46.8V/8.8Ah电池模组开发过程中的热性能研究
发布时间：2022-07-15 16:50
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...
【文章页数】：227 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 电池产品应用趋势
1.1.1 消费类电池
1.1.2 储能电池
1.1.3 动力电池
1.2 锂离子电池技术发展
1.2.1 锂离子电池发展方向
1.2.2 正极材料发展
1.2.3 负极材料发展
1.2.4 电解质技术发展
1.2.5 隔膜技术发展
1.2.6 废旧电池回收技术发展
1.3 电池热安全与热管理技术
1.3.1 电池材料发展与热安全
1.3.2 动力及储能电池热失控
1.3.3 电池外部热管理技术
1.3.4 相变冷却热管理研究进展
1.4 本文的目的、意义与研究内容
1.4.1 本文的目的与意义
1.4.2 本文的研究内容
第二章 电池模组开发过程中的电芯性能研究
2.1 引言
2.2 电芯基本电性能测试
2.2.1 电芯小电流充放电分容研究
2.2.2 不同SOC下的DCIR测试
2.3 电芯基本物理性能测试
2.3.1 满电状态自由跌落实验测试
2.3.2 低气压冷热冲击测试
2.3.3 满电状态滚筒测试
2.4 高温工况下的电性能测试
2.4.1 高温工况电储存性能研究
2.4.2 高温工况下充放电性能研究
2.5 低温工况下的静态容量测试
2.5.1 低温工况下的电池微观机理
2.5.2 平台搭建与实验流程
2.5.3 低温工况下充放电性能研究
2.6 电芯低温预热技术探究
2.6.1 电芯低温预热研究进展
2.6.2 低温预热平台搭建与参数设置
2.6.3 性能测试与结果分析
2.7 本章小结
第三章 电芯产热行为理论研究及数值分析
3.1 引言
3.2 高温工况下电芯内部的热行为研究
3.2.1 锂离子动力电池电化学机理
3.2.2 高温下SEI膜反应
3.2.3 高温下电解液反应
3.2.4 高温下的正极反应
3.2.5 高温下负极与黏合剂反应
3.2.6 温度与锂离子电池的关系
3.3 电芯放电过程热行为研究
3.3.1 电芯产热基本研究思路
3.3.2 电芯SOC估算方法
3.3.3 电芯热数学模型研究
3.3.4 电芯传热公式评估产热量研究
3.3.5 电芯水量热评估产热量研究
3.3.6 电芯瞬时积分评估产热量研究
3.4 电芯产热行为数值模拟研究
3.4.1 COMSOL Multiphysiscs (CM)数值分析
3.4.2 基于电荷/质量平衡的电化学模型机理研究
3.4.3 基于二维区域的交替方向隐式方法研究
3.4.4 基于热传递基本规律的热流体模型研究
3.4.5 电芯产热行为数值模拟及误差分析
3.5 基于帕尔贴效应的半导体制冷实验研究
3.5.1 研究目的
3.5.2 实验平台与流程
3.5.3 实验结果与分析
3.6 基于重力型热管的电芯散热实验研究
3.6.1 研究目的
3.6.2 实验平台与流程
3.6.3 实验结果与分析
3.7 本章结论
第四章 基于PA/EGEP体系的热固型相变材料制备和性能研究
4.1 引言
4.2 基于石蜡与泡沫金属耦合传热特性研究
4.2.1 研究目的
4.2.2 实验准备
4.2.3 不同型号电芯的产热行为研究
4.2.4 基于PA/CF的电芯热性能研究
4.3 PA/EG/EP体系材料的制备工艺研究
4.3.1 研究目的
4.3.2 石墨膨化工艺研究
4.3.3 环氧树脂特性研究
4.3.4 实验准备
4.3.5 材料制备工艺研究
4.4 PA/EG/EP体系复合相变材料的性能分析
4.4.1 导热系数测试与分析
4.4.2 差式扫描量热测试与分析
4.4.3 扫描电镜测试与分析
4.4.4 X射线衍射测试与分析
4.4.5 力学强度测试与分析
4.4.6 高低温循环冲击测试与分析
4.4.7 材料性能对照
4.5 基于相变材料的电池模组样品散热研究
4.5.1 研究目的
4.5.2 电池模块开发过程中的PCM用量计算
4.5.3 实验平台搭建与参数设置
4.5.4 不同充放电工况下的温度趋势
4.5.5 循环工况下的温度趋势
