用于电池热管理的石蜡相变材料固液相变的数值模拟

发布时间：2019-12-03 06:08

【摘要】：国民经济的不断发展引发了一系列的环境污染问题,新能源汽车由于具有零排放等优势,近年来发展迅速。作为新能源汽车的关键技术之一,动力电池的循环寿命与热安全对整车性能影响显著。为提升电池循环寿命和热安全性能,本文采用数值模拟的方法,针对采用相变材料的电池热管理系统,研究了用于电池热管理系统的石蜡固液相变特性。本文建立了二维正方形模型,研究了热壁面所在位置、石蜡热导率及热壁面的热流密度对石蜡相变过程的影响,重点分析了运动壁面的速度大小与方向对石蜡熔化的作用及其成因,主要结论如下:(1)针对热流密度一定,热壁面位置不同对石蜡相变的影响,分别研究了热壁面在左侧、右侧、顶部和底部时石蜡的相变特性。当热壁面在底部时,即热流密度与石蜡自身重力的作用方向相反时,石蜡的熔化速度最快;而当热壁面位于顶部时,石蜡的熔化速度最慢;当热壁面位于左、右侧时,石蜡的熔化速度居于前两种情况的中间。(2)针对热流密度一定,不同石蜡热导率对相变过程的影响,研究了对左侧、右侧、顶部和底部壁面设定恒定热流密度,石蜡热导率不同时的相变特性。对比热壁面在左侧时不同热导率的液相率-时间曲线,可以发现,在石蜡熔化初期(大约0~500s),石蜡的热导率对熔化的速度没有产生显著的影响,大约从500s开始,热导率开始对相变过程产生影响:热导率越大,石蜡熔化的速度越快。当热壁面在底部时,在石蜡相变起始阶段,热导率对相变过程产生了较为明显的作用:在相同时刻,热导率越大,石蜡的液相率越小。随着时间的推移,在石蜡熔化的后期,热导率增大对相变速度的促进作用越来越明显,热导率不同的的石蜡最终几乎同时熔化完全。(3)针对热壁面的热流密度对石蜡相变的影响,研究了不同热流密度下,石蜡在不同时刻的液相分数云图。结果表明,在石蜡自身重力的作用下,正方形腔内的石蜡从左上角最先开始熔化,右下角部分的石蜡最后开始熔化,相变界面的形态呈现出一条斜率为正的斜线,且斜率随着时间的增大而减小,石蜡的熔化整体上呈顺时针方向;热壁面的热流密度越大,石蜡的固液相变越快。(4)针对运动壁面对石蜡相变的影响,研究了热壁面在不同位置时,壁面运动速度的大小与方向对石蜡相变过程的影响。研究结果表明,当左壁面加热,下壁面沿x轴正方向运动时,抑制熔化;沿x轴负方向运动时,促进熔化;当下壁面加热,上壁面运动方向相同时,速度的大小对液相率-时间曲线的梯度的作用:运动速度越大,石蜡固液相变的速度越快;当上壁面加热时,下壁面的运动促进石蜡的相变,当壁面运动方向一致时,运动速度的大小对液相率-时间曲线的梯度有显著影响:运动速度越大,液相率-时间曲线的梯度越大。当左壁面加热,无运动壁面时,液相区域存在一个顺时针方向的涡团,并且随着时间的推移,涡团由一个顺时针涡团分裂成两个顺时针涡团;随着上壁面运动速度大小的增大,涡团分裂的速度加快;当上壁面运动速度沿x轴负方向运动时,石蜡液相区靠近上壁面的位置增加了一个逆时针涡团,随着时间的推移该逆时针的涡团面积逐渐扩大;上壁面沿x轴负方向的运动,会产生逆时针涡团,推迟了顺时针涡团的分裂,进而抑制了石蜡的相变;同理,上壁面沿x轴正方向的运动加快了顺时针涡团的分裂,进而促进了石蜡的相变。
【图文】：

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一步加剧了温升，甚至有可能导致破坏性的结果[19, 20]。此外，温度升高会对电池的放电率和循环寿命产生不利的影响，同时还会降低电池的总容量和功率密度。电池组内的温度影响电池正常放电时的放电倍率和正常充电时的储能量，而且电池温度也会影响电池的寿命。因此，为了实现更优良的电池性能和更长的电池寿命，电池应该在最佳的温度范围内工作[21]。由于电化学性质的差异，不同类型的电池具有不同的最佳温度范围。通常，汽车制造厂商提供一个很宽的最佳温度范围，而实际上，最佳温度范围为其很小的子集。例如，制造商指定锂离子电池的操作温度是 20~60℃，而最佳温度大约是 30℃。除此之外，电池内部温度分布的均匀性影响电池的循环使用寿命。合适、均匀的工作温度是保证电池正常工作和延长寿命的关键所在。锂离子电池产生安全性问题可归结为以下两方面(图 1-1)：(1)锂离子电池自身原因：锂离子电池内部存在着一系列潜在的放热反应，这是诱发锂离子电池安全问题的根源[22, 23]；(2)突发事件或电池使用不当导致的。

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果出现泄漏等情况，容易引起电池着火，甚至燃烧和爆炸；(3)锂离子电池中粘结剂的晶化、铜枝晶的形成以及活性物质剥落等均易造成电池内部短路[13]，带来安全隐患。1.2.2 突发事件或滥用原因在一些突发事件如电池过充电、针刺穿透、挤压，以及高温环境等情况下，电极和有机电解液容易发生化学反应，，如 SEI 膜的分解、有机电解液的氧化、还原，正极的分解，正极分解产生的氧气进一步与有机电解液反应等[26]。这些反应产生的大量热量如果不能及时散失到周围环境中，必将导致热失控，最终导致电池的燃烧和爆炸[27]。1.2.3 提高电池安全性的途径基于上述关于锂离子电池安全问题的分析，可以从以下三个方面来提高锂离子电池的安全性(图 1-2)：
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

【参考文献】