电动汽车动力电池热管理技术-中科院理化所

背景—电池热管理技术现状
空 冷
•车厢内的空气 •空调制冷后的空气 •强制对流
液 冷
相 变 材 料
制 冷 剂
背景—电池热管理技术现状—空气
•车外空气冷却
•车厢内的排风冷却
•空调制冷后的空气冷却
本田，NISSAN LEAF, Audi
背景—电池热管理技术现状—空气
Insight
Prius
背景—电池热管理技术现状—液体
壳体内部充入Atonal324液体，壳体内部设置 电加热棒，通过电加热模拟电池的散热量
热管式电池热管理技术—单体性能研究
单体电池发热量最大处在电池单元的下半部分和正极部分
放电状态 放电电流 0.2C 0.4C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 放电电流 单体电池发热 值 (A) 量 (W) 3.3 +0.41 6.6 +1.35 16.5 +3.78 33 +11.92 49.5 +24.42 66 +41.27 82.5 +62.48 99 +88.04
热管式电池热管理技术—单体性能研究
动态循环响应
动态循环方案示意图
方案1，6C发热功率高达88.04W，但时间只 有短短的10s，总发热量并不大； 经过900s最大持续放电工况后温度达到最高 值63℃；翅片型峰值下降了近6℃； 充电工况，电池发热量显著降低，至充电完 毕时温度下降到接近35℃； 方案2，电池发热功率小，放电终了的温度 在41℃左右，充电过程中，温度下降到35度左 右； 试验时每组循环中电池产生的热量都能被热 管带走，达到很好地热管理效果。
Pump
Coolant average temperature Battery group average temperature Temperature difference
Qc -cooling heat by battery chiller
Qci –Coolant internal heat variation
锂电池放电发热量 （16.5Ah,3.2V)
最大持续放电 最大瞬间放电 (<10s)
热管式电池热管理技术—单体性能研究
冷却响应
恒温环境箱温度设定为35℃,恒温水浴温度设定为20℃； 发热量10W以下时，电池表面温度维持在40℃之下，相当于放电电流为2C的工况； 电池发热量增大，表面温度大约每10W上升10℃，40W发热量情况下接近于70℃； 高发热量的工况时电池放电终了温度低于稳定温度，如40W时运行900s后温度大 约为62℃； 浸没在水槽中的热管段加翅片对电池的冷却效果得到增强，平衡温度或峰值温度 都有较大下降； 在主要的电池充放电工况下能使电池温度维持在最佳温度范围，即使在恶劣的工 况条件下电池温度也能控制在许可的范围内，避免热失控。
T
Liquid vapor separator RV3
T P
T P
T P
Return air EXV2 RV4
TP
T
T P T P
TP
Battery chiller PTC heater
m
EXV3
m
TP
P
T
T
Coolant
T d
m
WV2
WV1
T
T d v
T d
Pump
T d
m
Fan
heat exchanger (for Battery)
背景—电池热管理技术现状—液体
雪佛兰VOLT
背景—电池热管理技术现状—液体
Audi A3
Porsche Panamera
背景—电池热管理技术现状—液体
背景—电池热管理技术现状—制冷剂
BEHR
Jarrett & Kim Queen’s Un. CA
热管式电池热管理技术
热管式电池热管理技术—概念的提出
Outside heat exchanger
Temperature Relative humidity Flow rate
P Pressure
v Velocity
热管式电池热管理技术—台架性能研究
Experiment No. Out-car temperature (℃) In-car temperature (℃) EXV1 opening (%) EXV2 opening (%) 1 35 27 0 2 35 27 0 3 45 45 0 4 45 45 0 5 -20 -20 100 6 -20 20 100 0 0 -21.58 1.37 --58 9.45 47.56 2.75 --0.86 2.04 42.05 1.34
2016年新能源汽车空调系统发展创新论坛
电动汽车动力电池热管理技术
邹慧明 中国科学院理化技术研究所
背 景
• 缓解能源环保压力 • 加快产业结构调整 • 提升汽车业制造水平
低 碳 环 保
技 术 难 题
无发动机余热——采暖问题 电池、电机等温控问题 系统空间的局限性
热管理系统
电动汽车安全高效舒适运行的重要保证
-100 Time t /s
电池组综合比热容1.24 kJ/kg℃
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 300 600 900 Time t /s 1200 1500 1800
a
q
b
单热管传热性能：0.86 W/℃
热管式电池热管理技术—台架性能研究
冷却响应
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 300
Coolant average temperature Battery average temperature Temperature difference
背景—电池基本原理
•电解液、正、负极、膜、粘合剂等化学分解产生的反应热 •电池内阻存在而产生焦耳热
背景—电池热力特性
•温度对电池的性能和使用寿命具有很大的影响 • Sato 等人研究表明，当电池温度高于 50℃时，放电 效率和使用寿命都会有很 大的衰减。 • Khateeb 等人指出锂电池温度在70100℃范围运行时，就会存在很大的安 全隐患。 • Pesaran 等人提出电池最佳的工作温度 范围是 25 ~ 40℃，合理的温度是不高 于50℃。 • 电池温度极低时（如0度以下），放电 过程实现困难。 •低品位热源的高效散热技术 科学问题 •低温条件下的预热
热管式电池热管理技术—台架性能研究
