基于GA/PW复合相变材料的电池热管理研究

当前,环境污染和能源紧缺问题日益严重,新能源汽车符合节能减排的要求,而电动汽车又是目前最可靠、最有前景的发展方向。锂离子电池作为电动汽车的重要部分有许多优良的性能,但是锂离子动力电池在工作过程中会放出大量热,如果不及时排出,在电池内积累会导致电池工作性能下降、寿命缩短。相变材料应用于电池热管理对电池有较好散热控温效果,并且作为被动散热可以节约电池能量。本文首先针对石蜡(paraffin wax,PW)导热系数低、融化后易渗漏的问题,制备了石墨烯气凝胶(graphene aerogel,GA)/石蜡复合相变材料,然后将其应用于电池热管理,研究了高、低温环境下的热管理效果。主要内容与结论如下:用浓度分别为3mg/ml、4mg/ml、5mg/ml的氧化石墨烯分散液(graphene oxide,GO)制备了GA,然后浸渍PW组成GA/PW复合相变材料,并对其性能进行了测试分析。GO浓度分别为3mg/ml、4mg/ml、5mg/ml对应的复合相变材料导热系数为0.29、0.35、0.4W/(m?K);GA和PW相容良好,包覆率可达98%以上;两者无化学反应,相变温度和潜热值变化很小。分析了电池的生热机理及其与相变材料的传热模型,计算出电池的热物性参数,构建仿真模型并验证。自然对流散热在3C倍率放电最高温度达到328.6K。纯PW和5mg/mlGO制备的GA/PW复合相变材料散热在4C倍率放电最高温度分别为326.9K、325.9K。相变材料厚度为6mm较为合适。4C倍率放电下,相变材料散热对电池组最高温度的控制近似于单独采用强制风冷风速5m/s的效果,同时有更好的温度均匀性。将相变材料与风冷耦合进行散热,经过对比优化,布置为两通风孔,距离电池表面为1.5mm、两通风孔间距离15mm为最优,可以在2m/s风速下将电池组温度控制在323K以下。然后在不同环境温度下设计了对应的阶梯式风冷控制方案。对电池组在低温环境的加热方法进行了研究,选择PI金属加热膜作为加热元件,加热膜布置于电池左右两侧,加热功率为5W满足最大温差要求。对低温加热策略进行了研究,采用变功率加热可将最大温差控制在5K以内。根据以上设计出电池组综合热管理系统控制策略。