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1 第 3 卷 第 1 期 新 能 源 进 展 Vol. 3 No 年 2 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Feb 文 章 编 号 : X(2015) * 低 温 环 境 下 电 池 热 管 理 研 究 进 展 霍 宇 涛, 饶 中 浩, 赵 佳 腾, 刘 臣 臻 ( 中 国 矿 业 大 学 电 力 工 程 学 院, 江 苏 徐 州 ) 摘 要 : 动 力 电 池 作 为 电 动 汽 车 (Electric vehicle, EV) 的 重 要 组 件, 在 低 温 环 境 下 存 在 能 量 密 度 和 功 率 密 度 下 降 等 问 题 为 提 高 低 温 条 件 下 动 力 电 池 的 性 能, 需 要 合 适 的 电 池 热 管 理 系 统 本 文 介 绍 了 动 力 电 池 在 低 温 环 境 下 的 放 电 特 性, 整 理 归 纳 了 现 有 的 各 种 电 池 加 热 方 式, 并 综 述 了 低 温 环 境 下 电 池 热 管 理 研 究 进 展, 对 电 池 低 温 下 热 管 理 的 进 一 步 研 究 具 有 指 导 意 义 关 键 词 : 低 温 ; 电 池 热 管 理 ; 加 热 中 图 分 类 号 :TK0;TM912 文 献 标 志 码 :A doi: /j.issn x Research Development of Battery Thermal Management at Low Temperature HUO Yu-tao, RAO Zhong-hao, ZHAO Jia-teng, LIU Chen-zhen (School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou China) Abstract: As the important component of electric vehicle (EV), the power battery encounters issues such as decrease of energy density and power density at low temperature. For the purpose of improving the performance of power battery at low temperature, a suitable battery thermal management (BTM) system is indispensable. In this paper, the performance of power battery at low temperature was introduced, the current heating strategies of battery were overviewed, and the research development of BTM at low temperature was summarized, which have guiding significance for the research of battery heating. Key words: low temperature; battery thermal management; heating 0 引 言 电 动 汽 车 凭 借 低 能 耗 和 零 排 放 双 重 优 势 [1,2], 正 逐 步 取 代 传 统 燃 油 汽 车 成 为 主 要 交 通 运 输 工 具 [3] [2] Andersen 等 的 研 究 表 明, 电 动 汽 车 相 对 于 燃 油 汽 [4] 车 在 温 室 气 体 排 放 上 可 以 减 少 20% Chau 等 指 出, 为 EV 提 供 电 能 所 产 生 的 排 放 物 中,CO 2 CO NO x 排 放 量 分 别 为 燃 油 汽 车 排 放 量 的 76%,2% 和 56% 电 动 汽 车 的 动 力 由 车 载 动 力 电 池 放 电 提 供, 动 力 电 池 性 能 受 到 其 工 作 温 度 制 约 电 池 在 高 温 环 境 下 工 作 会 使 电 池 温 度 过 高 而 导 致 热 失 控, 严 重 时 甚 至 会 使 电 池 发 生 爆 炸 [5] ; 在 低 温 环 境 下, 由 于 电 解 液 粘 度 增 加, 阻 碍 电 荷 载 体 的 移 动, 影 响 电 流 产 生, 极 端 情 况 下, 电 解 液 甚 至 冻 结, 造 成 电 池 无 法 放 电, 使 电 动 汽 车 无 法 启 动 因 此, 为 保 证 电 池 的 正 常 输 出 功 率 延 长 电 池 循 环 寿 命, 必 须 对 电 池 进 行 热 管 理, 