【摘要】：國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展引發(fā)了一系列的環(huán)境污染問題,新能源汽車由于具有零排放等優(yōu)勢,近年來發(fā)展迅速。作為新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一,動力電池的循環(huán)壽命與熱安全對整車性能影響顯著。為提升電池循環(huán)壽命和熱安全性能,本文采用數(shù)值模擬的方法,針對采用相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),研究了用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的石蠟固液相變特性。本文建立了二維正方形模型,研究了熱壁面所在位置、石蠟熱導(dǎo)率及熱壁面的熱流密度對石蠟相變過程的影響,重點分析了運動壁面的速度大小與方向?qū)κ炄刍淖饔眉捌涑梢?主要結(jié)論如下:(1)針對熱流密度一定,熱壁面位置不同對石蠟相變的影響,分別研究了熱壁面在左側(cè)、右側(cè)、頂部和底部時石蠟的相變特性。當熱壁面在底部時,即熱流密度與石蠟自身重力的作用方向相反時,石蠟的熔化速度最快;而當熱壁面位于頂部時,石蠟的熔化速度最慢;當熱壁面位于左、右側(cè)時,石蠟的熔化速度居于前兩種情況的中間。(2)針對熱流密度一定,不同石蠟熱導(dǎo)率對相變過程的影響,研究了對左側(cè)、右側(cè)、頂部和底部壁面設(shè)定恒定熱流密度,石蠟熱導(dǎo)率不同時的相變特性。對比熱壁面在左側(cè)時不同熱導(dǎo)率的液相率-時間曲線,可以發(fā)現(xiàn),在石蠟熔化初期(大約0~500s),石蠟的熱導(dǎo)率對熔化的速度沒有產(chǎn)生顯著的影響,大約從500s開始,熱導(dǎo)率開始對相變過程產(chǎn)生影響:熱導(dǎo)率越大,石蠟熔化的速度越快。當熱壁面在底部時,在石蠟相變起始階段,熱導(dǎo)率對相變過程產(chǎn)生了較為明顯的作用:在相同時刻,熱導(dǎo)率越大,石蠟的液相率越小。隨著時間的推移,在石蠟熔化的后期,熱導(dǎo)率增大對相變速度的促進作用越來越明顯,熱導(dǎo)率不同的的石蠟最終幾乎同時熔化完全。(3)針對熱壁面的熱流密度對石蠟相變的影響,研究了不同熱流密度下,石蠟在不同時刻的液相分數(shù)云圖。結(jié)果表明,在石蠟自身重力的作用下,正方形腔內(nèi)的石蠟從左上角最先開始熔化,右下角部分的石蠟最后開始熔化,相變界面的形態(tài)呈現(xiàn)出一條斜率為正的斜線,且斜率隨著時間的增大而減小,石蠟的熔化整體上呈順時針方向;熱壁面的熱流密度越大,石蠟的固液相變越快。(4)針對運動壁面對石蠟相變的影響,研究了熱壁面在不同位置時,壁面運動速度的大小與方向?qū)κ炏嘧冞^程的影響。研究結(jié)果表明,當左壁面加熱,下壁面沿x軸正方向運動時,抑制熔化;沿x軸負方向運動時,促進熔化;當下壁面加熱,上壁面運動方向相同時,速度的大小對液相率-時間曲線的梯度的作用:運動速度越大,石蠟固液相變的速度越快;當上壁面加熱時,下壁面的運動促進石蠟的相變,當壁面運動方向一致時,運動速度的大小對液相率-時間曲線的梯度有顯著影響:運動速度越大,液相率-時間曲線的梯度越大。當左壁面加熱,無運動壁面時,液相區(qū)域存在一個順時針方向的渦團,并且隨著時間的推移,渦團由一個順時針渦團分裂成兩個順時針渦團;隨著上壁面運動速度大小的增大,渦團分裂的速度加快;當上壁面運動速度沿x軸負方向運動時,石蠟液相區(qū)靠近上壁面的位置增加了一個逆時針渦團,隨著時間的推移該逆時針的渦團面積逐漸擴大;上壁面沿x軸負方向的運動,會產(chǎn)生逆時針渦團,推遲了順時針渦團的分裂,進而抑制了石蠟的相變;同理,上壁面沿x軸正方向的運動加快了順時針渦團的分裂,進而促進了石蠟的相變。
【圖文】：

