摘要
为了应对能源短缺和环境污染等问题，纯电动汽车在国内外取得了高速发展。动力电池是电动汽车的关键组成部分，其性能决定汽车的安全性和动力性等方面。动力电池的性能受温度影响很大，电池热管理系统能够有效控制电池温度，对于保障电动汽车安全高效运行至关重要。目前，基于相变材料的电池热管理系统具有结构简单、节能和温度均匀性好等优点，但相变材料的相变潜热有限，在复杂工况下热管理性能不足。因此，将相变材料与液冷等主动冷却形式相结合的复合式热管理技术具有重要研究意义。 本文主要以锂离子动力电池与复合相变材料为研究对象，首先开展了锂离子动力电池内阻测试和温升特性实验，然后制备了膨胀石墨-石蜡复合相变材料进行相变材料冷却实验，同时利用Fluent软件建立相变材料冷却仿真模型，进一步研究复合相变材料热物性参数对热管理性能的影响规律。最后针对只采用复合相变材料冷却时内部热量无法及时散出导致性能不足的问题，提出一种复合相变材料与液冷结合的热管理方式，并研究了液冷系统参数与控制策略对热管理性能与能耗影响。主要研究结论如下： （1）锂离子动力电池在25℃环境温度下采用3C放电倍率工作时，电池最高温度达到65.4℃，已超过20℃~45℃最佳工作范围，而相变材料热管理方式可以将最高温度降低37.85℃，最大温差维持在1.5℃以内，具有较好的热管理性能。 （2）相变材料的填充厚度、热导率、相变熔点和相变潜热对热管理性能影响较大。相变材料填充厚度过低会导致热管理性能不足，但过大会导致相变潜热的浪费，填充厚度在4mm时热管理性能最佳。热导率决定电池组热量向外扩散速度，热导率在3W/(m·K)时可以满足热管理性能需求，继续提高热导率对性能提升不大。相变熔点决定相变反应过程电池的最高温度，熔点在高于环境温度的40℃时性能较好。相变潜热决定相变材料吸收热量的多少，当相变潜热由150J/g增加至250J/g时，液相率由0.84降低至0.51，后续冷却性能大大增加，应在保证其他参数满足要求的前提下尽量提高相变潜热。 （3）在设计的复合相变材料与液冷结合的热管理系统中，提高冷却液流速会显著降低电池组最高温度，但在放电前期会增大电池单体之间的温差；冷却液温度越低电池组的最高温度越低，但会导致单体温差过大同时会使相变潜热无法发挥作用。冷却液流速为0.05m/s，冷却液温度为35℃时，会实现最佳热管理性能以及相变潜热的充分利用。在高温高倍率多次循环充放电工况下，自然对流和单一相变材料冷却方式的热管理性能不足，相变材料与液冷结合的热管理方式可以将电池组温度始终维持在39.7℃以内，最大温差控制在3.5℃以内，在复杂工况下也具有出色的热管理性能。在液冷系统控制策略中，液冷开启温度阈值在相变熔点附近会获得较好的热管理性能与功耗的平衡。基于相变模块液相率和温度阈值的新型双重控制策略与单一温度阈值控制策略均满足热管理性能要求，但新型控制策略可以充分利用相变潜热并降低系统能耗。在采用液相率阈值为0.6和温度阈值为42℃的双重控制策略时，相比于单一40℃温度阈值，液冷系统能耗降低45%。 本文设计的复合相变材料与液冷结合的热管理方式，可以解决相变材料冷却中相变潜热不足的问题，能够满足复杂工况下的热管理性能需求并降低液冷系统能耗，为动力电池热管理系统的实际设计和应用提供参考。
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