电动汽车动力电池热管理技术-中科院理化所
动力电池热管理介绍
动力电池热管理介绍动力电池热管理是指针对动力电池在使用过程中产生的热量进行有效管理和控制的技术。
由于动力电池在充放电过程中会产生大量的热能，如果不能有效管理和控制热量，将会对电池的性能、寿命和安全性产生不利影响。
动力电池的热管理主要包括以下几个方面的内容：一、散热系统散热系统是动力电池热管理的重要组成部分，其主要功能是通过散热器、散热风扇等设备将电池组产生的热量散发到外部环境中。
散热系统的有效性直接影响着电池的热管理效果。
目前常见的散热系统有空气散热和液冷散热两种方式，根据不同的应用场景可以选择合适的散热方式。
二、温度传感与控制温度传感与控制是动力电池热管理的关键技术之一。
通过在电池组内部设置温度传感器，可以实时监测电池的温度变化，并根据实际情况进行温度控制。
当电池组温度过高时，可以通过控制散热系统的工作状态来降低电池的温度，从而保证电池的安全性和稳定性。
三、热传导与分布均衡热传导与分布均衡是动力电池热管理的关键技术之一。
电池组内部由于电池单体之间存在微小的差异，可能会导致电池单体之间的温度分布不均衡。
这种不均衡会引起电池单体的老化和损坏，进而影响整个电池组的性能和寿命。
为了解决这个问题，可以通过优化电池组的结构设计，增加热传导通道，提高热传导效率，从而实现电池单体之间的温度均衡。
四、热管理策略热管理策略是指在电池组使用过程中针对不同的工况制定相应的热管理措施。
例如，在高温环境下，可以采取降低电池充放电速率、减小电池组的负载等方式来降低电池的温度。
在低温环境下，可以采取预热电池、增加电池充放电速率等方式来提高电池的温度。
通过合理制定热管理策略，可以最大限度地提高电池的性能和寿命。
动力电池热管理的研究和应用对于推动电动汽车和储能技术的发展具有重要意义。
通过有效管理和控制电池的热量，可以提高电池的安全性、稳定性和寿命，进而提高电动汽车的续航里程和使用寿命，加速电动汽车的普及和推广。
同时，动力电池热管理技术的应用也有助于提高储能系统的效率和可靠性，促进可再生能源的利用和储存。
电池热管理技术及应用
汇报人：xxxxx 2023-11-23
目 录
• 电池热管理技术概述 • 电池热管理技术的应用场景 • 电池热管理技术的关键要素 • 电池热管理技术的解决方案 • 电池热管理技术的发展趋势与挑战 • 电池热管理技术应用案例分析
01
电池热管理技术概述
电池热管理的定义与重要性
定义
空间电源系统的优化
通过电池热管理技术，优化空间电源系统的性能和可靠性，提高空间探索的安 全性和效率。
其他领域
电子设备的温度控制
在电子设备中，电池热管理技术可以有效控制设备的温度，以提高设备的性能和 可靠性。
电动工具的温度控制
电动工具在使用过程中会产生大量热量，通过电池热管理技术可以有效控制温度 ，提高工具的安全性和使用寿命。
3. 液体冷却：散热效率高、均匀性好， 适用于高功率应用场景，但需要解决密 封、防泄漏等问题。
2. 主动散热：散热效率高，适用于高功 率应用场景，但结构复杂、成本较高。
比较
1. 被动散热：结构简单、成本低，但散 热效率相对较低，适用于小型电池和低 功率应用场景。
02
电池热管理技术的应用场景
电动汽车领域
03
电池热管理技术的关键要素
电池的热特性与建模
电池热模型的建立
利用热传导、热对流和热辐射等 基本传热方式，建立电池热模型 ，以模拟电池在不同工况下的温
度变化。
电池产热机制
了解电池在不同充放电状态下的 产热机制，包括化学反应产热、 电流产热等，为热管理系统的设
计提供依据。
电池热物性参数
掌握电池材料的热导率、比热容 等热物性参数，以便在建模过程
电池模块设计也是电池热管理技术的 一个重要方面。目前，电池模块设计 主要关注电池的能量密度和安全性， 但还需要考虑电池的热管理性能。为 了提高电池模块的热管理性能，科研 人员正在研究新的电池模块设计和技 术，如空气冷却、液体冷却等。
一文带你看懂动力电池热管理系统
一文带你看懂动力电池热管理系统如果电池的工作温度超出合理温度区间，不论是过热或过冷，都可能发生热失控，电池性能都会明显甚至急剧下降。
因此，电动汽车都会装备动力电池热管理系统，监测电池的工作温度等状况，出现异常时及时报警和处理。
动力电池热管理系统主要有冷却处理、加热升温、调整充放电策略三方面内容。
一、冷却处理高电压蓄电池的工作温度必须处于特定的范围内，才能确保容量和充电循环数等指标的理想寿命得以优化。
当电池温度较高时，利用冷却液循环、自然风吹散热、热泵空调等冷却方式，对电池进行冷却降温。
1.冷却液循环根据环境温度，可通过低温冷却器或连接在制冷剂循环回路上的热交换器，将高电压蓄电池的余热排出。
