基于复合相变材料的锂离子电池低温热管理系统研究

一直以来,锂离子电池,作为新能源汽车的主要动力源,备受关注。然而,在低温环境下,锂离子电池性能急剧下降,大大缩短了新能源汽车的续驶里程,严重制约其发展。为了提高新能源汽车低温时的续驶里程,必须改善锂离子电池的低温性能,研发合适的热管理系统。复合相变材料具有可以通过发生相变进行储热放热的优点,且不消耗任何额外的能量,非常节能,是热管理系统的优良介质。因此,本文基于单体锂离子电池与锂离子电池组不同的低温特性,结合复合相变材料的优点,开展基于不同的复合相变材料的单体锂离子电池低温热管理系统研究和锂离子电池组低温热管理系统研究。对于单体锂离子电池低温热管理系统,采用热导率较低的气相二氧化硅基RT28复合相变材料对其进行保温。通过扫描电镜和红外光谱仪考察了不同质量分数复合相变材料的微观结构,结果表明气相二氧化硅吸附RT28仅为简单的物理吸附;采用差示扫描量热仪和热常数分析仪对其热物性进行表征,结果表明70wt%RT28/气相二氧化硅复合相变材料定型性最好,热导率较低,满足保温要求,且相变焓较大;通过不同环境温度下不同放电倍率的单循环充放电实验和多循环充放电实验,结果显示包裹了70wt%RT28/气相二氧化硅复合相变材料后,单体锂离子电池的温度、放电量、放电电压较未包裹相变材料的电池有显著的提高,电池低温下工作性能得到提升。对于锂离子电池组低温热管理系统,分别采用热导率迥异的两种复合相变材料——60wt%RT44HC/膨胀石墨复合相变材料和60wt%RT44HC/气相二氧化硅复合相变材料进行对比研究。RT44HC/膨胀石墨复合相变材料热导率较高,为10.27 W/(m﹒K),具有较强的散热性能,而RT44HC/气相二氧化硅复合相变材料热导率较小,为0.17 W/(m﹒K),具有较强的保温性能。不同环境温度下进行不同放电倍率的单循环充放电实验及现实模拟多循环实验,结果显示RT44HC/气相二氧化硅复合相变材料电池组由于保温效果过好,局部热量过多,电池组温差高达20.4℃,电压差为0.1 V,最终电池组失效,说明单纯提高保温效果并不能改善电池组的低温性能;而RT44HC/膨胀石墨复合相变材料电池组则较空电池组性能优异,热量分布均匀,电池温度整体提高,且温差、电压差及电阻差都较小。对于电池组而言,低温环境下产热量较单电池大,但是产热分布不均匀。相变材料不仅需要具备一定的保温能力,更重要的是具备能够均衡电池间的热量分布的能力,保证电池组放电的一致性,将有利于提高锂离子电池组的低温性能,因此RT44HC/膨胀石墨复合相变材料作为电池组低温热管理介质,具有良好的发展前景。