面向锂电池模块散热的切削铜纤维/石蜡复合成形及性能研究

随着能源的匮乏及全社会对环境污染的严格控制,电动汽车、混合动力车已成为当今汽车业的一大发展重点。自上世纪50年代锂金属被引入电池领域以来,锂电池在几十年间已得到快速发展,以其比能量大、自放电率小、循环寿命长、无记忆效应、大容量、无污染等优点,现已作为新能源汽车的主流动力源,但锂离子电池的热安全性问题制约了其推广应用。为了使电池性能达到最佳,延长其使用寿命,消除潜在危险,需要将电池温度控制在正常的工作范围内并减少电池组内各单体电池温度的不均匀性。针对以上情况,本文使用切削铜纤维/石蜡作为复合相变材料(phase change material,简称PCM)对锂电池模块进行散热,并利用实验与数值计算相结合的方法研究了锂离子电池在工作过程中的生热特性及相变材料的传热性能。本文研究工作主要包括以下几方面:(1)设计、制造了基于相变材料的散热模块。采用多齿刀具加工连续切削铜纤维,制作具有不同孔隙率的铜纤维烧结骨架,研究其烧结工艺和烧结形成机理,并在其中灌入石蜡制成复合相变材料。(2)对复合相变材料进行了差示扫描量热(DSC)测试,DSC测试结果显示,在石蜡中加入泡沫铜或铜纤维后,复合材料的相变潜热和比热容都有较大的下降,对其影响明显。(3)将复合相变材料包覆在电池四周,分别在10A、20A和35A电流下对电池模块进行放电实验研究,测试材料的散热效果。结果表明,应用基于相变材料的电池热管理系统的电池组以最大电流工作时温度都不超过安全阈值,并且相比于自然冷却的电池组,最高温度和单体之间温度差异都大幅下降。利用泡沫金属骨架提高石蜡的导热性能,能够有效提升电池热管理系统的性能,保障电池的安全使用。(4)利用数值计算的方法模拟复合相变材料使用在锂电池模块散热中的传热问题。采用了一种两方程非热平衡的二维模型对电池模块建模,利用焓法处理材料相变问题并用有限差分法在Matlab编程求解。运算所得结果与放电实验结果进行对照,两者很好的吻合,表明建模和求解过程的正确性,验证所建立的基于相变材料的锂离子电池热管理系统模型的准确性。