维 持 电 池 的 正 常 工 作 温 度, 提 高 低 温 环 境 下 电 动 汽 车 的 整 体 性 能 [6-8] 1 低 温 环 境 下 的 电 池 放 电 特 性 动 力 电 池 放 电 过 程 的 本 质 是 电 池 内 部 的 电 化 学 反 应 过 程 [9], 以 锂 离 子 电 池 ( 正 极 材 料 为 LiCoO 2 ) 为 例, 电 池 的 电 流 由 以 下 电 化 学 反 应 产 生 [10] : 放 电 正 极 : LiC 6 C 6 Li e 充 电 负 极 : CoO 2 Li e 放 电 LiCoO 2 充 电 放 电 总 反 应 : CoO2 LiC6 LiCoO2 C6 充 电 (1) (2) (3) * 收 稿 日 期 : 修 订 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 ( ); 江 苏 省 自 然 科 学 基 金 青 年 基 金 (BK ) 通 信 作 者 : 饶 中 浩, [email protected]

2 54 新 能 源 进 展 第 3 卷 可 以 看 出, 电 池 放 电 过 程 即 为 电 解 液 电 子 和 离 子 在 正 负 极 间 的 转 移 过 程, 受 电 解 液 电 导 率 σ 的 影 响, 而 电 解 液 的 电 导 率 随 着 环 境 温 度 的 变 化 而 变 化, 如 图 1 所 示 [11] 从 图 1 可 以 看 出, 在 环 境 温 度 下 降 至 50 以 下,σ 接 近 0, 此 时 电 池 放 电 已 经 十 分 困 难, 其 相 对 容 量 仅 为 0.02 电 导 率 (ms cm 1 ) 电 解 液 电 导 率 电 池 相 对 容 量 温 度 ( o C) [11] 图 1 电 解 液 电 导 率 和 电 池 相 对 容 量 随 温 度 变 化 曲 线 Fig. 1 Relative capacity of Li-ion cell and ionic conductivity of electrolyte as a function of temperature [11] 相 对 容 量 Ji 等 建 立 了 如 图 2 所 示 的 空 气 对 流 加 热 系 统, 利 用 车 载 动 力 电 池 的 放 电 电 流 通 过 加 热 元 件 时 所 产 生 的 热 量 加 热 元 件 周 围 空 气, 热 空 气 通 过 风 扇 输 送 至 电 池 组, 对 电 池 组 进 行 加 热 和 保 温 由 于 电 池 存 在 内 阻, 在 放 电 过 程 中, 除 了 空 气 与 电 池 间 的 对 流 换 热 之 外, 电 池 自 身 的 产 热 也 会 加 快 电 池 的 温 度 上 升 速 率 Ji 等 研 究 了 在 环 境 温 度 为 20 时, 加 热 元 件 的 电 阻 对 系 统 加 热 性 能 的 影 响 研 究 表 明, 加 热 元 件 的 电 阻 越 小, 系 统 的 加 热 速 率 越 快, 效 率 越 高 在 加 热 电 阻 为 0.4 Ω 时, 电 池 从 20 被 加 热 至 20 所 需 时 间 为 54 s, 而 加 热 元 件 的 温 度 达 到 了 50 当 加 热 元 件 电 阻 分 别 为 0.6 Ω 和 0.8 Ω 时, 将 电 池 加 热 至 20 所 需 要 的 时 间 分 别 为 110 s 和 165 s 在 系 统 对 电 池 加 热 至 50 s 时, 加 热 元 件 电 阻 为 0.4 Ω 0.6 Ω 0.8 Ω 所 对 应 的 系 统 效 率 分 别 为 低 温 环 境 下 电 池 热 管 理 电 池 在 低 温 环 境 下 会 出 现 放 电 深 度 较 浅 甚 至 无 法 放 电 的 现 象, 为 保 证 电 动 汽 车 在 低 温 环 境 下 的 正 常 使 用, 必 须 对 电 池 进 行 加 热 和 保 温 根 据 加 热 方 式 的 不 同, 低 温 环 境 下 电 池 加 热 可 以 分 为 常 规 空 气 加 热 方 式 相 变 材 料 加 热 方 式 电 加 热 方 式 帕 尔 贴 效 应 加 热 方 式 和 其 它 加 热 方 式 2.1 常 规 空 气 加 热 方 式 在 电 池 间 布 置 风 道, 通 过 风 扇 输 送 的 热 空 气 在 风 道 中 与 电 池 的 对 流 换 热, 对 电 池 进 行 加 热, 称 为 常 规 空 气 加 热 方 式 热 空 气 可 以 利 用 电 机 散 发 出 来 的 热 量 以 及 车 内 功 率 较 大 的 电 子 电 器 加 热 获 取 ; 对 于 混 合 动 力 汽 车, 还 可 以 通 过 发 动 机 提 供 加 热 空 气 的 能 量 常 规 空 气 加 热 方 式 结 构 简 单, 制 造 和 运 行 成 本 低, 但 在 某 些 极 端 情 况 下 不 能 满 足 需 