基于相变材料散热与电阻丝加热耦合系统的热管理技术研究

摘要

动力电池模组热失控问题是困扰电动汽车发展的最重要的安全问题之一。设计合理的热管理系统通过加热和散热将电池模组的温度控制在合适的温度范围具有重要的意义。相变材料热管理系统近些年得到了广泛的关注，但是目前的相变材料热管理系统尚存在一些问题，如制备工艺不够简单、存在蓄热饱和、缺少考虑嵌入预热系统。本论文主要针对相变材料热管理系统尚存在的问题进行研究。设计了一长条形的、具有复合相变材料的散热和电阻丝加热耦合系统的、两侧设有翅片的、有利于相变材料散热的电池模组。然后对其耦合系统的散热和加热特性进行了实验。为了使电池模组易于制备，开发了具有流动性的复合相变材料，并采用灌注工艺制备相变材料热管理系统。主要的研究内容和结论如下：
　　1.通过研究验证采用保温棉保温电池测量产热及其改进方法的有效性，从而提供了一种实用而简易的测量电池产热量的方法。实验结果表明:（1）保温棉保温电池时能够有效地减少电池的散热，但是仍然存在热泄漏。（2）依据电池放电后搁置阶段的温降情况评估了电池放电阶段的热耗散情况。然后根据热耗散，使用高低温箱调节电池放电环境空气温度，减少电池散热温差，提高了电池产热量测量的准确性。产热量测量值的偏差被控制在10％内。
　　2.基于膨胀石墨和石蜡开发了既有较好流动性，又具有较高导热系数的复合相变材料。（1）当膨胀石墨的质量分数为7%时，复合相变材料具有的流动性能够满足采用灌注工艺制备电池模组的要求。（2）复合相变材料具有较大的潜热值和导热系数，它们分别为159.2J/g和3.3W/m·K。
　　3.通过实验和理论计算研究了电池以不同倍率放电时的产热量变化，同时通过设计实验测量了电池的比热容。基于电池的相关参数和复合相变材料的相关参数设计了电池模组和热管理系统的结构和尺寸。
　　4.通过实验研究了应用于耦合系统中的开发的具有流动性的复合相变材料的控温能力。实验研究了电池模组在室温条件下、高温条件下以一般倍率和高倍率放电时耦合系统的复合相变材料的控温能力。结果表明耦合系统能够控制电池模组的温度在50℃以下，而且电池模组内电池间的温差范围小于5℃。
　　5.分析了耦合系统的加热效应，如加热速度、能耗，然后分析了加热电阻丝根数和流过电阻丝电流大小对耦合系统加热效果的影响。结果显示耦合系统加热约300秒后，电池内部中心处的温度（T??）由-20℃上升到20℃，而且能耗较少。通过改变耦合系统并联电阻丝的根数和改变电流的大小可以提升系统的加热速率和减少系统的能耗。
　　6.实验研究了电池模组两侧翅片的强化散热能力。实验结果显示，一小时后有翅片的电池模组的中心处的温度（Tfin8）从44℃为37.3℃，而此时没有翅片的电池模组的中心处的温度（Tnofin8）为41.9℃。采用数值模拟的方法优化了翅片的厚度、高度等结构参数和分析了表面换热系数的影响。

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2锂离子动力电池热管理的功能

1.3 动力电池的热管理技术研究现状

1.4 本文的研究意义和内容

第二章 动力电池的产热测量与分析

2.1温度对动力电池的影响

2.2 动力电池的产热及其热模型

2.3产热测量方法研究及改进

第三章 具有流动性的复合相变材料制备及电池模组设计

3.1实验原料与实验设备

3.2复合相变材料的制备及其物理表征

3.3做功积分求INR18650-15M动力电池的产热

3.4 动力电池的产热理论计算

3.5 INR18650-15M动力电池比热容的测试

3.6 动力电池模组的结构设计

3.7 电池模组的尺寸设计

3.8本章小结

第四章 耦合系统的控温效应

4.1 实验设备

4.2 室温下的5C高倍率放电

4.3 高温下的1C倍率放电

4.4 高温下的5C高倍率放电

4.5 本章小结

第五章 耦合系统的加热效应及其影响因素

5.1 实验原理及装置

5.2 耦合系统的加热效应

5.3 影响耦合系统加热效应的因素

5.4 本章小结

第六章 翅片对复合相变材料的强化散热

6.1 实验设备与装置

6.2实验分析翅片强化散热的效果

6.3翅片参数对强化散热的影响的模拟研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

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