā)熱量不一致，因此實驗中采用與真實電池相同尺寸的電加熱器（圖 2）來模擬電池發(fā)熱。電加熱器由導熱硅膠片-鋁片-電加熱膜-鋁片-導熱硅膠片疊加構成，其中導熱硅膠片的厚度為2.5 mm，熱導率為3.6 W·m-1·K-1；鋁片用于確保電加熱器有一定的結構強度以及讓加熱器溫度分布均勻，厚度為0.3 mm；電加熱膜為24 V/12 W的聚酰亞胺加熱膜。共6片電加熱器被放置在實際電池堆的多孔框架中（ABS材料），多孔框架用于安裝固定電加熱器，同時允許氣流通過框架上的孔洞流經(jīng)加熱器表面。加熱器表面布置鋁導熱片，導熱片規(guī)格為200 mm × 100 mm × 0.35 mm，用于將電加熱器產(chǎn)生的熱量傳遞至相變模塊。兩個相變模塊（PCM1、PCM2）布置在電池組側邊，相變模塊填充兩種類型的相變材料，分別是：①采用由正二十烷以及孔隙率95%鍍鎳泡沫銅構成的復合相變材料；②使用純石蠟。為減少石蠟灌注過程中出現(xiàn)的氣體空腔，采用真空灌注的方式填裝石蠟[23]。為盡可能提高熱管理系統(tǒng)工作時間，相變模塊盡可能充裝較多相變材料，結合相變模塊的安裝限制，PCM1的結構尺寸定為 42 mm × 32 mm × 110 mm，PCM2的結構尺寸定為 42 mm×40 mm ×150 mm。

圖1 復合相變材料熱管理系統(tǒng)結構Fig.1 Schematic diagram of TMS with composite PCM

圖2 電加熱器Fig.2 Electric heater

1.3 熱管理系統(tǒng)性能測試

圖3為復合相變熱管理系統(tǒng)性能測量實驗臺結構。在整個實驗過程中實驗件都放置于恒溫實驗箱（QGT302P）內，用以對實驗件進行實驗前的預熱和在實驗中保持恒定環(huán)境溫度，其溫度調控精度為±0.5℃。實驗過程中設定實驗溫度為28℃和35℃。采用 DH1722A-2型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源給電加熱器供電。單體電加熱器的加熱功率分別為3、4和5 W。加熱器以及相變模塊布置PT100溫度傳感器，布置位置如圖3所示，采用Agilent數(shù)據(jù)采集儀（34970A）采集溫度數(shù)據(jù)。

圖3 實驗系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of experimental system

2 實驗結果與討論

2.1 復合相變材料導熱性能

表 1為泡沫銅/石蠟復合相變材料熱性能測試結果。結果表明，泡沫銅作為填充材料與相變材料相結合后，不同孔隙率（ε）下的復合相變材料熱導率分別是純石蠟的14.2倍、19.2倍和25.4倍，熱擴散率分別是純石蠟的14.2倍、19倍和24.7倍，主要原因是熱量沿金屬纖維快速傳遞，并通過較大的比表面積將熱量迅速擴散到整個相變裝置內部，從而提高相變裝置的傳熱速率，緩解熱源的熱量堆積。另外，高孔隙率的泡沫金屬的引入不會對系統(tǒng)質量及儲能量產(chǎn)生較大影響。

表1 相變復合材料熱性能結果Table 1 Thermal performance of composite PCMs

表2為純石蠟和95%泡沫銅/石蠟復合相變材料熱管理系統(tǒng)在不同加熱功率下，加熱時間為3000 s，加熱器表面的最高溫度。結果表明，采用泡沫銅/石蠟復合相變材料后，不同加熱功率下加熱器表面最高溫度52.8℃，低于動力電池運行的極限溫度（55℃）。而采用純石蠟后，加熱器出現(xiàn)了超溫。3000 s時刻，不同加熱功率下，基于復合相變材料的熱管理系統(tǒng)中加熱器表面最高溫度比基于純石蠟熱管理系統(tǒng)中加熱器表面最高溫度降低了 2.1、2.9、4和5.1℃，主要原因是降低泡沫銅孔隙率可以提高復合相變材料導熱能力，因此孔隙率95%泡沫銅/石蠟復合相變材料的導熱性能優(yōu)于純石蠟的導熱性能，單位時間內，相變材料吸收的熱量更多，導致加熱器表面溫度降低。

