CN104167574A - 一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，该系统包括：一个或多个电池模块，每个电池模块包括若干个电池单体，电池单体通过金属连接片焊接连接；以及用于容纳一个或多个电池模块的电池箱；以及通过所含相变材料的可逆固液相变进行能量存储和释放的复合相变材料；以及高导热石墨片；以及用于紧固箱体的若干螺纹紧固件。与现有技术相比，本发明创新性的使用高导热石墨片和压缩膨胀石墨作为系统的强化传热措施。通过高导热石墨片与复合相变材料的组合使用，本发明取得了冷却系统的传热效率较高、结构简单、占用空间小、电池组温度一致性较好和能量利用率高的有益效果。

Description

一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统

技术领域

本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及纯电动汽车和混合动力汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统。

背景技术

随着当前能源危机和环境保护问题的日益严峻，传统汽车亟需寻找合适的替代者。电动汽车(BEV)凭借其能源利用效率高、对环境友好无污染等特点，是公认的未来汽车工业的主要发展方向之一。动力电池作为电动汽车的必备动力单元，是电动汽车的核心技术之一。

电动汽车在行驶过程中，车载动力电池不断进行充放电，伴随有大量热量的产生。如果产生的热量不能及时、有效地散出，电池将处于过热状态。电池单体和电池模块的综合性能与温度的相关性大。一方面，高温会加速电解液、电极和隔板的老化速率，使电池的电化学性能下降，循环寿命缩短，严重时甚至引发起火、爆炸。另一方面，电池模块内部温度分布不均匀会使得各电池单体性能的差异性变大，电池模块内部出现“坏点”，整个电池组提前失效，甚至导致危险状况的出现。因此，从提高动力电池的安全性、循环寿命和经济型方面考虑，必须设计可靠的冷却系统，以保证电池组的温度始终处于最佳工作温度范围(对于锂离子电池而言，一般认为其最佳工作温度范围为20℃～45℃)之内，且电池组内不同电池单体间的温差控制在一定的阈值范围内。

现有的车用电池组冷却方式主要有空气冷却和液体冷却两种。其中，空气冷却结构简单，质量相对较小，容易维护，有害气体产生时能有效通风。但因为空气与电池壁面间的换热系数低，冷却速度慢，尤其在特殊工况(高放电倍率、高工作温度、高环境温度)下和对于大型电池模块，其冷却效果不够理想。液体冷却的冷却效果较好，但有发生漏液的危险。且空气冷却和液体冷却方式中，风机、换热器、水泵以及其它附件的存在不可避免的增加了整车质量，同时亦降低了动力电池的有效输出功率。

相变材料冷却作为潜热储能方式凭借其储能密度大、储能过程为等温变化、过程易控制、能量利用效率高等优点已经在节能建筑、工业余热废热回收以及电力昼夜调配等领域得到应用。对于提高电动汽车的动力性而言，我们总是希望动力电池中储存的能量尽可能多的为电动汽车供能，而传统的主动式空气冷却和液体冷却方式中耗能部件的存在会不可避免的消耗电池的一部分能量，因此被动式相变材料冷却凭借其在节能方面所具有的优势在电池热管理领域具备一定的实际应用价值。

专利申请CN102714336A公开了一种通过传热流体与相变材料的组合对电化学电池进行热管理的系统，该系统中流体介质在仓室中与圆柱形电池直接接触，能够实现有效的加热和冷却功能；而相变材料作为辅助热管理手段，密封在传热介质流道(仓室)与装置之间的热能储存材料仓室中。该专利将液体冷却与相变材料冷却结合，具有一定的创新型，但仍未有效克服液体冷却所带来的流道结构复杂、漏液以及存在额外功耗等缺点。

因此本发明的目的在于提出一种区别于传统空气冷却和液体冷却的新型车用电池热管理系统，能够有效克服传统电池热管理方式所带来的质量和体积较大、漏液、电池温度均匀性差等缺点，同时实现对电池温度的及时、有效控制，且电动汽车在短距离内行驶无需对电池热管理系统输入额外能量，提高车载动力电池的有效输出功率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可有效散热、体积小、不漏液和无需额外功耗的电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，该系统包括：

