CN100372169C - 锂离子动力电池组热平衡处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了锂离子动力电池组热平衡处理方法及装置，该方法是当冷却锂离子动力电池组时，热平衡处理液在液压泵作用下流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体，温度升高，经散热器冷却后，再流入导热体，循环使用；当加热锂离子动力电池组时，关闭散热器，开启加热装置，加热后的热平衡处理液在液压泵作用下，流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体，加热锂电池组后流回处理液箱，加热后再流入导热体，循环使用。该装置包括电池箱、液压泵、导热体、热平衡处理液箱、散热器和加热装置。使用该装置锂电池组在其要求的正常温度范围内工作，不因温度的剧烈变化而影响使用或损坏，提高电池组的应用效率、安全性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池热平衡处理领域，具体是锂离子动力电池组热平衡处理方法及装置。
现有技术
近年来世界石油供应频频告急，发展电动车成为解决这一问题的手段之一。目前，在电动车的研究进程中，动力电池组的研发成为关键。在现有的多种动力电池中，锂离子动力电池因具有比能量高、使用寿命长、基本无污染等优点而成为动力电池发展的重要方向。当前，锂离子动力电池组已初步应用在电动自行车、电动摩托车、电动汽车等车辆上，但普遍存在锂离子动力电池组热平衡处理问题。锂离子动力电池在充放电时会产生大量的热。锂离子动力电池组对热平衡有较高的要求，如不采取有效的热平衡处理技术，锂离子动力电池组则无法达到理想的使用效果。实验表明：电池组的存储温度为：-40℃～60℃；使用环境温度为：-25℃～50℃；当电池的温度在-25℃～-10℃时，电池充电非常困难，放电亦只能用0.5℃的速率放出50％的容量；当电池温度在-10℃～0℃时，电池充电能力下降；当电池温度在0℃～50℃时，电池处于较正常的工作状态；当电池温度在50℃～60℃时，电池放电能力下降；当电池温度在60℃以上使用时，电池可能发生不可逆转的损坏；当电池温度在120℃以上，电池安全阀启动，电解质喷出，电池报废。
现有技术对锂离子动力电池组热平衡处理一般是采用通风机对电池组表面进行强制风冷，这种方法虽然能在一定程度上降低电池的温度，但不能很好地解决电池箱内部的散热问题，也无法对电池组进行加热。同时该方法还存在耗能高、噪声大、易损坏等缺点，致使锂离子动力电池组的应用效率低、安全性低和使用寿命短。如何有效解决锂电池组内部的散热及加热，使之在适宜的温度范围工作，目前尚未发现有这方面的技术公开。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种锂离子动力电池组热平衡处理的方法及装置，以提高锂离子动力电池组的效率、安全性和使用寿命。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种锂离子动力电池组热平衡处理方法：
热平衡处理液在位于电池箱内部并与锂电池外表面配合的导热体以及位于电池箱外部的液压泵、热平衡处理液箱、散热器和加热装置组成的循环系统中流动；当冷却锂离子动力电池组时，加热装置关闭，散热器启动，热平衡处理液在液压泵作用下流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体，处理液温度升高，经散热器冷却后，温度降低并继续流入导热体通孔，循环使用；当加热锂离子动力电池组时，加热装置开启，散热器关闭，通过加热装置加热后的热平衡处理液在液压泵作用下，流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体，处理液温度降低，回流经加热器加热后再进入导热体通孔，循环使用。所述导热体为带有通孔的腔体。所述热平衡处理液为无水冷却液或者水与乙二醇的混合液。无水冷却液为汽车冷却通用的无水冷却液，优选采用美国杜邦公司生产的爱温无水冷却液(NPG+)。
锂离子动力电池组热平衡处理装置：
该装置包括电池箱、液压泵、导热体、热平衡处理液箱、散热器和加热装置；所述导热体位于电池箱内部及锂电池的表面或上下两层锂电池之间，所述液压泵、热平衡处理液箱、散热器和加热装置位于电池箱外部，所述位于电池箱内部与锂电池组外表面配合的导热体通过导管与液压泵、热平衡处理液箱、散热器和加热装置连接构成热平衡处理液的循环流动回路。
