面向动力电池热管理的复合相变材料的制备及传热特性研究

Power battery thermal management using organic phase change material (paraffin), without fans, pipes and pumps and etc. mechanisms, has these advantages of high compactness, high energy efficiency, low maintenance etc. However, paraffin suffers from low thermal conductivity, which seriously reduces the rates of heat stored and releases during the phase transition, even causes thermal runaway. To address this problem, in this project, a new strategy of adding expanded graphite and graphene, as the promoter of thermal conductivity, into paraffin to improve the heat transfer efficiency of paraffin with low thermal conductivity is put forward in this project, which includes: studying on preparation procedure of graphene/expanded graphite/paraffin composite and the coupling heat transfer mechanism among their interfaces; building the model of cooperatively enhanced-thermal conductivity using graphene / graphite in paraffin. Also, in this project, we will build the numerical model of heat transferring between the power batteries, phase change material composite and air fluid, and perform numerical calculation in order to solve the problem of heat transfer between batteries and composite under the condition of many physical fields. The implementation of this project has an important role in solving the problem of safety usage of power battery, controlling temperature intelligently and increasing its service life.

采用有机相变材料（石蜡）对动力电池进行热管理，不需要风扇、风道、水泵和管道等机械结构，具有结构简单、维护方便、不消耗附加能量等优点。然而，石蜡的热传导率低，严重影响了传热、换热速率，甚至引起热失控。针对这一问题，本项目提出采用石墨烯和膨胀石墨协同增强导热的方法来提高其热传导率；探究石墨烯/膨胀石墨/石蜡的制备方法；研究它们之间的界面耦合传热机制；建立石墨烯和膨胀石墨协同导热增强模型。针对多物理场耦合条件下的动力电池及复合相变材料的传热问题，本项目构建动力电池、复合相变材料和空气流场耦合传热、换热数值模型，并进行数值计算。本课题的实施对解决动力锂电池的安全使用、智能控温，提高其服役寿命都具有重要的科学研究意义。

高效的电池热管理系统能控制电池工作温度在最佳范围内，提高电池使用安全并延长其使用寿命，提升电动汽车续航里程。.本项目按照申请书的研究计划执行并完成各项指标。首先制备了高导热石墨烯/膨胀石墨/石蜡复合相变材料，采用XRD、DSC、FT-IR、SEM、瞬态热线法等技术对石墨烯/膨胀石墨与石蜡界面微结构进行了测试与表征，研究了高导热复合相变材料的导热系数和相变潜热变化规律及变化机制；.对定型石墨烯/石蜡/膨胀石墨复合相变材料在使用中和多次循环使用后的相变温度、导热系数、相变潜热等的变化情况进行了实验；针对石蜡热导率低的问题，提出采用石墨烯/膨胀石墨协同增强导热的方法高导热系数，并通过分形法和热-电类比技术建立了石墨烯和膨胀石墨多孔介质导热增强模型；.基于常用的方块及圆柱型动力电池形状，设计出两种基于高导热相变材料的控温系统结构模块，并分别进行了充/放电实验，监测不同结构、不同充/放电倍率下电池表面温度及电池组温差的变化规律；.建立了动力电池组生热与传热模型、复合相变材料和空气流体传热模型；采用数值模拟软件模拟分析了不同充/放电倍率、不同循环次数、不同导热系数电池模块中的温度场分布和变化情况，对单体电池与电池模块间、未搭载复合相变材料与搭载复合相变材料的电池组充/放电情况进行了实验和数据比较，研究了复合相变材料用于动力电池热管理时的传热特性；.对复合相变材料动力电池模块进行数值仿真分析与装车试验，验证了复合相变材料控温系统的热管理有效性、稳定性和可靠性；项目实施过程中，在国内外学术期刊上发表有关学术论文19篇，10篇被SCI收录，并获批国家专利6项，培养博士研究生3名和硕士研究生6名，本科生26名。