1.3 动力电池系统相变冷却式散热系统

1.3.1 相变冷却式散热系统工作原理

图1.13 PCM相变图

相变材料（Phase-Change Material，PCM）是一类特殊的功能性材料，能在恒温或近似恒温的情况下发生相变，同时伴随有较大热量的吸收或释放。PCM最初是用来作为储存热量的介质，主要目的是平衡热能的供需差异。PCM应用的基础有两个：其一，PCM相变过程的等温性，这种特性有利于将温度变化控制在较小的范围内，可以用来控制温度；其二，PCM有很高的相变潜热，少量的材料可以存储大量的热量，在各系统中应用时可显著减轻系统重量。PCM发生的相变可以是固态-气态、固态-液态以及液态-气态之间的转变，典型的PCM相变如图1.13所示。固态-气态、液态-气态的转变尽管相变潜热很高，但是由于体积变化大，对于系统的空间需求就会增加，这是不实际的。另外一种固态-固态转变只是晶体结构的转变，因为潜热较小故应用也很少。PCM通常利用的是固态-液态转变，这一过程伴随着较高的相变潜热以及较小的温度与体积变化。相变冷却的优点在于：

1）冷却效率比液冷高出3～4倍。

2）更能满足快充需求。

3）结构紧凑。

4）潜在地降低了成本。

5）避免了乙二醇溶液在电池箱体内部的流动。

PCM用于电池热管理系统时，把电池组浸在PCM中，PCM吸收电池放出的热量而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM中，在充电或很冷的环境下工作时释放出来，其基本的原理如图1.14所示。

图1.15为相变冷却在电子产品散热上的应用示例。针对电动汽车散热，相变材料可以安放在电池组内，直接与电池模块接触换热，还可以包覆在电池模块外表面，采用间接接触的方式。相变冷却方式能够较好地缓解动力电池内部的温升，是较为有效的冷却方式，但同时也增加了电池组系统的重量和成本，使结构更为复杂，维护也不方便。

图1.14 相变冷却基本原理图

图1.15 相变冷却散热应用

宝马i3的热管理采用直冷方案（也有液冷方案），制冷剂为R134a，制冷剂的进出走向如图1.16所示。

图1.16 宝马i3相变冷却系统结构

相变冷却技术中还有一种热管技术，热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×（10^-1～10^-4）Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管工作原理如图1.17所示。

图1.17 热管工作原理

热管具有导热性高、等温性高、热流方向可逆等优点，已经在电子、航天等领域广泛应用。在电池热管理系统中，热管式冷却系统与强制对流散热系统相比，可以使动力电池在正常温度范围工作，并能够很好地保持电池单体之间的温度均匀性。

著名科学家Cotter为热管学奠定了理论基础，一般称之为Cotter理论，其中提到了热管正常工作的必要条件：

Δp_c≥Δp_l+Δp_v+Δp_g （1-1）

热管内的流体流动属于气-液两相逆流流动，其中蒸气从蒸发段流向冷凝段会产生压力降Δp_v，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段会产生压力降Δp_l，而重力场对液体流动也会产生压力降Δp_g（可以是正值、负值或为零，视热管在重力场中的位置而定）。Δp_l+Δp_v+Δp_g形成了工质回流的阻力，而热管中工质的循环动力依靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头，也就是Δp_c。

Δp_v和Δp_l一般随热负荷的增加而增加，主要受工质的黏度、密度、质量流量、热管长度、多孔物质渗透系数等影响，而Δp_c则由吸液芯结构决定，毛细孔半径越小，Δp_c越大。毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的，如果由毛细力作用抽回的液体不能满足蒸发所需的量，便会出现蒸发段的吸液芯干涸，造成蒸发段管壁温度剧烈上升，甚至出现烧坏管壁和热源的现象，这就是常见的毛细极限。热管传热中存在的各种极限如图1.18所示。

随着科学技术的发展，热管种类也在不停地进化。热管优良的可设计性使得人们可以根据不同的需求把热管设计成不同的长度、直径、形状以及内部结构。根据内部结构的不同，热管大致可以分为以下三类。

（1）热熔渣结构

热熔渣结构的制作过程是将铜粉加热到一定温度，在其未完全熔化之前，铜粉颗粒边沿会首先熔化，粘连四周的铜粉，冷却后就是我们见到的这种煤渣式的内壁结构，如图1.19所示。但是不同的是，这种内壁结构非常坚硬，有如金属，此外，这种热管的制作成本较高。

