基于复合相变材料的锂离子电池热管理系统传热强化研究

随着近年来电动汽车的不断发展,锂离子电池作为电动汽车的能量来源而受到广泛关注,而其性能与寿命受到工作温度的制约,因此电池热管理技术逐渐成为研究热点。基于相变材料的电池热管理系统因不需要消耗额外能量、结构简单等优点具有良好的发展潜力,但其普遍存在传热效率偏低的问题。针对上述问题,本文首先制备了电池热管理用高导热复合相变材料并对其热物性能进行分析,接着研究了锂离子电池的产热特性并对复合相变材料用量进行估算,最后设计并搭建了一种基于高导热复合相变材料的被动式电池热管理系统并对其传热强化和控温效果进行了分析,主要研究内容及结论如下:(1)石蜡/碳材料复合相变材料的制备及热物性变化规律。采用石蜡作为相变材料,选取三种导热维度不同的高导热碳材料(碳纳米管、石墨烯纳米片、膨胀石墨)作为强化传热材料,通过物理混合法分别制备碳材料质量分数为1%、2%、5%、10%的复合相变材料,对其微观形貌、相变潜热、相变温度、导热系数等物性进行测试,研究高导热材料种类、添加比例对复合相变材料热物性的影响规律。结果表明,碳材料的添加对石蜡的熔点影响较小,但其相变潜热随碳材料的增加呈现出先增大后减小的趋势。三种碳材料的添加均可增加石蜡的导热系数,且复合相变材料的导热系数随碳材料质量分数的增大而增大。当碳材料质量分数均为10%时,碳纳米管/石蜡、石墨烯纳米片/石蜡、膨胀石墨/石蜡的导热系数分别为0.39W/(m·K)、2.01W/(m·K)和6.39W/(m·K),分别是纯石蜡的1.39倍、7.14倍和22.67倍。(2)不同三元锂离子电池的产热特性研究及相变材料用量估算。选取四种18650型三元锂离子电池(分别产自三星、乐金、松下和三洋),在1C、2C、3C三种放电倍率下进行放电温升测试,结果显示三洋NCR18650GA型锂离子电池在所有放电倍率下的温升、电池温差均为最大,且其具有四种电池中最大的额定容量,综合考虑温升和额定容量,选择其用于电池组组装。采用混合动力脉冲能力特性方法对三洋NCR18650GA型锂离子电池的内阻进行测试,结果表明,内阻随电池荷电状态的降低呈现先减小后增大的趋势。放电过程,当荷电状态高于80%前,电阻从52.89mΩ开始逐渐下降;当荷电状态为80%到30%时内阻稳定在42.00mΩ附近;当荷电状态低于30%后内阻迅速增大,整个放电过程内阻最大测试值66.98mΩ出现在荷电状态为6.4%时。此外根据内阻测试值计算得出三洋电池在放电倍率为2C、环境温度为20℃时的发热量约为3600J,并根据复合相变材料的物性参数估算出单体电池至少需要14.4 cm~3复合相变材料用于其散热控温。(3)基于复合相变材料的锂离子电池热管理系统传热特性研究。综合前两部分的实验结果,设计两个36V10Ah电池组,其中一个布置了膨胀石墨/石蜡复合相变材料控温模块,另一个作为实验对照组无控温模块。分别在0℃、10℃、20℃、30℃四种环境温度和1C、2C两种放电倍率下对该电池热管理系统的散热效果进行测试。实验不仅对比了有无相变控温模块的不同电池组温度特性,而且研究了相变材料用量的三种情况(过量、适量、不足)对电池组温度的影响。结果显示,电池组的平均温度随着环境温度的升高而增加;但因为电池内阻随着温度的升高而降低,电池组的温升值也随环境温度的升高而降低;复合相变材料的添加可以有效控制电池组的平均温度,在1C放电速率下,添加控温模块后,电池组的平均温度在环境温度为30℃、20℃、10℃、0℃时分别降低了32.2%,27.6%,30.9%、28.7%;复合相变材料可以提高电池组的温度均匀性,在环境温度为30℃、放电倍率为1C时,最大温差被控制在1.1℃以下,降低了88.2%;复合相变材料用量的合理估计是其应用的关键,在材料完全熔化后,其控温性能明显劣化,且材料熔化后对电池组平均温度的影响大于对温度均一性的影响。