低温环境新能源汽车动力电池热管理材料及方法的研究

摘要：新能源汽车在冬季低温环境下会出现电池组的放电电压过低，电池可用容量衰减，电池组循环寿命缩短等问题。而目前主要是通过电池自身放电或者外接热源对电池组冷启动前进行预热来提升电池温度，这种方法一定程度上缓解了电池的放电衰减问题，但加热电池或弱短路会牺牲部分电池电量。本研究提出一种新型共晶相变储能材料及动力电池低温热管理系统，将电动汽车行驶过程电池释放的热量储存于材料中，低温过冷保存（可在-20℃环境长期保存），在电动汽车再次启动时，通过触发装置使材料蓄存的热量高效释放，加热电池组，储热材料自身可在-20℃环境中升温至25.4℃，电池组可被加热至0℃，这一过程不消耗额外电力，仅仅利用电池前次运行过程的电池放热。对比实验表明，在-20℃条件下，1C放电倍率时，采用低温热管理的电池组与普通电池组相变放电功率提升6.8%。本研究为电动汽车冬季热管理提供新的思路。

详情参见Journal of Energy Storage, 2022, 50, 104240；https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X22002699一种动力电池热管理系统，ZL 202010833640.6；一种大过冷度二元低共熔结晶水合盐相变材料的制备方法及应用，ZL 202110542101.1

动力电池低温热管理系统运行模式

新能源汽车的运行过程如下：如下图（a）所示，动力电池组外层设有金属铝壳内部填充共晶相变储能材料，在新能源汽车运行过程中（图1b），电池组在不同放电倍率下进行放电，伴随着放电过程电池组会由于产生焦耳热电池周围的环境温度提升，待其达到相变材料的相变温度（41℃）时，相变材料吸热由固态变为液态，当汽车停止运行时（图1c），环境温度-20℃，此时电池及相变储能材料随着环境温度的降低而降低，并且由于相变材料存在过冷现象，并不会自发发生相变过程，在低温环境下相变材料依旧为液态。当新能源汽车下次冷启动之前触发相变材料（图1d），此时相变材料发生液固相变，释放出储存的潜热，提升电池组温度。温度变化过程如图1e所示。

图1 共晶相变材料应用于冬季低温电池热管理示意图

深度过冷相变材料制备及测试
本研究采用的结晶水合盐为三水乙酸钠、五水硫代硫酸钠和去离子水，质量比为64.4%：27.6%：8%。共晶相变材料的相变温度为41.4℃，潜热值169.3kJ/kg，过冷度为71.4℃。将制备的共晶相变储能材料置于低温环境中，通过一种可控触发相变装置，即含有共晶颗粒的金属棒作为成核中心，触发结晶成核释放潜热，通过下图所示（a、b），共晶相变储能材料能够在触发3min内完全相变凝固，且能够放出热量将试剂瓶壁面温度从-21.3℃提升至25.4℃。

图2 触发相变后相变材料释热温升图
动力电池低温放电实验测试
动力电池热管理装置采用蜂巢式设计，外部为铝壳，内部填充过冷相变材料，相变材料体积占电池包总体积的45%。为防止相变材料对铝壳的腐蚀，在铝壳表层进行了氧化处理，厚度为50微米。实验过程使用NCR18650B锂离子电池进行充放电实验，将36节锂离子电池采用18串2并的排列方式如图3a所示，电池组最大放电电压为72V，截止电压为50V，并采用低温恒温箱模拟环境温度。可控释热单元为带有结晶盐的粗糙铝棒，由电机驱动与相变材料接触或分离。整个实验台搭建如图3b所示。

图3（a）动力电池热管理单元（b）实验平台
动力电池组放电性能测试
本研究对采用热管理单元前后的动力电池分别进行了低温条件放电性能测试，温度为-20℃，设定低温时间为12h之后，此时电池组与液态相变储能材料都已达到-20℃，通过电机驱动触发相变材料结晶相变后，此时液态相变储能材料发生结晶释热过程，瞬间提升电池组温度至0℃，如4a所示。在不同放电倍率下（1C、2C、3C，放电电流为（5.2A、10.4A、15.6A），对比测试了填充深度过冷相变材料（绿线）与未填充相变储能材料（蓝线）的电池放电电压，在1C条件下，采用了热管理的电池放电功率对比未采用热管理的大6.8%，在3C条件下，未采用热管理的电池输出电压低于截止电压50伏，难以放电，而采用了热管理系统的动力电池组可以有效放电。

图4 动力电池组不同倍率、温度下的放电性能
结论和展望
本文制备出了一种能够在深度过冷条件下通过添加成核中心方式来触发共晶相变材料凝固相变，将潜热值完全释放的复合相变材料。将其应用于动力电池热管理中，能够在冬季低温环境下，明显提升了汽车在冷启动时电池组周围的温度（-20℃提升至0℃），对电池组的放电电能和放电电压都有提升。在此基础上，实验室利用材料深度过冷特性，开展了基于本相变材料的夏季热管理研究，利用相变材料作为载冷工质对电池组进行降温，如图5所示。目前已取得初步结果。

图5 夏季工况实验示意图
作者：孙鸣洋、刘彤、李沐霖、陈贵军、姜东岳，刘雪玲工作单位：大连理工大学海洋能源利用与节能重点实验室；天津大学中低温热能高效利用重点实验室