适用于中南地区的锂离子电池相变材料热管理系统的研究

随着电动车的推广,石油资源紧张带来的危机得到了一定程度缓解,清洁的发电方式被重新重视,给能源产业的发展带来新的生机。为了降低温度对锂离子电池使用的限制,使用相变材料(Phase Change Material,PCM)对电池进行热管理。相变材料热管理策略具有结构非常简单、成本低廉、温度控制能力强、电池温度分布均匀以及无需消耗额外的能量的特点,因此是理想的电池热管理策略。然而,在PCM热管理策略应用时,选择合适的PCM种类、PCM的用量、以及克服被动热管理策略在低温环境下的劣势是关键的问题。为此,论文以长沙市科技局重点项目[kh1601129]为依托,先进行理论上的分析,再通过结合数值模拟以及实验验证的方法,对3×4排列的圆柱电池电池箱进行建模,并比较了不同冷却方案及保温方案的效果。本论文主要研究的工作及创新点如下:(1)为分析电池箱内部热量聚集情况,建立了18650锂离子单体电池和3×4排列的电池箱的模型,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件仿真分析了单体电池和电池箱在不同环境温度和放电倍率下的温度变化,得出了单体电池及电池箱的温度分布情况和放电终点温度。(2)为控制电池箱的温度上升幅度和温差,建立了PCM冷却电池箱模型。通过对不同电池间隙的电池箱的温度上升及温差进行对比,分析PCM用量对冷却性能的影响。结果表明,使用PCM1时电池间隙不应小于3mm,使用PCM2时电池间隙不应小于2mm。(3)为寻找最佳的冷却方案,对两种优化方案及原始方案进行仿真对比。结果显示使用3mm厚度PCM1材料的方案具有最佳的温度分布均匀性,使用2mm厚度PCM2材料的方案拥有最低的平均温度以及最小的体积。(4)为了电池箱能够适应中南地区的气候环境,设计了覆盖有可开口保温层的PCM冷却电池箱,通过对不同材料种类和厚度的保温能力的测试,以及保温层开口位置、开口面积、开口的温度区间对散热性能影响的分析,得出了满足低温环境下保温要求以及高温环境中散热要求的全天候热管理方案。