低温回路2的控制主要通过驱动高电压蓄电池冷却转换阀来完成。
高电压蓄电池冷却回路的散热器可将余热直接排放到环境中。
热交换器通过热交换器中所喷入或蒸发的制冷剂，对冷却液进行冷却。
随后，冷却后的冷却液提供给低温回路。
低温冷却回路如图所示：在通过充电装置供电插座对高电压蓄电池进行充电时，低温回路转换阀（Y73/2）在中等温度下切换到直流转换器和充电装置方向，并将电子装置的余热通过低温回路的散热器排出为此，风扇可根据冷却液温度分级开启。
当高电压蓄电池温度较低时，冷却液通过被高电压蓄电池冷却系统膨胀阀阻断的热交换器进行输送。
在这种情况下，高电压蓄电池的热容量被用于冷却直流转换器和充电装置的电子系统。
电动制冷剂压缩机将低温气态制冷剂从蒸发器中抽取，对其进行压缩，同时令其升温并输送到冷凝器中。
压缩后的高温制冷剂在冷凝器中通过流经的，或通过风扇马达所吸入的车外空气进行冷却。
当达到根据制冷剂压力所确定的露点后，制冷剂便会发生冷凝，并令其形态由气态变为液态。
随后，制冷剂流入储液罐(干燥器)。
在流过储液罐时，制冷剂吸收潮气，蒸气气泡被析出，同时机械杂质会被滤除，以保护后续部件免受侵害，清洁后的制冷剂继续流向高电压蓄电池冷却膨胀阀。
在那里，处于高压下的液态制冷剂被喷入，或蒸发至高电压蓄电池冷却系统热交换器中。
动力电池热管理技术的研究进展
动力电池热管理技术的研究进展在当今的能源转型时代，电动汽车作为可持续交通的关键组成部分，其性能和可靠性在很大程度上取决于动力电池的表现。
而动力电池的性能又受到温度的显著影响，因此，动力电池热管理技术成为了电动汽车领域的研究热点之一。
动力电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能有效地进行散热，电池温度会迅速升高，这不仅会降低电池的性能和寿命，甚至可能引发安全问题，如热失控。
相反，如果电池温度过低，也会影响其充放电效率和性能。
因此，高效的热管理系统对于确保动力电池在适宜的温度范围内工作至关重要。
目前，常见的动力电池热管理技术主要包括风冷、液冷和相变材料冷却等几种方式。
风冷技术是较为简单和成本较低的一种热管理方式。
它通过风扇将冷空气引入电池包内部，带走电池产生的热量。
然而，风冷技术的散热效率相对较低，对于高功率、高能量密度的电池系统，往往难以满足散热需求。
而且，风冷方式受环境温度和车速等因素的影响较大，在极端条件下可能无法有效地控制电池温度。
液冷技术则是目前应用较为广泛的一种热管理方法。
通过冷却液在电池包内的循环流动，将热量带走。
冷却液通常具有较高的比热容和热导率，能够实现更高效的散热。
液冷系统可以根据电池的温度分布，精确地调节冷却液的流量和温度，从而实现对电池温度的精确控制。
此外，液冷技术还具有较好的适应性，能够满足不同类型和功率的电池系统的散热需求。
但液冷系统的结构相对复杂，成本较高，且存在冷却液泄漏的风险。
相变材料冷却技术是一种较新的热管理思路。
相变材料在相变过程中能够吸收或释放大量的潜热，从而实现对电池温度的调节。
当电池温度升高时，相变材料吸收热量并从固态转变为液态；当电池温度降低时，相变材料释放热量并从液态转变回固态。
这种技术具有温度控制平稳、无需额外的动力源等优点，但相变材料的热导率相对较低，可能会限制其散热速度，而且相变材料在多次相变后性能可能会下降。
除了上述几种常见的热管理技术，近年来还出现了一些新的研究方向和技术创新。
新能源汽车动力系统热管理系统的优化与测试
新能源汽车动力系统热管理系统的优化与测试是当前汽车工程领域中备受关注的研究方向。
随着对环境保护和节能减排的重视，新能源汽车已成为未来发展的主流趋势。
然而，新能源汽车动力系统由于能量转换效率较低，工作过程中会产生大量的热量，对于热管理系统的设计和优化显得尤为重要。
一、研究背景新能源汽车动力系统通常采用电动机作为动力源，与传统内燃机车型相比，电动汽车能量转换效率较高，能够大大降低能源消耗和环境污染。
然而，电动汽车在运行过程中同样存在着热管理方面的挑战。
电动汽车动力电池、电机、逆变器等核心部件工作时会产生大量热量，如果不能有效地进行热量管理，就会影响系统的工作效率，缩短核心部件的使用寿命，甚至影响整车的安全性能。
二、优化方向为了提高新能源汽车动力系统的工作效率和稳定性，研究人员通常会从以下几个方面对热管理系统进行优化：1. 散热系统设计散热系统是新能源汽车热管理系统的核心部件之一，其设计合理与否将直接影响整个动力系统的工作效率。
优化散热系统的设计，可以通过增加散热面积、改进散热材料、优化散热结构等方式来提高热量的散发效率，从而降低系统的温度，提高工作效率。
2. 冷却液循环系统优化冷却液循环系统是新能源汽车动力系统热管理系统中的重要组成部分。
