相变材料在锂离子动力电池热管理中的应用研究

摘要

在能源紧缺和环境污染日趋严重的情况下，世界各大汽车厂商均在研发以电动汽车为代表的新能源汽车。目前锂离子动力电池是电动汽车中应用最多的动力电池。锂电池散热是否充分、温度分布是否均匀直接影响电池的使用效率、循环寿命及安全性能，从而影响电动车整车性能。相比于风冷、液冷等传统冷却方式，相变冷却因相变材料潜热大，散热效率高，不需要额外消耗泵功等优势，而成为一种充满研究前景的冷却方式。因此，研究相变冷锂电池却对动力电池热管理技术的进步具有重要意义。 本文以25并的18650三元锂电池模块作为研究对象，采用仿真与实验相结合的手段，对相变冷却锂电池模块在不同工况下的热状态进行研究，并进行相变冷却锂电池模块散热性能影响规律的仿真分析与优化，为相变材料应用于动力电池组热管理提供一定的思路和依据。主要研究内容如下： （1）锂电池生热特性理论研究和单体电池生热速率模型的建立。理论分析了锂离子电池的生热机理和各部分热量的数学计算公式。采用HPPC恒流脉冲实验测试了某型号的18650锂电池的内阻特性，获得内阻与温度、SOC的函数关系式。基于Bernardi电池生热速率理论，编写UDF电池内热源程序。 （2）相变冷却锂电池模块仿真方法研究。进行相变冷却锂电池模块的数学建模和物理建模。 （3）相变冷却锂电池模块实验研究。制备石蜡/膨胀石墨复合相变材料并测试其热物性参数，搭建相变冷却锂电池模块充放电实验台架，在低温，常温，高温等不同工况下进行电池充放电测试，得到电池模块不同测点的温升曲线。 （4）根据实验测得的热物性参数，应用Fluent软件，针对某一特定结构的锂电池模块，仿真计算在5℃、20℃、35℃环境下1C~5C放电，分析相变冷却锂电池模块的散热情况，并与实验结果对比，验证了仿真模型的准确性。 （5）相变冷却锂电池模块散热性能影响仿真研究。探究在相变冷却锂电池模块中，电池单体间距、电池排列方式、PCM导热系数、泡沫金属孔隙率等因素电池模块散热的影响，从而为相变材料的匹配和电池模块的合理设计提供思路。最后，并且仿真研究了在不同工况下，相变冷却和风冷对锂电池模块散热的差异。

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