CN106058382B - 一种电池模组加热系统以及电池模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池模组加热系统以及电池模组，要解决的技术问题是使得加热更加均匀快速，提高加热效率，无需再使用其他温度传感器，减少了部件的设置。本发明包括与电池管理系统连接的加热系统，加热系统包括绝缘固定板、具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件，PTC发热元件设于绝缘固定板的容置孔内，PTC发热元件两侧表面上分别设有金属电极板，PTC发热元件两侧表面分别与金属电极板的内侧面贴合，两块金属电极板引脚分别通过引线与电池管理系统连接，金属电极板外侧表面上设有绝缘薄膜，绝缘薄膜的外侧表面上设有导热硅胶垫。本发明的电池模块包括电池单元以及上述的电池模组加热系统。与现有技术相比，电池芯升温速率快，降低了生产成本。

Description

一种电池模组加热系统以及电池模组

技术领域

本发明涉及一种动力电池，尤其为一种用于纯电动车或混合动力车以及储存电能设备的电池模组加热系统以及电池模组。

背景技术

目前纯电动及油电混合动力车在我们的生活中出现越来越多，现有及未来的纯电动及油电混合动力车大多采用锂离子动力电池作为动力来源，而锂离子电池在高、低温下的性能、可靠性及寿命较常温时有较大幅度的下降。当在低温环境下使用电池模组时，必须使用加热系统给电池模组加热，使电池芯达到合适的温度再开始充放电工作。锂离子电池模组在使用一段时间后，各个电池芯会有不同程度的老化，其内阻会变大，个别电池芯内阻变化幅度远远超过平均值，在放电时会产生大量的热，尤其是高温环境下，热量更容易积聚，必须使其及时散热，使电池芯达到合适的温度。同样，电力储能设备的电池模组也存在以上问题。

目前市场上的电池加热方式一般为循环液体加热或暖风加热以及在电池周围布置PET加热膜、硅胶加热板、PTC加热板等，循环液体加热方式存在结构复杂、效率低、可靠性低、成本高等缺点，暖风加热存在升温速度慢、温度不均匀、容易产生热积聚、能耗高等缺点，这两种方式使用越来越少,更多是使用PET加热膜、硅胶加热板或PTC加热板等加热方式。

PET加热膜和硅胶加热板这两种方式有以下缺点：PET加热膜和硅胶加热板内部发热部件为电热合金丝，温度不易控制，局部温差大，易损坏绝缘层造成漏电，从而容易引发安全事故；

PTC加热板有以下缺点：(如申请号为201510634026.6的发明专利申请)。

1、升温速率慢，局部温差大

由于PTC加热板贴在电池组的外部，热量传递到电池组中心部位所需时间较长，使得电池组中心部位升温速率较慢；同时导致电池组各个电池芯温差较大，对电池的性能和寿命有较大影响。

2、加热效率低和耗能多

PTC加热板因其两面都发热的结构会把很大一部分热量传递到电池组外壳和空气中，致使加热效率低，消耗电能多。

3、安全性差

PTC加热板置于电池模组表面，即将电池组或电池芯正、负极延伸到外壳表面，加热板给正、负极加热，再将热量传导至模组内部，一个加热板一般同时接触多个电池组或电池芯的正、负极，若加热板长期使用在振动环境中，其绝缘外层会受损，则可能导致电池的正、负极短路，造成电池损坏，引发安全事故。

4、PTC加热板重量大，PTC加热板采用铝合金作为固定PTC发热元件以及散热的机构件，单位密度大，增加了电池模组的整体重量，降低了电池模组的比能量参数，影响车辆的续航里程。

以上加热器要和外置的多个温度传感器同时使用，温度传感器将信号传输到电池管理系统(即BMS)，电池管理系统(即BMS)判断是否让加热器工作，使电池保持在合理的温度范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池模组加热系统以及电池模组，要解决的技术问题是使得加热更加均匀快速，提高加热效率，缩短加热时间，减少能量消耗， 使得电池模组更加安全可靠，电池管理系统通过读取PTC加热元件的电阻值，从而实时获取电池模组中每个电池单元的当前工作温度，无需再使用其他温度传感器，减少了部件的设置，降低了生产成本。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：一种电池模组加热系统，包括与电池管理系统连接的加热系统，所述加热系统包括绝缘固定板以及至少设有一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件，在绝缘固定板上设有至少一个容置孔，PTC发热元件设于绝缘固定板的容置孔内，所述PTC发热元件的两侧表面上分别设有金属电极板，PTC发热元件的两侧表面分别与金属电极板的内侧面贴合，在两块金属电极板上分别设有一个引脚，所述PTC发热元件的正极与其中一块金属电极板表面接触，负极与另一块金属电极板的表面接触，两块金属电极板的引脚分别通过引线与电池管理系统连接，金属电极板的外侧表面上设有绝缘薄膜，绝缘薄膜的外侧表面上设有导热硅胶垫；当电池模组的工作环境为低温状态下时，PTC发热元件给电池模组加热；当电池模组处于工作状态时，电池管理系统通过读取PTC发热元件的电阻值来获取当前电池模组的温度。

