相变材料动力电池热管
理系统张国庆
SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
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； 2011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2~3℃就可以满足电池的散热需求，而大型的模块，最大温差在7~8℃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
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。
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
相变材料动力电池热管理系统张国庆