求 [12] Zhang 等 在 低 温 环 境 下 利 用 热 空 气 对 电 池 进 行 加 热, 加 热 空 气 来 自 车 内 空 气 调 节 系 统, 在 一 次 空 气 循 环 中, 空 气 经 由 驾 驶 室, 对 驾 驶 室 进 行 加 热, 后 输 送 至 蓄 电 池 箱, 对 箱 中 电 池 组 进 行 对 流 换 热, 保 持 电 池 正 常 工 作 温 度 但 Zhang 等 通 过 热 力 学 第 一 定 律 和 第 二 定 律 研 究 发 现, 利 用 空 气 直 接 对 电 池 箱 进 行 加 热 的 方 式 对 空 气 调 节 系 统 负 荷 较 大, 经 济 性 不 高 图 2 空 气 对 流 换 热 示 意 图 Fig. 2 Schematic of convective heating [14] 电 流 通 过 电 热 丝 时 会 产 生 大 量 热 量, 王 发 成 等 利 用 这 个 原 理 设 计 了 电 热 丝 空 气 加 热 箱, 电 热 丝 采 用 并 联 缠 绕 方 式, 利 用 高 温 电 热 丝 对 箱 内 空 气 进 行 加 热, 加 热 后 空 气 在 风 扇 驱 动 下, 流 动 至 蓄 电 池 组, 加 热 电 池 王 发 成 等 先 对 电 热 丝 空 气 加 热 箱 进 行 加 热 实 验, 实 验 采 用 40 V 直 流 电 源 提 供 电 流, 加 热 箱 进 口 空 气 温 度 为 22 研 究 表 明, 在 加 热 380 s 后, 加 热 箱 出 口 空 气 温 度 高 达 90, 红 外 热 像 仪 探 测 结 果 显 示, 在 电 热 丝 通 电 1 min 后, 其 表 面 温 度 高 达 141 将 加 热 箱 与 电 池 串 联, 利 用 加 热 箱 出 口 热 空 气 对 电 池 进 行 加 热 加 热 箱 和 电 池 在 15 的 恒 温 箱 内 静 置 24 h, 保 证 实 验 准 确 性 电 池 加 热 实 验 结 果 显 示, 加 热 箱 在 采 用 40 V 直 流 电 源 时, 能 让 电 池 的 温 度 上 升 速 率 保 持 为 每 87 s 上 升 1, 并 且 在 s 时 将 电 池 从 15 加 热 至 0

3 第 1 期 霍 宇 涛 等 : 低 温 环 境 下 电 池 热 管 理 研 究 进 展 相 变 材 料 加 热 方 式 相 变 材 料 (Phase change material, PCM) 在 从 固 态 转 变 为 液 态 的 过 程 中 会 吸 收 大 量 热 量, 可 以 对 电 池 进 行 散 热 [15-17] 而 在 低 温 环 境 下,PCM 通 过 从 液 态 转 变 为 固 态 过 程 中 释 放 存 储 的 热 量, 可 对 电 池 进 行 加 热 和 保 温, 且 在 相 变 过 程 中,PCM 温 度 维 持 在 相 变 温 度, 利 用 这 个 特 性 可 有 效 解 决 动 力 电 池 在 低 温 环 境 下 温 度 过 低 的 问 题 [18] 但 PCM 的 导 热 系 数 普 遍 较 低, 需 要 加 入 高 导 热 材 料 如 膨 胀 石 墨 碳 纳 米 管 等 增 加 其 导 热 能 力 [15], 导 致 成 本 增 加 [12] Zhang 等 设 计 了 一 种 基 于 相 变 悬 浮 液 (Phase change slurry, PCS) 的 循 环 锂 离 子 电 池 冷 却 / 加 热 系 统, 如 图 3 所 示 PCS 在 循 环 过 程 中, 先 在 驾 驶 室 内 吸 收 热 量, 悬 浮 液 中 的 PCM 发 生 相 变, 在 泵 的 输 送 下, 悬 浮 液 被 运 送 至 蓄 电 池 箱,PCM 在 温 差 作 用 下 发 生 相 变, 放 出 热 量, 加 热 电 池 系 统 所 采 用 的 PCM 为 十 五 烷 (C 15 H 31, 相 变 潜 热 为 207 kj kg 1, 相 变 温 度 为 9.9 ), 通 过 热 力 学 第 一 定 律 分 析 的 结 果 显 示, 在 热 损 耗 为 0.2 kw 时, 基 于 PCS 的 循 环 锂 离 子 电 池 加 热 系 统 的 热 负 荷 与 环 境 温 度 无 关, 而 当 热 损 耗 增 加 时, 系 统 的 热 负 荷 呈 线 性 增 加 2.3 电 加 热 方 式 电 池 内 部 电 解 液 在 低 温 下 粘 度 增 加, 阻 碍 了 电 荷 载 体 的 移 动, 导 致 电 池 内 部 电 阻 增 加, 极 端 情 况 下 电 解 液 甚 至 会 冻 结 但 是, 利 用 电 池 在 低 温 条 件 下 电 阻 增 加 的 特 性, 可 以 采 用 电 加 热 的 方 式 来 保 持 电 池 的 工 作 温 度 电 加 热 是 利 用 电 流 通 过 电 阻 值 不 为 零 的 导 体 所 产 生 的 