柔性相变材料电池热管理系统的传-储热性能研究

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随着新能源电动汽车在社会上广泛使用,汽车动力电池的热安全性问题已经成为影响汽车的使用安全的重要因素。因此,构建高效的热管理系统,控制电池温升是解决动力电池热安全问题的有效途径。本文针对电池的热安全问题,提出了一种基于热塑性苯乙烯基聚合物(TPS)的柔性复合相变材料,并将其作为主要散热介质,构建了复合相变材料热管理系统。主要研究内容和结论如下:以热塑性苯乙烯基聚合物(TPS)、乙烯-辛烯共聚物(POE)、烯烃嵌段共聚物(SEBS)、三元乙丙橡胶(EPDM)分别作为支撑材料,石蜡(PA)为相变材料,碳化硅(Si C)为导热填料,利用熔融共混法制备了不同类型的柔性复合相变材料,并对其热物理性能进行表征测试。发现热塑性苯乙烯基复合相变材料(TPS-CPCM)和乙烯-辛烯基复合相变材料(POE-CPCM)的导热系数和比热容均比烯烃嵌段共聚物复合相变材料(SEBS-CPCM)和三元乙丙橡胶基复合相变材料(EPDM-CPCM)高12%以上。利用稳态热平衡法测试了TPS-CPCM和POE-CPCM与热源之间的接触热阻,在4.5W的发热功率下,接触热阻分别为0.45℃/W和0.65℃/W。表明TPS-CPCM不仅有良好的热物理性能,而且有较低的接触热阻小。对TPS-CPCM进行机械性能,微观形貌,热物理性能分析。结果表明S6样品的微观形貌显示复合相变材料的各组之间分充分混合,未发生化学反应。在-40℃的低温下依然具有良好的柔性效果。柔性材料延展性良好,断裂伸长率可达394.916%。样品经过24小时的泄漏测试后形状保持不变,并具有良好的弹性,PA泄漏率小于0.1%。因此,表明该TPS-CPCM样品具有良好的机械性能,热物理性能及室温柔性效果。于是选取S6样品的组分配比(TPS:PA:SIC=4:4:2)作为热管理系统的冷却材料配方。选取组分配比为(TPS:PA:SIC=4:4:2)的TPS-CPCM作为电池的热管理系统冷却介质。在室温条件下,对室温柔性的TPS-CPCM和热致柔性的POE-CPCM冷却的电池模组进行热管理性能评估。在3C的放电倍率下,TPS-CPCM冷却的电池组最高温度相比POE-CPCM冷却的电池组下降了2.08℃,TPS-CPCM冷却的电池组温差在2℃以内。TPS-CPCM相比于POE-CPCM冷却的电池组温度分布均匀性提高了42%。在40℃的高温条件下,研究了不同冷却方式的散热效果和验证TPS-CPCM的冷却方式在高温下对进行电池温度控制的有效性。结果表明,TPS-CPCM冷却相比于强制风冷(5m/s)表现出更优异的温度控制能力。特别是在2.5C循环充放电测试下,电池组的最高温度控制在55℃左右,电池组的最大温差控制在4℃以内。本文通过在接触热阻和热物性等方面筛选出性能优良的支撑材料(TPS),进一步分析和表征TPS-CPCM的各项性能参数。将TPS-CPCM应用于电池管理系统中,测试结果表明,在室温条件下柔性的TPS-CPCM比热致柔性的POE-CPCM有更好的冷却性能。在高温条件下,TPS-CPCM依然可以有效的控制电池组在循环过程的最高温度和最大温差,并表现出比强制风冷(5m/s)更好的散热性能。
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