摘要：當(dāng)前以動力電池作為新能源汽車運行的動力源，在高溫運行中存在熱安全問題，傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)也存在導(dǎo)熱性能不足及因環(huán)境變化性能不穩(wěn)定等問題。對此，探討基于新型復(fù)合板的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，因為復(fù)合板因其特殊的結(jié)構(gòu)具有高效傳導(dǎo)熱量和在不同環(huán)境下能保持穩(wěn)定的性能，故該熱管理系統(tǒng)能夠直接控制電池組最高溫度以及整個溫度的均勻調(diào)控，彌補現(xiàn)有熱管理系統(tǒng)存在的欠缺和不足，極大地提高熱管理系統(tǒng)的效率。基于此，從動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概況出發(fā)，深入探討了基于復(fù)合板的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計思路，并針對該系統(tǒng)進(jìn)行了實驗和模擬分析，為進(jìn)一步研究出新型高效動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)做參考。

關(guān)鍵詞：相變散熱；動力電池；復(fù)合板；熱管理系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：U462收稿日期：2024-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.025

1前言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，動力電池的性能和安全性成為研究熱點。從運行狀態(tài)看，動力電池由于產(chǎn)生大量熱量造成溫度過高等情況，會直接影響其性能、壽命、安全性，一旦熱管理不當(dāng)，就會誘發(fā)電池容量衰減、性能降低以及熱失控等一系列風(fēng)險隱患。

擁有減小溫度波動、提高散熱效率等多種功能的相變散熱技術(shù)，在電子設(shè)備散熱、芯片散熱以及空調(diào)制冷等多個領(lǐng)域得到了有效應(yīng)用，由此，將該技術(shù)應(yīng)用到動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計中，可以高效發(fā)揮熱傳遞特性，并在相變過程中吸收、釋放大量熱量，使得溫度得到良好控制。除此之外，良好的熱管理系統(tǒng)還可以進(jìn)一步增加電動汽車?yán)m(xù)航里程，增強電車整體性能，從而保證電池工作整體穩(wěn)定性、可靠性。

2動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)概述

2.1動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)基本情況

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一個復(fù)雜的重要系統(tǒng)，具有強制冷卻、電池加熱等功能，保證電池溫度穩(wěn)定性，同時也能夠使單體電池電壓具有一致性，從而全方位提升電池的整體性能，例如續(xù)航能力、使用壽命等。

目前，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的分類通常依照傳熱介質(zhì)來劃分[1]，常見的有四種：a.空冷系統(tǒng)是利用空氣傳熱；b.液冷系統(tǒng)依靠液體散熱；c.相變材料（PCM）冷卻系統(tǒng)憑借材料相變時吸熱或放熱；d.熱管冷卻系統(tǒng)則通過熱管實現(xiàn)高效熱傳遞。這些系統(tǒng)各有特點，分別適用于不同的電池工作場景和需求，以保障電池的正常運行和性能發(fā)揮。表1所示為四種主流電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)缺點對比情況。

通過對表1的觀察和分析可知，不同類型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)功能作用存在較大的差異性。

a.液體冷卻系統(tǒng)適用于高端電動汽車，例如，特斯拉的Model高端車型以及ModelX高端車型等，在熱管理動力電池時，就采用液體冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的作用下，即便電池的工作環(huán)境較高仍能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1所示。

b.空氣冷卻系統(tǒng)的運行模式主要有兩種，分別是自然冷卻與強制冷卻，這兩種方式核心作用機理為：利用空氣流動作用，分散電池的熱量，因具有輕便、低能耗等優(yōu)勢特點，在電動無人機以及電動飛行汽車中應(yīng)用廣泛。

c.熱管冷卻系統(tǒng)主要是借助熱管本身的熱量傳導(dǎo)性能，將動力電池產(chǎn)生的熱量高效迅速地傳導(dǎo)給冷卻介質(zhì)，達(dá)成快速散熱的目標(biāo)，在純電動卡車以及乘用車等車型上應(yīng)用頻率較高，如圖2所示。

d.相變材料冷卻因優(yōu)勢特征較多而成為動力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域未來發(fā)展的主要方向，在鋰離子動力電池中應(yīng)用這種系統(tǒng)綜合效果顯著，如圖3所示。