焦 耳 热 来 加 热 电 池 的 一 种 方 [20] 式 Pesaran 等 对 电 加 热 和 空 气 加 热 进 行 比 较, 发 [21] 现 电 加 热 所 需 能 量 更 少, 经 济 性 更 高 Cosley 等 使 用 交 流 电 加 热 器 防 止 铅 酸 电 池 温 度 过 低 根 据 提 供 电 流 的 电 源 不 同, 可 以 分 为 内 部 电 源 加 热 和 外 部 电 源 加 热 ; 而 根 据 电 流 种 类, 电 加 热 可 以 分 为 直 流 电 加 热 和 交 流 电 加 热 直 流 电 加 热 方 式 在 加 热 过 程 中 所 产 生 的 大 电 流 和 低 温 环 境 下 的 巨 大 内 阻 会 使 电 解 液 过 度 气 化, 使 电 池 内 部 压 力 过 大, 严 重 时 可 能 发 生 爆 炸 相 比 于 直 流 电 加 热 方 式, 交 流 电 加 热 方 式 由 于 其 交 流 电 特 性, 可 以 有 效 防 止 气 体 的 产 生 电 加 热 方 式 对 设 备 要 求 低 加 热 速 率 快 适 用 性 好, 是 主 要 的 低 温 环 境 电 池 热 管 理 研 究 方 向 Ji 等 建 立 了 如 图 4 所 示 的 电 池 自 加 热 和 相 互 脉 冲 加 热 两 种 加 热 系 统, 与 图 2 中 所 示 的 空 气 对 流 加 热 系 统 进 行 比 较 在 相 互 脉 冲 加 热 系 统 中, 电 池 组 分 为 m 和 n 两 组, 某 一 时 刻 m 为 放 电 组, 对 充 电 组 n 进 行 放 电, 在 下 一 时 刻,m 为 充 电 组, 接 收 n 放 出 的 能 量 进 行 充 电, 如 此 反 复, 其 中 DC-DC 变 换 器 的 作 用 是 把 放 电 组 的 输 出 电 压 提 升 至 适 合 充 电 组 的 充 电 电 压 结 果 显 示, 电 池 自 加 热 和 相 互 脉 冲 加 热 方 式 加 热 速 率 和 效 率 随 着 放 电 电 压 的 减 小 而 增 加, 其 中, 相 互 脉 冲 加 热 方 式 的 效 率 最 高, 在 初 始 温 度 为 20 时, 把 电 池 加 热 至 20 仅 消 耗 电 池 容 量 的 5% [12] 图 3 基 于 PCS 循 环 锂 离 子 电 池 冷 却 / 加 热 系 统 示 意 图 Fig. 3 Li-ion battery cooling/heating system based on PCS cycle [12] [19] Rao 等 建 立 了 低 温 环 境 下 基 于 PCM( 熔 点 为 45 ) 的 三 维 传 热 模 型, 并 利 用 FLUENT 软 件 对 其 进 行 模 拟 模 拟 结 果 表 明, 常 规 空 气 加 热 所 需 的 冷 启 动 ( 30 ~ 10 ) 时 间 是 PCM 加 热 的 4.2 倍 在 不 同 PCM 导 热 系 数 的 模 拟 中,PCM 的 导 热 系 数 增 加 至 5 倍 时,PCM 的 温 差 从 9.9 下 降 至 4.6 图 4 (a) 电 池 自 加 热 ;(b) 相 互 脉 冲 加 热 示 意 图 Fig. 4 Schematics of self-internal heating(a) and mutual pulse heating (b) [22-25] Hande 等 对 日 本 松 下 NiMH 电 池 组 ( 单 体 电 池 额 定 功 率 为 6.5 A h) 进 行 交 流 电 加 热 试 验, 交

4 56 新 能 源 进 展 第 3 卷 流 电 频 率 为 (10 ~ 20)kHz 实 验 前, 电 池 组 在 测 试 温 度 下 静 置 5 h 以 上 交 流 电 大 小 是 影 响 加 热 速 率 的 关 键 因 素, 在 环 境 温 度 为 20, 采 用 对 流 装 置 前 电 池 的 电 阻 为 1 Ω, 取 电 池 组 SOC = 55%, 不 同 交 流 电 大 小 条 件 下 电 池 的 温 度 变 化 曲 线 如 图 5 所 示 当 交 流 电 为 60 A rms 时, 加 热 5 min 后 电 池 组 的 温 度 上 升 至 10, 此 时 电 阻 降 低 为 0.33 Ω 随 着 电 流 大 小 增 加, 加 热 的 速 率 加 快, 交 流 电 为 70 A rms 时, 加 热 至 10 需 要 3.5 min, 而 交 流 电 为 80 A rms 时, 仅 需 2 min 就 可 以 将 电 池 从 20 加 热 至 10 Hande 等 的 研 究 结 果 还 表 明, 随 着 电 池 SOC 增 加, 系 统 的 加 热 速 率 增 加, 在 电 池 SOC 为 25% 55% 和 75% 时,6 min 后 分 别 将 电 池 从 30 加 热 至 基 于 电 池 内 阻 和 