4.6 本章小结
第五章 46.8V/8.8Ah电池模块研制、测试与优化
5.1 引言
5.2 电池模组研制工艺
5.2.1 相变材料成型与精加工
5.2.2 电池模块成组工艺研究
5.2.3 实验平台与测试手段
5.3 全密封绝热下电池模组放电过程的热行为研究
5.3.1 Blank电池模组放电测试
5.3.2 PCM电池模组放电测试
5.3.3 分析对照
5.4 电池模组放电过程的强制对流散热实验
5.4.1 Blank电池模组不同对流边界条件放电测试
5.4.2 PCM电池模组不同对流边界条件放电测试
5.4.3 对照与分析
5.5 电池模组放电过程热行为数值分析对照
5.5.1 两种电池模组的热行为数值模拟
5.5.2 两种电池模组不同对流边界热行为数值模拟
5.6 电池模组充放电循环过程中的热行为研究
5.6.1 Blank电池模组循环测试
5.6.2 PCM电池模组循环测试
5.6.3 对照与分析
5.7 基于液冷板换热的电池模组热行为仿真优化
5.7.1 研究目的
5.7.2 数值模型设计
5.7.3 边界条件及参数
5.7.4 不同放电倍率下的同向/逆向换热研究
5.7.5 高导热油换热优势分析
5.8 本章小结
结论和展望
参考文献
攻读学位期间发表的文章
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]注塑模具型腔温度测试系统设计[J]. 王海雄,陈晖阳,秦建华. 制造技术与机床. 2018(01)
[2]基于可变温度模型的锂电池SOC估计方法[J]. 何耀,曹成荣,刘新天,郑昕昕,曾国建. 电机与控制学报. 2018(01)
[3]高温锂电池氧化物正极材料研究现状与展望[J]. 宋恒旭,牛永强,侯华,吴铸,赵宇宏. 无机化学学报. 2017(12)
[4]超高压水切割多功能特征解析[J]. 薛胜雄,陈正文,陈波,武子全,李岳峰,韩彩红,任启乐. 流体机械. 2017(11)
[5]钒电池电解液浓度与稳定性研究[J]. 史小虎,李君涛,余龙海,彭穗. 电源技术. 2017(11)
[6]新型高电压电解液用于锂电池的研究进展[J]. 张文林,兰晓艳,史紫微,李春利. 化学通报. 2017(11)
[7]太阳能光伏发电应用的现状及发展[J]. 黄冰. 低碳世界. 2017(32)
[8]新能源汽车销量高速增长 为锂电池行业发展提供新的增长点[J]. 梁威刚. 电动自行车. 2017(11)
[9]废旧车用动力锂离子电池的回收利用现状[J]. 高桂兰,贺欣,李亚光,杨见青,李晨静,许昕,肖海阳,关杰. 环境工程. 2017(10)
[10]实验室用高温马弗炉的发展现状及应用[J]. 张莹,周团坤,张尼,沈坤,杨晓明. 现代仪器与医疗. 2017(05)
博士论文
[1]聚烯烃隔膜多巴胺改性及PVDF-HFP陶瓷隔膜制备和性能研究[D]. 王丹.吉林大学 2014
[2]锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D]. 平平.中国科学技术大学 2014
[3]基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D]. 饶中浩.华南理工大学 2013
[4]锂离子电池硅负极的失效行为与性能改进[D]. 徐宇虹.哈尔滨工业大学 2010
[5]纳秒脉冲电流微细电解加工技术研究[D]. 张朝阳.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]硫系玻璃和玻璃陶瓷固体电解质制备及性能研究[D]. 符煌.深圳大学 2017
[2]基于决策树模糊等效电路模型的锂电池SOC估计方法[D]. 张泽宇.哈尔滨工业大学 2016
[3]石蜡/高聚物/泡沫铜定形储热材料的制备及性能研究[D]. 陈彭.华南理工大学 2016
[4]锂离子动力电池热特性建模与加热方法研究[D]. 吴朴恩.北京理工大学 2016
[5]低温保护热板法测量绝热材料导热系数研究[D]. 张涛.南京航空航天大学 2015
[6]3C产品设计中民族意象元素的研究与应用[D]. 赵倩.陕西科技大学 2012
[7]基于DSP的锂电池充放电系统研究[D]. 何晓妮.华南理工大学 2011