2.2研究現(xiàn)狀

相變材料冷卻系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量輕、散熱效果好，無需外加耗能等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。目前，石蠟無腐蝕性、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、相變潛熱高，而且價格低，在實際應(yīng)用中，能夠有效地控制電池溫度，確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，是當(dāng)前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)里使用最多的相變材料。但純石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)較低，會影響電池?zé)崃康恼鲗?dǎo)，同時也會失去相變材料內(nèi)存儲的熱量。

為此，一些國外研究人員在實驗中利用膨脹石墨、泡沫鋁、碳纖維等材料提高其導(dǎo)熱系數(shù)。大量實驗研究結(jié)果表明，通過添加高導(dǎo)熱材料能夠提升相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，并且能較好地提升復(fù)合相變材料體系的冷卻效果。但是相變材料若僅作為儲熱或吸熱材料，無法達(dá)到很強的散熱能力，一般通過借助與空氣對流進(jìn)行散熱。因此，單一相變材料冷卻系統(tǒng)并不符合高倍率、高溫、較長工作場景中，必須與其他主動式散熱方式相互配合，才能夠?qū)崿F(xiàn)及時散熱，提升其整體散熱性能，這也是未來重要的發(fā)展方向。

在高倍率、高溫的工作場景下，受過熱、碰撞、過充等內(nèi)外部多種因素的影響，會導(dǎo)致動力電池產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會使動力電池在短時間內(nèi)散發(fā)大量的有害氣體，并且熱量也會隨之升高，造成相變材料的熔化，影響到電池的安全運行，嚴(yán)重情況下還會誘發(fā)爆炸事故，危及相關(guān)人員的生命健康安全。因此，為保證散熱效果的安全性與可靠性，需要將相變材料與其他主動式散熱方式緊密配合，以適應(yīng)動力電池各種復(fù)雜的工作場景。

總體而言，以往諸多對動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究，主要聚焦在散熱性能方面，缺乏對熱失控阻隔能力的研究[2]。在實際應(yīng)用中，當(dāng)電池組出現(xiàn)熱失控的情況時，熱管理系統(tǒng)的熱失控阻隔能力就變得至關(guān)重要。一旦熱失控傳播無法有效阻隔，可能引發(fā)嚴(yán)重后果，影響電池的安全使用。

3系統(tǒng)的基本設(shè)計思路

當(dāng)前，電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱與熱失控阻隔無法相互協(xié)同，如果通過增加阻隔措施，便會增加散熱難度，致使溫度不均，從而引發(fā)熱失控風(fēng)險，若是采取降低隔離措施，即使能達(dá)到增強散熱的效果，但也會降低熱失控阻隔性能?；谏鲜龇治觯琍CM熱管理系統(tǒng)雖然具有很好的散熱性能，但單一的PCM系統(tǒng)無法有效阻隔電池組熱失控傳播。因此，必須設(shè)計出新型高效動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，以便提高系統(tǒng)的散熱與熱失控阻隔協(xié)同性，進(jìn)而提升電動車行車安全性，避免出現(xiàn)安全事故。

本次研究設(shè)計了一種新型的復(fù)合板，該結(jié)構(gòu)包含相變材料、導(dǎo)熱殼、隔熱板三部分。其中，導(dǎo)熱殼采用高導(dǎo)熱系數(shù)金屬，如銅或鋁，及時散熱；隔熱板在正中間，采用低導(dǎo)熱材料，如玻璃纖維等阻止熱量橫向傳播；相變材料填充在中間，選用高相變潛熱、導(dǎo)熱率較高的材料如石蠟/膨脹石墨等，以便吸收熱量，提高電池組溫度均勻性。