温 度 的 关 系,Hande 还 提 出 通 过 测 量 电 阻 获 得 电 池 内 部 温 度 的 方 法 [24] 温 度 ( o C) A rms 70 A rms 60 A rms 2.4 帕 尔 贴 效 应 加 热 方 式 取 两 种 不 同 的 导 体 组 成 回 路, 通 以 直 流 电, 在 两 种 导 体 的 连 接 处 会 产 生 吸 热 或 者 放 热 现 象, 形 成 高 温 区 和 低 温 区, 这 就 是 帕 尔 贴 效 应, 也 称 为 热 电 第 二 效 应 帕 尔 贴 效 应 可 以 看 作 是 塞 贝 克 效 应 ( 热 电 第 一 效 应 ) 的 反 效 应, 形 成 电 流 的 自 由 电 子 ( 电 荷 载 体 ) 在 不 同 导 体 材 料 中 所 处 能 级 不 同, 当 其 从 高 能 级 向 低 能 级 运 动 时 向 外 界 释 放 能 量 ; 反 之 则 需 要 吸 收 能 量, 即 改 变 电 流 方 向 可 以 改 变 热 量 的 传 递 方 向 [28] 利 用 帕 尔 贴 效 应 制 成 帕 尔 贴 元 件 (Peltier element, PE), 可 以 将 热 量 从 低 温 处 转 移 至 高 温 处, 达 到 加 热 和 冷 却 的 效 果 [29] 帕 尔 帖 加 热 方 式 能 将 电 池 从 较 低 温 度 加 热 至 正 常 工 作 温 度, 在 极 端 低 温 条 件 下 具 有 良 好 的 发 展 前 景 [30] Troxler 等 利 用 PE 通 电 后 传 递 热 量 的 特 性, 控 制 锂 离 子 电 池 的 温 度 分 布 图 6 为 帕 尔 贴 元 件 示 意 图, 帕 尔 贴 元 件 所 产 生 的 热 量 由 热 沉 散 热 器 带 出, 热 沉 散 热 器 所 使 用 的 冷 却 剂 为 水 在 研 究 电 池 温 差 对 电 池 电 阻 的 影 响 时,Troxler 等 利 用 PE 一 端 吸 热 另 一 端 放 热 的 特 性, 对 电 池 的 两 端 分 别 进 行 加 热 和 冷 却, 使 电 池 的 一 端 温 度 较 高, 另 一 端 温 度 较 低 实 验 表 明, 运 用 PE 能 让 电 池 的 最 大 温 差 达 到 时 间 (min) [22-25] 图 5 不 同 交 流 电 大 小 下 电 池 温 度 变 化 Fig. 5 Evolutions of temperature of the battery with different AC [22-25] [26] 张 承 宁 等 利 用 宽 线 金 属 膜 对 电 池 进 行 电 加 热, 宽 线 金 属 膜 由 FR-4 板 材 镀 上 铜 膜 和 绝 缘 耐 磨 层 制 作 而 成, 通 过 铜 线 电 阻 发 热 对 电 池 进 行 加 热 仿 真 结 果 和 实 验 结 果 表 明, 利 用 宽 线 金 属 膜 可 在 1 h 内 将 电 池 从 40 加 热 至 0 Ludovic [27] 利 用 1 kw 的 正 温 度 系 数 加 热 装 置 与 电 池 直 接 接 触, 加 热 混 合 动 力 汽 车 车 载 动 力 电 池, 并 分 别 研 究 了 在 两 种 工 况 下 是 否 设 置 正 温 度 系 数 加 热 装 置 对 电 池 温 度 的 影 响 在 混 合 动 力 模 式 环 境 温 度 为 20 时, 采 用 加 热 装 置 后, 在 500 s 左 右 电 池 温 度 升 至 10, 不 采 用 加 热 装 置 的 电 池 温 度 为 16 ; 在 纯 电 力 驱 动 模 式 且 环 境 温 度 为 5 时, 经 过 200 s 后, 加 热 装 置 能 将 电 池 加 热 至 10, 而 不 采 用 加 热 装 置 的 电 池 温 度 仅 为 1 [30] 图 6 帕 尔 贴 元 件 示 意 图 Fig. 6 Schematic of PE [30] [31,32] Alaoui 等 设 计 了 基 于 帕 尔 贴 效 应 的 电 池 加 热 系 统, 分 别 对 车 载 电 池 ( 车 前 和 车 后 ) 和 驾 驶 室 进 行 加 热 由 帕 尔 贴 元 件 所 产 生 的 热 量 传 递 给 热 沉 散 热 器, 然 后 通 过 空 气 分 别 输 送 至 驾 驶 室, 对 车 前 和 车 后 电 池 进 行 加 热 实 验 结 果 表 明, 随 着 经 过 帕

