基于膨胀石墨基复合相变材料的动力电池热管理系统性能研究

作为当前最重要电化学储能元件,锂离子电池在新能源汽车领域得到了广泛的应用。但锂离子电池工作过程中发热严重,会产生容量衰减、寿命减少以及热失控带来的火灾、爆炸等问题。因此需要一个良好的热管理系统以保障电池高效工作。基于相变材料的电池热管理系统是最具前景的电池控温技术,能够利用材料相变过程中的恒温特性和巨大的相变潜热,吸收电池产生的热量,将电池温度长时间控制在最佳区间内,保证其在最佳状态下工作;相变材料与膨胀石墨复合后,其热导率可得到显著提升,有效降低电池组内温差,保证电池组内电池性能的一致性。为了选取性能最佳的相变材料,本文首先测试了适用于电池热管理系统的RT44HC/膨胀石墨复合相变材料的热物性,并着重研究了复合相变材料热导率的影响因素。实验数据表明RT44HC/膨胀石墨复合相变材料保留了较高的相变焓,热导率较纯相变材料提升了20~60倍,且随密度和石墨质量分数的增大而增大。根据这一规律,本文提出了一个以密度和石墨质量分数为变量的模型,以估算常温下复合相变材料的热导率。该模型形式简单、预测误差小,且通过与文献中数据的对比,证明该模型的适用范围可扩展至大部分有机物/膨胀石墨复合相变材料。此外,实验中还发现复合相变材料的热导率受温度影响显著,在相变温度区间内急剧上升,可达到常温下的2倍,意味着相变材料可用作特定温度热超导材料。其次,本文考察了复合相变材料热物性对模拟电池组的控温效果的影响。发现用于锂离子电池热管理的相变材料的最佳相变温度既不能过高,也不能过低,应在40~45℃之间;只要不超过允许的最大值,增大复合相变材料的密度可以同时降低电池最大温升和最大温差,提升控温效果;传统观点认为单纯增大石蜡质量分数能延长控温时间,但本研究发现适当降低高密度复合相变材料中石蜡的质量分数,可以进一步降低电池的升温速率和电池间的温差。研究过程中注意到电池连续高倍率充放电循环过程中,相变材料热管理系统会因储存在材料内部的热量无法及时释放而在多个循环后失效。针对这一问题,本文引入了强制空冷给相变材料提供辅助散热,并通过实验测试了主动与被动相结合的热管理系统控温效果。强制空冷强化了相变材料与环境之间的热交换,保证了每个循环结束时相变材料的潜热得到完全恢复,确保了电池温度始终处于最佳范围内。在此基础上,进一步考察了风速对系统性能的影响,发现复合相变材料和强制空冷在热管理系统中分别扮演不同的角色——前者决定了电池组的最大温升和最大温差,后者在当强度足够时(风速高于3m s-1),能够加快相变材料储存潜热的释放,确保相变材料内部不存在热量积累。主动散热的引入并未增加相变材料热管理系统复杂性,却提升了其在长期连续使用过程中的稳定性。本文还建立了混合式热管理系统的数值传热模型,该模型包括电池发热模型、相变储热模型和空气对流换热模型,通过电池、相变材料和空气之间接触面的边界耦合而成,该模型的计算结果与实验测试数据吻合良好。借助模型计算结果对相变材料的液相分率变化趋势进行分析,证实了主动散热在释放相变潜热过程中起到重要作用,理论上揭示了系统内部的传热机理。此外,本文首次建立并验证了相变材料的传热网络模型,该模型具有较高的计算精度但有效减少了计算量,计算时间比数值模型减少98%。最后,本研究提出了一种针对混合式热管理系统的优化方法。该方法结合了数值传热模型、中心复合试验设计和响应曲面优化法。借助这一优化方法,本文综合考察了电池的排布结构、复合相变材料组成和主动散热强度和施加位置对混合式热管理系统性能的影响,并对这些参数进行了优化。相比于初始设计,优化后得到的设计保持了优异的控温效果,但相变材料的使用质量降低了53~85%,体积减少了17%~56%,整个系统变得更轻便、紧凑。