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原文传递水合盐/氮化铝/碳纤维复合相变材料的开发测试及动力电池的冷却应用研究

论文题名：	水合盐/氮化铝/碳纤维复合相变材料的开发测试及动力电池的冷却应用研究
关键词：	电动汽车;动力锂电池;复合相变材料;导热强化
摘要：	随着全球环境污染和能源危机等问题的加重，世界各国高度重视具有环保和低能耗优势的新能源汽车行业的发展。众多新能源汽车种类中，纯电动汽车的发展最为成熟，其凭借易于维护、没有噪音、环境友好等优点得到了广大消费者的认可。动力锂电池作为纯电动汽车的直接动力来源，其性能的优劣直接影响着一辆电动汽车的质量和定价。锂电池在电动汽车运行时会产生大量的热量导致温度的急剧升高，严重的情况下甚至会出现自燃和爆炸等现象，因此对其有效的热管理是非常重要的。　　基于相变冷却方式的电池热管理系统由于其结构简单、易于维护、无需消耗外能等优点成为国内外学者的研究热点。无机水合盐相变储能材料凭借优越的储热和导热性能逐渐取代常规相变材料在储热领域获得了广泛的发展，但水合盐材料固有的过冷和相分离等问题使其在电池热管理领域的应用受到限制。为解决这一问题，本文结合熔融共混、超声分散和真空吸附等方法开发了一种新型的十二水合磷酸氢二钠/改性氮化铝/碳纤维复合相变材料，同时对其物理性能和热性能进行测试研究，在此基础之上设计了一种基于相变材料/液冷耦合式的新型电池模组冷却装置并搭建电池测试台架对其进行冷却性能测试及分析。最后针对该冷却装置研究了不同液冷控制策略对电池组的冷却性能。本文的研究内容和主要结论如下：　　（1）针对无机水合盐材料十二水合磷酸氢二钠固有的过冷和相分离等缺陷，通过调研和测试筛选最优成核剂九水硅酸钠和增稠剂羧甲基纤维素对其进行改性，确定了4wt%的九水硅酸钠和4wt%的羧甲基纤维素为最优添加量，能够在10℃的冷却温度下将相变材料的过冷度降低至3.6℃且无相分离的现象，经过100次融化/凝固测试表明该复合材料具有优越的循环稳定性能。　　（2）为了进一步优化相变材料的性能，降低过冷度，提高其导热系数及固化性能，本文加入表面改性氮化铝和600目的短切碳纤维并对复合相变材料进行过冷度、定型效果、热性能、导热系数、电阻率实验测试，确定十二水合磷酸氢二钠/改性氮化铝/碳纤维无机复合相变材料制备方案及各种材料最优添加比例。测试结果表明，12wt%改性氮化铝和6wt%碳纤维的加入，使复合相变材料过冷度进一步降低至1.9℃，导热系数提高至1.86W/(m·K)。同时，复合相变材料具有35℃的合适相变温度、249J/g的较高潜热、优异的定型效果和电安全性能。　　（3）为了验证所制备的复合材料应用于锂电池的实际冷却性能，构建了自然冷却、十二水合磷酸氢二钠冷却、改性复合相变材料冷却、相变/液冷耦合四种18650锂电池模组箱体并在环境温度30℃下进行3C放电冷却性能测试，结果表明经过综合改性的复合相变材料相对于纯十二水合磷酸氢二钠对电池组控温效果更优异，前者相对于后者放电末期平均温度的峰值降低了5.2℃，电池组最大温差也降低了3.02℃。本文所开发的基于改性复合相变材料耦合新型“双螺旋”型液冷板的冷却方式对电池组的冷却效果最为突出，在0.5L/min的低冷却液流速下电池模组的平均温度仅升高9.6℃，最大温差也控制在1.88℃。　　（4）对耦合冷却系统的不同运行工况和控制策略进行了测试和对比分析以进一步提高系统的冷却性能，最终选定了低转高变流速的冷却液控制策略，该流动方式的冷却系统使电池组在30℃的3C放电倍率下平均温升仅为6.7℃，最大温差为1.41℃，在多次充放电循环实验中电池模组仍能保持良好的冷却性能和温度均匀性。
作者：	陈文超
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：	2022