5 第 1 期 霍 宇 涛 等 : 低 温 环 境 下 电 池 热 管 理 研 究 进 展 57 尔 贴 加 热 装 置 的 电 流 增 加, 系 统 的 加 热 效 率 增 加, COP 减 小 在 环 境 温 度 为 17 电 流 为 4 A 时, 加 热 20 min 后, 车 后 电 池 ( 远 离 帕 尔 贴 加 热 装 置 ) 的 温 度 上 升 至 29, 而 车 前 电 池 ( 靠 近 帕 尔 贴 加 热 装 置 ) 的 温 度 上 升 至 37, 所 消 耗 的 电 池 容 量 为 1.5 A h ( 电 池 总 容 量 为 38 A h), 加 热 系 统 的 COP 值 达 到 1.036; 而 当 电 流 增 加 至 7 A, 相 同 条 件 下 车 前 电 池 的 最 高 温 度 上 升 至 44, 此 时 加 热 系 统 的 COP 值 下 降 为 其 他 加 热 方 式 [33] Lee 等 在 电 动 公 交 车 上 采 用 热 泵 来 加 热 车 载 装 置, 热 泵 的 热 源 为 公 交 车 所 产 生 的 余 热, 利 用 这 种 加 热 方 式 可 以 保 证 电 池 的 正 常 工 作 温 度 袁 昊 [34] 等 设 计 了 基 于 U 型 管 液 体 冷 却 / 加 热 板 电 池 热 管 理 系 统, 在 电 池 冷 却 研 究 中, 选 取 出 最 优 设 计, 管 径 为 4 mm, 管 间 间 距 为 20 mm, 并 对 最 优 设 计 进 行 电 池 加 热 实 验 和 模 拟 研 究 电 池 的 初 始 温 度 为 40, 进 口 液 体 的 温 度 为 93, 在 起 始 阶 段, 实 验 结 果 和 模 拟 结 果 中 的 温 度 上 升 速 率 差 别 较 大, 但 在 140 s 左 右, 模 拟 和 实 验 中 电 池 温 度 均 达 到 了 80 3 结 论 电 池 在 低 温 环 境 下 工 作 时, 电 解 液 电 导 率 降 低, 放 电 困 难, 影 响 电 动 汽 车 的 正 常 工 作 低 温 电 池 热 管 理 可 以 提 高 电 池 的 工 作 温 度 改 善 电 池 工 作 环 境, 对 提 高 电 动 汽 车 在 低 温 环 境 下 的 性 能 有 重 要 意 义 在 所 有 的 低 温 电 池 热 管 理 方 式 中, 常 规 空 气 加 热 方 式 结 构 简 单 制 作 成 本 低, 但 是 加 热 效 率 不 高, 极 端 情 况 下 不 能 满 足 需 求 ; 相 变 材 料 加 热 方 式 的 加 热 效 率 受 相 变 材 料 性 质 影 响, 为 了 提 高 加 热 效 率, 需 要 提 高 相 变 材 料 的 导 热 系 数, 导 致 成 本 增 加 ; 电 加 热 方 式 对 设 备 要 求 低 加 热 速 率 快 效 率 高, 是 主 要 的 研 究 方 向 ; 帕 尔 帖 效 应 加 热 方 式 能 将 电 池 从 较 低 的 温 度 加 热 至 正 常 工 作 温 度, 其 适 用 性 好, 具 有 良 好 的 发 展 前 景 参 考 文 献 : [1] Wada M. Research and development of electric vehicles for clean transportation[j]. Journal of Environmental Sciences, 2009, 21(6): [2] Andersen P H, Mathews J A, Rask M. Integrating private transport into renewable energy policy: The strategy of creating intelligent recharging grids for electric vehicles[j]. Energy Policy, 2009, 37(7): [3] Eaves S, Eaves J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles[j]. Journal of Power Sources, 2004, 130(1): [4] Chau K T, Wong Y S, Chan C C. An overview of energy sources for electric vehicles[j]. Energy Conversion and Management, 1999, 40(10): [5] Wang Q, Ping P, Zhao X, et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery[j]. Journal of Power Sources, 2012, 208: [6] Pesaran A A. Battery Thermal management in EVs and HEVs: Issues and Solutions[C]//Advanced Automotive Battery Conference, Nevada, [7] Pesaran A, Vlahinos A, Stuart T. Cooling and Preheating of Batteries in Hybrid Electric Vehicles[C]//The 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Hawaii, [8] 霍 宇 涛, 饶 中 浩, 刘 新 健, 等. 