在實際選擇應(yīng)用各種材料的過程中，考慮到導(dǎo)熱殼需要具備較強的導(dǎo)熱性能，綜合對比市面上各種導(dǎo)熱性較強的材料，發(fā)現(xiàn)銅與鋁的導(dǎo)熱系數(shù)分別為400W/（m·k）、237W/（m·K），因此最終選擇銅作為導(dǎo)熱殼的原材料。

隔熱板的主要功能是控制熱量橫向傳播，而玻璃纖維的熱量隔絕效果較強，熔點大于1000℃，適用于隔熱板的生產(chǎn)制造。

同時將石蠟與膨脹石墨的復(fù)合材料作為相變材料，相較于純石蠟，這種復(fù)合型材料的導(dǎo)熱系數(shù)由4.089W/（m·K）升高至5.336W/（m·K）。采用此種復(fù)合板，可以有效避免電池系統(tǒng)熱失控阻隔與散熱之間的問題，提高二者協(xié)同性，有效保證電池組運行安全性穩(wěn)定。尤其是長時間處于高溫運行環(huán)境的工況時，這種復(fù)合板也能有效保障電池正常工作且防止熱失控傳播。

本次研究采用20Ａ·ｈ方形電池，正常情況下，電池組由多節(jié)電池串并聯(lián)構(gòu)成。此次研究中為簡化計算過程，主要選用了單元電池組為研究對象，其中包含三塊方形單體電池，并將復(fù)合板放在電池空隙區(qū)域，電池箱置于最外側(cè)，確保電池和復(fù)合板相互交替、緊密貼合。為進(jìn)一步驗證，主要采取4種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，并分別標(biāo)記成“結(jié)構(gòu)1”到“結(jié)構(gòu)4”，不同結(jié)構(gòu)的電池配置不同，包括緊密貼合、存在空氣間隙、安置簡單散熱板或復(fù)合板。而后在實際測試中，觀察不同結(jié)構(gòu)下各電池的溫度變化等數(shù)據(jù)，通過對比，從而評估復(fù)合板在散熱和熱失控阻隔方面的效果[3]。通過對這簡化方法的合理應(yīng)用，最終得出的評估數(shù)據(jù)，能夠大幅度提高研究結(jié)果的專業(yè)性與可靠性。

通過COMSOL仿真軟件構(gòu)建電池三維熱模型，對動力電池組在不同結(jié)構(gòu)下的散熱能力和熱失控阻隔能力進(jìn)行對比分析。通過對這些數(shù)據(jù)的排序來判斷不同結(jié)構(gòu)散熱能力的強弱效果，主要是根據(jù)電池組在正常放電情況下的最高溫度和最大溫差，從而評估散熱能力。熱失控阻隔能力強弱的判定，主要結(jié)合熱濫用條件下相鄰兩塊電池間的熱失控時間差。

對于一些其他影響散熱因素，如放電倍率，它影響電池產(chǎn)熱速率，以及PCM的潛熱和相變溫度，這決定了其吸熱和放熱的能力。深入探究各個方面的影響因素能夠為復(fù)合板系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)參考。

比如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)高放電倍率下散熱不佳時，就可以針對性地調(diào)整復(fù)合板的材料或結(jié)構(gòu)；如果PCM的潛熱不足，就考慮更換潛熱更高的相變材料。通過全面的分析和研究，能夠使復(fù)合板系統(tǒng)更有效地滿足電池組的散熱和熱失控阻隔需求。此外，還需注意的是，在電池三維熱模型的設(shè)計中，要對各類技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行合理設(shè)計，如圖4所示。