表2 相變材料導熱性能對加熱器最高溫度的影響Table 2 Effect of thermal conductivity of PCMs on maximum temperature

2.2 加熱功率對熱管理系統(tǒng)性能影響

圖4為加熱功率4 W時復合相變材料熱管理系統(tǒng)的溫度曲線。結果顯示，相變材料熔融區(qū)間溫度為36～37.8℃，加入泡沫銅不會改變相變材料的熔化溫度。加熱過程中加熱器穩(wěn)步升溫且未達到穩(wěn)定狀態(tài)。加熱開始后，PCM2首先達到相變溫度，相變材料以潛熱的形式吸收熱量，加熱器表面升溫速率明顯下降。當加熱時間達到4000 s，PCM2相變完全，此時PCM1承擔主要散熱量，由于PCM1距離熱源較遠，熱阻較大，因此加熱器升溫速率出現(xiàn)明顯增加。當加熱時間達到6800 s，PCM2相變完全，加熱器進一步升溫，但升溫速率沒有明顯增加，主要原因是復合相變熱管理系統(tǒng)在相變材料完全熔化后，由于相變材料未直接接觸熱源，因此加熱器散熱未發(fā)生明顯惡化，自然對流仍承擔了一定的散熱量。相變材料達到熔融溫度后，其溫度曲線在相變過程中仍然存在一個較小的斜率。4 W工況下，當時間為4600和6800 s，PCM1與PCM2分別升高了10.5和4.2℃。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是相變儲能過程中雖然相變溫度不變，但已發(fā)生相變的石蠟逐漸形成熱源與未熔化材料之間的熱阻，導致吸熱面和已熔化部分溫度不斷上升并保持一定溫度梯度以驅使熱量不斷傳遞到未熔化部分的復合材料中。由于泡沫銅的導熱增強作用，復合材料導熱能力得到顯著提高，儲能過程中的溫度梯度被保持在一定范圍內，緩解了熱源的熱量堆積。

圖4 4 W加熱功率下加熱器溫升Fig.4 Temperature of electric heater at 4 W

圖5 不同加熱功率下加熱器溫升Fig.5 Temperature of electric heater with different heating powers

圖5為加熱功率分別為4 W和3 W，加熱時間3600 s，相變冷卻以及自然對流冷卻下加熱器表面溫度對比。加熱器溫升過程為瞬態(tài)過程，初始溫度對加熱器最終溫度有較大的影響。受限于恒溫箱調節(jié)精度，很難保持電池初始溫度完全一致。相同環(huán)境溫度及加熱功率下，初始溫度差異總是大于最終溫度差異[24]，較小初始溫度差異不會對最終時刻溫度產(chǎn)生較大影響。圖中初始溫度最大差異為1.5℃，可忽略。4 W工況下，復合相變冷卻最高溫度比自然對流冷卻降低了6.5℃，顯示相同加熱功率下，復合相變材料冷卻效果明顯優(yōu)于自然對流冷卻。同一冷卻方式下，加熱功率增加，加熱器表面最高溫度增加。當加熱功率從3 W增加到4 W，復合相變冷卻最高溫度升高了 2.2℃。而對于自然對流冷卻工況，4 W與3 W之間最大溫差（ΔT）為4.9℃，溫度增加幅度顯著大于復合相變材料冷卻工況。上述結果表明相變材料由于有著較大的潛熱值，相變材料熱管理系統(tǒng)在無須消耗電池電量的條件下能有效控制熱源溫度；相變熱管理系統(tǒng)能有效減小由于加熱功率變化對加熱器溫度的影響。

