CN104953202B - 一种动力模块化电池的温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动力模块化电池的温控系统,用以在电动汽车中通过相变材料和传热流体对电池进行温度控制,其特征在于,该系统包括电池箱体以及设置在电池箱体内的电池集成模块,所述的电池箱体包括底板、与底板两端垂直连接的翼板、与底板连接的流体温控装置以及设置在翼板内侧的相变温控装置,所述的电池集成模块底部与底板接触,侧面与相变温控装置连接。与现有技术相比,本发明具有能量利用效率高、系统结构简单、适用性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车的动力电池管理系统领域,尤其是涉及一种动力模块化电池的温控系统。
背景技术
自上世纪90年代以来,随着环境污染、不可再生能源危机成为世界性难题,汽车工业一直在寻找新的突破,以减小对环境污染和能源消耗的压力。而电动汽车凭借其能量利用效率高、对环境好等优点,得到了较多的研究和关注。近年来,电动汽车无论在技术还是市场方面更是取得了极大的进步。作为电动汽车的动力源,电池组对电动汽车的重要性不言而喻。对于纯电动汽车而言,电池的成本占整车成本的1/3左右,且电池的性能、寿命和安全性直接决定着整车的动力性、经济性和安全性。
目前,市场上主流的电动汽车均采用锂离子电池作为其动力源。锂离子电池具有比能量和比功率密度大、放电电压高、无记忆效应、自放电率低和对环境污染小等优点。但锂离子电池在充放电过程中的产热量较大,且电池的性能和寿命等与温度的相关性较大。近年来,车载电池包起火、甚至发生爆炸的报道也较为多见。因此,对电池进行冷却和加热,使电池在最佳工作温度范围内工作,对于提高电池性能、使用寿命以及运行安全性都是十分必要的。
采用空气和换热流体对电池进行加热和冷却的方式属于传统的电池控温方式。目前已经商业化的电动汽车均采用这两种方式为电池降温和加热。其中,以空气为换热介质的控温方式结构简单,成本低,容易维护,有害气体产生时能够进行有效通风;但是空气和电池之间的换热系数较低,且空气的比热容较小,因此电池控温系统的加热和冷却速度慢,电池温度均匀性不好。尤其是在极端工况(例如汽车加速、爬坡以及环境温度较高时)下运行以及对于大型动力电池而言,空气冷却很难满足电池控温的要求。以换热流体作为媒介的控温方式,其换热流体和电池之间的导热系数高,换热流体的比热容大,因此电池散热和加热快,且电池的温度均匀性好。但是分布于各个电池模块内部的换热流体管路的结构十分复杂。且上述传统的控温方式中,由于风扇、水泵等耗能部件会损失掉电池内部存储的部分容量,因而会缩短电动汽车的续驶里程。
近年来,以相变材料或者以热管作为换热媒介的控温方式得到了较多的关注。尤其是以相变材料作为媒介的控温方式,已经被证明是一种极具应用前景的解决方案。相变材料依靠融化或者凝固过程的相变潜热工作,目前已经在航天、建筑节能、电力区域调配、电子装置、太阳能利用等领取得到了较为成熟的应用。
相变材料分为有机和无机两类。其中无机类相变材料相变潜热高、导热性能好,但腐蚀性较大,且在相变过程中存在过冷和相分离现象,因此应用受到局限。有机相变材料热稳定性好,腐蚀性小,且价格低廉。其存在的导热系数较小的缺点,目前通过添加铝翅片、石墨泡沫、膨胀石墨以及碳纤维等强化传热材料得到克服。例如,Princemin等测试了几种不同的高温复合相变材料的热物性参数,并且讨论的膨胀石墨的导热各向异性。结果表明,通过调节复合材料中膨胀石墨的比例以及压紧时的力,复合材料的导热系数可以提高到10~30倍。“S.Pincemin,et al.,Elaboration of conductive thermal storage compositesmade of phase change materials and graphite for solar plant,J.Sol.EnergyEng.130(011005)(2008)1–5.”中科院山西煤炭化学研究所的仲亚娟等以石墨泡沫(GF)、炭毡(CF)和压缩膨胀石墨(CENG)作为石蜡的强化传热载体,制备了不同结构炭材料-石蜡相变储能材料体系。采用激光导热仪测定其导热系数,结果表明:三种储能材料体系的热导率分别比纯石蜡的热导率提高了437倍、14倍和25倍。“仲亚娟,李四中,魏兴海,高晓晴,史景利,郭全贵,刘朗.不同孔隙结构的炭材料作为石蜡相变储能材料强化传热载体[J].新型炭材料,2009,04:349-353.”可见,将导热系数较高的材料与有机相变复合,所制备的新材料在具备高相变潜热值的同时,具有较高的导热系数,因而适合在以相变材料作为媒介的动力电池温度控制领域的应用。
考虑到单独依靠相变材料进行控温的局限,尤其运行环境温度较高,以及汽车在加速、爬坡等恶劣工况下运行时,相变材料完全融化后,控温系统失去对电池继续冷却的能力,因而需要与其他控温方式结合,以使相变材料中储存的相变潜热及时排到周围大气中。其他控温方式可选空调冷却和液体冷却。通过合理的系统设计,可以使组合系统在克服其中单一系统缺点的同时,获得良好的控温能力以及其他有益效果。
