摘 要

大力发展新能源汽车技术是各国应对能源危机和空气污染的重要举措，而电动汽车的锂离子动力电池组的温度高低和温度分布是否均匀对其性能和安全至关重要。随着我国电动汽车保有量的不断提升，电池组热失控导致的自燃事故也逐渐展现在大众眼前，仅在2019年5月至7月，我国共发现79起新能源车辆自燃事故，即平均每一天半就有一起事故发生，造成了一定的人员伤亡和财产损失，一定程度上阻碍了新能源汽车的大规模推广应用。锂离子动力电池热管理通过主动或者被动的方法来将电池组内多余的热量及时带出电池组，进而维持电池组内温度的相对稳定，对于提升动力电池组的安全性有着重要意义。基于此现状，本文使用经济的切片石蜡和膨胀石墨合成了较为经济的复合相变材料，提出了相变材料和风冷相结合的新型混合式热管理方案，采用实验研究和CFD数值模拟等研究手段，对锂电池的特性和混合式热管理的效果进行研究，研究表明该热管理方案可以维持新能源汽车电池组在合理的工作温度范围内，实现良好的热管理效果。

关键词：相变材料；混合热管理；锂电池；CFD数值模拟

Abstract

Vigorously developing new energy vehicle technology is an important measure for countries to respond to the energy crisis and air pollution, and the temperature level and temperature distribution performance of lithium-ion battery packs for electric vehicles are critical to their performance and safety. With the continuous improvement of the number of electric vehicles in China, spontaneous combustion accidents caused by thermal runaway of battery packs are gradually showing in front of the public. Only from May to July 2019, China has reported a total of 79 spontaneous combustion accidents of new energy vehicles. An accident occurred in one and a half days, causing a certain number of casualties and property losses, and to a certain extent hindered the large-scale promotion and application of new energy vehicles. Lithium-ion battery thermal management actively or passively takes excess heat from the battery pack out of the battery pack in time, thereby maintaining the relative stability of the temperature in the battery pack. Based on this situation, this article uses economic industrial paraffin and expanded graphite to synthesize a more economical composite phase change material, proposes a new thermal management scheme combining phase change material and air cooling, and uses a combination of experimental research and CFD numerical simulation means, to study the characteristics of lithium batteries and the effect of hybrid thermal management. Research shows that the new thermal management scheme has a good role in reducing the weight of the new energy vehicle thermal management system and improving the thermal management effect, which also shows the effectiveness of hybrid thermal management methods.

Key words: Phase change material; Hybrid thermal management; Li-ion battery; CFD simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1电动汽车发展现状 1

1.2 锂离子动力电池工作原理 3

1.3 锂离子动力电池产热机理 3

1.4 锂离子动力电池热管理方法及技术问题 4

1.5 研究意义和内容 6

第2章 复合相变材料制备及研究 8

2.1 复合相变材料分类及研究现状 8

2.2 复合相变材料制备和测试 8

2.2.1 复合相变材料制备 9

2.2.2 复合相变材料测试 10

2.3 结果与分析 11

第3章 锂离子动力电池特性测量 12

3.1 锂离子动力电池特性测量 12

3.2 混合动力脉冲能力特性测试 13

3.3 实验测试结果与讨论 15

第4章 CFD数值模拟 24

4.1 软件介绍 24

4.2 电池组几何建模及网格划分 24

4.3 FLUENT数值模拟计算 25

4.3.1模拟参数设置 25

4.3.2 模拟流程 26

4.3.3 混合式热管理模拟结果 29

第5章 总结与展望 30

5.1研究总结 30

5.2创新之处 30

5.3 展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1电动汽车发展现状

作为应对能源短缺和环境污染的重要策略，纯电动汽车自2009年以来在我国得到广泛推广。纯电动汽车完全依靠电池作为动力源，使用电动机驱动， CO₂的理论排放量为0gkm^-1，实际CO₂排放当量约为43-57gkm^-1，远低于内燃机车约220gkm^-1的CO₂排放量^[1]，是各国新一代汽车产业的发展方向。自1991年索尼公司将锂离子电池商业化生产以来，锂离子动力电池在电动汽车中得到了广泛的应用。锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性对新能源汽车有着至关重要的影响。锂离子动力电池依靠锂离子在正极和负极之间的传递工作^[1]，生命周期长，放电时间长，合适的使用功率和成本是锂离子动力电池的优点。锂离子动力电池的工作温度一般在20℃-50℃之间，而最佳运行温度则为20℃-45℃内^[2]，当温度超过50℃时，电池的性能会迅速下降，而维持电池最佳性能的电池单体温差应小于5℃。考虑电池实际应用过程中的安全因素，18650型动力锂电池的温度不应高于55℃，因为如果超过该临界温度，将会出现温度不可逆的情况，电池内部活性物质和电解液将急剧恶化，温度不断积累，进而发生爆炸^{[3, 4]}。

随着对新能源车辆续航里程要求的提升，锂离子动力电池组的能量密度也不断提升，而当前动力锂离子动力电池热管理技术并不完善，由此带来了较大的火灾隐患等安全性问题。此外，新能源汽车由大量的动力锂离子动力电池单体组成，而电池单体在工作过程中会产生大量热量，当这些热量不能得到有效散发，便会逐渐积累导致热失控事件。锂电池组火灾蔓延迅速，难以短时间内扑灭，燃烧过程中产生有毒有害气体，易造成人员伤亡和财产损失。随着电动汽车保有量提升，电动汽车自燃事故和召回事件也逐渐增多。近年来，特斯拉，蔚来等知名品牌相继出现因锂离子动力电池组出现问题而发生自燃或者大规模召回车辆的事件。我国2019年部分新能源汽车热失控事件如表1.1。部分事故图像如图1.1、图1.2。