【摘 要】
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动力电池作为电动汽车核心部件,其热安全问题得到社会关切。先进的电池热管理系统能及时导出动力电池散发的热量,防止电池发生热积聚和热失控的危险状况,延长电池使用寿命并保障电动汽车行驶安全。本文针对方形电池与圆柱形电池、单体电池与电池组的不同控温需求展开理论与应用研究,制备了多种高性能复合相变材料（CPCM）,并结合液冷散热技术进行电池热管理系统的可靠性实验与仿真分析。本文主要研究内容和创新如下:分析了
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动力电池作为电动汽车核心部件,其热安全问题得到社会关切。先进的电池热管理系统能及时导出动力电池散发的热量,防止电池发生热积聚和热失控的危险状况,延长电池使用寿命并保障电动汽车行驶安全。本文针对方形电池与圆柱形电池、单体电池与电池组的不同控温需求展开理论与应用研究,制备了多种高性能复合相变材料（CPCM）,并结合液冷散热技术进行电池热管理系统的可靠性实验与仿真分析。本文主要研究内容和创新如下:分析了锂离子电池的充放电原理,讨论了电化学反应过程方程式和电池生热及传热机理,同时给出了电池热管理系统中涉及的电池及CPCM的热物性计算方法,给出了整个CPCM与液冷耦合过程中采用的多项数值计算控制方程,包括电池、CPCM、液冷的能量、质量及动量守恒方程。设计了CPCM、风冷和液冷对照组、液冷/CPCM耦合的电池冷却模块,进行了CFD软件温控仿真。发现了在裸电池放电条件下,电池组只适宜在低放电倍率下工作,而本文研制的CPCM热管理系统控温能力较强,轻便且均匀性较好,但其不能适应电池高倍率放电工况温控需求。在对照组中（通过CPCM、风冷和液冷对照组的对比分析）,发现采用液冷方式对电池冷却效果比流动空气换热冷却效果更好,但单独的液冷系统冷却均匀性差;而将液冷和CPCM进行耦合可结合两种热管理方法的优势,且采用多条弯曲管道进行流动液冷与相变材料耦合换热的电池组散热方案具有更好的控温效果。针对相变材料与液冷系统中所需的复合材料展开了研究,分别制备了石蜡（PW）/高密度聚乙烯（HDPE）/膨胀石墨（EG）/纳米银（NANO-AG）、硬脂酸-软脂酸-月桂酸（SA-PA-LA）/EG/碳纤维（CF）、PW/EG/铜粉（Cu）/硅胶（SR）及二元导热硅脂共四种复合材料。其中,采用热压成型的PW/HDPE/EG/NANO-AG CPCM、SA-PA-LA/EG/CF CPCM两种材料用于方形电池热管理,这两种CPCM分别具有高、低熔点,适用于不同倍率放电的电池温升控制。PW/EG/Cu/SR CPCM成型前具有好的流动性,适用于结构较为复杂的圆柱形电池组热管理系统应用。二元导热硅脂可用于改善电池热管理系统中间隙多、界面传热热阻大、散热效率低等问题。在进行材料表征后发现:制备的PW/HDPE/EG/NANO-AG的晶化程度好,测试后CPCM中的PW泄漏率低于PW/EG CPCM,且导热率也明显提高;制备的SA-PA-LA三元相变材料的共晶质量比分别为29.6:7.4:63;SA-PA-LA/EG/CF各成分结合方式为物理吸附,当SA-PA-LA/EG/CF中CF含量为5%,且SA-PA-LA与EG质量比为91:9时,SA-PA-LA/EG/CF同时具备低泄漏率和高导热率;制备的PW/EG/Cu/SR CPCM成型前后分别具有流动性好、形态稳定的特点,CPCM中SR的加入能提高CPCM的防泄漏能力,且PW/EG/Cu/SR吸放热速率明显优于PW/EG CPCM;作者制备了三种混合填料（AIN/Cu、AIN/CF、Cu/CF）的导热硅脂,其中混有Cu/CF填料的导热硅脂热导率最高、体积电阻率最低,而含氮化铝（AIN）/CF的导热硅脂对界面的摩擦磨损最小。为了减少电池温升,作者测试了高低熔点结合的双层CPCM的温控效果,对单体电池进行了不同工况的充放电实验。发现相对于无相变材料控温,单层PW/HDPE/EG/NANO-AG CPCM散热方式的控温效果明显,但双层CPCM（PW/HDPE/EG/NANO-AG与SA-PA-LA/EG/CF）能进一步缩小电池温升幅度,同时较好地控制电池温度和温差。而在双层CPCM中加入铝蜂窝后,双层CPCM将具有更好的导热性、机械性能和循环控温特性。PW/HDPE/EG/NANO-AG CPCM在对方形电池组进行控温时,不能满足电池高倍率的连续充放电需求,在CPCM中嵌入液冷管道后,电池的温度与温差得到明显改善;不同的液冷管道布置方式对电池的温控效果产生影响,其中冷水入口与出口数量均为4时,电池模块的温度较低、温差较小;加大制冷压缩机功率和加大变量泵流量都能降低电池模块整体温度,但改变压缩机功率的冷却效果优于采取后者的方式,而在高强度连续充放电时同时开启压缩机和变量泵对电池的冷却效果最佳。在对圆柱形电池进行热管理研究时,增大电池间距可以降低电池最高温度,提高CPCM导热系数可以均衡电池间的温差;改变液冷管道出入口位置会极大影响电池温差,改变电池组的环境温度也会影响电池热管理结果;CPCM与液冷耦合的3入口/3出口的管道冷却结构满足1C放电-1C充电、2C放电-2C充电、3C放电-1C的多次充电循环工况,能将电池温度控制在45℃以内。
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