基于相變材料的動(dòng)力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)及仿真研究.pdf

1、面對(duì)能源與環(huán)保的雙重壓力，發(fā)展新能源汽車是大勢(shì)所趨。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為制約電池技術(shù)和整車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直是研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。合理有效的熱管理可以將電池控制在適宜的工作溫度范圍內(nèi)，對(duì)提升電池循環(huán)壽命，提高整車性能和推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展都具有重要的意義。本文針對(duì)采用相變材料(Phasechange material;PCM)作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，從熱管理用相變材料的制各與測(cè)試以及單體電池PCM散熱的熱模型出發(fā)，通過將石蠟與

2、膨脹石墨(expanded graphite; EG)復(fù)合制備了具有高導(dǎo)熱能力、穩(wěn)定性好并且易于加工的復(fù)合相變材料板;根據(jù)相變問題求解的焓法模型以及相關(guān)熱傳導(dǎo)理論，建立了一個(gè)有效的基于PCM散熱的三維單體電池模型;針對(duì)PCM向外界環(huán)境散熱的問題，分別設(shè)計(jì)了EG/PCM與熱管耦合以及EG/PCM與銅網(wǎng)耦合的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，研究了不同系統(tǒng)在不同實(shí)驗(yàn)條件下的溫度特性。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　1、(1) EG/PCM的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了

3、7.7W/(mK)，比石蠟提高了近30倍，而且相變過程中沒有出現(xiàn)泄漏的情況;(2)設(shè)計(jì)了基于相變材料板散熱的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，加入PCM可以顯著提高系統(tǒng)的降溫和均溫能力;(3)在PCM的相變階段，相變材料板比翅片散熱模塊有更好的降溫性能;(4)在輸入功率15W時(shí)，基板最高溫度隨風(fēng)速增加而下降，風(fēng)速達(dá)到3m/s時(shí)，繼續(xù)加大風(fēng)速效果不明顯。
　　2、(1)建立了基于PCM散熱的單體電池三維模型，仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相吻合，5C倍率放電時(shí)最大

4、溫差為2℃，可以滿足熱管理系統(tǒng)仿真以及電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)優(yōu)化的要求;(2)對(duì)于采用PCM冷卻的單體電池，用PCM進(jìn)行四面包裹結(jié)合比雙面結(jié)合的電池最高溫度降低了3℃，比不加PCM冷卻的電池最高溫度降低了17.2℃，散熱效果明顯，但是在最大溫差方面，由于內(nèi)部導(dǎo)熱各向異性的原因，雙面結(jié)合比四面結(jié)合降低了2.1℃;(3)當(dāng)PCM的潛熱和熔點(diǎn)確定時(shí)，復(fù)合相變材料板的厚度和表面換熱系數(shù)是影響電池表面溫度的關(guān)鍵因素，厚度越厚或者表面換熱系數(shù)越大，電池溫度

5、越低;厚度和換熱系數(shù)達(dá)到要求值的情況皆出現(xiàn)在電池溫度處于相變溫度區(qū)間，此后繼續(xù)增加厚度和換熱系數(shù)取得的散熱效果不明顯。
　　3、(1)在復(fù)合相變材料板的基礎(chǔ)上制備了熱管/相變材料結(jié)構(gòu)組件，并應(yīng)用到電池?zé)峁芾碇?(2)隨著放電倍率增加，PCM/熱管散熱效果越明顯，當(dāng)放電倍率為5C時(shí)，空氣冷卻和PCM冷卻時(shí)電池最高溫度分別為63.1℃和53.9℃，而在加設(shè)熱管后，PCM/熱管冷卻相比于單一PCM冷卻電池最高溫度降低了2.8℃;(3)在

6、熱管翅片側(cè)增加流速為1m/s的空氣流動(dòng)時(shí)可以使溫度始終工作在50℃以下，并且當(dāng)流速為3m/s時(shí)，即使是在循環(huán)工況下同樣滿足不超過50℃的要求。
　　4、(1)針對(duì)方形動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)并制備了銅網(wǎng)/PCM結(jié)構(gòu)組件;(2)銅網(wǎng)的嵌入不僅可以增加相變材料板的強(qiáng)度及其內(nèi)部的導(dǎo)熱能力，也可以提高其表面換熱系數(shù)，5C倍率放電時(shí)，空冷、PCM冷卻和PCM/銅網(wǎng)冷卻的電池最高溫度分別為75℃，65℃和60℃;(3)在最大溫差方面，采用空冷時(shí)