本文编号：3662453
【文章页数】：227 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 电池产品应用趋势
1.1.1 消费类电池
1.1.2 储能电池
1.1.3 动力电池
1.2 锂离子电池技术发展
1.2.1 锂离子电池发展方向
1.2.2 正极材料发展
1.2.3 负极材料发展
1.2.4 电解质技术发展
1.2.5 隔膜技术发展
1.2.6 废旧电池回收技术发展
1.3 电池热安全与热管理技术
1.3.1 电池材料发展与热安全
1.3.2 动力及储能电池热失控
1.3.3 电池外部热管理技术
1.3.4 相变冷却热管理研究进展
1.4 本文的目的、意义与研究内容
1.4.1 本文的目的与意义
1.4.2 本文的研究内容
第二章 电池模组开发过程中的电芯性能研究
2.1 引言
2.2 电芯基本电性能测试
2.2.1 电芯小电流充放电分容研究
2.2.2 不同SOC下的DCIR测试
2.3 电芯基本物理性能测试
2.3.1 满电状态自由跌落实验测试
2.3.2 低气压冷热冲击测试
2.3.3 满电状态滚筒测试
2.4 高温工况下的电性能测试
2.4.1 高温工况电储存性能研究
2.4.2 高温工况下充放电性能研究
2.5 低温工况下的静态容量测试
2.5.1 低温工况下的电池微观机理
2.5.2 平台搭建与实验流程
2.5.3 低温工况下充放电性能研究
2.6 电芯低温预热技术探究
2.6.1 电芯低温预热研究进展
2.6.2 低温预热平台搭建与参数设置
2.6.3 性能测试与结果分析
2.7 本章小结
第三章 电芯产热行为理论研究及数值分析
3.1 引言
3.2 高温工况下电芯内部的热行为研究
3.2.1 锂离子动力电池电化学机理
3.2.2 高温下SEI膜反应
3.2.3 高温下电解液反应
3.2.4 高温下的正极反应
3.2.5 高温下负极与黏合剂反应
3.2.6 温度与锂离子电池的关系
3.3 电芯放电过程热行为研究
3.3.1 电芯产热基本研究思路
3.3.2 电芯SOC估算方法
3.3.3 电芯热数学模型研究
3.3.4 电芯传热公式评估产热量研究
3.3.5 电芯水量热评估产热量研究
3.3.6 电芯瞬时积分评估产热量研究
3.4 电芯产热行为数值模拟研究
3.4.1 COMSOL Multiphysiscs (CM)数值分析
3.4.2 基于电荷/质量平衡的电化学模型机理研究
3.4.3 基于二维区域的交替方向隐式方法研究
3.4.4 基于热传递基本规律的热流体模型研究
3.4.5 电芯产热行为数值模拟及误差分析
3.5 基于帕尔贴效应的半导体制冷实验研究
3.5.1 研究目的
3.5.2 实验平台与流程
3.5.3 实验结果与分析
3.6 基于重力型热管的电芯散热实验研究
3.6.1 研究目的
3.6.2 实验平台与流程
3.6.3 实验结果与分析
3.7 本章结论
第四章 基于PA/EGEP体系的热固型相变材料制备和性能研究
4.1 引言
4.2 基于石蜡与泡沫金属耦合传热特性研究
4.2.1 研究目的
4.2.2 实验准备
4.2.3 不同型号电芯的产热行为研究
4.2.4 基于PA/CF的电芯热性能研究
4.3 PA/EG/EP体系材料的制备工艺研究
4.3.1 研究目的
4.3.2 石墨膨化工艺研究
4.3.3 环氧树脂特性研究
4.3.4 实验准备
4.3.5 材料制备工艺研究
4.4 PA/EG/EP体系复合相变材料的性能分析
4.4.1 导热系数测试与分析
4.4.2 差式扫描量热测试与分析
4.4.3 扫描电镜测试与分析
4.4.4 X射线衍射测试与分析
4.4.5 力学强度测试与分析
4.4.6 高低温循环冲击测试与分析
4.4.7 材料性能对照
4.5 基于相变材料的电池模组样品散热研究
4.5.1 研究目的
4.5.2 电池模块开发过程中的PCM用量计算
4.5.3 实验平台搭建与参数设置
4.5.4 不同充放电工况下的温度趋势
4.5.5 循环工况下的温度趋势
4.6 本章小结
第五章 46.8V/8.8Ah电池模块研制、测试与优化
5.1 引言
5.2 电池模组研制工艺
5.2.1 相变材料成型与精加工
