基于相变材料与液冷结合的锂离子电池热管理技术研究

环境污染与能源紧缺两大问题日益严重,以电动汽车为代表的新能源汽车应运而发展。应用最为广泛的锂离子电池作为电动汽车的核心部件,其能量密度在不断提升,但是电池产热量也随之提高。锂离子电池散热是否充分、温度分布是否均匀将直接影响电池的循环寿命、使用效率和运行安全。相比于传统的风冷、液冷、热管等电池冷却方式,相变材料具有相变恒温吸热的特性,且不需要额外消耗泵工,对电池组具有较好的控温和均温效果,但由于相变材料潜热有限,在某些恶劣工况下存在一定的局限性,因此将相变材料与诸如液冷等主动散热方式结合的复合电池热管理技术具有重要研究意义。本文以3*5 15串18650锂离子电池模组为研究对象,主要研究内容是基于相变材料的电池模组散热仿真分析与实验验证,优化设计一种新型相变材料与液冷相结合的电池热管理冷却方案。在具体的研究过程中,本文在分析了锂离子电池结构、原理和生热机理后,获取了单体电池在不同环境温度和SOC值下的生热速率,在分析了相变材料在电池热管理应用上的选型要求后,选择和制备了石蜡-膨胀石墨复合相变材料,并根据散热要求估算了相变材料用量。根据理论分析探究锂离子电池相变冷却数学模型,应用Fluent仿真分析了锂离子电池模组相变冷却效果,并通过实验验证了仿真模型及结果的可靠性。接着通过仿真分析了相变材料熔点、导热系数及潜热对电池模组散热的影响,获取了最佳的相变材料热物性参数,从而完成了相变材料在电池热管理中的选型与匹配。针对相变材料完全熔化后无法进一步对电池模组散热的问题,将相变材料与液冷结合,分析了冷却液流量和温度对散热效果的影响,提出了在相变材料中预埋导热棒和液体管路的两种结构优化方案,研究表明预埋液体管路的优化方案比预埋导热棒的方案具有更好的电池模组散热和均温效果。针对相变材料利用率低的问题,设置了以电池模组最高温度为液冷系统开启温度阈值的开关式冷却液流量控制策略,研究表明,将温度阈值设置为42℃时,在电池模组中填充相变材料比导热硅胶具有更好的散热和均温效果,且相变-液冷复合热管理系统的能耗可降低17.4%。本文的研究对基于相变材料与液冷结合的复合型电池热管理设计具有一定的指导意义,特别是对相变材料的选型与匹配,以及相变-液冷复合电池热管理结构和控制策略的设计提供了有效的方案。