复合型相变材料诞生记 热管理技术的多重可能性

新能源汽车动力电池热管理技术目前主要分为风冷、液冷与相变材料冷却三个发展方向，而前两者由于介质的换热系数较低、结构设计复杂或需要消耗外部能源等缺陷无法匹配动力电池日益增长的散热需求。相反，相变材料高潜热、低密度的优点使其成为了动力电池热管理的新兴发展方向。

目前，相变材料应用于动力电池热管理的最大障碍是其材料本身较低的热导率，限制了电池热量导出的速度。因此，在相变材料本身的改良方面，国内外专家做了大量研究。广东工业大学的研究者们利用铜网结构对相变材料进行改良，设计了相应的动力电池热管理系统并进行了实验研究。下图为该研究中基于铜网结构的复合板，所使用的相变材料是利用石蜡与膨胀石墨按照4:1的比例混合制备的复合相变材料，之后以铜网作为支撑，将复合相变材料涂抹在铜网两面形成板状结构。

铜网加强型相变材料板

在该实验研究中，所采用的动力电池是12Ah的磷酸铁锂电池，如下两图所示，总共采用了5个电池单体与6块箱变材料板组成，5个电池单体采用串联连接，并且在箱体的一侧开洞，利用风扇向内部吹风。同时，在电池单体的表面布置温度传感器，通过数据采集器（Agilent 34970 A）进行数据收集。

实验设置

在该实验研究中，对于散热设计的验证，主要影响因素包括电池的充放电倍率、相变材料传热特性以及进风流量。因此，研究者们对这三者分别进行了对比研究。首先是相变材料本身性质的变化，可以看出相变材料的潜热在加入膨胀石墨之后得到了明显的提升，由原先的141.6J/g（石蜡）提升至186.4J/g（改良后）。

相变材料潜热

通过研究可以发现，在无相变材料、有相变材料无铜网结构和有铜网结构的相变材料三种情况下，分别进行1C、3C、5C的放电实验，有铜网结构的相变材料所达到的散热效果是最优的，即使在3C的情况下，电池的温度也控制在了50℃以下，尽管在5C的放电倍率下，3种热管理结构形式下电池温度都达到了60℃以上，但是在实际的使用中，动力电池系统很少存在以5C持续放电达到500s以上的时长，而在250s左右，有铜网结构的相变材料依然可以将电池温度控制在50℃以下。

不同放电倍率下温度变化

值得注意的是，在有相变材料无铜网结构和有铜网结构的相变材料的情况下，充电鱼放电时电池的温度尽管变化趋势一致，但是温度值却存在明显差异，如下图所示，尤其在放电情况下，电池的最高温度比充电时高4.6℃。

不同进风流速

就目前的新能源汽车热管理系统而言，尽管复合型相变材料依然处于实验室阶段，并未投入实际生产，但其光明的发展前景从上述研究便可窥见一斑。