車船用動力電池熱管理研究現狀與發展趨勢.pdf

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1、車/船用動力電池熱管理研究現狀與發展趨勢 第三十四屆國際制冷、空調、供暖、通風及食品冷凍加工展覽會 田鎮 副教授 18818213836 2023-4-7 1 電動車/船現狀與發展趨勢 2 車/船用動力電池與熱管理 4 團隊熱管理成果簡介 3 電池熱管理研究進展 第三十四屆國際制冷、空調、供暖、通風及食品冷凍加工展覽會 Part1 電動車/船現狀與發展趨勢 2022年中國交通能耗占比20%以上，且逐年呈上升趨勢 交通運輸行業能源結構仍以化石能源為主 積極擴大新能源、清潔能源在交通運輸領域應用 以上海為例，公路+水路運輸能耗約占交通運輸的70%十四五(2021-2025)能源政策 構建“清潔、低

2、碳、安全、高效”的現代能源體系 增強能源供應鏈安全性和穩定性 推動能源生產、消費方式“綠色、低碳變革”提升“能源產業鏈現代化”水平 1.電動車/船現狀與發展趨勢 推動運輸工具裝備低碳轉型，是汽車、航運等產業高質量發展的戰略選擇，也是助力中國實現“雙碳”目標的重要舉措。2020年，電動汽車占新車銷量的近5%預計到2030年，電動汽車將占新車銷量的48%1.電動車/船現狀與發展趨勢 新能源汽車的“三縱三橫”發展戰略 新能源船舶現狀 保有量低：截止2022年，我國內河船舶保有量約13到14萬艘，但新能源船舶不到100艘；主要形式：鋰電池船、燃料電池船、太陽能和天然氣混動；環保政策趨嚴、電力推進系統、

3、岸電供給不斷進步 發展趨勢 純電動船舶的市場滲透率逐年上升；寧德時代、億緯鋰能、國軒等鋰電巨頭紛紛布局船用鋰電池；城市渡船、觀光船、內河貨船和港口拖船等領域 1.電動車/船現狀與發展趨勢 船舶動力發展歷程未來是電力推進 鋰電化滲透率在2029年預計達到10.68%“長江三峽1號”純電動船舶 2022年3月29日，全球載電量最大純電動游輪“長江三峽1號”，在宜昌市正式下水首航 客船總長100米，可載客1300人，噸位2000t 搭載7.5 MWh的磷酸鐵鋰電池，相當于約100輛特斯拉model3的電池容量總和 充電1次可續航100公里，每年可替代燃油530噸，減少有害氣體排放1660噸，是一艘“

4、零排放、零噪音、零污染”的綠色船舶 1.電動車/船現狀與發展趨勢 Part2 車/船用動力電池與熱管理 能量密度高，以提高運行效率和續航里程；輸出功率密度高，以滿足駕駛性能要求；工作溫度范圍寬廣，以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要；循環壽命長，保證電池的使用年限和行駛總里程；無記憶效應，以滿足車輛在使用時常處于非完全放電狀態下的充電需要；安全性好，可靠性高以及可循環利用。動力電池系統是能量源，提供驅動電能。電池系統的體積、形狀和技術參數會影響電動汽車的行駛性能，是電動車/船最重要的子系統之一。動力電池性能特點 2.車/船用動力電池與熱管理 2.車/船用動力電池與熱管理 按電芯外形分：圓柱形、矩

5、形（含方形、軟包）按正極材料分 電池種類 優點 缺點 石墨烯電池 產熱低 成本昂貴 鉛酸電池 成本低、低溫性好、性價比高 能量密度低、壽命短、體積大、安全性差 鋰電池 高儲存能量密度、460-600Wh/kg 鉛酸電池的約6-7倍 安全性差、容易過充、過放電 鎳氫電池 能量密度高、壽命長 制造成本太高 鈷酸鋰LiCoO2 錳酸鋰LiMn2O4 磷酸鐵鋰LiFePO4 三元鋰（鎳鈷錳酸鋰LiNiCoMnO或鎳鈷鋁酸鋰）動力電池分類 鋰離子在正負極之間遷移，與正、負極材料發生化學反應，將化學能和電能相互轉換，實現電荷的轉移，從而完成充電與放電的過程。在充放電過程中，鋰離子像搖椅一樣，在正負極之間來