4系統(tǒng)的驗證及模擬

復(fù)合板熱管理系統(tǒng)在散熱和隔熱方面表現(xiàn)出色，能有效提升電池安全性。然而，要將其應(yīng)用于實際的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，還需要開展進(jìn)一步工作。通過實驗驗證、模擬分析，深入探究這一系統(tǒng)的性能，為后續(xù)實際應(yīng)用提供科學(xué)參考以及充分的數(shù)據(jù)支持。

4.1實驗設(shè)計

a.制備復(fù)合板。

將普通電池銅殼作為導(dǎo)熱殼，玻璃纖維板作為隔熱板，并選用RT45型石蠟為相變材料，而后按照指定步驟，即打開電池殼頂蓋，將隔熱板插入導(dǎo)熱殼中部，倒入熔化的相變材料，待冷卻后蓋上頂蓋并密封處理，即可獲得實驗所需復(fù)合板。復(fù)合板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在實際制備過程中，為保證復(fù)合板的質(zhì)量性能，要結(jié)合各類材料的性質(zhì)特點，采取針對性的操作措施。以玻璃纖維隔熱板為例。對質(zhì)量好、長度均勻的玻璃纖維進(jìn)行全方位的檢測，確保其符合技術(shù)要求后，再結(jié)合復(fù)合板的需要，做好切割處理，并按照一定的比例，將玻璃纖維與樹脂、固化劑等材料混合到一起，主要的工藝流程為：模具制備——手工貼合——樹脂涂布——涂布壓制。

b.正常充放電散熱性能測試。

選用三元鋰單體電池，電池兩側(cè)貼高導(dǎo)熱石墨膜以提高電池表面?zhèn)鳠崧?，最終完成復(fù)合板系統(tǒng)的組裝。為保證實驗結(jié)果的真實性與準(zhǔn)確性，選擇能量密度較高、環(huán)境適應(yīng)性較強和低溫放電性能優(yōu)越的三元鋰單體電池，同時考慮到復(fù)合板的體積及其對導(dǎo)熱性能的需求，還要加強對厚度輕薄、均勻散熱的高導(dǎo)熱石墨膜的有效應(yīng)用。在實際測試過程中，取兩塊電池編號并放入復(fù)合板，用充放電循環(huán)儀和熱電偶等設(shè)備，在不同放電電流下，對比有復(fù)合板和石墨膜、只有石墨膜、無任何熱管理系統(tǒng)這三種情況的散熱性能，實驗環(huán)境溫度穩(wěn)定[4]。

c.熱失控工況模擬實驗。

為有效模擬出熱失控單體電池產(chǎn)熱情況，主要選用加熱速度快、適用范圍廣且熱效率高的100W的電熱管，而后對比電池與電熱管直接接觸和中間放置復(fù)合板兩種情況電池表面的溫度變化。為確保相關(guān)測量準(zhǔn)確性，需要通過熱電偶完成，同時，必須在高溫防爆箱內(nèi)實施，起到防爆安全作用。為保證模擬環(huán)境與實際熱失控情況之間的相似性，對電池內(nèi)部狀態(tài)和使用環(huán)境等進(jìn)行全方位仿真后，建立精確的電化學(xué)與熱傳導(dǎo)模型，用于熱失控工況模擬實驗中。

4.2研究結(jié)果與分析

a.電池組溫升特性。

以放電電流為20A且電池之間直接貼合情況為例，電池放電過程中的溫度變化曲線主要分成三個階段。第一階段，放電剛開始時，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)較為劇烈，產(chǎn)生的熱量較多，所以產(chǎn)熱速率大，溫度上升較快；第二階段，在放電中期，溫度接近平衡狀態(tài)，產(chǎn)熱與散熱呈現(xiàn)動態(tài)平衡狀態(tài)，所以溫度不會出現(xiàn)明顯的上升；第三階段，接近放電末期，溫度迅速升高，因為正極嵌鋰接近飽和，這會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大。內(nèi)阻增大使得電池在工作時消耗的電能更多地轉(zhuǎn)化為熱能，從而引起溫度快速上升。其中1＃電池右側(cè)表面溫度高于2＃電池。當(dāng)1#電池的溫度長期高于2#電池時，會導(dǎo)致2#電池的使用年限與安全性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1#電池。