Qg -Generated heat by batteries Qbi –Batteries internal heat variation Qt -Transfered heat by HPHE
电池组无发热响应
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 300
84 84 63 63 0 电池冷却环路的增加，压缩机输入功变化很小； EXV3 opening (%) 0 40 0 90 0 35/27工况下，系统总制冷量增加19.84%，COP增加了18.60%； -1.49 -0.48 9.96 11.7 -23.13 Evaporator evaporating temperature (℃) 45/45工况下，系统总制冷量增加 23.55% ，COP 增加了 21.21% ； 0.93 0.76 1.28 2.59 0.01 Super-heating temperature (℃) -20/20 工况制热 COP较 -20/-20 工况下降了 。 7.49 --4.30 32%--Battery chiller evaporating temperature (℃ ) Super-heating temperature (℃) Condensing temperature (℃) Sub-cooling temperature (℃) Cabinet refrigerant flow rate (kg/h) Cabinet cooling/heating capacity (kW) Battery chiller refrigerant flow rate (kg/h) Battery chiller cooling capacity (kW) Theoretical compression power (kW) Actual input power (kW) Compression efficiency (%) COP -41.18 0.3 135.16 5.24 --1.04 2.44 42.51 2.15 18.35 41.58 0 134.0 5.19 25.36 1.09 1.24 2.46 50.34 2.55 -55.4 7.36 192.01 7.22 --1.43 3.13 45.53 2.31 0.36 54.31 1.98 180.4 6.61 63.96 2.31 1.75 3.19 55.0 2.80 -20.78 21.62 43.2 2.96 --0.45 1.48 30.27 2.0
Temperature T/℃
Temperature T/℃
600 Time t/s
900
1200
Temperature T/℃
Coolant average temperature Battery average temperature Temperature difference
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 300
Heat transfer performance per heat pipe qhp /W/℃
∂T Qbi = cb mb ba = Qg + Qt Q ∂t qhp = t n∆T ∂T Qci = cc mc ca = Qt + Q p + Qc ∂t
600
900 1200 1500 1800 Time t /s
热管式电池热管理技术—单体性能研究
低温唤醒响应
热管在低温环境（-15℃和-25℃）中持续14～16小时的状态，并给出了加热被“唤 醒”的响应过程。可以看出热管可以很快被“唤醒”，并进入工作状态
热管式电池热管理技术—单体性能研究
预加热响应
不带 翅片
带翅片
采用温度为40℃的加热介质，其预热所需时间比采用20℃的要快很多，达到所考察的温度点的 时间只有1/3左右； 增加翅片后电池预热时间大大缩短，约1/4—1/3时间，加热介质温度低（20℃）时效果更明显。
热管式电池热管理技术—单体性能研究
轻量化热像
1
2
3
4
5
轻量化后II号板和III号板的平衡 时的平均温度有所降低，但II &III 号铝板的温度均匀性比实心板要差， 温度梯度从上往下逐渐变大，随着 发热量的增加，温差梯度增强； 开设大孔的I号板，无论是平衡 时平均温度还是温度均匀性都比实 心板差； 而从侧面开孔的IV号板，在轻量 化试验的五块铝板中温度均匀性最 差
热管式电池热管理技术—台架性能研究
TP
EXV1
TP
T P
Heat pipe battery heat exchanger box
RV1
T P
RV2 Fresh air
T d
To glass
T d
v
T d
T d
Fan
PTC
Compressor
evaporator
Condenser
To face To feet Battery
Heat transfer plate Battery L shape Heat pipe
Liquid box
Coolant inlet
•靠工作介质的汽、液相变传热，具有很高的导热能力 •电池温度场均匀性好 •电池散热量通过热管传递到介质中，对冷源的负荷具有削峰填谷的作用
热管式电池热管理技术—单体性能研究
热管典型参数 总长 (mm) 蒸发段长度 (mm) 冷凝段长度 (mm) 外径 (mm) 厚度 (压扁部分) (mm) 有效孔隙半径 (µm) 孔隙率 吸液芯材料 吸液芯型式 工作介质 折弯角度 折弯半径 (mm) 翅片型式 翅片高度 (mm) 翅片厚度 (mm) 翅片数量 (带翅片的) L型 206 1Fra Baidu bibliotek0 50 10 4.5 40 0.45 铜 烧结 水 900 20 环形 5 0.5 10
250 200
Heat Q/W
Internal heat variation of coolant Internal heat variation of battery group
Temperature T/℃
Qp -Preheating heat by PTC
150 100 50 0 -50 0 300 600 900 1200 1500 1800