本发明所述的PTC发热元件为PTC陶瓷热敏电阻元件。

本发明所述的绝缘固定板为塑料材料制成。

本发明所述的绝缘固定板上的容置孔设有二个以上，两个以上的容置孔间隔设置在绝缘固定板上，相邻两个容置孔之间均设有绝缘部，PTC发热元件分别设于容置孔内。

一种电池模组，包括若干组电池单元，所述电池模组还包括电池模组加热系统，每组电池单元的电池芯外壳至少有一侧或电池单元的其中一正/负电极与加热系统的其中一侧表面紧密接触，所述加热系统与电池单元之间通过紧固件紧固。

本发明所述的PTC发热元件为PTC陶瓷热敏电阻元件。

本发明所述的绝缘固定板为塑料材料制成。

本发明的相邻的电池单元的电极分别相对设置。

本发明的每组电池单元的其中一正/负电极与加热系统的其中一侧表面紧密接触。

本发明所述的紧固件为螺杆。

本发明与现有技术相比，通过在两组电池单元之间设置具有至少一个PTC加热元件的电池模组加热系统，使电池模组加热系统的表面与电池单元的电池芯外壳或电极紧密接触，对电池单元中的每个电池芯进行加热，使电池芯升温速率快，各电池芯之间的温差小，提高加热效率，减少能量消耗，在电池模组正常工作后，电池管理系统通过读取PTC加热元件的电阻值，从而实时获取电池模组中每个电池单元的当前工作温度，无需再使用其他温度传感器，减少了部件的设置，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明的电池模组加热系统的外部结构示意图。

图1-1是图1的左视图。

图2是本发明的电池模组加热系统的内部结构示意图。

图3是本发明的电池模组加热系统与电池模组之间的第一种连接结构示意图。

图4是本发明的电池模组加热系统与电池模组之间的第二种连接结构示意图。

图5是本发明的电池模组加热系统与电池模组之间的第三种连接结构示意图。

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说明。

如图1、1-1和图2所示，本发明的电池模组加热系统，包括与现有技术的 电池管理系统连接的加热系统2，它包括至少具有一个容置孔10的绝缘固定板4，绝缘固定板4可以为一个矩形板，绝缘固定板4可由塑料材料制成；在绝缘固定板4的容置孔10内设有至少一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的的PTC发热元件3，PTC发热元件3优选为PTC陶瓷热敏电阻元件；PTC发热元件3可平铺在绝缘固定板4的容置孔10中，绝缘固定板4用于固定PTC发热元件3，其具有一定的机械强度，具有比较高的耐温性，具有绝缘性；在PTC发热元件3的两侧表面上分别设有金属电极板5，每块金属电极板5上均设有引脚8，两块金属电极板5的表面与PTC发热元件3的两侧表面紧密贴合的同时，PTC发热元件3的正极还与其中一块金属电极板5表面接触，负极与另一块金属电极板5的表面接触，两块金属电极板5的引脚8分别通过引线与电池管理系统连接，在金属电极板5的外侧表面上附着有绝缘薄膜6，保证加热系统表面不带电，实现加热系统的第一级绝缘，在绝缘薄膜6的外侧表面上设有导热硅胶垫7，导热硅胶垫7具有良好的导热性和绝缘性，热量可以迅速的传到出来，并实现加热系统的二级绝缘。

当电池模组的工作环境为低温(0摄氏度)状态下时，PTC发热元件3给电池模组加热；当电池模组处于工作状态时，电池管理系统通过读取PTC发热元件3的电阻值来获取当前电池模组各电池单元的温度；当加热系统处于不加热状态时，加热系统2作为无源的电池热传导装置，互相传导电池单元内电池芯之间以及相邻两组电池单元的温度，使电池模组内的温度差缩小。通过PTC发热元件3替代温度传感器，减少了原设置温度传感器所必须的导线，降低电池模组的成本。