美国陶氏环球技术有限责任公司在中国的发明专利申请CN 102714336 A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控温的系统,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控温手段,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,但仍未有效克服液体冷却所带来的流道结构复杂的缺点,且该专利中申请保护的对象为圆柱形电化学电池的控温系统,并未针对应用于方形电池的液冷结合相变材料冷却的解决方案提出专利保护申请。
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动力模块化电池的温控系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种动力模块化电池的温控系统,用以在电动汽车中通过相变材料和传热流体对电池进行温度控制,其特征在于,该系统包括电池箱体以及设置在电池箱体内的电池集成模块,所述的电池箱体包括底板、与底板两端垂直连接的翼板、与底板连接的流体温控装置以及设置在翼板内侧的相变温控装置,所述的电池集成模块底部与底板接触,侧面与相变温控装置连接;
当电池集成模块的温度高于流体温控装置设定的启动温度时,系统采用相变材料和换热流体相结合的控温模式进行控温,当电池集成模块的温度低于温控装置设定的停止温度时,关闭流体温控装置,仅通过相变温控装置对电池模块进行控温。
所述的流体温控装置包括水泵、散热器以及设置在底板内部的换热流体管路,所述的水泵、散热器和换热流体管路形成换热流体回路。
所述的相变温控装置包括多个相变温控板,所述的相变温控板由复合相变材料制成,所述的复合相变材料通过铝翅片、高导热材料与相变材料复合而成,其中相变材料用以储热,高导热材料作为相变材料载体以及导热通道,该复合材料具有同时取得导热系数较高和相变储热能力较好的有益效果。
所述的高导热材料包括压缩膨胀石墨和碳纤维,所述的相变材料包括工业石蜡、聚乙二醇和脂肪酸,所述的压缩膨胀石墨通过石墨鳞片进行热处理后压缩制成,工业石蜡具有价格低廉,容易获取、储能密度大、热稳定性好、腐蚀性小等优点,压缩膨胀石墨具有孔隙率高、导热性能好、化学性质极其稳定、密度小等的特点。
所述的复合相变材料的用量由电池的生热量、复合相变材料的比热容和相变潜热决定,计算式为:
其中,Q为电池放出的热量,mpcm为相变材料的质量,Cp为相变材料的比热容,Tm、Ti分别为相变材料的熔点温度以及初始温度,λ为相变材料的相变潜热。
所述的换热流体回路中的介质包括纯水、乙二醇或水和乙二醇的混合液。
所述的电池集成模块包括多个电池单体,每个电池单体上设有电极,相邻电池单体的电极通过金属连接片连接。
所述的电池单体为方形锂离子电池。
所述的换热流体管路的表层涂有硅胶层,并且采用蛇形结构和并行流道结构。
所述的相邻相变温控板的间隙内设有高导热石墨片。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、能量利用效率高:当电动汽车在低温环境停靠时,相变材料中储存的潜热也用于为电池保温,系统中无需加装加热元件,当电动汽车在低温环境及短距离行驶时,采用相变材料对电池的温度进行控制,高温及长距离行驶时,采用相变材料和换热流体结合的方式对电池进行温度管理,与单独采用液冷方式相比,本发明提出的新型控温方式能够减小电池控温系统的寄生能耗,提高电池的可用容量,延长电动汽车的续驶里程。
二、系统结构简单:本发明克服了单独依靠换热流体进行控温时,系统结构复杂的缺点,单独依靠换热流体进行温度管理,控温效果较好,但换热流体管路的结构复杂,与相变材料控温方式组合后,相变材料作为中间换热介质,与电池直接接触,保证电池良好的温度均匀性,换热流体管路的复杂程度可以得到大幅减小。
三、适用性好:本发明中的技术方案可以直接采用传统汽车中的水泵、散热片和风扇等散热部件,并且能够适用于大部分的方形电池单体,降低了成本。
附图说明
图1为本发明的结构俯视图。
图2为本发明的结构左视图。
图3为本发明沿对称面的正视图。
其中,1、电池单体,2、金属连接片,3、电池集成模块,4、相变温控板,5、底板,6、换热流体管路,7、翼板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例:
如图1所示,该系统主要包括以下功能模块:
电池单体1,由若干电池单体1通过金属连接片2连接组成的电池集成模块3,与电池直接接触的相变温控板4以及用于提高电池与相变温控板4之间换热速率的高导热石墨片,用于容纳换热流体的换热流体管路6,以及用于容纳电池集成模块3及控温部件的电池箱体及紧固装置。
如图2-3所示,若干方形磷酸铁锂电池单体1通过金属连接片2连接电极组成的电池集成模块3置于中间位置,电池单体1侧面布置有强化传热媒介——高导热石墨片,相变温控板4位于电池集成模块3两侧,底板5置于电池集成模块3的底部,电池集成模块3的底面与底板5之间涂抹有绝缘导热硅胶,底板5中的换热流体可直接带走电池产生的热量以及相变材料储存的潜热部分,同时,底板5两侧各有翼板7,由导热系数较高的金属制成,既能起到支撑和容纳相变材料的作用,同时作为相变材料与水冷底板的导热通道,换热流体管路6的入口与水泵相连,换热流体管路的出口与汽车前舱中散热器的管路相连,散热器通过连接管路与水泵相连,组成循环的液冷回路,电池集成模块3内部安装有温度传感器,当电池集成模块3温度高于水泵的启动温度时,系统采用相变材料和换热流体相结合的控温方式,当电池集成模块3温度降低到水泵的停止温度时,关闭液冷通路,仅依靠相变材料冷却电池模块。其中水泵的启动温度高于停止温度,且两者之间有一定差值,以防止水泵频繁启动。
