基于相變散熱的動力電池熱管理系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來在環(huán)境污染和能源危機的雙重壓力下，世界各國都在大力發(fā)展新能源汽車以取代傳統(tǒng)燃油汽車，而新能源汽車發(fā)展的關鍵在于動力電池技術。目前，鋰離子電池因其性能卓越成為了動力電池的主流選擇。但是，鋰離子電池仍存在一定的安全隱患，火災爆炸事故時有發(fā)生，嚴重制約了新能源汽車的推廣和應用。所以，鋰離子電池的熱安全問題已經(jīng)成為了一個研究熱點。其中，鋰離子電池的溫度是影響其電化學性能以及安全性的關鍵因素，因此為了將鋰離子電池的溫度控制在最佳的工作溫度范

2、圍內(nèi)，亟需對動力電池熱管理系統(tǒng)進行研究。本文通過實驗和模擬相結(jié)合的方法對基于相變散熱的動力電池熱管理系統(tǒng)進行了研究，并提出了優(yōu)化設計的方法。
　　本文首先對基于復合相變材料（Phase Change Material，PCM）的電池熱管理系統(tǒng)進行了研究，利用石蠟和膨脹石墨制備得到復合相變材料，進一步研究了在電池組動態(tài)循環(huán)過程中PCM熱管理系統(tǒng)的性能以及影響因素。實驗結(jié)果表明:一個充放電循環(huán)過程中單電池及自然對流散熱系統(tǒng)下電池組的溫

3、度變化曲線中均出現(xiàn)了兩個溫度峰，而PCM熱管理系統(tǒng)中僅僅只出現(xiàn)了一個溫度峰。隨著電池充放電循環(huán)倍率的增大，PCM熱管理系統(tǒng)和自然對流散熱系統(tǒng)中電池組的最大溫升和最大溫差也明顯增大。此外，PCM熱管理系統(tǒng)的散熱能力要優(yōu)于自然對流散熱系統(tǒng)，尤其是在高倍率充放電循環(huán)過程中更為明顯，另外適當延長充放電循環(huán)步驟之間的擱置時間有利于提高PCM熱管理系統(tǒng)的散熱能力。推薦在實際電池PCM熱管理系統(tǒng)中使用相變溫度為45℃的PCM。
　　其次，本文提

4、出了一種用于電池系統(tǒng)散熱及防止熱失控傳播的復合板，具有“三明治”的結(jié)構(gòu)，主要是由導熱殼、相變材料及隔熱板三部分組成的。根據(jù)電池的產(chǎn)熱理論以及相變傳熱理論等建立了復合板熱管理系統(tǒng)中鋰離子電池的三維熱模型，詳細對比分析了四種不同結(jié)構(gòu)下電池組的散熱能力以及熱失控阻隔能力。模擬結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)1（電池之間緊密貼合）和結(jié)構(gòu)2（電池之間有空氣間隙）的散熱性能相近，說明在封閉環(huán)境中單純增加電池間的間隙并不能有效地提高電池組的散熱能力。結(jié)構(gòu)3（電池之間有

5、散熱板）中電池組具有較好的散熱能力，但是該系統(tǒng)的熱失控阻隔能力較差。結(jié)構(gòu)4（電池之間有復合板）能夠有效提高電池組的散熱能力以及電池組溫度分布的均一性，同時能夠提高電池組的隔熱能力。增加復合板中PCM的相變潛熱能夠有效提高復合板的性能，推薦在復合板熱管理系統(tǒng)中使用相變潛熱為1125kJ/kg以及相變溫度在303.15K到323.15K之間的PCM。
　　最后，基于前面的設計思路搭建了基于復合板的電池熱管理系統(tǒng)，通過實驗和模擬初步驗證

6、了設計的可靠性。通過實驗對比分析了在正常工作條件和熱濫用條件下不同熱管理系統(tǒng)的性能。同時建立了電池的電化學-熱耦合模型，通過該模型研究了電池的產(chǎn)熱特性以及復合板的性能。研究結(jié)果表明，電池間有復合板和石墨膜的熱管理系統(tǒng)的散熱性能最好，放電倍率較高時更為明顯;電池表面貼有石墨膜的熱管理系統(tǒng)次之，無任何熱管理系統(tǒng)的散熱性能最差。電化學-熱耦合模型能夠準確預測電池在放電過程中的電壓變化，最大偏差不超過3％，同時能夠較好地預測放電末期電池的最高溫