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原文传递基于六方氮化硼/石蜡复合相变材料的锂离子电池冷却性能研究

论文题名：	基于六方氮化硼/石蜡复合相变材料的锂离子电池冷却性能研究
关键词：	电动汽车;锂离子电池;复合相变材料;六方氮化硼;高密度聚乙烯;硅藻土基石蜡;冷却性能
摘要：	相比于传统燃油车，纯电动车行驶过程完全无排放，并且具有结构简单，易于维护，没有噪音等优点，是现代汽车行业未来的发展方向。动力锂电池作为纯电动汽车的直接动力来源，是新能源汽车关键技术之一，其性能的好坏直接影响整车安全性、续驶里程以及使用寿命等。基于相变冷却方式的电池热管理系统，由于结构、简单易于维护、控温性能优异等特点受到了国内外学者的广泛关注。但固液相变储能存在着普遍的相变时易泄露、导热性能差的特点。基于上述问题，本文首先制备了六方氮化硼/高密度聚乙烯/硅藻土基石蜡复合相变材料，并对其热物性、泄漏性能、导热强化进行测试研究，在此基础上设计并搭建了基于复合相变材料锂电池组冷却性能实验平台，并对复合相变材料应用于锂离子电池实际冷却性能进行研究。最后针对循环充放电条件下，单一采用相变冷却方式易控温失效的缺点，设计了相变/液冷耦合电池散热方式，并采用数值模拟的方法研究了不同液冷控制策略下电池组冷却性能。本文研究的主要内容与结论如下：　　（1）采用石蜡作为相变储能材料，高密度聚乙烯/硅藻土作为定形支撑材料，六方氮化硼作为导热增强材料制备出导热绝缘复合相变材料。通过物理混合、超声分散、真空吸附的方法制备出六方氮化硼质量分数分别为0%、3%、5%、10%、15%、20%的导热复合相变材料，并对其热物性、泄漏性能、导热强化展开研究。为进一步提升复合相变材料的导热性能，对导热填料六方氮化硼进行不同形貌、粒径以及不同粒径掺混下，复合相变材料导热能力研究。结果表明，高密度聚乙烯/高温煅烧硅藻土配比为3:1时，可吸附72%的液相石蜡。复合相变材料添加15wt.%片状（粒径为1μm）六方氮化硼时，在40℃固液相变时导热系数达到0.8006W/(m·K)。而当添加同样质量分数的造粒六方氮化硼粒径，其粒径以30μm/40μm掺混比为1:1时，复合相变材料在40℃固液相变时导热系数达到了2.498W/(m·K)，是纯石蜡导热系数的12.49倍，这一掺混配比也被用于后续锂电池冷却性能测试。　　（2）为了验证所制备复合相变材料实际应用于锂离子电池冷却性能，组装2个10.8V9Ah锂电池组，其中一个电池组采用复合相变材料进行控温，另一个作为对照，采用自然冷却方式进行电池组控温。分别对其进行了不同环境温度（10℃、20℃、30℃）下电池组不同放电倍率（1C、2C、3C）的散热性能实验研究。研究结果表明，相比于自然冷却方式，电池组相变冷却方式呈现出优异的控温效果。当在环境温度为10℃、20℃以及30℃下3C放电结束时最高放电温度分别下降了37.91℃、45.5℃、43.7℃。此外，复合相变材料可以很好的控制锂电池组间温差，在10℃，3C放电结束时，电池组内最高温差只有1.9℃。电池组循环充放电测试结果表明，电池箱体内蓄热相变材料无法很好将其所吸收的热量及时向外界散耗。因此，在无任何附加冷源的情况下，电池组相变散热易在极端高温环境大倍率充放电时发生散热失效。　　（3）针对电池组相变冷却单一散热方式，存在循环充放电时易造成散热失效的缺点，构建了基于相变/液冷耦合的锂电池散热结构，并采用数值模拟的方法对其在311K高温环境下进行了锂电池组3C放电倍率时液冷结构的优化分析。分析结果表明，相比于采用相变冷却方式，锂电池在相变/液冷耦合散热方式下，组内电芯最高温度下降了3.97K。对电池组不同液冷控制策略的研究表明，当冷却液在液冷通道内每隔300s进行往复流动时，相同液冷条件下，相变/液冷耦合散热方式可以有效提高电池组内各单体电池温度均匀性，使电池组内电芯最大温差降低到6.91K，低于采用单一相变散热时的组内最大温差。
作者：	李建明
专业：	动力工程
导师：	唐爱坤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文