高导热复合相变材料的制备与动力电池热管理应用研究

发布时间：2017-12-13 17:27

  本文关键词：高导热复合相变材料的制备与动力电池热管理应用研究

  更多相关文章： 复合相变材料 导热增强 热管理 动力锂电池 管壳式电池模块

【摘要】：随着工业技术和交通行业的不断发展,环境污染问题日益严重,尤其是近几年我国大面积、长时间雾霾的出现,严重地侵蚀着人们的身心健康。电动汽车具有低能耗和零排放双重优势,大力发展电动汽车能缓解对传统能源的依赖和减轻内燃机汽车尾气带来的环境污染。电动汽车的关键技术在于动力电池,而动力电池的性能又受温度影响明显,温度过高或过低都影响其性能的发挥,甚至引起热失控、电池内部短路等安全问题。为了提升动力电池的使用性能和热安全性,延长其循环寿命,本文制备了高导热的复合定形相变材料膨胀石墨(expanded graphite,EG)/石蜡(paraffin wax,PW),并把它用于动力锂电池热管理。主要研究内容与结论如下:1、以50目、80目、100目和200目的石墨粉为原料制备了EG,再用熔融共混法制备了一系列不同质量分数的EG/PW复合相变材料。研究了EG与PW之间的结合特性、EG/PW复合材料的导热系数、相变行为。结果表明:(1)80目石墨粉制备的EG吸附PW的质量比高达92.7%,EG与PW之间未发生化学反应,只是简单的物理结合。(2)EG/PW复合相变材料板的导热系数随EG含量的增大而增大,当EG含量≥9 wt.%时,其轴向导热系数(与挤压方向平行)小于径向导热系数(与挤压方向垂直);EG含量为20 wt.%时,轴向导热系数和径向导热系数分别为7.22 W/m K和10.10 W/m K。(3)与纯PW相比,EG/PW复合材料的过冷度降低,相变潜热略低于理论计算值。2、分别制备了纳米Cu粉和石墨烯掺杂的EG/PW复合相变材料,研究了不同含量的纳米Cu粉和石墨烯对EG/PW复合相变材料的导热增强作用,采用分形方法和热电类比技术构建了纳米掺杂的EG/PW复合材料的有效导热系数模型。结果表明:(1)EG/PW复合材料的导热系数随纳米Cu含量的增加而几乎保持不变,但随石墨烯的含量增加而增加。(2)基于分形方法和热-电类比技术构建的复合材料有效导热系数模型能较好地预测Cu纳米粒子掺杂的EG/PW复合材料的导热系数,但与石墨烯掺杂的EG/PW复合材料的导热系数实验值出现了一定程度的偏差。3、分析了锂离子电池的产热机理和相变材料相变传热模型,计算了26650磷酸铁锂电池的等效导热系数、比热容和密度等物性参数。采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了不同质量分数和不同用量的EG/PW复合材料的热量传递规律和控温效果;实验测试了EG/PW块体受热熔化后的泄漏率。结果表明:(1)EG/PW复合相变材料有效抑制了电池温度的过快上升,EG/PW相变时,电池表面升温速率随EG含量的增加而减小,EG含量≥12 wt.%时,升温速率趋近于0。(2)EG/PW块体受热熔化后的液相泄漏率随EG的质量分数的增加而减小;EG含量为30 wt.%时,PW的泄漏率仅为0.38 wt.%。(3)EG质量分数为16~20%的EG/PW复合相变材料可选作26650磷酸铁锂电池的热管理材料。4、针对圆柱形电池,首次提出了基于复合相变材料热管理的具有管壳式结构的电池模块,通过实验和数值模拟相结合的方法研究了管壳式电池模块的控温效果,揭示了其内部热量传递和分布规律,并评价了复合相变材料在后续冷却过程中的散热效率。结果表明:(1)采用EG/PW复合相变材料热管理,管壳式电池模块中的电池表面最高温度被控制在相变材料的相变温度范围之内,各电池单体表面最大温差约为1℃。(2)环境温度T0=28℃和37℃时,采用自然空气对流冷却,复合相变材料完全凝固所花的时间分别约为60 min和197 min;采用强制风冷,所需的时间分别约为18 min和80 min。(3)数值结果表明管壳式电池模块中的空气流体以“Z字形”绕着管束反复绕流,呈错流传热,提高了散热效果,使得高温区域大幅度减小,但折流板后方仍存在一些高温热区。(4)与美国All Cell公司电池模块相比较,数值模拟结果表明管壳式电池模块具有更高的散热效率。5、制备了铝蜂窝增强的EG/PW复合相变材料板;研究了方形动力电池的产热特性和铝蜂窝增强的EG/PW复合相变材料的控温效果;采用数值模拟方法研究相变材料的导热系数和相变温度对电池控温效果的影响;分析了电池在后续冷却过程中采用液冷的散热效率,指出了相变材料和液冷耦合散热的优势。结果表明:(1)加入铝蜂窝,提高了EG/PW复合材料的导热系数和抗压强度。(2)方形磷酸铁锂电池产热不均匀,正负极附近的温度最高,铝蜂窝增强的EG/PW复合材料能把电池表面最大温差控制在3℃以内。(3)电池表面温度和最大温差随复合相变材料的导热系数的增大而减小,但减小幅度逐渐下降,复合相变材料的导热系数设置3 W/m K左右较为合适。(4)在电池模块后续冷却过程中,采用液冷散热,能使相变材料在较短的时间发生凝固。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB34;TM912;U469.72