保持同樣條件，貼上石墨膜且有復(fù)合板時，電池表面溫度變化與電池直接貼合情況非常相似。與電池直接貼合相比，溫度有所下降，主要是因為相變材料吸收了電池產(chǎn)生的熱量，而且石墨膜面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高，再加上相變材料潛熱高，二者能把電池產(chǎn)生的熱迅速且均勻地分布到電池表面，提高散熱效果。

b.正常放電條件下系統(tǒng)情況。

不同熱管理系統(tǒng)下的電池模型基于單電池電化學(xué)-熱耦合模型建立，模擬環(huán)境溫度與實驗溫度保持一致。如圖6所示，放電電流相同時，電池直接貼合最高溫度比有復(fù)合板條件下溫度較高，此外，利用該模型研究高放電倍率，增大放電倍率會使最高溫度增大，有復(fù)合板的系統(tǒng)散熱能力優(yōu)于直接貼合的系統(tǒng)。如放電電流相同時，有復(fù)合板的系統(tǒng)最高溫度明顯低于直接貼合的系統(tǒng)最高溫度，而后者可能影響電池壽命或熱失控[5]。

通過對電池電化學(xué)原理的深入分析和研究可知，在正常放電狀態(tài)下，雖然有復(fù)合板的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但散熱性能更強，可實現(xiàn)對熱量的均勻散熱，因此散熱能力要強于直接貼合系統(tǒng)。

c.熱濫用條件下系統(tǒng)情況。

首先分析電池與電熱管直接接觸時，實驗中電熱管溫度先迅速后緩慢升高，電池受電熱管影響溫度升高，能預(yù)測熱濫用下溫度變化以預(yù)警熱失控。

當(dāng)在特定條件下，即電池與電熱管間存在復(fù)合板時，模擬得出的曲線和實驗所得曲線大致相同。實驗里電池表面溫度處于正常范圍，不會有熱失控的危險。其原因在于復(fù)合板內(nèi)的PCM能夠吸收熱量，并且隔熱板可以阻擋熱量傳遞。

在不同的狀態(tài)下，復(fù)合板內(nèi)的PCM和隔熱板，主要有兩種熱量傳遞模式，分別是熱傳導(dǎo)與流換熱。前者指的是利用電池內(nèi)部的物分子傳遞熱量，而后者主要是電池表面與外部環(huán)境之間的熱量傳遞與交換。比如在汽車電池組中，這種復(fù)合板結(jié)構(gòu)能有效保障電池安全，避免過熱引發(fā)故障。

對比有無復(fù)合板發(fā)現(xiàn)，無復(fù)合板400s時電池有熱失控風(fēng)險，有復(fù)合板1350s時電池溫度正常，可見復(fù)合板能提高熱失控阻隔能力，延長熱量傳播時間，提高電池組安全性。

5結(jié)語

通過對動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)基于相變散熱的設(shè)計分析與論述，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)、PCM的相變溫度以及潛熱等因素，在實際應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，復(fù)合板的引入增強了熱失控阻隔能力，增強了散熱效果，但在大規(guī)模實際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步優(yōu)化和研究，從而進(jìn)一步提升動力電池運行安全性、穩(wěn)定性。在相變散熱系統(tǒng)未來的發(fā)展過程中，為實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化升級系統(tǒng)的性能，確保系統(tǒng)長期處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并改進(jìn)復(fù)合板的生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)相變散熱系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，為我國動力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的長效健康發(fā)展，提供有力的技術(shù)支撐。

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作者簡介：

高德寶，男，1984年生，副教授，高級工程師，研究方向為汽車制造與試驗技術(shù)、新能源汽車技術(shù)。

黃李麗（通訊作者），女，1982年生，副教授，研究方向為新能源汽車技術(shù)。