6、回運動，因此，鋰離子電池又稱“搖椅”電池。正極正極 （磷酸鐵鋰）（磷酸鐵鋰）負極負極 （石墨）（石墨）電解液電解液/隔膜隔膜 2.車/船用動力電池與熱管理 車船用動力電池對比：圓形鋰離子電池-18650（18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池）參數 電池類型 磷酸鐵鋰（標準續航）三元鋰離子（升級版）電池包所在位置 車底部 串并聯組成方式 96S46P 電芯數量 4416個 電池包總電量 75kWh 電池包總電壓 347V 電池包尺寸 2418*1444*120 電池包總重量 469.5kg 2.車/船用動力電池與熱管理 項目 電芯 電池包 電池簇 電池組 電池系統

7、型號 LF280 LF280_1P12S 12包/簇 3簇/組 2組 電量 896Wh 10.752kWh 129.024kWh 384.072kWh 774.144kWh 標稱電壓 3.2V 38.4V 460.8V 460.8V 460.8V 重量 5.22kg 62.64kg 751.68kg 2255.04kg 4510.08kg 組合方式-1P12S 1P144S 3P144S 2*3P144S 2.車/船用動力電池與熱管理 車船用動力電池對比：方形磷酸鐵鋰-億緯鋰能LF280 溫度對電化學體系的動力電池（鉛酸電池、鋰離子電池、燃料電池等）的性能和壽命都有重要影響 鋰電池的最佳工作溫

8、度約20-40；電池熱失控溫度約在100 木桶效應：電池系統的性能、可靠性取決于最弱、最不穩定的一個電芯 2.車/船用動力電池與熱管理 溫度對動力電池的影響 某電芯溫度-最大放電電流曲線 溫度過高或者過低都不利于動力電池的性能發揮，甚至造成電池熱失控的嚴重后果 一般溫度差異控制在5C以內；如果可以做到2C以內，那可以稱為是優秀 電池熱管理（BTMS）在整個系統中起著至關重要的作用 2.車/船用動力電池與熱管理 電池熱管理系統（BTMS）電池容量 電化學反應速率 溫度不均 影響續航里程 充放電效率 單體一致性 安全性與可靠性 熱失控 電池溫度的準確測量和監控 電池組溫度過高時的有效散熱 低溫條件

9、下的快速加熱 電池組溫度場的均勻分布 與其他散熱單元的匹配 Part3 電池熱管理研究進展 電池熱管理主要方式 空氣冷卻（已商業化）PCM冷卻 熱管冷卻 液體冷卻（已商業化）直接 液體冷卻 間接 液體冷卻 主動 空氣冷卻 被動 空氣冷卻 熱電冷卻 3.電池熱管理研究進展 被動風冷：利用電池包外的環境空氣來加熱或冷卻電池組 主動風冷：利用輔助或車載的加熱器或蒸發器主動加熱或冷卻電池組 以空氣作為冷卻介質，對電池組進行冷卻或加熱 主動風冷方式：利用輔助或車載加熱器或蒸發器 被動風冷方式：利用車外空氣、利用乘員艙空氣 3.電池熱管理研究進展空氣冷卻 串行單向氣流 VS 反向分層氣流 Z型并行氣流、U

10、型并行氣流 串行式：沿垂直于方形電池大面或圓柱形電池軸線方向流過 并行式：沿平行于方形電池大面或圓柱形電池軸線方向流過 并行的溫度均勻性更好 以空氣作為冷卻介質，對電池組進行冷卻或加熱 3.電池熱管理研究進展空氣冷卻 3.5Ah32 Fan Y,Bao Y,Ling C,Chu Y,Tan X,Yang S.Experimental study on the thermal management performance of air cooling for high energy density cylindrical lithium-ion batteries.Appl Therm Eng

