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原文传递 46.8V/8.8Ah电池模组开发过程中的热性能研究

论文题名：	46.8V/8.8Ah电池模组开发过程中的热性能研究
关键词：	电动汽车;锂离子电池;热安全;相变传热介质;电性能特征
摘要：	随着能源行业不断发展，以新能源电动汽车为主的动力及储能领域电池系统中锂离子电池的安全问题，特别是热安全问题备受同行关注。任何以牺牲锂离子电池安全为代价所换取的高比能和长寿命等性能特性的技术手段，都是错误的发展路线。为了有效提升电池模组的热安全性能，延长电池模组的循环寿命，进而推动动力及储能行业的发展与应用，本文针对46.8V/8.8Ah电池模组开发过程中的电性能筛选、产热评估、模组及热管理设计等关键环节进行研究。首先研究电池模组的核心单元18650电芯在不同物理工况和环境温度下的电性能特征，并通过理论计算、实验测量与计算机仿真相结合的方式分析18650电芯在不同放电倍率过程中的产热行为和热量分布规律，综合评估电池成组前后的产热及热堆积效应。在热管理方案评估过程，分别提出二甲基硅油低温预热方案、半导体制冷方案以及重力热管散热方案，对其进行实验研究，分析不同热管理方式下的电芯散热行为。其次根据电芯产热特性设计和制备基于PA/EG/EP体系的复合相变材料，并通过热物性、力学强度、高低温冲击等性能测试综合确定材料配方问题，进一步根据材料成型理论设计开发及改进相应的相变材料成型工艺并组装电池模组。在测试环节，通过实验研究与数值模拟相结合的方法，研究46.8V/8.8Ah电池模组在绝热工况下不同放电倍率的产热行为，同时提出一种液冷板/相变材料耦合二次散热的方案并对其进行计算机模拟。主要研究内容与结论如下: 　　1、研究和评估18650三元电芯在不同物理和环境温度工况下电芯的电化学特性，同时针对所筛选电芯的低温放电特性，提出一种基于二甲基硅油的低温预热管理方案，实验研究在有/无油泵驱动下的不同低温环境以及不同放电倍率的电芯低温特性，为产品设计提供理论支撑。结果表明:(1)电芯在自由跌落和滚筒实验测试前后电压及内阻幅度不大，均无无漏液、磕破、变型等现象，在低气压冷热冲击测试后电芯电荷保持率皆在96％以上，24小时电荷回复率为99.9％。(2)高温储存和充放电实验揭示了持续的高温工况严重降低了电芯的储存寿命和充放电容量，并且有热失控的风险。(3)低温工况下，电芯电化学性能衰减主要体现在电芯内阻值增加和容量衰退，放电过程中电池模组内部的产热量能充当自加热功能，电压曲线在放电瞬间压降剧降后持续回升。当环境温度低于-15℃时，电芯的自我恢复能力较低，放电性能急剧下降。(4)基于二甲基硅油与电加热膜耦合的预热方案能促进电芯低温电性能特性，不仅能增强电池模组的均匀受热能力，而且可提高低温工作过程中的的放电容量，其中在-15℃情况下5C倍率放电相比于无预热情况，SOC增幅高达81％　　2、针对18650三元电芯的产热行为进行系统研究。本章介绍了放电测试法、安时积分法、开路电压法等七种种电芯SOC评估方法，并采用理论计算和实验相结合的方式对电芯进行产热行为评估，再采用计算机模拟仿真的方式进行产热误差分析。根据电芯的产热规律，设计出基于半导体制冷和重力热管散热的电池模组热管理方案并对进行实验研究。结果表明:(1)三种理论与实验计算电芯产热方法的估算值误差，随着放电倍率增加而变大。采用瞬时积分法所估算出来的平均发热功率与模拟值最为吻合，误差不高于4％。水量热法的误差最大为26.3％。(2)在全密封环境下半导体芯片能迅速对电池模组进行快速降温，实验表明随着放电倍率增大，降温效果愈加明显，其中3C放电倍率下，模组最高温度下降14℃。(3)采用重力热管散热需在冷凝端添加翅片与风道，实验表明冷凝端风速越大，热管的温度梯度越大;在大倍率放电过程，电池模组降温效果愈加明显。