2.3 環(huán)境溫度對熱管理系統(tǒng)性能影響

實驗過程處于封閉的自然對流環(huán)境下，由于自然對流傳熱系數(shù)較小，相變模塊與外界熱量交換可忽略。圖6為相變冷卻以及自然對流冷卻條件下，加熱功率為3 W，環(huán)境溫度分別為28、35℃，加熱時間3000 s的工況下加熱器表面溫度對比。結果顯示，環(huán)境溫度越高，加熱器表面溫度越高，但不同冷卻方式下，環(huán)境溫度對加熱器最高溫度的影響程度差別較大。圖6(a)為復合相變材料冷卻升溫結果，當環(huán)境溫度分別為28和35℃，加熱器溫度最高分別為46.5和47.2℃。由環(huán)境溫度差異導致的加熱器最大溫差（ΔT）僅為0.7℃。圖6(b) 為自然對流冷卻加熱器表面溫度結果，當環(huán)境溫度分別為 28和35℃，加熱器最高溫度分別為44.5和50.7℃，加熱器最大溫差（ΔT）為 6.2℃。表明相變熱管理系統(tǒng)受外界環(huán)境溫度變化的影響程度較小，因此對于環(huán)境溫度劇烈變化的場合，相變熱管理系統(tǒng)能更好地維持系統(tǒng)溫度穩(wěn)定。

圖6 不同熱管理方式下環(huán)境溫度對溫升的影響Fig.6 Temperature of electric heater with different cooling methods at ambient temperature of 28℃ and 35℃

3 結 論

本文對不同孔隙率的泡沫銅/石蠟復合相變材料的導熱性能進行了測試，分析了復合相變材料熱導率、加熱功率以及環(huán)境溫度對復合相變材料熱管理系統(tǒng)性能的影響，得出如下結論：泡沫銅孔隙率越低，復合相變材料的熱導率越高，其中93%泡沫銅/石蠟復合相變材料的熱導率為純石蠟的25.4倍。提高復合相變材料熱管理系統(tǒng)中相變材料的熱導率有效降低了加熱器表面溫度。不同加熱功率及環(huán)境溫度下，復合相變材料熱管理系統(tǒng)能有效維持加熱器表面溫度低于55℃。與風冷相比，復合相變熱管理系統(tǒng)顯著減小了由于加熱功率和環(huán)境溫度變化導致的加熱器溫度變化幅度。

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Battery thermal management system using phase change materials and foam copper

SHI Shang1, YU Jianzu1,2, CHEN Mengdong1, GAO Hongxia1,2, XIE Yongqi1
(1School of Aeronautics Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China;2Fundamental Science on Ergonomics and Environment Control Laboratory, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)

An efficient thermal management system (TMS) can significantly improve the battery life and ensure the safe operation of the battery. In the paper, a passive thermal management system based on phase change material (PCM) was designed to solve the battery heat dissipation. The composite PCM using paraffin and foam copper was employed to improve the thermal conductivity of the PCM and the experimental research on the conductivity of the composite PCM. The performance of the TMS with the composite PCM was investigated by the change of the porosity, heating power and ambient temperature. The results showed that the thermal conductivities of the composite PCM with porosity of 96%, 95% and 93% were 14.2 times, 19.2 times and 25.4 times as much as that of the pure paraffin, respectively. The TMS with composite PCM significantly reduced the temperature of the heat source and its performance was superior to the natural convection cooling. Under the conditions of the fixed heating power and the ambient temperature, the maximum temperature of the heat source declined with the decrease of the porosity. In addition, the TMS of the composite PCM can significantly reduce the temperature fluctuation caused by the change of the heating power and the ambient temperature, and improve the temperature stability of the heat source.

date:2017-01-04.

YU Jianzu, yjz@ buaa.edu.cn

TK 11

A

0438—1157（2017）07—2678—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20170006

2017-01-04收到初稿，2017-04-06收到修改稿。

聯(lián)系人：余建祖。

施尚（1989—），男，博士研究生。