11、2019;155:96109.電池對齊排列綜合冷卻效果較好 3.電池熱管理研究進展空氣冷卻 對齊、交錯和交叉電池組排列 以空氣作為冷卻介質，對電池組進行冷卻或加熱 性能參數：最大溫升、平均溫升、最大溫差以及溫升標準差 交錯和交叉結構加強了局部對流換熱，加劇了單元之間的溫差 被動式液冷 主動式液冷 3.電池熱管理研究進展液體冷卻 以工作液作為冷卻介質，對電池組進行冷卻或加熱 主動式液冷 直接接觸式 間接接觸式-液冷管 間接接觸式-液冷夾套 間接接觸式-液冷板 Experimental study on the bottom liquid cooling thermal management sy

12、stem for lithium-ion battery based on multichannel flat tube,Applied Thermal Engineering,2023,219:119636.被動風冷，最高溫超過安全充放電溫度55 底部液冷，電池模塊的溫度控制在44以下 52Ah12 43Ah12 風冷、液冷進口溫度25 風冷，電池溫度44 液冷，電池溫度 39.5 Akbarzadeh M.,Kalogiannis T.,Jaguemont J.,et al.A comparative study between air cooling and liquid cooling

13、 thermal management systems for a high-energy lithium-ion battery module J.Applied Thermal Engineering,2021,198:117503.主動風冷 vs 液冷 被動風冷 vs 液冷 3.電池熱管理研究進展空氣冷卻 VS 液體冷卻 江淮iEV動力電池液冷技術 18650型電池固有的短板：電芯數量大，對散熱需求數量多布置復雜 3.電池熱管理研究進展纏繞式液冷管/帶 蛇形散熱片 Thermal management of cylindrical lithium-ion battery based on

14、 a liquid cooling method with half-helical duct J.Applied Thermal Engineering,2019,162:114257.18650鋰電池 與夾套液冷熱管理方法相比，半螺旋液冷熱管理方法由于流體體積小，無滯流區 螺旋管的螺距和數量對冷卻性能的影響不明顯，而改變流向對改善電池熱特性有效 3.電池熱管理研究進展纏繞式液冷管/帶 3Ah9 腔體式液冷板 埋管式液冷板 真空釬焊式液冷板 BMW i3 液冷板 Volvo XC90 Audi Q7液冷板 3.電池熱管理研究進展液冷板 Effects of channel shape on

15、the cooling performance of hybrid micro-channel and slot-jet moduleJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2017,113:295-309.Topology design of cold plates for pouch battery thermal management considering heat distribution characteristics.Applied Thermal Engineering,2023,224:119940.3.電池熱管理研

16、究進展液冷板 直通道冷板 發散形通道冷板 Enhancement of lithium-ion battery thermal management with the divergent-shaped channel cold plate,Journal of Energy Storage,2021,42:103027.8.0Ah8 3.電池熱管理研究進展液冷板 Hybrid thermal management of a Li-ion battery module with phase change material and cooling water pipes:An experiment

17、al investigation,Applied Thermal Engineering,2020,166:114759.3.電池熱管理研究進展相變材料PCM冷卻 利用石蠟、膨脹石墨、低密度聚乙烯三元復合相變材料與低翅片耦合的電池熱管理技術 利用三元復合相變材料與低翅片耦合的熱管理技術可以有效的將電池溫度在1C充放電時控制到36以下，最大溫差控制3.6 248Ah 3.電池熱管理研究進展相變材料PCM冷卻 Experimental study on a novel battery thermal management technology based on low density polyet

18、hylene-enhanced composite phase change materials coupled with low finsJ.Applied Energy,2016,178:376-382.Inclined U-shapedflat microheat pipe array configuration for cooling and heating lithium-ion battery modules in electric vehicles,Energy,2021,235:121433.U型熱管與液體冷卻板混合冷卻方法下，電池的溫度變化情況 在25環境溫度下，U型熱管與液

19、體冷卻板混合冷卻能有效地在1C充電、2C放電情況下，將電池最高溫控制在45以下 50Ah12 3.電池熱管理研究進展熱管冷卻 浸沒冷卻的不同實施方式取決于浸沒程度、流動類型和流體操作狀態 2.6Ah12 對比在1C、2C、3C、4C放電倍率下無冷卻、25%、50%、75%、100%浸沒高度時電池的最高溫與最大電池組溫度差 研究不同環境溫度對電池組溫度的影響 研究初始隔室壓力對電池組溫度的影響 3.電池熱管理研究進展直接接觸（浸沒）式冷卻 Immersion cooling for lithium-ion batteries A review,Journal of Power Sources,2

