碳包铝纳米颗粒/石蜡复合相变材料及电池管理系统的设计和研究

在当前能源短缺和环境污染两大问题的威胁下,各国都在寻找新时代的可替代绿色能源。在众多能源消耗应用中,交通运输所消耗的能源巨大,造成的环境问题最为严重。因此,在新能源产业中,电动汽车近年来在国内外得到迅速的发展。而电动汽车的发展依赖于其动力来源一电池的发展。锂离子电池具有重量轻、体积小、比能量高、循环性能好等多方面优点,是电动汽车理想的动力能源。车载锂离子电池组的工作性能和安全性受多方面因素的影响,主要因素有工作温度、充放电电压、工作电流、电池容量等。因此,要使锂离子电池工作在最佳的状态,必须对电池组进行必要的控制管理。本文采用碳弧法制备碳包铝纳米颗粒,填充到石蜡材料中组成碳包铝／石蜡复合相变材料。针对锂离子电池的工作特性,将碳包铝／石蜡复合相变材料用作锂离子电池组热管理系统的传热介质,并研究碳包铝／石蜡复合相变材料的材料热学特性和散热效果。并且根据锂离子电池组的工作要求,设计了一个可管理由6节电池组成的电池模块的电池(1)采用碳弧放电法制备碳包铝纳米颗粒,并利用X射线衍射分析(XRD),扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、热重／差热分析(TG/DSC)多种分析手段对所制备的碳包铝纳米颗粒的晶体结构、微观形貌及其热学特性进行表征。并将碳包铝纳米颗粒填充到石蜡材料中制成碳包铝／石蜡复合相变材料,并通过DSC、TG和激光闪光法研究碳包铝／石蜡复合相变材料的热学特性、热稳定性和导热性能。将碳包铝／石蜡复合相变材料应用于锂离子电池的散热材料,通过电池放电实验测试碳包铝／石蜡复合相变材料对锂离子电池组的散热效果。实验表明,碳包铝纳米颗粒是一种具有核壳型结构的新型纳米颗粒,碳包铝纳米颗粒可与石蜡复合制备碳包铝／石蜡复合相变材料。与纯石蜡相比,复合材料的热稳定性能和导热性能都得到显著改善。在电池放电测试中,以碳包铝／石蜡复合相变材料做传热介质的冷却系统的冷却速率最快,可以有效的控制电池的表面温度。(2)根据锂离子电池组的实际工作要求,设计可控制包含6节锂离子电池的电池模块的电池管理系统。设计的电池管理系统拥有电池电压监控、电池均衡管理、荷电状态(SoC)评估、工作电流监控以及电池保护等五项基本功能。按照实际功能要求将系统划分为五个基本模块,根据五个功能模块的工作原理设计具体的硬件实现方案,并完成对应的电路原理图和PCB版图的设计。根据所设计的PCB版图文件制备电子印制线路板,完成硬件电路的焊接和调试工作。(3)开发各模块的底层驱动程序和上位机软件,根据各模块的工作流程,完成单片机对各模块的初始化程序、中断程序的设计和串行外设接口(SPI)通信以及内部集成电路(12C)通信初始化程序开发。根据实际的系统功能,完成上位机人机界面的排版布局和功能设定,并通过电池充／放电测试检验测试系统的功能。实验结果表明,系统可实现电池管理的数据采集与控制,达到电池管理系统的设计要求。