相变材料/脉动热管在动力电池热管理系统中的耦合传热特性与机理研究

With the objective requirements such as lightweight, compact and long mileage of electric vehicles, the power battery thermal management system should be developed toward low even zero power consumption of battery. Both the heat generation characteristics of battery and the structure parameters of pulsating heat pipe could effect the thermal performance of the battery thermal management system when the passive phase change material / pulsating heat pipe coupled method was used for cooling the battery. The following listed are the main research cotent of this project which will be performed by combining experiment and numerical simulation method: (1) The heat generation characteristics and size effect of the battery cell and module at high ambient temperature and under the high charge and discharge rate. The electrical-thermal coupling model for predicting the heat transportation and distribution of battery. (2) The intrinsic relationship between phase change behavior of phase change material and start-up of pulsating heat pipe during heat transfer process. The effect of the thermal parameters of phase change material and the structural parameters of pulsating heat pipe on the coupling heat transfer characteristics. (3) The heat transfer characteristics of the phase change material / pulsating heat pipe coupled battery thermal management system. The gradient effect, delay effect during heat transfer process and the influence of the size effect of pulsating heat pipe and battery on the heat transfer of the system. The coupled heat transfer model and control mechanisms of the system.

由于轻量化、紧凑型以及续航里程长的客观要求，电动汽车动力电池热管理系统向着低消耗甚至不消耗电池电量的趋势发展。采用被动式的相变材料/脉动热管耦合方式对电池进行散热时，受到电池产热规律、相变材料热物性以及脉动热管结构参数的影响。本项目拟通过实验研究与数值模拟相结合的方法，计划开展的研究内容包括：（1）揭示电池单体、模块在高环境温度、高充放电倍率时的产热规律和尺寸效应，建立电池热量传递与分布理论预测的电-热耦合模型；（2）探究相变材料相变特性与脉动热管启动行为之间耦合传热时的内在联系，揭示相变材料主要热物性参数和脉动热管关键结构参数对耦合传热特性的影响规律；（3）研究基于相变材料/脉动热管的电池热管理系统的传热特性，揭示耦合传热时的梯度效应、时滞效应以及脉动热管和电池的尺寸效应对系统热量分布的影响规律，建立系统耦合传热的模型并提出传热控制机制。

作为电动汽车的动力来源，锂离子电池等在充放电过程中会产生大量热量，使电池温度上升，甚至使电池进入热失控，导致自燃甚至是爆炸，严重影响行车安全。本项目从空气、液体主动式热管理出发，获得运行工况下的电池散热需求。在这基础上，本项目以相变材料和热管作为被动式热管理的传热介质，减小了热管理的耗能，减轻电池运行负荷，提高电池的有效能量密度。进一步，本项目提出脉动热管/相变材料耦合传热系统，提高了被动式热管理系统的传热性能。本项目主要研究内容如下：(1)电池产热模型构建及空气热管理、液体热管理的传热传质性能及强化；(2)相变材料热管理的传热特性及高导热纳米颗粒强化和胶囊化等性能改善；(3)弯头数、倾斜角度和加热功率等对热管热管理性能的影响规律；(4)相变材料物性对脉动热管/相变材料耦合传热影响规律及传热速率强化。本项目所达成的研究目标如下：(1)通过实验测量和理论计算，从温度测试中推导出电池的产热量，建立了电池的产热模型，并将其应用于主动式热管理数值模拟中；(2)通过相变材料的分子动力学和格子Boltzmann模型提出了相变材料导热强化、传热结构改进等传热强化方法，并揭示了弯头数、倾斜角度等对脉动热管性能的影响规律；(3)设计脉动热管/相变材料耦合传热系统，将相变材料热管理系统的传热性能提高了近3倍。在原定计划外，本项目将电池热失控模拟工况应用于耦合热管理系统中。结果表明，耦合系统可长时间维持电池工作温度，提供热失控防护措施充足反应时间。本项目公开发表SCI论文25篇(其中3篇论文入选ESI高被引论文)、EI论文1篇，科学出版社出版专著1部，授权发明专利4项，项目成果获江苏省教育科学研究成果自然科学奖三等奖1项。本项目研究成果可指导电动汽车动力电池热管理设计。此外，本项目提出使用分子动力学、耗散粒子动力学等微介观研究方法，可为未来小型化、轻量化电池散热提供理论支撑。