论文题目：复合相变材料在动力电池热管理中的应用研究
摘要：为应对环境污染及能源危机两大世界难题,发展电动汽车已成为全球的共识。而随着电动汽车的迅猛发展,人们对电动汽车的安全性、续航等提出了更高的要求,设计开发出更高效、更可靠的热管理系统也成为了电动汽车领域研究的重点。基于相变冷却的电池热管理系统具有节能、防止电池热失控及优良的控温性能等优点,被认为是最具有前景的电池热管理技术之一。本文以18650磷酸铁锂电池组作为研究对象,采用仿真模拟与实验验证相结合的手段,对动力电池的相变热管理系统的散热、保温及加热功能进行分析研究。首先,全面分析了锂离子电池的结构、工作原理以及传热、产热机理;进行单体锂离子电池HPPC实验,并通过理论计算获取不同SOC下电池的内阻值,以此为基础拟合得到电池内阻与SOC的关系式,完成电池内热源UDF程序的编写;综合计算得到的锂离子电池热物性参数及内热源程序,建立单体锂离子电池CFD模型,模拟了单体锂离子电池的放电过程,并将仿真结果与温升实验的数据进行对比,以验证模型的准确性。其次,通过向石蜡中添加不同比例的膨胀石墨及纳米粒子制备了7种不同的复合相变材料,并比较分析了不同材料配比对复合相变材料热物性的影响。再次,通过实验及模拟计算研究了复合相变材料对电池组的散热性能,并分析电池与复合相变材料之间的排布、复合相变材料热物性及与风冷复合时对电池组散热的影响。最后,为改善电池的低温性能,对电池组进行保温设计及保温实验,分析保温材料的种类及厚度对保温效果的影响;同时从加热时间、温度均匀性等角度出发对比分析热空气加热、加热棒加热及加热膜加热对电池组的加热效果。研究结果表明:（1）少量纳米粒子的增加可以进一步提高膨胀石墨/石蜡复合相变材料的的导热系数和相变潜热;（2）适当增大复合相变材料的导热系数且保证电池周围的复合相变材料用量一致且充足是提高散热效果的关键;（3）本课题设计的散热片能有效强化散热从而减少风冷与相变冷却复合时的局部温差;（4）保温设计能有效减少电动汽车在低温环境短期停车冷启动时所需要的加热时间及能耗,且保温条件能有效提升电池组的温度均匀性;（5）加热膜加热的加热时间短且加热均匀,而热空气加热可以利用热泵达到高效的节能效果,因此复合这两种加热方式能得到最佳的加热效果。
关键词：动力电池;电池热管理;复合相变材料;散热;保温;加热
学科专业：动力机械及工程
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 车用动力电池发展趋势
1.2.2 车用动力电池散热技术研究现状
1.2.3 车用动力电池保温技术研究现状
1.2.4 车用动力电池加热技术研究现状
1.3 本文主要研究内容
第二章 18650锂离子电池产热和传热机理及充放电实验
2.1 锂离子电池结构及工作原理
2.2 锂离子电池的产热机理和传热模型
2.2.1 锂离子电池的产热机理
2.2.2 单体电池传热模型
2.3 18650单体锂离子电池充放电实验
2.3.1 18650单体锂离子电池温升实验
2.3.2 18650单体锂离子电池内阻特性实验
2.3.3 18650单体电池内阻拟合
2.3.4 18650单体电池生热模型验证
2.4 本章小结
第三章 复合相变材料制备与热管理应用
3.1 复合相变材料制备及热物性测试
3.1.1 相变材料选取
3.1.2 实验材料与实验仪器
3.1.3 复合相变材料制备
3.1.4 复合相变材料热物性测试
3.2 复合相变材料传热模型及用量估计
3.2.1 复合相变材料内部传热模型建立
3.2.2 复合相变材料用量估计
3.3 电池组相变热管理模块放电实验
3.3.1 电池组相变热管理模块组装和热电偶布置方案
3.3.2 电池组充放电实验台架的搭建
3.3.3 电池组温升实验结果及分析
3.4 电池组相变热管理模块仿真模型及实验验证
3.4.1 电池组相变热管理仿真模型
3.4.2 电池组相变热管理模型验证
3.5 本章小结
第四章 电池组相变热管理系统的散热研究
4.1 电池组相变热管理模块结构对散热性能的影响
4.1.1 电池和CPCM排布均匀性的影响
4.1.2 电池间距优化
4.1.3 插排和顺排的影响
4.2 相变材料热物性的影响
4.2.1 不同导热填料的影响
4.2.2 导热填料质量分数的影响
4.3 风冷与相变冷却对电池组散热性能的影响
4.3.1 风冷与相变冷却的散热性能仿真分析
4.3.2 风冷与相变冷却复合对电池组散热性能的影响
4.4 本章小结
第五章 电池组相变热管理系统的保温和加热策略研究
5.1 温度对18650锂离子电池性能影响实验研究
5.2 电池保温实验及仿真分析
5.2.1 电池保温设计及实验分析
5.2.2 保温条件对电池组热管理的影响
5.3 适用于相变热管理系统的加热方式研究
5.3.1 热空气加热仿真研究
5.3.2 加热棒加热仿真研究
5.3.3 加热膜加热仿真研究
5.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附件