通过优化冷却液的流动路径，调整冷却液的流速和温度控制等方式，可以有效地控制电池、电机等部件的温度，保持系统的稳定性，并延长核心部件的使用寿命。
3. 温度监测与控制系统改进温度监测与控制系统是新能源汽车动力系统热管理系统的智能化部分，能够实时监测系统各部件的温度变化，并根据实际情况进行智能调节，以保证系统能够在最佳工作温度范围内运行。
通过改进温度监测与控制系统的算法和传感器性能，可以提高系统的响应速度和精度，更好地保护核心部件。
三、测试方法为了验证新能源汽车动力系统热管理系统的优化效果，研究人员通常会采用以下几种测试方法：1. 实车道路测试实车道路测试是验证研究成果的最直接和有效的方法之一。
新能源汽车锂电池热管理技术研究
1 新能源汽车锂电池的特点 锂电池在使用的过程中主要有自放电率较低、能量
密度大、可循环次数多、运转效率高等优点，新能源选 用锂电池为主要动力装置，就等于获得了良好的动力源。 所以在新能源汽车主要部件的构成中，与锂电池单体有 关的锂电池包成为其最主要的核心部件，也是提供动力 的核心部位。锂电池在工作的过程中，对周围的环境有 着一定的要求。根据实验结果，其最佳的工作温度保持 在 20℃～ 40℃。一旦电池周围的温度超过规定限度， 锂电池的使用性能将会大幅度下降，使用寿命也会大打 折扣。因为锂电池周围温度过低，最终的放电量和放电 压将偏离预设标准，出现急剧降低的情况。
锂电池包模块主要是由电池和自由组合的冷却散热 单体构成。两者之间的关系相辅相成，电池负责给新能 源汽车提供动力，冷却散热单体则可以处理电池在运转 过程中产生的热量。不同的散热方式，有着不同的散热
介质以及优缺点。 如果电池周围的温度过高，这些材料就会以导热硅
胶垫片为传输途径，顺利进入冷却管，之后再通过直接 接触或者间接接触单体电池的方法来吸收热量。此方法 最主要的优势在于其与电池单体的接触面积大，能够均 匀地吸收热量。劣势方面，液体冷却介质不属于绝缘物 体，乙二醇和矿物油还存在腐蚀性，一旦泄漏，容易侵 蚀电池，导致短路的问题出现。
翅片对流冷却就应用情况来看，其能够将电池组的 最高温度和最大温差控制在 45℃及 5℃范围以内。但电 池组周围的风速如果达到了预设的定值，翅片通过风速 降温的效果就不强，以致电池组温差变化较小。
热管冷却是最新研发出来的散热方法，目前还没有正 式投入使用中。这种方法是将工作介质装在热管内，一旦 电池的温度升高，其就可以通过管内的介质带走热量。
新能源电动汽车的动力电池热管理测
2022年第12期总第307期新能源电动汽车的动力电池热管理测试分析冯治萍兰州资源环境职业技术大学，甘肃兰州，730021摘要：储能装置动力电池是电动汽车的核心，动力电池的性能直接影响到电动汽车的性能，其原因在于电动车工作时，电池组会处于比较严酷的热环境中进行长时间充放电工作，其使用寿命和电池性能将大幅降低，最终破坏电池单体性能一致性平衡，同时电池荷电状态（SOC ）估计值的精度下降，严重影响到电动汽车的系统控制和电动汽车安全性可靠性等。
因此，对新能源电动汽车动力电池进行测试，分析动力电池热管理方案，可优化动力电池的设计研发，也可提高电动汽车的安全性和续航能力，以及动力电池循环使用寿命等，对电动汽车的发展意义重大。
关键词：动力电池；热管理；测试分析中图分类号：U469.72收稿日期：2022-10-28DOI：10.19999/ki.1004-0226.2022.12.0221电动汽车动力电池热管理的存在意义自从新能源电动汽车走入大众视野，在国家政策的支持下，电动汽车深受消费者青睐，但随着电动汽车自燃事件频频发生，热失控等安全问题让电动汽车成为大众讨论的焦点。
续航里程是电动汽车的一大痛点之一，要提高续航里程就必须要增大动力电池的能量密度，但高能量的电池对温度极其敏感，因此风险系数也随之增大，这就要求电池管理系统做到对电池温度实时监测和精准控制。
目前动力电池在电动汽车的整车制造成本所占比重最高，因此要求动力电池具有很长的使用寿命，然而极端高热和低温会促使电池内部电解质紊乱，破坏电池电化学平衡和电池物理特性。
该过程不可逆，一旦破坏，将不可恢复并造成电池报废。
因此，动力电池使用寿命和温度息息相关［1-2］。
为解决上述问题，就必须优化设计电动力电池热管理系统，要求其能对电池温度精准监测及控制调节。
2动力电池热特性电池模块的发热速率、发热源、电池热容等参数，与电池的本质有关。
电池发热量取决于电池的化学特性、机械结构、电学本质等特征，追溯到电池电化学反应的实质。
动力电池的热管理技术研究及优化策略
动力电池的热管理技术研究及优化策略动力电池是电动汽车中最重要的组成部分，其性能和寿命直接影响着电动汽车的续航里程和使用寿命。