为更好实现本发明的目的，锂离子动力电池组热平衡处理装置的液压泵一端经导管和与锂电池组外表面配合的导热体的通孔入口端连接，另一端与散热器连接，散热器与热平衡处理液箱出口端连接，热平衡处理液箱入口端与通孔出口端连接；所述热平衡处理液加热装置位于热平衡处理液箱内。所述与锂电池组外表面配合的导热体位于锂电池的外表面或上下两层锂电池之间。所述导热体由良性导热材料制作，良性导热材料优选铝合金。所述导热体外表面涂布的导热涂料优选导热橡胶或有机硅导热涂料。所述加热装置优选电热棒。所述导热体优选形状中空的腔体或管状的良性导热材料。所述散热器优选风冷式散热器。所述美国杜邦公司生产的爱温无水冷却液(NPG+)凝点为-40℃，沸点为189℃，市面可购买。所述水与乙二醇的混合液优选乙二醇含量在50～70％，凝点为-37℃，沸点为129℃的水与乙二醇的混合液。
工作原理：
锂离子动力电池组在不同温度下工作，热平衡处理液需提供的热量可通过如下公式计算：
Qd＝K·Qg
Qd：冷却液带走或提供的热量
Qg：电池放出或吸收的热量
K：效率系数，一般K＝2～3
例：经试验，锂电池的使用环境温度为-25℃～50℃。对于80Ah锂离子动力电池，发热速率为60J/℃·min，在使用中引起电池发热，破坏热平衡。根据锂离子动力电池的这一特性，要使其达到最佳的使用效果，可以通过热平衡处理液流动的循环回路系统经过锂离子动力电池外表面，当电池组放电时，循环回路系统中的热平衡处理液带走电池表面的部分热量；当环境温度在0℃以下而充电时，利用加热装置对热平衡处理液加热，使电池温度升高到理想值，从而使电池组能够与外界进行热量交换，达到热平衡，保证电池组在一定的温度范围内正常工作。
本发明的优点：
(1)可提高锂离子动力电池组的应用效率、安全性和使用寿命；
(2)确保锂电池组不因温度剧烈变化而影响使用或损坏；
(3)结构简单实用，容易加工；
(4)所用材料为铝合金，成本低，环保和使用寿命长。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图2是图1沿A-A面的水平剖视图。
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图4是图3沿B-B面的剖视图。
图5是本发明实施例3的结构示意图
图6是图5沿C-C面的剖视图。
图中示出：电池箱-1；导热体通孔入口端-2；导热体通孔出口端-3；导管-4；液压泵-5；散热器-6；处理液箱-7；加热装置-8；导热体-9；动力电池-10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不限于实施例表示的范围。
本发明用于需要提供单体电池容量大于30Ah，电池组功率大于1kw的动力配置场合，如电动汽车、电动飞机、电动潜水艇、电动机器人和大功率电动工具等。
实施例1
用于欧洲SAM电动汽车。锂离子动力电池组：额定容量为7.8kWh，额定电压为97.2V。电池箱的外壳采用铝合金材料，内置额定容量为80Ah锂离子动力电池27块，电池管理系统一套，250A直流断路器一组，热平衡处理装置一套。导热体通孔内处理液储存容量为3L。电池组箱体采用全封闭设计，以防潮、防湿、防尘，在电池正负极连接电缆与电池箱之间留有出气孔，以防热胀冷缩对电池的影响。电池箱内置250A直流断路器，外接电缆与直流断路器连接，连接电缆应能承受300A以上电流。电池管理系统(BMS)通过前端插口与外部系统连接。直流断路器一端与电池连接，另一端与汽车上的电气系统连接；热平衡处理装置与汽车上的控制系统连接，电源采用车载电源或外部电源，如电池组放电时，冷却装置与液压泵采用车载电源供电；电池组0℃以下充电时，加热装置与液压泵采用外部的电源供电。
电池组箱外壳与车体接地连接，以消除静电。电池箱可从车后推入车梁上，在前端连接正负极电缆和BMS连线，车梁腔体放置电池箱的下面应有滑动或滚动装置，前端应有定位装置，后端应有锁紧装置，电池箱与车梁之间应考虑防震。单体电池置于电池箱中一个唯一的位置，并有定位装置，BMS也一样，系统连接后盖上盖板封闭，故更换电池或BMS时，只须将电池箱从车梁中抽出，打开盖板即可。