如图2所示，容置孔10优选设有二个以上，两个容置孔10间隔设置在绝缘固定板4上，在相邻的两个容置孔10之间均设有绝缘部9，每个容置孔10内设有一个PTC发热元件3。

如图3所示，电池模组包括若干组电池单元1，电池模组还包括电池模组加 热系统2，加热系统2设于相邻两组电池单元1之间，加热系统2包括具有至少一个容置孔10的绝缘固定板4，绝缘固定板4可以为一个矩形板，绝缘固定板4由塑料材料制成；在绝缘固定板4的容置孔10内设有一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件3，PTC发热元件3优选为PTC陶瓷热敏电阻元件；PTC发热元件3可以平铺在绝缘固定板4的容置孔10中，绝缘固定板4用于固定PTC发热元件3，其具有一定的机械强度，具有比较高的耐温性，具有绝缘性；在PTC发热元件3的两侧表面上、绝缘固定板4的容置孔10内设有金属电极板5，金属电极板5的表面与PTC发热元件3的两侧表面紧密贴合的同时，PTC发热元件3的正极还与其中一块金属电极板5表面接触，负极与另一块金属电极板5的表面接触，两块金属电极板5的引脚8分别通过引线与电池管理系统连接，在金属电极板5的外侧表面上附着有绝缘薄膜6，保证加热系统表面不带电，实现加热系统的第一级绝缘，在绝缘薄膜6的外侧表面上设有导热硅胶垫7，导热硅胶垫7具有良好的导热性和绝缘性，热量可以迅速的传到出来，并实现加热系统的二级绝缘；

每组电池单元1的电池外壳至少有一侧或电池单元1的其中一正/负电极与加热系统2的其中一侧表面(导热硅胶垫7的表面)紧密接触，加热系统2与电池单元1之间通过紧固件紧固，使加热系统2与电池单元1相互压紧，紧固件优选为螺杆。

此时导热硅胶垫7可充分与电池芯外壳或电极紧密接触，给加热系统的电极板施加电压后，PTC发热元件3通电，PTC发热元件3产生的热量首先传导到金属电极板5，由于金属良好的导热性能，热量会迅速在金属电极板5的平面方向传导，分布于金属电极板5平面的热量可通过很薄的绝缘薄膜6传导至导热硅胶垫7，导热硅胶垫7再将热量均匀地传导至紧密接触的电池芯外壳或电极， 即可将热量迅速传导至电池芯内部，达到给电池芯加热的目的，实现电池模组高效均匀地加热。

优选地，每组电池单元1之间的电极相对设置，即一组电池单元1的正极与另一组电池单元1的负极相对，以此类推进行排列，组成串联连接，每个加热系统2的一侧表面与每组电池单元1的电极紧密贴合。

如图3所示，为本发明的电池模组的第一种排列方式，以2、1、2、1、2、1、……、2的方式间隔设置，其中2为加热系统，1为电池单元，优选为电池单元的正极和负极均分别与加热系统的侧面贴合。

如图4所示，本发明的电池模组的第二种排列方式，以1、2、1为一组的方式设置，其中1为电池单元，2为加热系统，这种设置，只需要保证每个电池单元的电池外壳一侧或一正/负极与加热系统贴合即可，尽量的减少加热系统的数量，在保证加热效果不变的前提下，降低电池模组的重量，优选为电池单元的一正或负极与加热系统的侧面贴合即可。

如图5所示，本发明的电池模组的第三种排列方式，以1、2、1、2、1、2、……、1的方式间隔设置，其中1为电池单元，2为加热系统，这种排列方式的最外侧的两个电池单元只有一侧或一正/负极与加热系统贴合，可以防止加热系统对外部的环境温度造成影响；优选为电池单元的一正或负极与加热系统的侧面贴合。

在本发明的加热系统在不通电发热时，由于加热系统和电池单元处于同一个环境下，而且其具有良好的横向和纵向导热性，这种结构使热量可以有效的在电池单元中的每个电池芯相互快速传导，因此PTC发热元件的温度与电池芯的温度基本相同。电池管理系统(即BMS)可通过检测PTC发热元件的电阻数值计算出每个电池单元中的电池芯的实时温度，及时调控整个电池组的工作状态，无需再使用其他温度传感器。