然而，电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能有效地管理和控制电池的温度，将会导致电池性能的下降和寿命的缩短。
因此，动力电池的热管理技术研究及优化策略成为了电动汽车领域一个热门的研究方向。
一、动力电池的热管理技术研究1. 散热系统设计为了有效地冷却动力电池，需要设计一套高效的散热系统。
这个系统通常由散热风扇、散热片和散热管等组件组成。
散热风扇可用于强制空气对电池进行冷却，散热片和散热管则可以提高热量的传导效率。
在设计散热系统时，需要考虑到电池的尺寸和布局，以及散热系统的功耗和噪音等因素。
2. 相变材料的应用相变材料是一种可以在相变温度范围内吸收和释放大量热量的材料。
通过将相变材料应用到动力电池中，可以提高电池的热管理效果。
当电池内部温度升高时，相变材料会吸收热量并转化为相变状态，从而起到降温的作用；而在电池温度降低时，相变材料则会释放热量，起到保温的效果。
3. 液流冷却技术液流冷却技术是一种传统的热管理方法，通过在电池周围布置冷却液管路，将冷却液循环流动，从而实现对电池的冷却。
这种方法可以有效地降低电池的温度，提高电池的寿命和性能。
然而，液流冷却技术在实际应用中存在一定的安全隐患，并且会增加整车的重量和复杂性。
二、动力电池热管理优化策略1. 温度传感与监控系统为了实现动力电池的热管理优化，需要建立一个完善的温度传感与监控系统。
通过在电池模组或单体上安装温度传感器，可以实时监测电池的温度变化，并根据实际情况进行冷却或加热操作。
同时，监控系统还可以根据温度数据进行分析和预测，以优化热管理策略。
2. 智能控制算法采用智能控制算法可以提高动力电池的热管理效果。
通过对电池的温度、放电速率等参数进行实时监控和分析，智能控制算法可以优化冷却和加热过程，使得电池始终处于最佳工作温度范围内，从而提高电池的寿命和性能。
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Temperature T/℃
40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
a q
b
电池组无发热响应
Coolant average temperature Battery group average temperature Temperature difference
300 600 900 1200 1500 1800 Time t /s
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。
科学问题
•低品位热源的高效散热技术 •低温条件下的预热
背景—电池热管理技术现状
空
•车厢内的空气
冷
•空调制冷后的空气
•强制对流
相
变
材
液
料
冷
制 冷 剂
50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
冷却响应
Temperature T/℃
Co olant
t emp erature
50
average
45
Ba ttery
t emp erat ure
40
average
35
Temperature ference dif
1.2
Heat transfer performance per heat pipe qhp /W/℃
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0 300 600 900 1200 1500 1800 Time t /s
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
Temperature T/℃
To face
Liquid vapor separator
RV3
Return air
RV4 T P
T
TP
EXV2 m EXV3 T P P
To feet
Battery chiller T
PTC heater
T
TP
Td v Td
Coolant T m
Td
WV2 WV1 T
Pump
Fan
exchanger
-21.58 1.37
--
Super-heating temperatu.36
--
--
Condensing temperature (℃)
41.18 41.58 55.4 54.31 20.78
58
Sub-cooling temperature (℃)
0.3
0
7.36 1.98 21.62 9.45
Qp -Preheating heat by PTC
Qc -cooling heat by battery chiller