一个或多个电池模块，每个电池模块包括若干个电池单体，电池单体通过金属连接片焊接连接；以及

用于容纳一个或多个电池模块的电池箱；以及

通过所含相变材料的可逆固液相变进行能量存储和释放的复合相变材料；以及

将热量从电池模块内部传递到外围复合相变材料以及使电池单体侧面温度维持一致的高导热石墨片；以及

用于紧固箱体，以保证箱体内部各组件空间位置的稳定性以及电池单体被有效压紧的若干螺纹紧固件。

所述的电池单体为方形电池，包括锂离子二次电池或锂聚合物二次电池。电池单体的数量由电动汽车所需的电池组总容量确定。

所述的电池单体通过设置在电池箱箱体上的螺纹紧固件在厚度方向上被有效压紧，防止电池在充放电过程中发生鼓胀。

所述的电池箱由不易燃且具有一定机械强度的材料制成，优选PET材料。

所述的复合相变材料通过将相变材料浸入多孔介质中制成，其中相变材料用以储热或放热，多孔介质作为相变材料载体以及导热通道。相变材料的用量的计算可通过优选的电动汽车日平均行驶里程和行驶工况估算。

所述的相变材料的相变温度范围在电池的最佳工作温度范围之内，对于不同的电池最佳工作温度范围，可通过调节相变材料的相变点实现。具体的，可通过选用具有不同相变温度的相变材料或将不同相变材料组合使用。相变材料包括有机相变材料和无机相变材料，所述的有机相变材料包括直链烷烃、脂类、醇类或脂肪酸及其衍生物，具有相变潜热高，无过冷或过冷现象很小，腐蚀性较小和性质稳定等优点。所述的无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐或金属，具有较高的熔解热和固定的熔点，但大多数的无机相变材料具有腐蚀性，且相变过程中存在不易克服的过冷和相分离的缺点，在一定程度上限制了其应用范围的推广。所述的相变材料优选工业石蜡，其相变温度范围宽，价格较低，且储能密度大，化学性质稳定，无过冷或过冷现象很小，无腐蚀性。

所述的多孔介质包括压缩膨胀石墨或泡沫金属，优选压缩膨胀石墨。所述的多孔介质具有较高的孔隙率和较大的比表面积，可以借助毛细作用提高相变储能物质在多孔介质中的储藏可靠性，同时，多孔介质将相变储能物质分散为细小的个体，有效提高其相变过程中的换热效率。多孔介质还具备高的导热系数和一定的机械强度。具体的，压缩膨胀石墨是由天然鳞片石墨经插层、水洗、干燥、高温膨化得到一种疏松多孔的蠕虫状物质，具有密度小，化学性质稳定，孔隙率较高，导热系数高等优点。开孔泡沫金属具有连续贯通的三维多孔结构，具有结构强度高，轻质，孔隙均匀，导热系数高等优点。两者相比，开孔泡沫金属的机械强度更高、导热能力更强，但化学稳定性不如压缩膨胀石墨。

将相变材料与多孔介质按照一定质量比例复合，制得的复合材料在具备高能量存储密度的同时，由于易导多孔介质中互相连通的导热通道的存在，复合材料亦具有高的导热系数，有效提高了该相变储热系统的相变速率和换热效率，且石蜡与压缩膨胀石墨在相变过程中无新物质生成，两者相容性良好，因此石蜡/压缩膨胀石墨是优选的相变储能材料，但其它合适的复合相变材料亦在本发明的可选择范围之列。

每个电池单体两侧对称设置复合相变材料，相邻电池单体之间通过高导热石墨片间隔，电池单体、复合相变材料以及高导热石墨片的高度相同，电池单体与其两侧的复合相变材料的宽度之和与高导热石墨片的宽度相等。

上述高导热石墨片通过将膨胀石墨进行紧密滚压而成，具有平滑的表面，其表面导热系数(X-Y方向)可达500W/(m·K)，厚度方向(Z方向)约为30W/(m·K)。在电池组中，高导热石墨片布置于电池单体之间，通过螺纹紧固件的夹紧作用与电池单体的侧面贴紧。该布置方式充分利用了电池长宽平面方向(X-Y方向)上的热阻较厚度方向(Z方向)热阻小的特点，因而热传热效率更高。高导热石墨片一方面维持电池单体侧面温度的一致性，同时将电池模块内部的热量高效的传递给外围的复合相变材料。

所述的电池箱的箱体由外部螺纹紧固件进行夹固，使箱体内部电池单体与高导热石墨片之间有效贴紧，并稳定内部各组件空间位置。优选的，螺纹紧固件使用双头螺柱，螺母内侧加垫片。

