基于相变散热的动力电池热管理系统研究

摘要

近年来在环境污染和能源危机的双重压力下，世界各国都在大力发展新能源汽车以取代传统燃油汽车，而新能源汽车发展的关键在于动力电池技术。目前，锂离子电池因其性能卓越成为了动力电池的主流选择。但是，锂离子电池仍存在一定的安全隐患，火灾爆炸事故时有发生，严重制约了新能源汽车的推广和应用。所以，锂离子电池的热安全问题已经成为了一个研究热点。其中，锂离子电池的温度是影响其电化学性能以及安全性的关键因素，因此为了将锂离子电池的温度控制在最佳的工作温度范围内，亟需对动力电池热管理系统进行研究。本文通过实验和模拟相结合的方法对基于相变散热的动力电池热管理系统进行了研究，并提出了优化设计的方法。
　　本文首先对基于复合相变材料（Phase Change Material，PCM）的电池热管理系统进行了研究，利用石蜡和膨胀石墨制备得到复合相变材料，进一步研究了在电池组动态循环过程中PCM热管理系统的性能以及影响因素。实验结果表明:一个充放电循环过程中单电池及自然对流散热系统下电池组的温度变化曲线中均出现了两个温度峰，而PCM热管理系统中仅仅只出现了一个温度峰。随着电池充放电循环倍率的增大，PCM热管理系统和自然对流散热系统中电池组的最大温升和最大温差也明显增大。此外，PCM热管理系统的散热能力要优于自然对流散热系统，尤其是在高倍率充放电循环过程中更为明显，另外适当延长充放电循环步骤之间的搁置时间有利于提高PCM热管理系统的散热能力。推荐在实际电池PCM热管理系统中使用相变温度为45℃的PCM。
　　其次，本文提出了一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，具有“三明治”的结构，主要是由导热壳、相变材料及隔热板三部分组成的。根据电池的产热理论以及相变传热理论等建立了复合板热管理系统中锂离子电池的三维热模型，详细对比分析了四种不同结构下电池组的散热能力以及热失控阻隔能力。模拟结果表明，结构1（电池之间紧密贴合）和结构2（电池之间有空气间隙）的散热性能相近，说明在封闭环境中单纯增加电池间的间隙并不能有效地提高电池组的散热能力。结构3（电池之间有散热板）中电池组具有较好的散热能力，但是该系统的热失控阻隔能力较差。结构4（电池之间有复合板）能够有效提高电池组的散热能力以及电池组温度分布的均一性，同时能够提高电池组的隔热能力。增加复合板中PCM的相变潜热能够有效提高复合板的性能，推荐在复合板热管理系统中使用相变潜热为1125kJ/kg以及相变温度在303.15K到323.15K之间的PCM。
　　最后，基于前面的设计思路搭建了基于复合板的电池热管理系统，通过实验和模拟初步验证了设计的可靠性。通过实验对比分析了在正常工作条件和热滥用条件下不同热管理系统的性能。同时建立了电池的电化学-热耦合模型，通过该模型研究了电池的产热特性以及复合板的性能。研究结果表明，电池间有复合板和石墨膜的热管理系统的散热性能最好，放电倍率较高时更为明显;电池表面贴有石墨膜的热管理系统次之，无任何热管理系统的散热性能最差。电化学-热耦合模型能够准确预测电池在放电过程中的电压变化，最大偏差不超过3％，同时能够较好地预测放电末期电池的最高温度。复合板能够有效提高电池组的散热能力以及隔热能力，20A放电条件下复合板结构中电池的最大温升下降了2℃，热滥用条件下复合板系统中电池的温度稳定在36℃左右，对应的模拟结果与实验结果吻合较好。
　　综上，本文通过实验与模拟相结合的方法，对电池动态循环中的产热规律、PCM热管理系统中电池的传热过程和关键因素的影响规律以及复合板的性能等方面进行了研究，研究方法和结果可以为实际动力电池热管理系统的设计提供理论指导和参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 动力电池热管理系统国内外研究进展

1．2．1 动力电池热管理系统概况

1．2．2 基于相变材料的电池热管理系统研究进展

1．3 前人研究不足与本文研究目的

1．4 本文主要研究内容与章节安排

第2章 实验仪器及数值模拟方法

2．1 实验仪器与方法

2．1．1 电池充放电循环仪

2．1．2 马弗炉

2．1．3 C80微量量热仪

2．1．4 导热系数测试仪

2．1．5 温度采集系统

2．1．6 其它实验仪器

2．2 数值模拟

2．2．1 数值方法

2．2．2 模拟软件

2．3 本章小结

第3章 基于复合相变材料的电池热管理系统研究

3．1 引言

3．2 实验简介

3．2．1 复合相变材料制备

3．2．2 复合相变材料的热物性测量

3．2．3 电池热管理系统实验

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 相变材料的热物性

3．3．2 单电池的产热特性

3．3．3 自然对流散热系统与复合相变材料热管理系统的性能对比

3．3．4 搁置时间的影响分析

3．3．5 相变温度的影响分析

3．4 本章小结

第4章 用于电池热管理系统的复合板的结构设计

4．1 引言

4．2 用于电池热管理系统的复合板的结构设计

4．2．1 复合板结构

4．2．2 电池成组系统结构

4．3 数值模拟方法

4．3．1 动力电池产热模型

4．3．2 相变材料热模型

4．3．3 数值模拟所需参数

4．4 数值模拟结果与讨论

4．4．1 正常工作条件下电池组的温度分布

4．4．2 相变潜热和相变温度的影响分析

4．4．3 不同结构的热管理系统性能的比较

4．4．4 热滥用条件下的热管理系统性能对比

4．5 本章小结

第5章 基于复合板的电池热管理系统的实验与模拟研究

5．1 引言

5．2 实验验证与模拟分析

5．2．1 实验设计

5．2．2 模拟分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 正常放电条件下电池组的温升特性

5．3．2 电化学-热耦合模型的验证

5．3．3 正常放电条件下系统的模拟研究

5．3．4 热滥用条件下系统的实验与模拟研究

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 研究不足与未来展望

符号说明

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文与参与的科研项目