如图1、2所示，锂电池组分三层放置，箱体外壳1的前端开设有导热体通孔入口端2和导热体通孔出口端3，导热体9为带有通孔的腔体。锂离子动力电池组热平衡处理装置包括导管4、液压泵5、散热器6、热平衡处理液箱7以及加热装置8、与锂电池组外表面配合的导热体9；液压泵5一端经导管4和与锂电池组外表面配合的导热体9的通孔入口端2连接，另一端与散热器6连接，散热器6与热平衡处理液箱7连接，热平衡处理液箱7与导热体通孔出口端3连接，所述热平衡处理液加热装置8位于热平衡处理液箱7内。导热体9分为上下两个部分，上部分导热体位于顶部电池组与中间电池组之间，下部导热体位于中间电池组与底部电池组之间，上部导热体内通孔与下部导热体内通孔连通，上下导热体都与锂电池组底部或顶部外表面配合，其接触总面积为501250mm2，占锂电池组总表面积的35.3％。热平衡处理液为水与乙二醇混合液，其中乙二醇含量为50％。液压泵5为直流电动DP微型隔膜泵。散热器6为标准SF系列风冷散热器，型号为SF14。导热体9由铝合金制作，其外表面涂布导热涂料为FR60型有机硅导热涂料。热平衡处理液箱7为聚氯乙烯塑料材料，容量为5L。加热装置8为电热棒，安装在热平衡处理液箱7的一个侧面。
电池组放电时启动液压泵5和散热器6，关闭加热装置8。处理液在液压泵5的作用下，由导管4、散热器6、热平衡处理液箱7以及与锂电池组外表面配合的导热体9组成的循环系统中流动，带出锂电池组表面的部分热量，实现锂电池组的热平衡。
锂电池组在0℃以下充电而须加热时，启动加热装置8，关闭散热器6。处理液在热平衡处理液箱7的加热装置8加热后，在液压泵5的作用下，处理液流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体9，流回热平衡处理液箱7加热，然后再流过导热体9，循环使用，实现为锂电池组加热。使电池组保持在15℃～20℃。
经检测，对于80Ah锂离子动力电池，发热速率为60J/℃·min，在1C的正常速率下放电，引起电池组发热，每分钟温度升高0.18℃，产生的热量为297J。使用上述热平衡处理装置后，循环回路系统中的热处理液流速为72mL/s，经散热器后处理液的温度每分钟降低0.03℃，电池表面温度可降低0.18℃，电池组达到热平衡；当环境温度在-25℃而充电时，利用加热装置对热平衡处理液加热，每分钟送入电池组的热量为25.9kJ，热平衡处理液的流速为48mL/s，处理液每分钟温度升高2.14℃，电池表面温度可升高8℃，在5～10分钟达到15℃～20℃的温度范围内正常工作。
实施例2
用于E-CUV电动轿车。锂离子动力电池组：额定容量为24.2kWh，额定电压为302.4V。内置80Ah锂离子动力电池84块，分为两组，每组42块，每组又分为上下两层，每层各21块。如图3、4所示，锂离子动力电池组热平衡处理装置包括导管4、液压泵5、散热器6、热平衡处理液箱7以及加热装置8、与锂电池组外表面配合的导热体9；液压泵5一端经导管4和与锂电池组外表面配合的导热体9的流入端2连接，另一端与散热器6连接，散热器6与热平衡处理液箱7连接，热平衡处理液箱7与导热体通孔出口端3连接，所述热平衡处理液加热装置8位于热平衡处理液箱7内。导热体在同一水平面分为前后两部份，前后导热体内通孔连通，形成环形回路，后部导热体接通孔入口端2，前部导热体接通孔出口端3，导热体9与电池组表面总接触面积为1155000mm2，占电池组总表面积的26.7％。热平衡处理液选用市面可购买到的美国杜邦公司生产的爱温无水冷却液(NPG+)。液压泵5为直流电动DP微型隔膜泵。散热器6为标准SF系列风冷散热器，型号为SF15。导热体9为带有通孔的铝合金腔体，其外表面涂布的导热涂料选用HT-89高导热绝缘硅橡胶。热平衡处理液箱7为聚氯乙烯塑料材料，容量为7L。加热装置8为电热棒，安装在处理液箱体里的一个侧面。
经检测，对于80Ah锂离子动力电池，发热速率为60J/℃·min，在1C的正常速率下放电，引起电池组发热，每分钟温度升高0.18℃，产生的热量为907.2J。使用上述热平衡处理装置后，循环回路系统中的热处理液流速为144mL/s，经散热器后处理液的温度每分钟降低0.05℃，电池表面温度每分钟可降低0.18℃，电池组达到热平衡；当环境温度在-25℃而充电时，利用加热装置对热平衡处理液加热，每分钟送入电池组的热量为80.64kJ，热平衡处理液的流速为64mL/s时，处理液每分钟温度升高5℃，电池表面温度可升高8℃，在5～10分钟达到15℃～20℃的温度范围内正常工作。
实施例3
用于电动机器人。锂离子动力电池组：额定容量为1.3kWh，额定电压为21.6V。内置60Ah锂离子动力电池6块，同一层面放置。