本发明中与方法相关的方面是用于控制箱体中电池模块温度的方法，所述方法包括：当电池组温度上升至相变材料的吸热相变温度时，通过高导热石墨片和易导多孔介质将热量及时有效地传递给外围相变材料，相变材料通过固-液相变吸收大量潜热，从而将热量从电池模块中移除，使得电池温度维持在最佳工作温度范围内，避免电池过热。以及当电池温度低于相变材料的放热相变温度点时，相变材料通过液-固相变释放热量，并通过多孔介质和高导热石墨片将热量传递给电池模块，为电池加热的步骤。

本发明中与方法相关的方面还包括用于控制电池模块中不同单体和同一单体不同部位温度一致性的方法，所述方法包括：通过高导热石墨片对电池单体侧面在高度和宽度方向上的热量分布进行调节，以及通过高导热石墨片和易导多孔介质的强化传热措施组合对不同电池单体间的热量进行调节的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点：

1、系统结构简单，无风机、换热器、水泵、冷却管路及其它附件，能有效减轻整车质量，提高整车的经济型；无风机、水泵等耗能附件的存在，无额外功耗，在短距离内行驶时不需要对系统输入额外能量，系统具备持续的对电池进行冷却的能力，相对提高了电池的有效输出功率，提高整车动力性；

2、对于空气冷却或液体冷却方式，在布置电池包位置时要考虑空气流场分布或冷却液管道复杂性等因素，而使用相变材料冷却的电池包，其空间位置的灵活性更大，因此可以优化电动汽车的整车结构设计；

3、节能。电池温度较高时，相变材料通过固-液相变为电池降温，当电池温度较低时，相变材料通过液-固相变释放热量，对电池进行加热，有效提高了能源利用效率；同时，复合相变材料位于电池模块外围，当环境温度较低时，相变材料作为电池的保温材料，能够起到类似于节能建筑中储能材料墙体的隔热保温作用；

4、高导热石墨片和复合相变材料中易导多孔介质的存在使得该相变储热系统具有相变速率和换热效率高的优点；

5、该冷却系统的散热效果理想，能有效控制电池的温升，同时由于易导多孔介质和高导热石墨片的存在，电池模块的不同单体间以及同一单体的不同部位间的温度均匀性较好。

附图说明

图1是本发明电动汽车用动力电池被动式相变材料冷却系统的结构示意图；

图2是图1中去除箱体和若干部分后的内部组件位置分布示意图；

图3是图1中去除箱体后内部组件的分解视图；

图4是本发明被动式相变材料冷却系统中高导热石墨片布置方案立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明。

实施例1

图1为本发明所述的电动汽车用动力电池被动式相变材料冷却系统的结构示意图，如图1的实施例所示，该系统包括：

电池单体1；以及电池单体通过金属连接片2连接组成的电池模块；用于容纳一个或多个电池模块的电池箱3；复合相变材料4；以及用于维持电池模块温度均匀性并且将热量从电池模块内部传递给外围复合相变材料的高导热石墨片5；以及用于夹固箱体的螺纹紧固件6。

如图2、图3的实施例所示，每个电池单体1两侧对称设置复合相变材料4，相邻电池单体1之间通过高导热石墨片5间隔，高导热石墨片5和复合相变材料4的高度等于电池单体1的高度，高导热石墨片5的长度为电池单体1及其两侧复合相变材料4的长度之和。

实施例中方形电池单体1之间采用串联形式，电极7间通过金属连接片2以焊接方式组成电池模块。

电池单体1两侧的复合材料4呈对称结构分布，电池产生的热量可以对等的向两侧传输，该结构设计有利于维持电池模块整体的温度均匀性。

电池单体1的侧面、复合相变材料均与高导热石墨片(导热中间介质)接触，有效增大了系统的导热面积。

图4为本发明中高导热石墨片5布置方案立体图。高导热石墨片5布置于电池单体1之间，以极高的热传导效率将电池包内部的热量传递给外围的相变材料4，从而使电池包内外的温升尽量一致。同时，电池单体1不同部位的产热量不同(通常靠近电极的上部产热量大于电池下部)，高导热石墨片5通过与电池侧面的有效贴紧维持电池单体1侧面在高度和宽度方向上的温度均匀性，避免局部热点和热区的产生，使电池单体的衰减速率尽量一致。

所述的复合相变材料4通过将相变材料浸入多孔介质中制成，其中相变材料用以储热或放热，多孔介质作为相变材料载体以及导热通道。相变材料的用量的计算可通过优选的电动汽车日平均行驶里程和行驶工况估算。

