圆柱形动力电源模组基于箱变材料的热管理研究及应用

摘要

面对环境污染严重和石油资源日渐枯竭的双重压力之下，发展清洁、环保和零污染的新能源显得尤为紧迫。新能源电动汽车因其采用锂离子电池作为动力储存和供给系统，在使用过程中零污染和零排放等优势被视为传统燃油汽车的最佳替代品。虽然，锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、安全性较好和工作电压较髙等性能优势而被广泛应用于电动汽车、电动工具和电子产品中，但其在高温环境中的安全性和一致性的问题依然非常突出。因此，在锂离子电池应用过程中设计一套有效的电池热管理系统方案的必要性尤为重要。根据对锂电池的研究表明，其最适宜的工作温度区间为25-50℃,系统的最大温差应控制在5℃以内。因此，本论文针对三元18650锂电池采用相变材料进行散热、均温开展相关研究，分别从材料的改性、电池模组散热和锂电池低温加热设计进行了深入研究。
　　首先，虽然相变材料已经广泛的应用在太阳能储能、建筑节能和电子元器件散热等领域中，但是其较低的机械力学性能、高温石蜡析出和高温热膨胀等缺陷限制了其进一步的应用。因此，本论文基于石蜡/膨胀石墨(PA/EG)相变材料对其进行改性研究，通过引入低密度聚乙烯（LDPE)与纳米二氧化硅（nano-SiCh)包裹和吸附石蜡防止其析出和抑制热膨胀。并且，通过微观扫描电镜表征与实验测试，结果表明引入LDPE和 nano-Si02后，相变材料的力学性能和防析出能力显著提高，尤其是在高温60℃(：环境中连续保温21小时析出仅为0.5％;且通过线性热膨胀系数测试仪测试，改性后的相变材料热膨胀现象也大大减弱。
　　其次，对于改性过后的相变材料应用于三元18650锂离子电池模组中进行热控制研究。锂离子电池在使用过程中会产热大量的热量，严重时会导致单个电池发生热失控而蔓延整个电池系统。因此，对引入相变材料散热的电池模组进行不同倍率放电实验测试，并且通过与自然对流和强制风冷冷却方式进行比较，相变材料冷却显示了优越的散热、均温能力。然而，相变材料在吸热发生相变之后，储存的热量不能及时传导至外界环境，因此，设计了铝翅片耦合相变材料进行二次散热的相变材料电池模组。并且，实验结果显示在3.5C大倍率放电过程中，电池模组的最大温度始终控制在50℃以内，最大温差也仅为3.9℃。除此之外，在连续循环充放电过程中，耦合铝翅片的相变材料电池模组其温度始终低于未耦合铝翅片的电池模组。
　　最后，在对锂电池低温环境中充放电性能下降的问题，本论文中设计了两种相变材料电池模组低温加热方案。比较了直接式硅胶加热片加热和非直接式电热丝空气加热两种方案，实验结果证明电热丝空气加热在优化结构设计和流道布局可以满足30min内，电池从0℃加热到20℃。但是，对比与硅胶加热片的加热方式，其耗能偏高且结构设计复杂。直接式硅胶加热片加热的功率仅为45W，加热30min能耗仅为17.6%。

目录

第一章绪论

1 .1 引言

1 .2 动力锂离子电池发展现状

1.3 相变材料的研究概述

1 .4 本文的研究意义和内容

第二章膨胀石墨/石蜡复合相变材料性能改性研究

2.1 EG/PA复合相变材料的热物性分析

2.2 EG/PA复合相变材料力学性能改性

2 . 3 EG/PA/LDPE复合相变材料防石蜡析出性研究

2 . 4 EG/PA/LDPE复合相变材料热膨胀性改性研究

2 .5 本章小结

第三章EG/PA/LDPE复合相变材料耦合翅片用于18650电池热管理实验研究

3 . 1 三 元 18650电池产热量实验测试

3 . 2 EG/PA/LDPE相变材料电池模组实验平台

3.3 EG/PA/LDPE相变材料电池模组散热实验研究

3. 4 EG/PA/LDPE相变材料电池模组耦合翅片优化散热研究

3.5 本章小结

第四章EG/PA/LDPE相变材料电池模组低温加热策略研究

4 .1 动力电池模组低温加热研究进展

4. 2 EG/PA/LDPE相变材料电池模组低温加热结构设计

4 .3 电热丝空气加热结构设计

4 .4硅胶加热片结构设计

4 .5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

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