如图5、6所示，锂离子动力电池组热平衡处理装置包括导管4、液压泵5、散热器6、热平衡处理液箱7以及加热装置8、与锂电池组外表面配合的导热体9，导热体9为带有通孔的腔体；液压泵5一端经导管4和与锂电池组外表面配合的导热体9的流入端2连接，另一端与散热器6连接，散热器6与热平衡处理液箱7连接，热平衡处理液箱7与导热体通孔出口端3连接，所述热平衡处理液加热装置8位于热平衡处理液箱7内。导热体的结构同实施例1，上下部导热体中间通孔连通，形成回路。上部导热体接通孔入口端2，下部导热体接通孔出口端3。导热体与锂电池组的接触面积为88750mm2，占电池组总表面积的45.0％。热平衡处理液选用乙二醇含量为50％的水与乙二醇混合液。液压泵5为直流电动DP微型隔膜泵。散热器6为标准SF系列风冷散热器，型号为SF12。导热体9由铝合金制作，其外表面涂布的导热涂料为以聚硅氧烷为主，辅以高导热填料的深圳AP-505导热硅脂。热平衡处理液箱7为聚氯乙烯塑料材料，容量为4L。加热装置8为电热棒，安装在处理液箱体里的一个侧面。
经检测，对于60Ah锂离子动力电池，发热速率为54J/℃·min，在1C的正常速率下放电，引起电池组发热，每分钟温度升高0.18℃，产生的热量为58.32J。使用上述热平衡处理装置后，循环回路系统中的热处理液流速为46mL/s，处理液的温度每分钟降低0.01℃，电池表面温度可降低0.18℃，从而达到热平衡；当环境温度在-25℃而充电时，利用加热装置对热平衡处理液加热，每分钟送入电池组的热量为5184J，设计热平衡处理液的流速为48mL/s，处理液每分钟温度升高0.4℃，在5～10分钟达到15℃～20℃的温度范围内正常工作。
Claims (9)
1.锂离子动力电池组热平衡处理方法，其特征在于，热平衡处理液在位于电池箱内部并与锂电池组外表面配合的导热体和位于电池箱外部的液压泵、热平衡处理液箱、散热器和加热装置组成的循环系统中流动；当冷却锂离子动力电池组时，加热装置关闭，散热器启动，热平衡处理液在液压泵作用下流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体通孔，温度升高，经散热器冷却后，温度降低，并继续流入导热体通孔，循环使用；当加热锂离子动力电池组时，加热装置开启，散热器关闭，通过加热装置加热后的热平衡处理液在液压泵作用下，流经与锂离子动力电池组表面配合的导热体通孔，加热锂电池组后流回加热器加热后再进入导热体通孔，循环使用；所述导热体为带有通孔的腔体；所述通孔为环形回路腔体；所述热平衡处理液为无水冷却液或者水与乙二醇的混合液。
2.采用权利要求1所述方法的锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于所述装置包括液压泵、与锂电池组外表面配合的导热体、热平衡处理液箱、散热器和加热装置；所述导热体位于电池箱内部，所述液压泵、热平衡处理液箱、散热器和加热装置位于电池箱外部，所述位于电池箱内部与锂电池组外表面配合的导热体的通孔通过导管与液压泵、热平衡处理液箱、散热器和加热装置连接构成热平衡处理液的循环流动回路；所述通孔为环形回路腔体。
3.根据权利要求2所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述液压泵一端经导管和与锂电池组外表面配合的导热体的通孔入口端连接，另一端与散热器连接，散热器与热平衡处理液箱出口端连接，热平衡处理液箱入口端与导热体的通孔出口端连接；所述热平衡处理液加热装置位于热平衡处理液箱内。
4.根据权利要求2或3所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述与锂电池组外表面配合的导热体位于电池的表面或上下两层锂电池组之间。
5.根据权利要求2或者3所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述导热体采用良性导热材料，所述良性导热材料为铝合金。
6.根据权利要求2或者3所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述导热体外表面涂布有导热涂料。
7.根据权利要求6所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述导热体外表面涂布的导热涂料为导热橡胶或有机硅导热涂料。
8.根据权利要求2或者3所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述加热装置为电热棒。
9.根据权利要求2或者3所述锂离子动力电池组热平衡处理装置，其特征在于，所述散热器为风冷式散热器。
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