其中在4C放电倍率下电池模组最高温度可控制在50℃以内。　　3、在上一章评估电芯及模组的产热特性及不同热管理方案后，此章重点研究石蜡在相变控温过程中的定型问题，实验对照石蜡复合泡沫铜金属体系的优缺点后，制备出基于环氧树脂(EP, epoxy)、石蜡(PA，paraffin)和膨胀石墨(EG, expanded graphite)的复合相变材料，同时兼顾良好的热物性特性，力学强度和抗泄露能力，并基于该材料进行电池模组热管理测试实验。结果表明:(1)泡沫铜由于其多孔结构和优良导热能力，与石蜡复合后体现出较好的热管理性能，但是泡沫金属多孔结构对石蜡的附着力不强，无法很好抑制石蜡流动。而且泡沫金属成本较高，在产品应用上具有一定局限性。(2)实验表明膨化温度为900℃时对膨胀石墨堆积密度与膨胀倍率的影响较小，并且对挥发分和灰分影响最小，有利于膨胀石墨及其复合材料的结构稳定特性;(3)研究EP、PA和EG的复合工艺，对其进行热物理性能表征、材料结构表征、力学性能表征以及高低温冲击能力测试，EP比例高的材料，力学性能和抗泄露能力强，但是导热和潜热值低，综合以上评估后确定PA/EG/EP＃3体系材料最佳比例为(PA:50％、EG:3％、EP:47％)。(4)在电池热管理实验中，PA/EG/EP＃3体系材料可以持续对电池模组进行降温均温，并且全过程无石蜡泄露，材料表面无变化。　　4、针对PA/EG/EP体系材料的特性，对其进行材料成型和精加工处理;对优化筛选后的电芯进行成组，并对电池模组进行全密封绝热环境的测试，研究46.8V/8.8Ah电池模组在空白(Blank)和相变材料(PCM)工况下的散热特性，并提出一种液冷板/相变材料耦合二次散热的方案并对其进行计算机模拟。结果表明:(1)在绝热全密封条件下，电池模组放电倍率越大，PCM热管理的降温和均温能力越显著。(2)由于电池模组电芯间距小，强制对流无法对Blank电池模组进行控温，风速越大，电池模组最大温差越大，最高超过50℃，严重影响电池模组的电/热稳定性;对于PCM材料，强制风冷的效果并不明显，但总体来说仍起到热稳定促进作用。(3)循环测试中强制流体有足够长的时间对箱内进行扰动，反而对Blank电池模组降温效果影响较大，PCM电池模组在循环后期由于热堆积作用，最高温度有缓慢上升趋势，但是综合来说PCM电池模组的控温均温能力更优，取1C/2C充放电循环为例，在0m/s、1m/s、2m/s和3m/s的风速影响下，PCM电池模组的最高温度分别降低了22.2％、23.8％、34.6％和37.7％，其最大温差值分别降低了151.1％、84.6％、64.2％以及38.4％。(4)研究解决相变材料循环过程的热惰性问题，对液冷板用于相变材料二次散热进行仿真优化。其中在电池模组不同倍率放电下，无论是采用水还是高导热油作为换热工质，最高温度皆控制在50℃。在流道同向和逆向换热中，高导热油作用下的电池模组3C倍率放电最大温差皆低于3.5℃，其中逆向情况下最大温差甚至小于2.5℃，比采用相变材料控温中3C放电时电池模组的最大温差降低了50％，体现了很好的均温控温功能。　　综上所述，本文重点研究了46.8V/8.8Ah电池模组开发过程的热性能，根据电芯产热行为从宏观和微观尺度系统地对相变传热介质进行设计、研究及开发。同时用理论、实验与数值分析相结合的方式，对电芯及电池模组进行多种工况下的热管理研究。本文研究方法和相关结果为高循环特性相变传热新材料的应用提供了重要参考，对高安全电池模组设计、开发及产业化提供扎实的理论依据。
作者：	王子缘
专业：	材料科学与工程
导师：	张国庆
授予学位：	博士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文