锂电池组复合相变材料热管理技术研究

动力锂离子电池作为新能源电动汽车的核心部件及汽车的动力来源,目前在世界范围内受到人们的广泛关注。在影响电池性能、寿命和安全性的因素中,温度是至关重要的。合理高效的热管理系统能将电池温升控制在合理范围内,从而可改善电池的性能和延长寿命,故对锂离子电池的热管理方式进行研究具有重要意义。基于相变材料的热管理系统由于相变潜热高而具有良好的应用前景。本文通过搭建锂电池组散热实验系统,探究了放电倍率、热管理方式对锂电池温升及温度均匀性的影响。实验结果表明,电池表面的温升会随着放电倍率的增大而变大;与空气冷却和纯石蜡冷却相比,复合相变材料热管理方式能够更加有效地降低电池表面温度,并且在放电倍率较高时,复合相变材料热管理方式此优势更加突出;随着放电倍率的增大,电池组内和单块电池表面的温度差均在增大。与纯石蜡热管理方式相比,复合相变材料热管理方式可以使得电池组以及单块电池呈现出更好的温度分布均匀性。根据实验结果分析以及鉴于实验手段有限,本文采用数值模拟方法进一步剖析了复合相变材料厚度对电池表面温度的影响规律,以优化电池热管理系统结构,提高其紧凑性。文中建立了与实验相对应的电池与复合相变材料组合模型,并与实验结果进行了验证。模拟结果表明,在低倍率放电时,复合相变材料厚度的改变对电池表面温度和有效热管理时间的影响很小;而在高倍率放电时,复合相变材料厚度减小对电池表面温度和有效热管理时间的影响很大,而复合相变材料厚度增加对电池表面温度和有效热管理时间的影响很小。由于电池经历连续充放电循环时会导致相变材料融化完全而丧失冷却能力,因此在被动热管理系统中加入主动冷却方式可加快相变材料的凝固使其恢复冷却能力。本文将通空气的圆管加入到复合相变材料中,构建了水平圆管外复合相变材料相变过程模型进行数值模拟研究。模拟结果表明:由于自然对流的作用,圆管下方的液态复合相变材料比其他位置的复合相变材料更快凝固;在圆管体积占总体积6%时,圆管数目为20时的复合相变材料凝固速率比圆管数目为10时的凝固速率大14.2%且远远超过圆管数目为5时的凝固速率;在圆管数目均为20的前提下,圆管体积占总体积6%时的复合相变材料凝固速率最小,而圆管体积占14%时的复合相变材料凝固速率比圆管体积占10%时仅大3%;在圆管数目为20且圆管体积占总体积10%时,圆管为双排和单排组合排布时与圆管为单排排布时的复合相变材料凝固速率相同,而圆管为交叉排和单排组合排布时的复合相变材料比前两种圆管排布方式时的凝固速率大11%。