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原文传递基于相变材料的锂离子电池模组主被动热管理系统设计优化研究

论文题名：	基于相变材料的锂离子电池模组主被动热管理系统设计优化研究
关键词：	电动汽车;锂离子电池模组;主被动热管理系统;优化设计;相变材料
摘要：	安全问题是阻碍锂离子电池大规模应用于电动汽车的主要原因。随着锂离子电池能量密度的不断提高，提高其安全性已成为电动汽车发展的迫切需要。然而锂离子电池安全性能对工作温度非常敏感。因此，基于锂离子电池的电动、混合动力和插电式混合电车都需要高效的电池热管理系统来快速释放电池组内部产生的热量。基于相变材料(Phase Change Material，PCM)的电池热管理系统是一种高效的冷却系统，能够保证锂离子电池的可靠性、寿命与工作效率。基于PCM的电池热管理系统包括纯PCM、复合PCM和PCM耦合其它冷却系统三种方式。　　本文的工作、成果与结论归纳如下：　　（1）针对磷酸铁锂电池模块，提出了一种新型相变材料与翅片（PCM-fin）结构的被动电池热管理系统，该热管理系统能够在高温环境（40℃）下有效降低电池模块的最高温度，并改善温度均匀性。建立了一维电化学三维热耦合电池模型，并进行了模型验证实验。研究了PCM相变温度、翅片厚度、翅片间距和PCM厚度对电池模块冷却性能的影响。结果表明，优化后的PCM-fin结构热管理系统散热性能良好，3C放电倍率下电池表面最高温度低于50℃。此外，通过研究PCM在单次放电与循环测试过程中的热行为，发现PCM-fin结构能够改善PCM的自然对流与热传导的优势，从而提高了PCM的散热效率，降低了PCM被动热管理系统发生故障的风险。　　（2）提出了一种新型PCM-液冷耦合主动热管理系统（Coupled PCM and Liquid cooling thermal management System，CPLS），该系统以PCM为主要散热材料，使电池在放电过程中保持在最佳工作温度，液体冷却主要起到充电过程中及时恢复PCM潜热的作用。在一个3C倍率放电然后0.5C充电的周期下对该热管理系统进行仿真计算，以及涉及诸如电池间距，电池与液管间距，液管数量和冷却液流速等因素影响热管理系统散热性能的对比测试。计算结果表明，设计合理的耦合系统在30℃环境中具有良好的热性能，3C放电结束时，其电池组最高表面温度和温差均维持在41.1℃和4℃。在0.5C充电过程中，相变材料的潜热通过液体冷却也得到了恢复。最后根据仿真优化结果设计制作出热管理系统，实验验证了所提出的CPLS的有效性与实用性。　　（3）在CPLS的基础上，提出了一种液冷控制策略，并设计了相应的主控系统，组成能够适应不同环境温度的PCM-液冷耦合智能控制热管理系统。该液冷控制策略通过监控相变材料与环境温度以控制冷却液流速与入口温度。之后搭建了基于液冷控制策略的主控系统。PCM-液冷耦合智能控制热管理系统进一步改善了电池组在不同环境温度下动态循环期间的热性能，并明显降低了液冷过程中不必要的功耗。　　综上，本文通过实验与模拟相结合的方法，深入研究了PCM被动与耦合主动液冷热管理系统中电池的传热过程和关键因素的影响规律，以及主动热管理系统中的液冷控制策略与硬件设计等方面，其研究方法与结果可以为锂离子电池热管理系统的实际应用提供理论指导和参考。
作者：	彭荣琦
专业：	安全工程
导师：	孔得朋;平平;杨冬平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国石油大学(华东)
学位年度：	2020