底板5中换热流体管路6以蛇形管方式分布,换热流体管路6上下布置有结构紧凑的金属薄板,换热流体在管路内流动,与底板5之间产生对流换热,从而直接带走电池以及相变材料的热量,其中,液冷管路6使用铜管,换热流体管路与上下金属薄板之间涂抹有导热硅胶。
下面进一步对本发明的工作过程进行描述。
为满足电动汽车的动力需求,车载动力电池需要不断进行充放电。与传统铅酸、镍氢和镍铬等电池相比,目前电动汽车普遍采用的锂离子电池产热量较大,因此需要将电池产生的热量及时有效的散出,以防止电池在极端温度下工作,影响电池性能、循环寿命及使用安全性,相变温控板4位于电池模块两侧,电池产生的热量可以直接或者间接通过高导热石墨片传递给相变温控板4,并以潜热的形式储存起来。复合相变材料同时具有较好的导热能力和相变潜热。在复合相变材料的冷却能力范围之内,系统无需启动水泵,而仅依靠相变材料对电池单体1进行控温。当相变材料融化完全后,电池单体1的温度高于水泵的启动温度,水泵开始工作,系统进入同时依靠相变材料和换热流体进行温度控制的模式,换热流体在换热流体管路6中循环流动,直接(水冷底板与电池单体1和相变温控板4底部接触)或者间接(水冷底板通过翼板7与相变温控板4侧面接触)带走热量。换热流体管路6的进口与水泵相连,出口与散热器相连,散热器通过连接管路与水泵相连,组成循环的液冷回路,在低温天气,相变材料可以利用潜热为电池保温,必要时,通过耦合在液冷系统中的加热器,系统可以依靠液冷系统为电池加热。
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,例如在优选实施例中,底板5的布置位置为电池和复合相变材料的底部,同样的,底板5只与相变温控板4接触,采用对称布置的方式,分别置于相变温控板4的两侧,相变温控板4在电池和底板5之间作为换热器,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 (8)
1.一种动力模块化电池的温控系统,用以在电动汽车中通过相变材料和传热流体对电池进行温度控制,其特征在于,该系统包括电池箱体以及设置在电池箱体内的电池集成模块(3),所述的电池箱体包括底板(5)、与底板(5)两端垂直连接的翼板(7)、与底板(5)连接的流体温控装置以及设置在翼板(7)内侧的相变温控装置,所述的电池集成模块(3)底部与底板(5)接触,侧面与相变温控装置连接,所述的相变温控装置包括多个相变温控板(4),所述的相变温控板(4)由复合相变材料制成,所述的复合相变材料通过铝翅片、高导热材料与相变材料复合而成,相邻相变温控板(4)的间隙内设有高导热石墨片;
当电池集成模块(3)的温度高于流体温控装置设定的启动温度时,系统采用相变材料和换热流体相结合的控温模式进行控温,当电池集成模块(3)的温度低于温控装置设定的停止温度时,关闭流体温控装置,仅通过相变温控装置对电池模块进行控温。
2.根据权利要求1所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的流体温控装置包括水泵、散热器以及设置在底板(5)内部的换热流体管路(6),所述的水泵、散热器和换热流体管路(6)形成换热流体回路。
3.根据权利要求1所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的高导热材料包括压缩膨胀石墨和碳纤维,所述的相变材料包括工业石蜡、聚乙二醇和脂肪酸,所述的压缩膨胀石墨通过石墨鳞片进行热处理后压缩制成。
4.根据权利要求1所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的复合相变材料的用量由电池的生热量、复合相变材料的比热容和相变潜热决定,计算式为:
其中,Q为电池放出的热量,mpcm为相变材料的质量,Cp为相变材料的比热容,Tm、Ti分别为相变材料的熔点温度以及初始温度,λ为相变材料的相变潜热。
5.根据权利要求2所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的换热流体回路中的介质包括纯水、乙二醇或水和乙二醇的混合液。
6.根据权利要求1所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的电池集成模块(3)包括多个电池单体(1),每个电池单体(1)上设有电极,相邻电池单体(1)的电极通过金属连接片(2)连接。
7.根据权利要求6所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的电池单体(1)为方形锂离子电池。
8.根据权利要求2所述的一种动力模块化电池的温控系统,其特征在于,所述的底板(5)表层涂有硅胶层,所述的换热流体管路(6)采用蛇形结构和并行流道结构。
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