一步加劇了溫升，甚至有可能導(dǎo)致破壞性的結(jié)果[19, 20]。此外，溫度升高會對電池的放電率和循環(huán)壽命產(chǎn)生不利的影響，同時還會降低電池的總?cè)萘亢凸β拭芏�。電池組內(nèi)的溫度影響電池正常放電時的放電倍率和正常充電時的儲能量，而且電池溫度也會影響電池的壽命。因此，為了實現(xiàn)更優(yōu)良的電池性能和更長的電池壽命，電池應(yīng)該在最佳的溫度范圍內(nèi)工作[21]。由于電化學(xué)性質(zhì)的差異，不同類型的電池具有不同的最佳溫度范圍。通常，汽車制造廠商提供一個很寬的最佳溫度范圍，而實際上，最佳溫度范圍為其很小的子集。例如，制造商指定鋰離子電池的操作溫度是 20~60℃，而最佳溫度大約是 30℃。除此之外，電池內(nèi)部溫度分布的均勻性影響電池的循環(huán)使用壽命。合適、均勻的工作溫度是保證電池正常工作和延長壽命的關(guān)鍵所在。鋰離子電池產(chǎn)生安全性問題可歸結(jié)為以下兩方面(圖 1-1)：(1)鋰離子電池自身原因：鋰離子電池內(nèi)部存在著一系列潛在的放熱反應(yīng)，這是誘發(fā)鋰離子電池安全問題的根源[22, 23]；(2)突發(fā)事件或電池使用不當導(dǎo)致的。

果出現(xiàn)泄漏等情況，容易引起電池著火，甚至燃燒和爆炸；(3)鋰離子電池中粘結(jié)劑的晶化、銅枝晶的形成以及活性物質(zhì)剝落等均易造成電池內(nèi)部短路[13]，帶來安全隱患。1.2.2 突發(fā)事件或濫用原因在一些突發(fā)事件如電池過充電、針刺穿透、擠壓，以及高溫環(huán)境等情況下，電極和有機電解液容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，，如 SEI 膜的分解、有機電解液的氧化、還原，正極的分解，正極分解產(chǎn)生的氧氣進一步與有機電解液反應(yīng)等[26]。這些反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如果不能及時散失到周圍環(huán)境中，必將導(dǎo)致熱失控，最終導(dǎo)致電池的燃燒和爆炸[27]。1.2.3 提高電池安全性的途徑基于上述關(guān)于鋰離子電池安全問題的分析，可以從以下三個方面來提高鋰離子電池的安全性(圖 1-2)：
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM912

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 Qiannan Zhang;Yutao Huo;Zhonghao Rao;;Numerical study on solid liquid phase change in paraffin as phase change material for battery thermal management[J];Science Bulletin;2016年05期

2 匡勇;劉霞;錢振;郭成龍;黃叢亮;饒中浩;;鋰離子電池產(chǎn)熱特性理論模型研究進展[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2015年06期

3 劉恒偉;李建軍;謝瀟怡;王莉;何向明;歐陽明高;李茂剛;;大尺寸三元鋰離子動力電池過充電安全性研究[J];新材料產(chǎn)業(yè);2015年03期

4 靳鵬超;王世學(xué);;一種使用相變材料的新型電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[J];化工進展;2014年10期

5 王彥紅;張成亮;俞會根;盛軍;宋佳;曹艷軍;;相變材料在動力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究進展[J];功能材料;2013年22期

6 徐善紅;馬露杰;曾祥兵;;汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分析與設(shè)計[J];科技視界;2013年26期

7 凌子夜;方曉明;汪雙鳳;張正國;劉曉紅;;相變材料用于鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究進展[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2013年05期

8 宋麗;魏學(xué)哲;戴海峰;孫澤昌;;鋰離子電池單體熱模型研究動態(tài)[J];汽車工程;2013年03期

9 袁昊;王麗芳;王立業(yè);;基于液體冷卻和加熱的電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(英文)[J];汽車安全與節(jié)能學(xué)報;2012年04期

10 鄂加強;胡小峰;胡遼平;龍艷平;朱蓉甲;;基于無機超導(dǎo)熱管的車用鋰離子電池組散熱性能[J];中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2012年10期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 饒中浩;基于固液相變傳熱介質(zhì)的動力電池?zé)峁芾硌芯縖D];華南理工大學(xué);2013年

2 黃倩;鋰離子電池的熱效應(yīng)及其安全性能的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2007年

本文編號：2569085