面向低温环境锂离子电池高效热管理的碳基导电复合相变材料温控特性研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:21908067
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:24.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:B0802.传递过程
- 结题年份:2022
- 批准年份:2019
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2020-01-01 至2022-12-31
- 项目参与者:--
- 关键词:
项目摘要
Lithium ion battery has a wide application in military or civilian equipment. But the operation temperature greatly affect the Li-ion battery performance. A well designed thermal management system that controls the battery within the optimal temperature range ensures the battery to work efficiently and safely. This project focuses on the thermal management system using phase change materials (PCMs). We plan to prepare electric conductive PCMs and utilize the Joule heat effect of the PCM to heat up the battery that operated under low temperatures by connecting the PCMs into an electric circuit. The PCMs also can cool the battery down when the battery work and produce a large amount of heat. To achieve this goal, we first study the relationship between the composition of the carbon-based composite PCM and its electric conductivity. After knowing how to prepare such an electric conductive PCM, we will study how its electric properties, thermal properties and the electric potential distribution will affect the battery temperature and electrochemical performance. At last, we will develop a numerical model that couples the battery heating source, heat transfer and storage in the PCMs and electric heating of PCMs. This model helps analyze the heat transfer mechanism inside the PCM-based thermal management system and provide guides on the system design and optimization. This project solves the problem that the PCM is unable to heat the battery and develop a highly efficient thermal management system in which the heating and cooling are integrated into one material. We also develop a new model for this kind of system. This novel thermal management system is suitable for the battery operated at all climate, which is a definite step forward in the PCM-based battery thermal management technology.
锂离子电池在军用、民用设备电源系统中应用广泛,但其性能受温度影响显著。为保障电池高效、安全工作,必须设计高效热管理系统维持电池处于最佳工作温度。本项目以高性能相变材料热管理系统为研究对象,提出通过导电相变材料高效的电热转化过程在低温环境下快速加热电池,同时利用相变材料储热能力为电池提供高温散热冷却。为此,本项目首先研究碳基高电导复合相变材料组成与其电导率调控规律,掌握导电复合相变材料的制备方法;通过研究相变材料电物性、热物性以及电场结构与电池温度及电化学性能相互作用规律,掌握电池低温启动阶段的电加热过程以及电池工作放热阶段冷却过程调控方法;最后建立耦合电池产热、相变传热、电场加热的新型数学模型,分析电加热系统内产热和传热机理,指导相变材料组成及系统结构优化。本研究突破了相变材料无法加热电池的瓶颈,实现了全温度段内电池加热冷却一体化结构,构建了新型传热模型,将有力推进电池热管理技术进步。
结项摘要
本项目创新提出了一种集成加热、冷却功能的导电相变材料全温域电池热管理策略:通过导电复合相变材料通电的焦耳热效应低温加热电池,借助材料相变储热特性高温冷却电池,解决锂离子电池在宽温域内加热-冷却一体化的热管理难题。本项目研究探明了膨胀石墨基导电复合相变材料电物性与热物性的调控规律,掌握了导电复合相变材料的制备方法;探究了复合相变材料物性对电池加热及冷却特性的影响规律,为不同需求下复合相变材料制备优化提供了指导依据;研究过程中创新提出了相变传热过程等效电路模型、耦合电加热有限元模型,率先通过模拟揭示了导电相变材料加热-冷却过程中的热管理性能与电池电化学性能的耦合机制,为全温域热管理系统优化提供了理论指导,也为系统设计提供了高效高精度的仿真工具。在本项目研究成果基础上,成功为某600Wh电源系统开发了加热冷却一体化热管理系统样机,施加20V加热电压即可将电池从-40 ℃以10.4 ℃/min加热至20℃,电池组平均温差小于4℃,电热转化保障了电池高速、均匀加热。同时,在50℃环境下相变材料也能有效冷却电池,维持电池在0.2C放电过程中温度低于54 ℃、温差小于2℃,实现了电池全温域热管理功能。相关成果得到了赵天寿院士证明评价,其在临近空间飞行器中应用前景也得到了航天科技集团811所空间电源技术国家重点实验室专家的高度肯定。目前与中电科特种飞机系统工程有限公司联合开发的无人机电池热管理系统已进入实战环境验证阶段。项目共申请发明专利2项,发表SCI论文10篇(第一标注6篇),1篇论文入选Materials Today Energy封面,并得到能源学人公众号作为亮点转载。项目负责人将本项目主要研究成果编入参与撰写《储热材料及应用》(40万字,排名第三)书中。项目实施器件共培养博士生3名,硕士生3名。.总体而言,本项目的开展成功完成了预期目标,有力推动了电池全温域热管理技术的发展,研究成果在临近空间飞行器、新能源汽车电源系统等领域应用前景广阔。.
