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【6h】

基于相变材料的锂离子动力电池模块的传热特性与热控优化

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引言

1 绪论

1.1 选题的背景、目的和意义

1.2 相变材料的研究现状

1.2.1 相变材料的强化传热

1.2.2 定型相变材料

1.2.3 相变微胶囊

1.3 相变材料在电池热管理中的应用

1.3.1 相变材料直接在电池热管理中的应用

1.3.2 定型相变材料在电池热管理中的应用

1.3.3 相变微胶囊在动力电池热管理中的应用

1.4 本文主要研究内容

2 适用于动力电池散热的相变材料及强化传热

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 石墨烯/碳纳米管复合相变材料的制备及传热特性

2.3.1 样品的制备

2.3.2 样品的表征及传热特性

2.3.3 导热性能

2.3.4 DSC分析

2.3.5 粘度测试

2.3.6 分析与总结

2.4 泡沫铜复合相变材料的制备及热特性

2.4.1 泡沫铜复合相变材料的制备

2.4.2 温升特性

2.4.3 温降特性

2.5 膨胀石墨复合相变材料的制备

2.5.1 样品的制备

2.5.2 膨胀石墨复合相变材料性能测试

2.6 本章小结

3 基于相变材料的动力电池模块的热控优化

3.1 实验系统

3.2 实验程序

3.3 基于纯石蜡的动力电池模块的热特性

3.3.1 电池模块布置

3.3.2 电池模块的温度响应特性

3.4 基于多壁碳纳米管/石墨烯复合相变材料的动力电池模块的热控优化

3.4.1 电池模块布置

3.4.2 热控优化分析

3.4.3 分析与总结

3.5 基于泡沫铜复合相变材料的动力电池的热控优化

3.5.1 电池模块布置

3.5.2 电池模块热控优化分析

3.6 基于膨胀石墨复合相变材料的动力电池热控优化

3.6.1 电池模块布置

3.6.2 电池模块热控优化分析

3.7 三种冷却方式的比较分析

3.7.1 电池模块最高温度分析

3.7.2 电池模块最大温差分析

3.7.3 单位质量百分比的复合相变材料散热效果分析

3.8 本章小结

4 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术成果

致谢

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摘要

相变材料(PCM,phase change material)具有相变潜热值大,相变区间内温度波动小等优点,采用相变材料对动力电池进行热管理近年来成为研究热点。然而,由于纯相变材料的导热系数较低,动力电池产生的热量很难快速传递至外界。针对该问题,本文通过在石蜡中添加石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNT,multi-walled carbon nanotube)、泡沫铜(FC,foam copper)、膨胀石墨(EG,expanded graphite)强化其传热性能,并采用上述材料对动力电池模块进行了热控优化。 首先研究了石墨烯/碳纳米管复合相变材料、泡沫铜复合相变材料、膨胀石墨复合相变材料的传热特性。制备了石墨烯/碳纳米管复合相变材料,实验结果表明,石墨烯/碳纳米管质量浓度为1.0%、比例为3:7时,复合相变材料(CPCM,composite phase change material)导热系数提高了129%。研究了泡沫铜复合相变材料的传热特性,实验结果表明,和石蜡相比,泡沫铜复合相变材料的储热时间最大可以缩减55.8%;研究了膨胀石墨复合相变材料的传热特性,质量分数为20%时,导热系数提高了12.4倍,此外,在60℃环境下石蜡没有发生泄漏,具有良好的定型性能。 采用上述三种复合相变材料对动力电池模块进行了热控优化。采用石墨烯/碳纳米管复合相变材料对动力电池模块进行了整体热控优化,发现放电倍率为3C时,与纯石蜡散热方式相比,当环境温度为40℃时,采用复合相变材料的电池模块的温度下降了6.6%,电池模块的温差下降了41.7%。采用泡沫铜对动力电池模块中心区域进行了局部热控优化,实验结果表明,和石蜡散热相比,采用泡沫铜复合相变材料强化后,电池模块的温度和温差分别下降了17.5%和83.6%;采用膨胀石墨复合相变材料对动力电池模块中心区域进行了局部热控优化,在环境温度为40℃时,电池模块的温度和温差分别下降了16.1%和88.5%。 通过分析比较,单位质量百分比的石墨烯/碳纳米管复合相变材料具有最好的热控效果,因此从锂离子动力电池模块轻量化的设计考虑,石墨烯/碳纳米管复合相变材料最具应用前景。但是,由于石墨烯和碳纳米管的扩散作用,石墨烯/碳纳米管复合相变材料不能用于动力电池模块中心区域的局部强化传热。从泡沫铜复合相变材料和膨石墨复合相变材料的局部热控优化结果分析,两者效果基本一致,但膨胀石墨复合相变材料更具成本优势。

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