双层相变材料在锂离子电池热管理系统中的应用

作     者：罗昭顺 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：俞小莉

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：21700三元锂离子电池 相变材料 双层结构 温度场 温度均匀性 

摘      要：在能源危机和环境污染的现实推力下,我国开始大力推动电动汽车,但是在电动汽车产业蓬勃发展的背景下,电动汽车的市场占有率依然低靡。有关电动汽车自燃的负面报道层出不穷,其背后是电池性能和安全性的冲突。温度是影响电池性能的最重要因素之一,同时也是安全性的重要影响因素。因此,对电池进行合理的热管理是兼顾性能和安全性的关键。相变材料冷却方案具有“无功耗优点的同时也存在使用范围狭窄的缺陷,大量研究者进行了将其与其他冷却方式耦合的研究以提升其环境适应性,但这无疑破坏了相变材料冷却无耗能、结构简单的优势。因此,本文以21700锂离子电池为研究对象,提出了一种纯被动的双层相变材料冷却结构以期提升环境适应性,主要研究内容和结论如下:（1）通过实验获取了21700锂离子电池的产热特性,并基于Bernadi电池产热公式建立了可用于电池热管理仿真研究的产热模型,在计算流体动力学（CFD）软件中模拟了电池放电过程,获得了温度变化的云图。对单体电池进行不同倍率的放电实验,与仿真数据比对,结果表明:所建立模型很好地反映了实际电池的产热过程。（2）设计了一种用于单体电池的双层相变材料冷却结构,同时在CFD中建立了该结构的相变材料冷却仿真模型。根据仿真模型的需要对两种相变材料进行了热物性测试,将获得数据输入仿真模型中,随后利用所建立的电池产热模型进行了仿真。根据仿真模型实际制作了相变材料冷却结构,并进行了对应工况的实验,将获得的实验数据用于验证仿真模型的可靠性,结果表明:建立的模型是可靠的。（3）利用建立的仿真模型仿真研究了双层相变材料冷却模块的传热特性,研究中发现使用的相变材料在特定工况下会出现潜热不足的情况。因此,研究了内外层相变材料的相变点、导热系数、潜热对电池模块散热的影响,为相变材料与电池的匹配提供了参考。随后以3×4的电池组为例,研究了电池组布置方式和隔板厚度对电池组散热的影响,并与相变材料冷却耦合强制风冷的方案进行了对比,验证了双层相变材料冷却方案的有效性,从而为双层相变材料结构与电池组的匹配提供了思路。