Pump
Qci –Coolant internal heat variation
Qbi Q
cb mb cm
Tba Tcta
Qg Qt Q Q
Q
ci
cc
t
p
c
t
qhp
Qt nT
35
35
45
45
-20
-20
In-car temperature (℃)
27
27
45
45
-20
20
EXV1 opening (%)
0
0
0
0
100
100
EXV2 op电enin池g (%冷) 却环路的增加，压缩机输84 入功8变4 化很6小3 ； 63
0
0
EXV3 op3en5in/g2(7%工) 况下，系统总制冷量增0加19.8440%，CO0P增加9了0 18.600%； 0
Heat Q/W
250 200 150 100
50 0
-50 0
-100
Internal heat variation of coolant Internal heat variation of battery group
300 600 900 1200 1500 1800 Time t /s
电池组综合比热容1.24 kJ/kg℃
-- 25.36
--
63.96
--
--
Battery chiller cooling capacity (kW)
--
1.09
--
2.31
--
--
Theoretical compression power (kW)
1.04 1.24 1.43 1.75 0.45
0.86
Actual input power (kW)
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
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
Cabinet refrigerant flow rate (kg/h)
135.16 134.0 192.01 180.4 43.2 47.56
Cabinet cooling/heating capacity (kW)
5.24 5.19 7.22 6.61 2.96
2.75
Battery chiller refrigerant flow rate (kg/h)
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
热管理系统
低技 碳术 环难 保题
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
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
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70-
100℃范围运行时，就会存在很大的安
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
锂电池放电发热量 （16.5 A h , 3 .2 V )
放电状态
放电电流
最大持续放电
最大瞬 间放 电
0.2C 0.4C
1C 2C 3C 4C
5C 6C
放电电流 值 (A)
3.3 6.6 16.5 33 49.5 66
10
5
0
300 600 900 1200 1500 1800
Time t/s
0
45℃/33%
Coolant average mperature te
Battery average te mperature
Temperature ence differ
300
600
900
Time t/s
1200
35℃/60%
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
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
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
热管式电池热管理技术—台架性能研究
Fan T P evaporator
m
Condenser PTC
TP TP
TP
RV1 RV2
T P EXV1
TP
Fresh air
Td
v
Td
TP TP
Compressor
Heatpipe battery heat exchanger box
To glass
Td Td
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
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。