基于相变材料的动力电池热管理实验及仿真研究

面对能源与环保的双重压力,发展新能源汽车是大势所趋。电池热管理系统作为制约电池技术和整车发展的关键技术之一,一直是研究的热点与重点。合理有效的热管理可以将电池控制在适宜的工作温度范围内,对提升电池循环寿命,提高整车性能和推动电动汽车的发展都具有重要的意义。本文针对采用相变材料(Phase change material;PCM)作为储热介质的动力电池热管理系统,从热管理用相变材料的制备与测试以及单体电池PCM散热的热模型出发,通过将石蜡与膨胀石墨(expanded graphite; EG)复合制备了具有高导热能力、稳定性好并且易于加工的复合相变材料板；根据相变问题求解的焓法模型以及相关热传导理论,建立了一个有效的基于PCM散热的三维单体电池模型；针对PCM向外界环境散热的问题,分别设计了EG/PCM与热管耦合以及EG/PCM与铜网耦合的电池热管理系统,研究了不同系统在不同实验条件下的温度特性。主要研究内容和结论如下：1、(1)EG/PCM的导热系数达到了7.7W/(mK),比石蜡提高了近30倍,而且相变过程中没有出现泄漏的情况；(2)设计了基于相变材料板散热的实验系统,加入PCM可以显著提高系统的降温和均温能力；(3)在PCM的相变阶段,相变材料板比翅片散热模块有更好的降温性能；(4)在输入功率15W时,基板最高温度随风速增加而下降,风速达到3m/s时,继续加大风速效果不明显。2、(1)建立了基于PCM散热的单体电池三维模型,仿真结果和试验测量结果相吻合,5C倍率放电时最大温差为2℃,可以满足热管理系统仿真以及电池热管理设计优化的要求;(2)对于采用PCM冷却的单体电池,用PCM进行四面包裹结合比双面结合的电池最高温度降低了3℃,比不加PCM冷却的电池最高温度降低了17.2℃,散热效果明显,但是在最大温差方面,由于内部导热各向异性的原因,双面结合比四面结合降低了2.1℃；(3)当PCM的潜热和熔点确定时,复合相变材料板的厚度和表面换热系数是影响电池表面温度的关键因素,厚度越厚或者表面换热系数越大,电池温度越低；厚度和换热系数达到要求值的情况皆出现在电池温度处于相变温度区间,此后继续增加厚度和换热系数取得的散热效果不明显。3、(1)在复合相变材料板的基础上制备了热管/相变材料结构组件,并应用到电池热管理中；(2)随着放电倍率增加,PCM/热管散热效果越明显,当放电倍率为5C时,空气冷却和PCM冷却时电池最高温度分别为63.1℃和53.9℃,而在加设热管后,PCM/热管冷却相比于单一PCM冷却电池最高温度降低了2.8℃；(3)在热管翅片侧增加流速为1m/s的空气流动时可以使温度始终工作在50℃以下,并且当流速为3m/s时,即使是在循环工况下同样满足不超过50℃的要求。4、(1)针对方形动力电池热管理系统设计并制备了铜网/PCM结构组件；(2)铜网的嵌入不仅可以增加相变材料板的强度及其内部的导热能力,也可以提高其表面换热系数,5C倍率放电时,空冷、PCM冷却和PCM/铜网冷却的电池最高温度分别为75℃,65℃和60℃； (3)在最大温差方面,采用空冷时在放电结束的搁置阶段,其温差仍然会继续上升,并且波动幅度随着放电倍率的增加而增加；(4)当在模块加入空气强制散热时,PCM/铜网模块的温度分布随空气的流向变化,最高温度由中间部位向出口方向转移；(5)循环工况下,外部空气的导入可以显著降低其工作温度,而PCM/铜网冷却相对单一PCM冷却在整个循环过程,可以使电池模块整体温度降低5℃左右。