基于相变散热的动力电池热管理技术研究
伴随着汽车工业的快速发展，能源危机及环境污染等问题日益突出。以电动汽车为代表的新能源汽车由于在能源利用率和节能减排等方面具有比传统车辆更独特的优势，将成为未来汽车发展的主流方向。作为新能源汽车核心部件的动力电池，其安全性能将会对整车的总体性能产生直接或间接的影响，而动力电池系统中合理的热管理技术可以有效改善电池组的性能和寿命等，保证电池组的最高温度和最大温差在合理运行温度范围内，从而提高电池组的安全可靠性。因此，深入研究动力电池组热管理技术具有非常重要的意义。
论文研究了磷酸铁锂电池产热机理，分析总结了热管理技术国内外研发现状，重点研究基于复合相变材料(PCM)的热管理技术。通过制备泡沫铜/石蜡复合材料并对其性能进行表征，将泡沫铜/石蜡和石墨/石蜡两种相变模块进行不同放电倍率和不同工况的实验测试。最后通过电池组装车测试分析电动车实际运行过程中相变冷却技术和空气冷却技术的散热效果，为动力电池热管理系统的实际开发提供一定的借鉴。论文主要研究内容如下:
首先，对电池模块的产热原理进行了研究，并针对产热过程中的重要因素进行分析，主要包括固体电解质膜的分解、正极分解、负极和电解液以及粘合剂的反应、电解液的分解等。并从热力学的角度对相变材料冷却时模块产生的热量进行理论分析，对相变材料用量进行计算。电池的产热机理分析为后续的实验研究提供重要的理论指导意义。
其次，制备泡沫铜/石蜡复合材料，采用导热系数测试、扫描电子显微镜测试和X射线衍射测试对复合材料的性能进行了表征。导热系数测试结果说明，与纯石蜡(0.21W·m-1·K-1)相比，泡沫铜的添加使复合材料的导热系数最大提高了15.93倍，达到4.3 W·m-1·K-1。即泡沫铜作为添加剂，弥补了石蜡导热系数低的缺陷，从而使复合材料表现出优异的导热性能。SEM图分析表明纯泡沫铜中的通孔被液体石蜡完全均匀填充，能够保证足够的填充量，提高复合材料的导热性能。XRD谱图显示泡沫铜的添加并没有影响石蜡作为基体的化学稳定性，两者复合后没有新的相产生。
再次，泡沫铜/石蜡42110相变电池模块的室温实验数据结果表明最高温度和最大温差分别被控制在55℃和5℃以内，能够保证电池在合理的温度范围内工作，并保持良好的温度均一性。石墨/石蜡42110相变模块实验数据表明电池的最高温度随着放电倍率的增加逐渐的上升，室温5.0C放电时最高温度达到40.89℃，最大温差在5℃以内，即模块的温度性能能够满足电池的散热需求。低温工况下3.0C放电时，最高温度达到32.38℃，高温工况下5.0C放电时，最高温度被控制在44.72℃。通过以上两种相变模块测试数据的对比分析，结果显示两者在电池热管理方面均有优异的散热性能，即具有良好的控温和均温性能。
最后，装车测试结果说明平地工况时，石墨/石蜡相变电池模块最高温度达到36℃，较空气冷却模块降低了57.7％，而且斜率较空冷低，上升相对比较缓慢;20度斜坡上测试时空气冷却模块最大温差达到6.8℃，而PCM模块最大温差达到2℃。总之，无论是平地还是不同坡度的路况，PCM冷却时的散热性能均优于空气冷却。通过对目前冷却技术的整体评估分析，相变冷却技术在冷却效果、系统复杂度、维护等方面要优于空气冷却，未来在电动汽车热管理具有很强的竞争力和发展潜力。
磷酸铁锂电池;热管理;相变材料;泡沫铜;散热性能;电动汽车;动力电池
广东工业大学
硕士
热能工程
张国庆
2013
中文
U469.72;TM912.9
74
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）