图1.18 热管传热的各种极限

图1.19 热熔渣结构

（2）沟槽结构

沟槽结构加工方式是将热管的内壁加工出很多小槽，具体如图1.20所示。热管内部沟槽形状类似毛细血管，同样会产生一定的吸力，加速管内液体的回流。

图1.20 沟槽结构

根据开槽的精密细腻情况，以及制程的工艺水平和沟槽的方向等，会对热管的散热造成很大的影响。沟槽越细越精密，液体的回流速度就越快。总体来说，这种热管的加工方式较为简单，难度小，价格相对便宜。同样，其效果不如热熔渣式热管好。

（3）多重金属网孔

多重金属网孔设计是将类似于编织袋一样的金属编制网附在铜管的内壁（图1.21），一般来说金属网由铜丝制成。编制的金属丝之间会有空隙，产生一定的吸力，可在一定程度上加速管内液体的回流。

图1.21 多重金属网孔

这种热管的制作工艺最为简单，只需要一根能耐负压的铜管，加上一些金属网即可。它的成本较为低廉，已为多数热管散热器所使用，但其散热效果较前面两种有所减弱。

由于热管超高的导热性能，电池单体之间的温差很快会被热管抹平，从而起到均温的作用，此外，散热效果及平均温度均得到改善。使用热管前后对比如图1.22（见彩插）所示。

图1.22 散热仿真结果

1.3.2 相变冷却式散热系统研究现状

Agyenim等针对PCM热管理研究了几种不同形状的容器，如图1.23所示，包括球形壳体、矩形壳体和圆管形壳体，通过实验和模拟对比，验证模拟方法的可行性。

图1.23 Agyenim所研究的PCM热管理不同形状容器

Duan等对PCM应用到电池热管理进行了实验研究，以圆柱形加热器作为热源，模拟电池在不同加热功率和环境温度下的发热情况。实验结果显示，使用PCM能够有效地将加热器的温度控制在一个合理的范围内。

张国庆等使用复合PCM设计电池单体和电池组的散热系统（图1.24），通过实验研究发现，在1C的放电倍率下，与空气自然冷却和强制对流两种方式相比较，采用PCM进行冷却能够使电池的温度分别下降14～18K和9～14K。最后得到结论：当石蜡/石墨混合比例接近4∶1时，采用该相变材料冷却的电池组散热效果达到最佳。

Kadasamy等将PCM应用到电子器件的实验和仿真研究结果表明，电子器件的功率输入对整个散热系统至关重要，功率增加会加快PCM的熔化速率，如图1.25（见彩插）所示。

图1.24 具有相变冷却功能的电池单体以及 电池模块排列与连接方式

热管作为一种高效相变传热元件，被广泛应用于宇航、军工、冶金、建材、化工、太阳能、微电子散热等领域，因其具有热阻相当低，热传导率极高（大于50kW）等特点而受到欢迎。

2013年，张维研究了不同充液率对微小型环路热管的起动特性和传热特性的影响（图1.26），同时将该环路热管与相变材料耦合应用于电池热管理系统。研究结果表明：处于同一热负荷时，以58.3%、63.6%、68.0%这三种充液率的环路热管的运行温度相对较低，较为平稳。复合散热系统的电池最高温度低于最佳工作温度上限50℃，且工作时间最长，其次是微小型环路热管，自然风冷系统最短。

2014年，陈维以一个方形锂离子电池为研究对象，通过实验与模拟研究了锂离子电池在工作过程中的热特性，发现放电倍率越高，电池表面温差越大；还研究了热管的形状、布置高度和数量对电池散热的影响（图1.27，见彩插）。

2015年，Q.Wang等以30个电池单体组成的电池组为研究对象，利用热管对电动汽车电池进行了低温加热和常规冷却实验。实验结果指出，若电池单体产热量不超过10W/cell，则可有效控制电池表面温度在40℃以下，散热效果明显。此外还通过将该装置放于-15℃或-20℃下超过14h来检测零下烧结铜-水热管的可能性。实验数据表明，零下的温度条件对该热管几乎没有影响，并能立即工作。

2016年，Nandy Putra等通过内置圆柱形筒套加热器的铝合金来模拟锂离子电池生热，实验研究了平板环路热管在锂离子电池热管理中的性能，证明了平板环路热管在电池组散热中的可行性和巨大潜力。

图1.25 48W发热功率下不同时间的液体状态的分布

图1.26 微小平板型环路热管内部结构图

图1.27 单独使用电池和使用热管的电池热成像对比图