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 全宏声;相变材料提高飞机刹车效率[J];材料工程;2001年12期

2 叶宏,何汉峰,葛新石,徐斌;利用焓法和有效热容法对定形相变材料熔解过程分析的比较研究[J];太阳能学报;2004年04期

3 叶宏;张栓勤;庄双勇;杨泰蓉;王西耀;;相变材料模拟金属板热特性的理论设计与实验验证[J];兵工学报;2006年03期

4 吕舒眉;张拴勤;连长春;黄长庚;;相变材料红外特征模拟的理论和实验研究[J];兵工学报;2007年04期

5 盛青青;章学来;;石蜡类复合相变材料的研究进展[J];制冷空调与电力机械;2008年02期

6 ;相变材料[J];辽宁建材;2009年01期

7 陈璨;;浅谈相变材料在建筑中的应用[J];硅谷;2009年08期

8 杨丽;;相变材料在建筑结构中的应用综述[J];建筑;2009年10期

9 余保英;张亚梅;;建筑相变材料的封装技术[J];江苏建材;2009年02期

10 邱林;刘星;;填充相变材料建筑结构层蓄能的研究[J];建筑材料学报;2009年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙蓉;;高效热能存储微结构相变材料[A];先进润滑抗磨材料研讨会论文集（PPT版）[C];2007年

2 段玉情;康丁;西鹏;刘然;何春娥;;超分子聚乙醇类固-固相变材料的研究[A];“力恒杯”第11届功能性纺织品、纳米技术应用及低碳纺织研讨会论文集[C];2011年

3 刘芳;于航;;相变材料蓄能研究进展及其应用[A];上海市制冷学会2009年学术年会论文集[C];2009年

4 刘太奇;褚金芳;师奇松;杨丽燕;李潭秋;杨东辉;吴晓;温玉全;;相变材料的制备及自调温功能服装的研制开发[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集（下）[C];2009年

