电动汽车动力电池热管理技术-中科院理化所

电动汽车动力电池热管理技术2016年新能源汽车空调系统发展创新论坛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•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70-100℃范围运行时，就会存在很大的安全隐患。•温度对电池的性能和使用寿命具有很大的影响•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•低温条件下的预热科学问题背景—电池热力特性背景—电池热管理技术现状空冷液冷相变材料•车厢内的空气•空调制冷后的空气•强制对流制冷剂背景—电池热管理技术现状—空气•空调制冷后的空气冷却•车厢内的排风冷却•车外空气冷却本田，NISSANLEAF,Audi背景—电池热管理技术现状—空气InsightPrius背景—电池热管理技术现状—液体背景—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PorschePanameraAudiA3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Jarrett&KimQueen’sUn.CABEHR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•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BatteryLshapeHeatpipeHeattransferplateLiquidboxCoolantinlet热管式电池热管理技术—单体性能研究热管典型参数壳体内部充入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L型总长(mm)206蒸发段长度(mm)120冷凝段长度(mm)50外径(mm)10厚度(压扁部分)(mm)4.5有效孔隙半径(µm)40孔隙率0.45吸液芯材料铜吸液芯型式烧结工作介质水折弯角度900折弯半径(mm)20翅片型式环形翅片高度(mm)5翅片厚度(mm)0.5翅片数量(带翅片的)10热管式电池热管理技术—单体性能研究放电状态放电电流放电电流值(A)单体电池发热量(W)0.2C3.3+0.410.4C6.6+1.351C16.5+3.782C33+11.923C49.5+24.42最大持续放电4C66+41.275C82.5+62.48最大瞬间放电(10s)6C99+88.04锂电池放电发热量（16.5Ah,3.2V)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。热管式电池热管理技术—单体性能研究动态循环方案示意图动态循环响应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。热管式电池热管理技术—单体性能研究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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。不带翅片带翅片热管式电池热管理技术—单体性能研究预加热响应热管式电池热管理技术—单体性能研究12345轻量化热像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CoolantPumpCompressorOutsideheatexchangerFreshairReturnairTofaceTofeetToglassEXV1LiquidvaporseparatorevaporatorCondenserEXV2FanEXV3PTCheaterBatteryRV1RV2RV3RV4WV1WV2heatexchanger(forBattery)BatterychillerHeatpipebatteryheatexchangerboxFanPTCTPTPTPTPTPTPTPTPTPTPTPTPTTTTTmmmvvdTdTdTdTdTdTdTTTemperaturePressurePPdRelativehumidityvVelocitymFlowrate热管式电池热管理技术—台架性能研究ExperimentNo.123456Out-cartemperature(℃)35354545-20-20In-cartemperature(℃)27274545-2020EXV1opening(%)0000100100EXV2opening(%)8484636300EXV3opening(%)04009000Evaporatorevaporatingtemperature(℃)-1.49-0.489.9611.7-23.13-21.58Super-heatingtemperature(℃)0.930.761.282.590.011.37Batterychillerevaporatingtemperature(℃)---4.30--7.49----Super-heatingtemperature(℃)--18.35--0.36----Condensingtemperature(℃)41.1841.5855.454.3120.7858Sub-coolingtemperature(℃)0.307.361.9821.629.45Cabinetrefrigerantflowrate(kg/h)135.16134.0192.01180.443.247.56Cabinetcooling/heatingcapacity(kW)5.245.197.226.612.962.75Batterychillerrefrigerantflowrate(kg/h)--25.36--63.96----Batterychillercoolingcapacity(kW)--1.09--2.31----Theoreticalcompressionpower(kW)1.041.241.431.750.450.86Actualinputpower(kW)2.442.463.133.191.482.04Compressionefficiency(%)42.5150.3445.5355.030.2742.05COP2.152.552.312.802.01.34电池冷却环路的增加，压缩机输入功变化很小；35/27工况下，系统总制冷量增加19.84%，COP增加了18.60%；45/45工况下，系统总制冷量增加23.55%，COP增加了21.21%；-20/20工况制热COP较-20/-20工况下降了32%。热管式电池热管理技术—台架性能研究Qg-GeneratedheatbybatteriesQt-TransferedheatbyHPHEQp-PreheatingheatbyPTCPumpQc-coolingheatbybatterychillerQci–CoolantinternalheatvariationQbi–Batteriesinternalheatvariation05101520253035400300600900120015001800TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatterygroupaveragetemperatureTemperaturedifference-100-500501001502002500300600900120015001800HeatQ/WTimet/sInternalheatvariationofcoolantInternalheatvariationofbatterygrouptgbabbbiQQtTmcQ+=∂∂=cptcaccciQQQtTmcQ++=∂∂=TnQqthp∆=电池组综合比热容1.24kJ/kg℃qab00.20.40.60.811.20300600900120015001800Heattransferperformanceperheatpipeqhp/W/℃Timet/s单热管传热性能：0.86W/℃电池组无发热响应热管式电池热管理技术—台架性能研究0510152025303540455003006009001200TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatteryaveragetemperatureTemperaturedifference051015202530354045500300600900120015001800TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatteryaveragetemperatureTemperaturedifference0510152025303540455003006009001200TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatteryaveragetemperatureTemperaturedifference051015202530354045500300600900120015001800TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatteryaveragetemperatureTemperaturedifference0510152025303540455003006009001200TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatteryaveragetemperatureTemperaturedifference051015202530354045500300600900120015001800TemperatureT/℃Timet/sCoolantaveragetemperatureBatteryaveragetemperatureTemperaturedifference35℃/33%35℃/60%35℃/100%45℃/33%45℃/60%45℃/100%冷却响应33%开度时，35℃to30℃需要17分钟，45℃