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《华南理工大学》 2013年
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基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究

饶中浩  
【摘要】:随着经济、社会的不断发展和人们生活水平的不断提高,交通行业节能与减排的重要性也将日益突出。电动汽车因具有低能耗与零排放的双重优势,近年来发展迅速。发展电动汽车,关键是动力电池。无论是传统的铅酸,还是性能先进的镍氢、锂离子电池,温度对电池性能都有非常显著的影响,温度过高或过低均不利于电池性能的发挥。为延长动力电池循环寿命,提升电动汽车整车性能,进而推动电动汽车的发展与应用,本文根据电池的产热规律,通过实验与数值模拟相结合的方法,分别对基于固液相变传热介质/材料(PCM, phase change medium or material)、热管以及热管与PCM耦合传热的电池热管理系统中的热量传递规律进行了研究,并采用分子动力学和耗散粒子动力学的方法,对PCM强化传热的微观机理进行了探讨。主要研究内容与结论如下: 1、针对圆柱形锂离子动力电池,设计了基于PCM的电池散热系统,并分别建立了单体电池、电池模块散热系统的模型,研究了PCM的导热系数、用量以及环境因素对电池与电池模块热量传递与分布的影响。结果表明:(1)增加PCM导热系数有助于强化PCM内部的热量传递,降低电池与PCM接触界面处的温度梯度以及单体电池和电池模块的最高温度,但PCM导热系数增加至一定值后,对电池最高温度的影响不大。(2) PCM欠量时,电池模块局部温差在PCM熔化后将继续增加,且PCM的导热系数越小,增幅越大。PCM足量时,若环境温度为定值,则PCM相变温度越低,电池模块局部温差越小;若PCM相变温度为定值时,则环境温度越高,电池模块局部温差越小。(3)电池搁置或充电时,电池和PCM中的热量能在许可时间内将热量传递至外部环境;电动汽车停置于高温环境时,PCM能有效阻滞环境热量进入电池;当PCM辅以空冷散热时,风速越大,电池模块局部温差越大,但PCM导热系数较大时,局部温差受风速影响不大。 2、针对方形锂离子动力电池,分别设计了基于PCM的方形锂离子电池散热、加热/保温系统并建立了模型,研究了PCM和电池导热系数的相关性及其对系统传热的影响;并结合方形电池表面的平整结构,实验研究了基于扁平烧结型热管的电池散热系统热量传递与分布规律。结果表明:(1)提高电池导热系数有助于减小系统热阻,PCM导热系数与电池导热系数(kPCM: kc)相同时,倍增PCM导热系数并不能明显强化系统散热,但能强化热量在PCM中的传递,降低电池模块的局部温差。(2)对于电池的加热/保温,PCM加热与空气加热相比,加热时间短,热量分布更均匀,并能满足电池搁置长时间的保温要求。PCM导热系数低有助于减小保温过程中的热量损失,延长保温时间,但会增加电池再次放电时的温升和局部温差,因此,仍需对PCM进行强化传热。(3)针对扁平烧结型热管的电池散热系统,首次提出了有效散热能力与有效均热能力的概念。电池温升和局部温差的控制,必须同时考虑热管的有效散热能力与有效均热能力。 3、设计了基于振荡热管(OHP, oscillation heat pipe)的方形电池散热系统,并结合PCM的潜热特性,设计了PCM/OHP耦合传热的电池散热系统,实验研究了各系统中OHP摆放位置和电极朝向与电池降温和均温的协同作用。结果表明:(1)要满足电池降温与热量分布均衡性的要求,OHP的启动温度必须低于目标温度,且不高于电池局部温差达到目标温差时所对应的电池最高温度。