20、022,525:231094.空冷式電池散熱 液冷式電池散熱 基于相變材料電池散熱 優點（1）結構簡單，質量相對較?。?）沒有發生漏液的可能（3）有害氣體產生時能及時通風（4）成本較低（1）與電池壁之間換熱系數高（2）冷卻、加熱速度快（3）體積較?。?）散熱、均溫效果好（2）系統結構簡單（3）無需電池額外能量 缺點（1）散熱效果一般（2）電池的封裝、安裝位置及散熱面積需要重點設計（1）結構較復雜，增加系統重量（2）存在漏液可能（3）維修保養復雜（1）單一PCM導熱系數低（2）存在過冷等問題 3.電池熱管理研究進展關鍵問題與研究熱點 關鍵問題 降低電池組最高溫度、最大溫差、流動阻力與熱管理系統體

21、積，同時獲得系統最佳綜合性能 研究熱點 系統流道結構創新（如微通道、楔形通道、仿生結構等）冷卻策略優化 基于人工智能算法的系統參數優化 與其他系統的耦合等 3.電池熱管理研究進展關鍵問題與研究熱點 Part4 團隊熱管理成果簡介 船用280Ah磷酸鐵鋰電池 項目 參數 電芯類型 方形磷酸鐵鋰 電芯型號 LF280 標稱容量 280Ah1C 放電 標稱電壓 3.2V 交流內阻 0.25m 單體電芯重量 5.220.3kg 單體電池電壓范圍 2.5V3.65V 工作環境溫度范圍 充電：055 放電：-2055 最大持續充/放電倍率 1C/1C 循環壽命 4000 次(帶夾具循環、100%DOD、8

22、0%EOL)尺寸 205.6mm174.2mm72.2mm（max）4.團隊熱管理成果簡介 根據電池的的發熱特性，設計了沿程非線性強化換熱的微通道冷板 方形電池熱量分布圖 沿程非線性強化換熱微通道結構 4.團隊熱管理成果簡介微通道冷板 恒溫水浴 電池充放電設備 300A，20V 恒溫恒濕箱 微通道冷板安裝 電池熱管理實驗系統圖 4.團隊熱管理成果簡介電池熱管理實驗測試臺 齒輪泵 max1222TMaxTTTT45（），.，ii 1(T)SDNN模組瞬時最高溫度：25個測點的最高溫度 模組溫度均勻性：25個測點的溫度標準差 4.團隊熱管理成果簡介電池熱管理實驗測試臺 實驗變量 單位 范圍 冷卻液

23、體積流量 L/min 0.52.5 冷卻液入口溫度 C 1323 環境濕度-50-80%充放電倍率 C 0.51 直接液冷微通道冷板 4.團隊熱管理成果簡介實驗結果 小流量下，直通道冷板的電池模組Tmax 超過45C；單周期冷板效果最佳 流量越大，電池均勻性越差；雙周期冷板的均勻性最佳，SD0.7 C 4.團隊熱管理成果簡介實驗結果 環境濕度越高，電池模組Tmax 越大；降低空氣濕度可以在有效控制Tmax 單周期冷板下的SD對環境濕度不敏感；雙周期冷板性能較好，有效控制高濕度下的SD 4.團隊熱管理成果簡介實驗結果 隨著Tin的降低，電池模組Tmax均降低；直通道冷板Tin 23C時，無法滿足冷卻要求 Tin越低，電池模組的SD越高；雙周期具有較好的SD調控效果 4.團隊熱管理成果簡介實驗結果 雙周期微通道冷板直接冷卻和間接冷卻對比：在降低電池模組Tmax方面，直接液冷冷板有著強大的優勢；但是在控制電池模組SD方面，微通道間接液冷冷板表現更好。流量 進口溫度 空氣濕度 放電倍率 4.團隊熱管理成果簡介下一步 翼型擾流片微通道冷板 均勻布置 翼型擾流片微通道冷板 變密度（上下、左右）謝謝！敬請批評指正！第三十四屆國際制冷、空調、供暖、通風及食品冷凍加工展覽會 田鎮 副教授 18818213836 2023-4-7 感謝電池熱管理組成員：黃志康、曹政、徐書銘、周陽