相变材料在动力及储能电池系统中的热管理应用-演讲课件

电池热管理技术市场规模一二三四相变材料热管理技术一体化热管理系统设计长理储能专业介绍目录一、背景介绍国内月度新能源汽车销量（万辆）近几年我国新能源汽车产销量趋势截20止212年02中2年国我新国能燃源油汽汽车车产保量有为量35为4.53万.12辆亿，辆根。据在有2关02机2年构纯预电测动20汽22车年保中有国量新为能8源10.4万汽车辆的，产占销比量2.6将%超。过700万辆。新能源纯电动汽车一、背景介绍电化学储能截至2021年我国电化学储能投运规模达到1.87GW，累计装机规模达到5.51GW，同比增长68.5%。预测2021年至2025年，电化学储能复合增长率将达到57.4%，我国的电化学储能市场正式跨入规模化发展阶段。2014年-2021年我国电化学储能累计装机规模锂离子电池产热不可控时，会导致内部热量急剧增加，首先会使得隔膜融解从而引发严重的内短路，以此往复恶性循环，最终出现爆燃等现象。一、背景介绍热失控逃逸一、背景介绍低温下性能衰退在温度下降至-20

℃时，其充电和放电容量分别为2.2

Ah和1.85

Ah，库伦效率为83.9%，容量下降幅度超过45%以上。0 1000

2000

3000

4000

5000

6000-100102030ACresistance

(m)Temperature

(C)Time

(s)(a)-20

78910battery

temperatureAC

resistance温度与内阻关系其内阻从7.37

mΩ快速上升至9.36

mΩ，增幅27%。50-5 -10

-15-2001234ChargeDischargeDischarge/ChargeCapacity

(Ah)Temperature

(C)0.50.60.70.80.91.0温度与容量关系开发高效热管理技术的必要性过热影响过冷影响温度场不一致加速性能衰退诱发热失控蔓延起火燃烧、爆燃续航里程缩水电化学性能下降可充放电性难不可逆损伤加剧热管理技术一、背景介绍一、背景介绍事故时间品牌电池类型地点原因分析2022.7特斯拉三元锂电池台湾桃园碰撞后车身起火2022.7威马三元锂电池广东东莞充电过程2022.7众泰三元锂电池山东济宁启动过程中2022.7小鹏三元锂电池上海碰撞后车身起火2022.7荣威三元锂电池上海行驶中2022.6比亚迪磷酸铁锂电池深圳静置停放2022.6岚图三元锂电池湖北襄阳静置停放2022.6比亚迪磷酸铁锂电池上海静置停放（车主改装）2022.6塞力斯磷酸铁锂电池内蒙古鄂尔多斯静置停放2022.6比亚迪磷酸铁锂电池广东珠海静置停放2022.6比亚迪磷酸铁锂电池广西贵港行驶中2022.6比亚迪磷酸铁锂电池广东佛山行驶中2022.5广汽埃安三元锂电池广东广州充电中2022.5理想三元锂电池--行驶中2022.5北汽三元锂电池广东深圳充电中2022.5长城三元锂电池广西南宁充电后静置一、背景介绍事故时间地点原因分析2020.12美国内部搭载的电芯存在发热起火风险2021.7澳大利亚（1）冷却液泄漏，致使模组的高压功率器件发生电弧，进而造成电芯热失控，从而引发MP-1的热失控蔓延；（2）借助于风速，MP-1的火势蔓延到MP-2，通过顶棚结构进入到MP-2内部，进而引发MP-2的热失控及热失控蔓延。2021.9美国电池的水系统降温系统启动导致该项目约7%的电池模组和其他系统设备造成损失2021.7澳大利亚特斯拉Megapack储能电站由于冷却系统泄露导致电气元件短路引发火灾，2022.1美国加州2022.4美国加州电气故障导致产生了一些烟雾，触发了保护系统2022.4美国亚利桑那—2022.6法国—2022.8美国铅酸电池由于连续无规律充电，电解液中的水分解成氢气和氧气并蒸发，再加上缺乏维护，造成电池极板过热和内部损坏。电池舱内没有通风系统，积聚了易燃的氢气，最后未知来源的火花点燃积聚的氢气，导致爆炸。2020.8加拿大同上2022.3美国故障锂电池2022.3德国德国电池储能系统供应商SENEC承认涉事产品源自该企业，并就此次爆炸事件做了回应。2022.2尼日利亚逆变器电池上的火花引起的2022.5德国光伏系统供电的储能系统由于技术原因冒出大量烟雾一、背景介绍GB/T

38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号，为乘员预留安全逃生时间。国家发改委、国家能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》提出了突破全过程安全技术。突破电池本质安全控制、电化学储能系统安全预警、系统多级防护结构及关键材料、高效灭火及防复燃、储能电站整体安全性设计等关键技术，支撑大规模储能电站安全运行。一、背景介绍2018年-2025年电池热管系统市场规模根据观研天下整理的报告，预测2025年，新能源汽车热管理系统市场将超过400亿的规模，其中电池热管理市场空间有望达200亿。二、相变材料热管理技术风冷技术（自然风冷、强制风冷）液冷散热技术热管散热技术相变材料散热技术相变吸热对流换热风冷散热功率低，成本低液冷散热功率高、结构紧凑、组件复杂散热功率高、结构紧凑、响应迅速、受重力影响潜热大、均温性能强、结构紧凑、无功耗、体积大二、相变材料热管理技术直接加热低温加热技术内置金属箔加热 AC交流阻抗加热制造成本高、系统集成复杂；加热效率高、响应快间接加热外置PTC加热片