(2) PCM/OHP散热系统具有比OHP散热系统更好的降温效果。电池电极靠近热管绝热端时,高温端热量迅速通过热管导出,电池最高温度上升至目标温度的时间变长。电极朝向相同时,电池最高温度上升至目标温度的时间以及放电结束时的最高温度受OHP放置角度影响不大。(3)电池电极远离OHP绝热端时,PCM/OHP散热系统的均温效果最好;而电池电极靠近热管绝热端时,热管散热系统的均温效果最好;但PCM/OHP散热系统的稳定性受电极与热管接触方式的影响较小。对PCM进行强化传热,仍是提高PCM/OHP散热系统降温与均温能力的关键。 4、针对电池热管理系统PCM传热强化的共同特性,以传热介质为研究对象,基于石蜡类PCM的构成,分别建立了单质烷烃、二元混合烷烃以及烷烃/水混合PCM体系的分子模型,对各体系的热质传递机理进行了分子动力学模拟。结果表明:(1)正十九烷与正二十烷固态时的定压比热容与实验值相差最大不超过20%,液态时最大不超过9.5%;温度为288~318K时,正二十二烷导热系数的模拟值介于0.1~0.4W·m~(-1)·K~(-1),与文献中实验值的波动范围相吻合。(2)开氏温标下,单质烷烃的相变温度与文献值和实验值的偏差不超过1%。正十九烷和正二十四烷按1:1和1:3混合时,其熔化温度按自扩散系数预测分别为308.5K和315.2K,按比热预测分别为308.2K和314.6K,偏差不大。(3)在烷烃/水混合PCM体系中,烷烃的加入会降低体系的自扩散系数,宏观行为上体现为粘度增加和导热系数下降。烷烃发生相变时,C-C键和C-H键的扭转、伸缩等行为较为剧烈,体系需要外界提供更多的能量或向外接释放更多的能量,宏观上体现为蓄热或放热。 5、以烷烃为基材,建立了烷烃与高导热铝粒子混合的PCM分子模型;以烷烃为芯材,二氧化硅为壳材,分别建立了胶囊PCM模型以及胶囊与水混合的PCM模型;研究了粒子粒径、壳材软硬、厚度等对PCM扩散行为的影响。结果表明:(1)通过添加高导热粒子对石蜡类PCM进行强化传热时,粒子的粒径不宜太大,含量不宜过多,否则易出现沉淀或混合不均甚至无法混合的现象,增大传热热阻或热量传递不均。(2)胶囊壳材材质的软硬会影响胶囊类PCM的自扩散,硬质壳材会限制胶囊芯材的扭转、伸缩、振动等,降低芯材固液相变后的流动性;软质材料伸缩性强,能减小不同胶囊之间的接触热阻。(3)胶囊外壳的厚度也会影响胶囊类PCM的自扩散性能,胶囊外壳过厚时,芯材外侧分子链的扭转、拉伸等行为易受约束,流动性减弱。 6、以烷烃为芯材,分别以三聚氰胺甲醛树脂、甲基三甲氧基硅烷/3-氨丙基三甲氧基硅为壳材,建立了胶囊PCM体系的粗粒化模型,根据介观模拟的方法与理论,通过耗散粒子动力学模拟,研究了胶囊PCM的形成机理和主要影响因素。结果表明:(1)采用与文献中相似的胶囊PCM芯材与壳材材质,成功模拟出正二十二烷/三聚氰胺甲醛树脂胶囊PCM体系的介观核壳结构,并对胶囊化过程进行了机理分析,模拟出芯材过量时胶囊无法包裹的介观形态。(2)模拟出以烷烃为芯材,甲基三甲氧基硅烷和3-氨丙基三甲氧基硅烷为壳材前驱体的胶囊PCM的演化与形成过程,并根据文献中的实验条件对组分的配比进行了分析,得出了芯材含量为62.5%的模拟值(实验值64%),并指出了芯材含量的理论可能值为70%。 综上,本文结合实验与数值模拟的方法,从宏观、微观、介观多个尺度对电池热管理系统或系统中关键传热介质的热物性进行了研究,研究结果和方法能为新型传热介质的材料与结构设计、电池热管理系统的模块与成组设计提供理论指导和参考。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TM912

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