5 种净植;杨小凤;庄春龙;邓仲安;;冬季工况下定形相变材料的热特性实验研究[A];2007年西南地区暖通空调及热能动力学术年会论文集[C];2007年

6 章学来;盛青青;杨培莹;吕磊磊;叶金;;石蜡相变材料蓄热过程实验研究[A];上海市制冷学会2007年学术年会论文集[C];2007年

7 于树轩;章学来;施敏敏;;石蜡相变材料强化传热技术研究[A];上海市制冷学会2009年学术年会论文集[C];2009年

8 黄育华;詹武刚;;一种综合利用相变材料的节能系统[A];第十四届西南地区暖通空调热能动力学术年会论文集[C];2011年

9 潘毅群;;相变材料式蓄冷槽的模型建立及实验验证[A];全国暖通空调制冷1998年学术文集[C];1998年

10 李震;张寅平;江亿;;蓄能相变材料相变区比热特性对其蓄换热性能的影响[A];全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集[C];2000年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 朱青 刘朝辉 宋长友;相变材料在建筑外围护结构中的应用[N];中国建设报;2005年

2 本报记者 陈丹;朝朝暮暮各不同[N];科技日报;2012年

3 刘霞;相变材料能在0.5纳秒内快速切换[N];科技日报;2014年

4 西南大学园艺园林学院 罗庆熙　刘彦辰;新兴节能技术用于温室材料[N];中国花卉报;2012年

5 张迈建;科技与时尚握手[N];中国纺织报;2007年

6 酒业;德国发明智能饮料杯可控温啤酒[N];中国包装报;2009年

7 史博臻;“凝胶”造就天然“空调墙”[N];文汇报;2012年

8 翻译 龚雪;绿色建筑未来的五大趋势[N];中华建筑报;2011年

9 许晓东;盛夏 家居可以不用空调[N];消费日报;2007年

10 记者 陈敏　通讯员 胡敏;没有空调,房子也能自我调控温度[N];宁波日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 姜贵文;高导热复合相变材料的制备与动力电池热管理应用研究[D];南昌大学;2017年

2 黄昭雯;LiNO_3-KCl/膨胀石墨复合相变材料的制备及性能研究[D];华南理工大学;2015年

3 胡志培;基于相变材料熔化特性的蓄热装置强化传热研究[D];西安建筑科技大学;2015年

4 韩延龙;基于相变材料的核救灾机器人电子器件热防护研究[D];华东理工大学;2016年

5 谢标;复合相变材料储能及热控的理论和实验研究[D];中国科学技术大学;2016年

6 赵盼盼;固固复合相变材料制备及性能研究[D];中国科学技术大学;2016年

7 梁书恩;纳米胶囊化相变材料的制备及应用研究[D];中国科学技术大学;2016年

8 杨佳霖;潜热蓄热相变过程换热强化研究[D];华北电力大学(北京);2016年

9 方昕;面向储热的复合相变材料热物性表征及调控机理研究[D];浙江大学;2016年

10 陈智;复合调热调湿材料的理论、制备及性能研究[D];南京大学;2017年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 刘鑫;无机物包覆正十四烷微胶囊相变材料研究[D];华南理工大学;2015年

2 吴伟雄;基于相变材料的动力电池热管理实验及仿真研究[D];广东工业大学;2015年

3 王罡;APP/CFA膨胀阻燃石蜡—聚丙烯定形相变材料的制备与研究[D];东北林业大学;2015年

4 张庆;脂肪酸复合相变材料的制备及其在日光温室中的应用[D];西北农林科技大学;2015年

5 朱峰;复合相变材料太阳能蓄热器性能研究[D];华南理工大学;2015年

6 彭莹;中低温有机固—固相变材料的制备及其热性能研究[D];陕西理工学院;2015年

7 王立勋;相变蓄热/冷换热器的传热特性研究[D];郑州轻工业学院;2015年

8 刘春英;相变储热材料的封装优化及在寒区村镇中的应用效果[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 王雪皎;相变材料过冷跨季节蓄能地板采暖系统模拟[D];华北电力大学;2015年

10 韩玉维;过冷水合盐相变材料释热特性模拟研究[D];华北电力大学;2015年

，

本文编号：1285979