5.2.2 电池模块成组工艺研究
5.2.3 实验平台与测试手段
5.3 全密封绝热下电池模组放电过程的热行为研究
5.3.1 Blank电池模组放电测试
5.3.2 PCM电池模组放电测试
5.3.3 分析对照
5.4 电池模组放电过程的强制对流散热实验
5.4.1 Blank电池模组不同对流边界条件放电测试
5.4.2 PCM电池模组不同对流边界条件放电测试
5.4.3 对照与分析
5.5 电池模组放电过程热行为数值分析对照
5.5.1 两种电池模组的热行为数值模拟
5.5.2 两种电池模组不同对流边界热行为数值模拟
5.6 电池模组充放电循环过程中的热行为研究
5.6.1 Blank电池模组循环测试
5.6.2 PCM电池模组循环测试
5.6.3 对照与分析
5.7 基于液冷板换热的电池模组热行为仿真优化
5.7.1 研究目的
5.7.2 数值模型设计
5.7.3 边界条件及参数
5.7.4 不同放电倍率下的同向/逆向换热研究
5.7.5 高导热油换热优势分析
5.8 本章小结
结论和展望
参考文献
攻读学位期间发表的文章
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]注塑模具型腔温度测试系统设计[J]. 王海雄,陈晖阳,秦建华. 制造技术与机床. 2018(01)
[2]基于可变温度模型的锂电池SOC估计方法[J]. 何耀,曹成荣,刘新天,郑昕昕,曾国建. 电机与控制学报. 2018(01)
[3]高温锂电池氧化物正极材料研究现状与展望[J]. 宋恒旭,牛永强,侯华,吴铸,赵宇宏. 无机化学学报. 2017(12)
[4]超高压水切割多功能特征解析[J]. 薛胜雄,陈正文,陈波,武子全,李岳峰,韩彩红,任启乐. 流体机械. 2017(11)
[5]钒电池电解液浓度与稳定性研究[J]. 史小虎,李君涛,余龙海,彭穗. 电源技术. 2017(11)
[6]新型高电压电解液用于锂电池的研究进展[J]. 张文林,兰晓艳,史紫微,李春利. 化学通报. 2017(11)
[7]太阳能光伏发电应用的现状及发展[J]. 黄冰. 低碳世界. 2017(32)
[8]新能源汽车销量高速增长 为锂电池行业发展提供新的增长点[J]. 梁威刚. 电动自行车. 2017(11)
[9]废旧车用动力锂离子电池的回收利用现状[J]. 高桂兰,贺欣,李亚光,杨见青,李晨静,许昕,肖海阳,关杰. 环境工程. 2017(10)
[10]实验室用高温马弗炉的发展现状及应用[J]. 张莹,周团坤,张尼,沈坤,杨晓明. 现代仪器与医疗. 2017(05)
博士论文
[1]聚烯烃隔膜多巴胺改性及PVDF-HFP陶瓷隔膜制备和性能研究[D]. 王丹.吉林大学 2014
[2]锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D]. 平平.中国科学技术大学 2014
[3]基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D]. 饶中浩.华南理工大学 2013
[4]锂离子电池硅负极的失效行为与性能改进[D]. 徐宇虹.哈尔滨工业大学 2010
[5]纳秒脉冲电流微细电解加工技术研究[D]. 张朝阳.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]硫系玻璃和玻璃陶瓷固体电解质制备及性能研究[D]. 符煌.深圳大学 2017
[2]基于决策树模糊等效电路模型的锂电池SOC估计方法[D]. 张泽宇.哈尔滨工业大学 2016
[3]石蜡/高聚物/泡沫铜定形储热材料的制备及性能研究[D]. 陈彭.华南理工大学 2016
[4]锂离子动力电池热特性建模与加热方法研究[D]. 吴朴恩.北京理工大学 2016
[5]低温保护热板法测量绝热材料导热系数研究[D]. 张涛.南京航空航天大学 2015
[6]3C产品设计中民族意象元素的研究与应用[D]. 赵倩.陕西科技大学 2012
[7]基于DSP的锂电池充放电系统研究[D]. 何晓妮.华南理工大学 2011
本文编号：3662453
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