项目成果
期刊论文数量(10)
专著数量(1)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
A fast-heat battery system using the heat released from detonated supercooled phase change materials
利用爆炸过冷相变材料释放的热量的快速加热电池系统
- DOI:10.1016/j.energy.2020.119496
- 发表时间:2020-12
- 期刊:Energy
- 影响因子:9
- 作者:Ling Ziye;Luo Mingyun;Song Jiaqi;Zhang Wenbo;Zhang Zhengguo;Fang Xiaoming
- 通讯作者:Fang Xiaoming
Battery thermal management based on multiscale encapsulated inorganic phase change material of high stability
基于高稳定性多尺度封装无机相变材料的电池热管理
- DOI:10.1016/j.applthermaleng.2021.117002
- 发表时间:2021-04-27
- 期刊:APPLIED THERMAL ENGINEERING
- 影响因子:6.4
- 作者:Ling, Ziye;Li, Suimin;Zhang, Zhengguo
- 通讯作者:Zhang, Zhengguo
Computationally efficient thermal network model and its application in optimization of battery thermal management system with phase change materials and long-term performance assessment
计算高效的热网络模型及其在相变材料电池热管理系统优化和长期性能评估中的应用
- DOI:10.1016/j.apenergy.2019.114120
- 发表时间:2020-02
- 期刊:Applied Energy
- 影响因子:11.2
- 作者:Ling Ziye;Lin Wenzhu;Zhang Zhengguo;Fang Xiaoming
- 通讯作者:Fang Xiaoming
Upgrade strategy of commercial liquid-cooled battery thermal management system using electric insulating flexible composite phase change materials
电绝缘柔性复合相变材料商用液冷电池热管理系统升级策略
- DOI:10.1016/j.applthermaleng.2021.117562
- 发表时间:2021-09
- 期刊:Applied Thermal Engineering
- 影响因子:6.4
- 作者:Cao Jiahao;Wu Yi;Ling Ziye;Fang Xiaoming;Zhang Zhengguo
- 通讯作者:Zhang Zhengguo
Liquid cooling with phase change materials for cylindrical Li-ion batteries: An experimental and numerical study
用于圆柱形锂离子电池的相变材料液体冷却:实验和数值研究
- DOI:10.1016/j.energy.2019.116565
- 发表时间:2020-01-15
- 期刊:ENERGY
- 影响因子:9
- 作者:Cao, Jiahao;Luo, Mingyun;Zhang, Zhengguo
- 通讯作者:Zhang, Zhengguo
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其他文献
R407C 在花瓣型翅片管与低肋管外的冷凝传热性能对比
- DOI:--
- 发表时间:2013
- 期刊:工程热物理学报
- 影响因子:--
- 作者:秦鹏;凌子夜;徐涛;张正国;叶卓成
- 通讯作者:叶卓成
六水氯化镁相变储热材料的研究进展,
- DOI:--
- 发表时间:2016
- 期刊:储能科学与技术
- 影响因子:--
- 作者:王会春;凌子夜;方晓明;苑坤杰;张正国
- 通讯作者:张正国
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凌子夜的其他基金
双交联结构水合盐凝胶材料的制备及全温域电池热管理系统应用研究
- 批准号:22278145
- 批准年份:2022
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- 项目类别:面上项目
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