外部对流加热

电阻丝加热便于工程化；整体效率不高、响应较慢二、相变材料热管理技术显热潜热显热温度T时间t具有相变功能不具有相变功能吸热放热外层壳基体相变前相变后特点：吸收热量，保持温度一致性；缩短处于高温时间，防止热失控；二次散热释放热量。优势：结构紧凑，温度一致性高、维护成本低相变材料工作原理二、相变材料热管理技术相变材料的筛选标准熔化潜热高、储热密度大相变可逆性好、膨胀性低、过冷度小相变温度合适、导热系数高成本低、无毒无害、来源广泛、阻燃根据碳链长度，多种组合配比调制掺杂高导热填料、高导热三维骨架骨架、定形包裹阻燃剂二、相变材料热管理技术标准样品100105mm，其弯曲强度、冲击强度和硬度分别是传统PCM的15.4,1.1和3.4倍万能试验机力学性能测试对比PCM功能界面材料研制-机械强度二、相变材料热管理技术PCM功能界面材料研制-控温测试PCM热管理无PCM热管理三、一体化热管理系统设计0 1000

2000

3000

4000

50006000-20-1001020CPCM@heaterCPCMBlankTemperature

(C)Time

(s)低温保温测试在严寒的-20℃时，LFP，LFP+CPCM和LFP+CPCM+HFP三种方式处理的电池，从25℃温度下降至-15

℃时，分别需要760s、1196s和3611s。由此可见，仅有CPCM也无法有效延缓电池的温度下降趋势。三、一体化热管理系统设计整车电池包单体电池液冷冷板冷媒管道电动风扇电池包内部冷却器件结构系统热管理系统热惯性较大，温度瞬态响应慢电池模组冷风流入热风回流冷凝器现有热管理技术三、一体化热管理系统设计CPCM

blockBatteryPHFCopper

plateT1T3

T4T2(a)(b)T-type

thermocouplePower

lines圆柱形动力电池一体化热管理系统设计圆柱形电池模组PCM：潜热:117.5

J/g相变温度:49.5℃导热系数:1.19W/mK加热片(HFP)：功率:6/12W导热系数:0.75W/mK厚度:0.5mm电池模组：额定容量：12.8V/16.5Ah三、一体化热管理系统设计方形形电池模组PCM：潜热:108.5

J/g，相变温度:44℃，厚度:6mm,动力电池：40Ah，三元正极材料加热片：24

V,50

W

（功率可调）,

95

×135

mm电池模组：3.7V/80Ah三、一体化热管理系统设计-10010

20

3040051015Chargeprocessat0.5CDischargeprocessat

1.0CTemperaturerise

(C)Ambienttemperature

(C)(a)-10010

20

304012131415161718Capacity

(Ah)Capacity

(Ah)Ambienttemperature

(C)(b)不同温度下的充放电温升 不同温度下的充容量变化电池低温性能研究针对5℃和10℃的加热目标温度，设计了循环35次容量保持率实验测试，结果表明，电池在10

℃下容量衰减速率明显要弱于5℃。三、一体化热管理系统设计仅仅加热至10℃温度云图加热至10℃持续脉冲及充电温度云图-8-6-4-2 02468-8-404812Temperature

(C)Position

(cm)Pulseheatpreservation

35minPulseheatpreservationaftercharge

35minPulseheatpreservationwithcharge

35min-8-6-4468-8-4048Temperature

(C)-2 0 2Position

(cm)Heatingto10

oC

Rest35min

afterChargewith0.5C

35min仅加热至10℃加热后充电加热后静置持续脉冲及充电脉冲保温35min脉冲35min后充电电池低温加热仿真模拟三、一体化热管理系统设计MB∙Cp∙Tγ=Pτ5𝑡10β=

900不同低温加热策略综合性能评价模型低温加热的约束条件：1、目标温度为10℃；2、系统温度差<5℃；3、加热时间<15min加热效率因子γ：温差偏离度因子δ

：δ=

∆T加热时效性因子β

：温度一致性用户体验感δ βeδ eβ0≤η<1综合评价函数：η=3γ∙η ∙η =3γ∙1∙

11eηδ= δ

∙Yif0<∆T≤5,

Y=1ቊ

if∆T>5，

Y=0βif0<T10≤900,

Y=11η = ∙Y

ቊeβ ifT10>900,

T=0[0，1)[0，1)0.30.40.50.60.7Qualifiedheating

strategiesFAC-O-120W-1FFAC-O-120W-2FFAC-O-180W-1FFAC-O-180W-2FFAC-O-220W-1FFAC-O-220W-2FFAC-C-120W-1FFAC-C-120W-2FFAC-C-120W-3FFAC-C-180W-1FFAC-C-180W-2FFAC-C-180W-3FFAC-C-220W-1FFAC-C-220W-2FFAC-C-220W-3FSP-32WSP-72WSP-90WPHF-144W0000000000不同低温加热策略综合评价值CPCM外置加热件CPCM内置加热件能耗三、一体化热管理系统设计加热片对高温散热性能影响40455055

TmaxTminTemperaturedifference

(C)Temperature

(C)2C-1C(a)02468T40455055TmaxTminTemperaturedifference

(C)Temperature

(C)08000160002400032000400000800016000240003200040000Time

(s)Time

(s