基 于 液 体 介 质 的 电 动 汽 车 动 力 电 池 热 管 理 研 究 进 展 [J]. 新 能 源 进 展, 2014, 2(2): [9] 张 国 庆, 马 莉, 张 海 燕. HEV 电 池 的 产 热 行 为 及 电 池 热 管 理 技 术 [J]. 广 东 工 业 大 学 学 报, 2008, 25(1): 1-4. [10] Xun J, Liu R, Jiao K. Numerical and analytical modeling of lithium ion battery thermal behaviors with different cooling designs[j]. Journal of Power Sources, 2013, 233: [11] Zhang S S, Xu K, Jow T R. The low temperature performance of Li-ion batteries[j]. Journal of Power Sources, 2003, 115(1): [12] Zhang X, Kong X, Li G, et al. Thermodynamic assessment of active cooling/heating methods for lithium-ion batteries of electric vehicles in extreme conditions[j]. Energy, 2014, 64: Ji Y, Wang C Y. Heating strategies for Li-ion batteries operated from subzero temperatures[j]. Electrochimica Acta, 2013, 107: [14] 王 发 成, 张 俊 智, 王 丽 芳. 车 载 动 力 电 池 组 用 空 气 电 加 热 装 置 设 计 [J]. 电 源 技 术, 2013, (07): [15] Rao Z, Wang S, Zhang G. Simulation and experiment of thermal energy management with phase change material for ageing LiFePO 4 power battery[j]. Energy Conversion and Management, 2011, 52(12): [16] Rao Z, Wang S. A review of power battery thermal energy management[j]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(9): [17] 饶 中 浩. 基 于 固 液 相 变 传 热 介 质 的 动 力 电 池 热 管 理 研 究 [D]. 广 州 : 华 南 理 工 大 学, [18] Duan X, Naterer G F. Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules[j]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(23-24): [19] Rao Z, Wang S, Zhang Y. Thermal Management with Phase Change Material for a Power Battery under Cold Temperatures[J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2014, 36(20): [20] Pesaran A, Vlahinos A, Stuart T. Cooling and Preheating of Batteries in Hybrid Electric Vehicles[C]//Proceedings of the The 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, 2003: 1-7. [21] Cosley M R, Garcia M P. Battery thermal management system[c]//proceedings of the Telecommunications Energy Conference, 2004 INTELEC th Annual International, 2004:

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