泡沫铝/石蜡复合相变材料蓄热实验研究

大容量动力锂离子电池作为电动汽车、燃料电池汽车及混合动力汽车的理想储能装置,目前在世界范围内受到广泛重视。温度条件是影响锂电池性能的重要指标之一。电池充放电过程中所引起的温升过高及温度不均衡是导致电池组失效的主要原因。因此,有效的电池热管理系统对于提高电池的安全性能及寿命非常关键。基于相变材料的热管理系统由于相变潜热高、不需要消耗系统额外能量,系统结构简单等优势而具有良好的应用前景。 本文通过设计和搭建锂电池散热实验系统,探究了放电倍率、热管理方式以及环境温度对锂电池表面温度的影响。实验结果表明,‘随着放电倍率的增大,锂电池表面温升越大；锂电池在低温环境下进行高倍率放电时,单介质石蜡由于导热系数较低,并不能对锂电池进行有效散热；在常温及低温环境条件下,泡沫铝／石蜡复合相变材料对于控制锂电池表面温升均有良好的效果,其散热效果始终优于单介质石蜡相变材料。 相变材料是通过自身的蓄热过程实现对锂电池的散热。因此,对相变材料的蓄热过程进行研究非常必要。为探究在石蜡中添加泡沫铝骨架如何影响相变材料的蓄热特性,本文设计并搭建了相变材料的蓄热实验系统,对比研究了单介质石蜡及泡沫铝／石蜡复合相变材料的蓄热特性,主要包括相变响应时间、蓄热时间以及温度分布三个方面。蓄热实验表明单介质石蜡在蓄热过程中的主要传热方式是自然对流,而泡沫铝／石蜡复合相变材料的主要传热方式是导热。泡沫铝的添加提高了复合相变材料的相变响应速率,使相变材料的蓄热能力能够更快速且充分的得到利用,尤其是在热流方向及高度方向。实验数据表明复合相变材料在蓄热过程中的温度均匀性比单介质石蜡好。此外,复合相变材料与单介质石蜡相比,其蓄热速率得到了提高,复合相变材料的总体蓄热时间在热流密度分别为7000W/m2、12000W/m2、15000W/m2这三种加热工况下,与单介质石蜡相比分别缩短了35.35%、22.14%、39.90%。 为了进一步阐述单介质石蜡和复合相变材料的相变机理,本文建立了相变过程的一维理论分析模型,获得了单介质石蜡和泡沫铝／石蜡复合相变材料相变过程的理论解。并将理论计算的温度分布与实验进行对比,结果吻合良好。