基于相变材料的圆柱形锂离子电池热管理系统研究

由于人类社会发展进程中对化石燃料的依赖,当前世界各国面临着能源短缺以及化石燃料燃烧带来的全球变暖、大气污染、酸雨等一系列环境问题,并逐渐开始思考人类与化石能源的关系,电化学储能电站和新能源汽车行业得以迅速发展。锂离子电池作为目前最理想的动力源之一而备受关注,但锂离子电池也因为存在热稳定性差,易引发火灾爆炸事故的缺陷。因此,一个高效、低成本、重量小的且能将电池温度和温度均匀性控制在最佳范围内的电池热管理系统十分重要。相变材料热管理系统相比于空冷、液冷、热管热管理系统,具有结构简单、形状适应能力强、高潜热等优点,不仅能在电池正常工作时提高电池组温度均匀性,也能用来防止热失控传播。本文结合实验和数值模拟两种研究方法,对基于石蜡/膨胀石墨复合相变材料的锂离子电池热管理系统在相变温度、放电倍率、电池排列方式、电池间距、对流换热系数、膨胀石墨质量分数等不同变量下的热管理性能进行分析,并提出一种耦合优化算法和数值模型的优化方法对电池相变材料热管理系统进行优化设计。本文研究工作可为相变材料在实际锂离子电池热管理系统中的应用提供参考。由于前人关于相变温度的选择暂未得出一个较统一的结论,加上目前还没有通用的能将石蜡相变温度与其他热物性参数耦合的模型。本文首先制备了石蜡/膨胀石墨复合相变材料热管理系统,实验分析了不同放电倍率对该系统热管理性能的影响规律,并对比了自然对流系统和不同相变材料热管理系统的散热性能。实验结果表明,相比于自然对流系统,添加相变材料能有效提升系统散热性能,且放电倍率越高提升效果越明显。电池放电倍率越大,电池最高温度和电池间最大温差也越大,当相变材料发生固-液相变后此差距会缩小。由于相变过程的影响,相变材料热管理系统中电池间最大温差的峰值并不一定出现在放电末期。基于本相变材料热管理系统,通过系统研究得出与电池常用倍率下的产热特性和热管理目标相适应的最佳相变温度为48℃。此外,在对相变材料热管理系统进行设计时,除了选择最合适的相变温度,对复合相变材料组分、热管理系统结构、对流换热条件等其他参数的选取同样重要,合适的参数组合才能将相变材料热管理系统的优势完全发挥出来。由于目前针对相变材料热管理系统的研究主要集中在对相变材料自身导热性能的改进以及与其他热管理系统的结合上,而对成组结构对相变材料热管理系统热性能影响的研究较少。本文基于商用多物理场软件COMSOL Multiphysics建立了一维电化学-三维热耦合模型,采用数值模拟方法探讨电池排列方式和电池间距对系统温度分布的影响,从而优化对成组结构的设计。模拟结果表明,对于矩形相变材料热管理系统,平行排列方式对相变材料的利用率以及总体散热效果优于非平行排列。放电过程中,相变材料热管理系统的电池最大温差曲线会呈现“上升-下降-上升-加速上升”中的一部分或者全部趋势,曲线下降和第二次上升分别由系统中不同区域的相变过程引起,而加速上升由潜热总量不足引起,此时电池最高温度曲线也会出现加速上升趋势。对于本文所研究的18650圆柱电池矩形相变材料热管理系统,电池间距最优值位于4～5 mm之间。为了能在热管理性能和模组能量密度之间取得平衡,解决相变材料在车载应用中的重量问题,本文最后结合优化算法和数值模型,提出一种优化锂离子电池相变材料热管理系统的方法,分为单参数优化和多参数优化两个步骤。研究结果表明,增大相变材料热管理系统外部对流换热系数能降低电池最高温度但效果不明显,而减小外部对流换热系数可以显著提升系统温度均匀性。若膨胀石墨的添加量超过最佳值,可能会给系统热管理性能带来负面影响,但可以通过适当增大电池间距来改善。虽然对流换热系数和膨胀石墨质量分数与相变材料体积无直接关系,但可以通过影响电池热性能影响系统对相变材料的需求量。电池间距、外部对流换热系数、膨胀石墨质量分数的单参数优化结果分别为10 mm、0 W(m2·K)、10%;多参数优化结果分别为4.4 mm、0.8 W/(m2·K)、10.9%。经过多参数优化后,模组对相变材料的需求体积相比于单参数优化结果减少了 18.4%,电池最高温度则相对减少了 2.2℃,证明该优化方法的有效性。