所述的相变材料选用工业石蜡，其相变温度范围宽，价格较低，且储能密度大，化学性质稳定，无过冷或过冷现象很小，无腐蚀性。所述的多孔介质选用压缩膨胀石墨。

将相变材料与多孔介质按照一定质量比例复合，制得的复合材料在具备高能量存储密度的同时，由于易导多孔介质中互相连通的导热通道的存在，复合材料亦具有高的导热系数，有效提高了该相变储热系统的相变速率和换热效率，且石蜡与压缩膨胀石墨在相变过程中无新物质生成，两者相容性良好，因此石蜡/压缩膨胀石墨是优选的相变储能材料，但其它合适的复合相变材料亦在本发明的可选择范围之列。

下面进一步对本发明的工作过程进行描述。

由于电动汽车复杂的整车运行环境，动力电池需要不断地进行充放电过程，同时伴随着大量热量的产生。热量若不能及时散出，将会导致电池处于高温工况，进而影响电池的性能、循环寿命和安全性。对电池单体1而言，靠近电极7的部分产热量最大，温升最快，因此需要对电池单体1侧面的温度在高度和宽度方向上的一致性进行调节。布置于电池单体1与复合材料4之间的高导热石墨片5通过较大的接触面积和高的表面导热能力，对电池单体1不同位置的热量进行平均分配，同时将热量从电池模块内部传递给外围的复合材料4。由于电池包内部高导热石墨片和易导多孔介质的存在，电池模块中电池单体间的热量得到一定程度的重新分布，因而提高了模块温度的一致性。外围的复合相变材料4具有高的热传导效率，能够迅速地将热量传递给多孔介质孔隙中的相变材料。相变材料通过固-液等温相变将电池产生的热量存储起来，并维持电池组的温度在相变温度范围之内，由于优选的相变材料的相变温度在电池的最佳工作温度范围之内，因此电池的温度也被控制在最佳工作温度范围以内，即达到对电池进行冷却的目的。需要指出的是，只要复合材料4中的相变材料未完全转化为液体，系统就具备持续对电池进行冷却的能力。即电动汽车短距离行驶时，无需对系统提供任何的外部能量，冷却系统具备持续的工作能力。当电池的温度低于相变材料的放热相变温度点时，相变材料进行液-固等温相变将热量释放出来，热量通过多孔介质和高导热石墨片传递给箱体中部的电池模块，从而对电池进行加热。该可逆工作过程提高了系统的能量利用效率。

本发明的范围不受所述的具体实施方案限制，所述实施方案只作为阐明本发明各方面的单个例子。因此，本发明不限于上面所描述的特定实施方案，在实质上没有脱离本发明创新点和效果的，与本发明功能等同的变形例也应落入所附权利要求书的范围之内。

Claims (9)

1.一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，该系统包括：

一个或多个电池模块，每个电池模块包括若干个电池单体，电池单体通过金属连接片焊接连接；以及

用于容纳一个或多个电池模块的电池箱；以及

通过所含相变材料的可逆固液相变进行能量存储和释放的复合相变材料；以及

将热量从电池模块内部传递到外围复合相变材料以及使电池单体侧面温度维持一致的高导热石墨片；以及

用于紧固箱体，以保证箱体内部各组件空间位置的稳定性以及电池单体被有效压紧的若干螺纹紧固件。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的电池单体为方形电池，包括锂离子二次电池或锂聚合物二次电池。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的电池单体通过设置在电池箱箱体上的螺纹紧固件在厚度方向上被有效压紧，防止电池在充放电过程中发生鼓胀。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的电池箱由绝缘材料制成，所述绝缘材料包括PET材料。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的复合相变材料通过将相变材料浸入多孔介质中制成，其中相变材料用以储热或放热，多孔介质作为相变材料载体以及导热通道。

6.根据权利要求5所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的多孔介质包括压缩膨胀石墨或泡沫金属；所述的相变材料的相变温度范围在电池的最佳工作温度范围之内，相变材料包括有机相变材料和无机相变材料，所述的有机相变材料包括直链烷烃、脂类、醇类或脂肪酸及其衍生物，所述的无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐或金属。

7.根据权利要求6所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的多孔介质优选压缩膨胀石墨，所述的相变材料优选工业石蜡。

8.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，每个电池单体两侧对称设置复合相变材料，相邻电池单体之间通过高导热石墨片间隔，电池单体、复合相变材料以及高导热石墨片的高度相同，电池单体与其两侧的复合相变材料的宽度之和与高导热石墨片的宽度相等。

9.根据权利要求1所述的一种电动汽车用动力电池的被动式相变材料冷却系统，其特征在于，所述的电池箱的箱体由外部螺纹紧固件进行夹固，使箱体内部电池单体与高导热石墨片之间有效贴紧，并稳定内部各组件空间位置。