基于复合相变材料电池热管理系统分析与应用研究

为了克服传统汽车带来的能源危机和环境污染问题,需要采用新能源汽车来替代传统汽车。动力电池不仅是新能源汽车的主要能量来源,还是最为核心的环节之一。动力电池除了需要具备高的能量密度、高的续航里程、循环寿命长等特点外,其安全性能也需要得到充分的保证。虽然动力电池是新能源汽车三大电之一,但它对温度非常敏感,工作过程中会产生大量的热量,若不及时散热,会极大地降低电池的可靠性和使用寿命,直至导致起火等安全问题。所以,电池高效稳定的工作需要热管理系统的协助。为了提升电池的使用性能和安全性,本文制备了高导热的复合相变材料,并把它应用到电池热管理中,主要研究内容如下:分别制备了碳纤维(CF)和多壁碳纳米管(WMCNTs)为导热添加剂的复合相变材料,针对不同质量分数碳添加剂以及不同碳纤维与多壁碳纳米管配比的复合相变材料,并对其外观形貌、渗漏率、导热率以及对电池热管理的影响进行研究。研究结果表明:(1)通过熔融共混法制备的复合相变材料之间没有发生化学反应,只是简单地物理结合。(2)复合相变材料的导热率随着CF和WMCNTs含量的增大而增大,当CF与WMCNTs含量分别为6wt%、9wt%时,复合相变材料的导热率提高至4.78Wm~(-1)K~(-1),是PW/EG CPCM的3.06倍。(3)复合相变材料的渗漏率随着CF与WMCNTs的增加而降低,当CF与WMCNTs含量分别为6wt%、9wt%时,渗漏率降低至1.12%,是PW/EG的0.169倍。采用熔融共混法制备了以石蜡为相变材料,高密度聚乙烯为支撑材料,膨胀石墨和碳纤维为导热添加剂,附加3D打印带突刺结构的铝蜂窝板的复合相变材料。针对相变材料在经历多次固-液相变过程后,机械强度会大幅度降低的问题,本文引入3D打印带突刺结构的铝蜂窝以提高其机械强度。对复合相变材料的微观形貌、热性能、导热率、应力应变以及电池表面热响应进行研究。结果表明:(1)当CF的质量分数为4.5%时,其过冷度比PW PCM和PW/EG CPCM分别降低了51.5%和43.3%。(2)当CF质量分数为4.5%时,复合相变材料的导热率增加到5.723 Wm~(-1)K~(-1),是PW/EG的1.9倍。(3)在100KPa均匀压力下,应变仅为1.25mm。(4)该复合相变材料还具有优异的电池热管理性能,在2.5C放电倍率下,电池表面温度控制在50℃以下安全温度范围内。本文使用由江西星盈科技有限公司提供的方形铝壳三元锂电池。通过对锂电池的热特性分析,得出电池物性参数,从而建立单体电池的三维热模型。使用ANSYS Fluent软件模拟仿真电池充放电过程,并获得电池放电过程中的温度变化云图。模拟仿真结果与实验结果进行对比分析,结果表明:利用ANSYS Fluent软件建立的电池三维热模型的模拟结果与实际电池实验结果基本保持一致。最后,将3D打印带突刺结构的铝蜂窝进行表面镀铜,使用相同的方法制备成复合相变材料板并应用到电池热管理中。对电池进行充放电循环实验,记录电池表面温度的变化。并与ANSYS Fluent软件进行模拟仿真结果进行对比分析,结果表明:3D打印铝蜂窝表面镀铜后,复合相变材料板的导热率增加到6.23Wm~(-1)K~(-1,)并且电池在高放电倍率下仍能保持在45℃最佳温度范围内。