本发明的加热系统的发热元件是PTC热敏电阻陶瓷元件，可在设定的温度范围内安全工作，永不超温；安装位置不同于现有的PTC加热板，其内置于电池组内部相邻的电池单元之间，加热系统直接和电池单元中的电池芯接触，给每个电池芯加热，热量直接传导给各个电池芯，因而电池芯升温速率快，各个电池芯之间的温差小，同时内置的结构让其产生的热量几乎全部传递给电池芯，加热效率高，能量消耗少。以下为本发明与PTC加热板加热效果的试验对比数据，表1为传统设置在电池单元侧面上的PTC加热板的加热数据，表2为本发明的电池模组加热系统的加热数据，两者加热时的环境温度为-20℃

表1

序号

0min

30min

60min

90min

120min

升温速率

1

-20.1℃

-14.2℃

2.3℃

14.9℃

20.6℃

0.34℃/min

2

-19.8℃

-15.2℃

-8.3℃

1.1℃

8.6℃

0.24℃/min

3

-20℃

-14.3℃

7.4℃

19.6℃

25.4℃

0.378℃/min

4

-20.2℃

-15.8℃

-5.9℃

3.5℃

11.2℃

0.26℃/min

最大温差

0.4℃

1.6℃

15.7℃

18.5℃

16.8℃

表2

序号

0min

30min

60min

90min

120min

升温速率

1

-20.4℃

-2.8℃

13.1℃

25.2℃

32.6℃

0.44℃/min

2

-20.1℃

-4.9℃

9.7℃

21℃

29.7℃

0.42℃/min

3

-20.3℃

-2.2℃

14.4℃

26.5℃

33.4℃

0.45℃/min

4

-20.1℃

-5.2℃

10℃

21.6℃

30.1℃

0.42℃/min

最大温差

0.3℃

3.0℃

4.7℃

5.5℃

3.7℃

从表中可知，本发明的升温速度要快于传统的PTC加热板的升温速度。

绝缘安全性好，本发明的加热系统采用绝缘薄膜和导热硅胶垫实现双层绝缘结构，确保PTC加热元件与电池电极良好的绝缘性能，内置于电池组内部相邻的电池单元之间，相邻的电池组单元接触加热器的两个平面是等电势差，即电势差为零，加热元件内置其中不存在使电池组单元短路的缺陷，无短路风险，区别于申请号为201510634026.6的发明专利申请的加热器结构，本发明的 产品结构设计更加安全。

加热均匀，本发明的加热系统在不发热工作时可作为无源的电池热传导装置，本发明的加热元件最外层的导热硅胶板全部接触电池单元中的每个电池芯，导热硅胶板贴合在金属电极板上面，具有良好的横向和纵向导热性，这种结构使热量可以有效的在电池组单元中的每个电池芯相互快速传导，因而在加热系统停止加热工作后各个电池芯的热量继续传导，使各个电池芯的温差缩小；使用一段时间的电池模组内部的电池芯会有不同程度的老化，其内阻会变大，个别电池芯内阻变化幅度远远超过平均值，电池芯内阻越大在放电时产生的热量越多。因此在放电时每个电池芯的温度不同，此加热系统中的导热硅胶和金属电极板可以起到均衡电池单元中的电池芯的温度，使各个电池芯的温差缩小，因而本发明的加热系统可作为无源的电池热传导装置，缩小各个电池芯之间的温差，从而提高电池的性能和寿命。表3为热传导试验的数据。

表3：停止加热后一小时的温度变化值，环境温度-20℃

序号	0min	15min	30min	45min	60min
						1	32.6℃	32.1℃	29.2℃	27.8℃	26.5℃
2	29.7℃	29.8℃	27.9℃	26.4℃	25.8℃
						3	33.4℃	32.2℃	29.9℃	27.9℃	26.7℃
4	30.1℃	30.4℃	28.5℃	27.4℃	26.2℃
						最大温差	3.7℃	2.4℃	2.0℃	1.5℃	0.9℃

本发明的加热系统可提高整个电池组的抗振动、抗扭曲性能。因分布于每个电池模组单元间的导热硅胶垫为柔性材料，可在电池组受到外力冲击时发挥一定的缓冲作用，使电池模组可承受更大的外力冲击，提高了电池模组的安全性；

本发明的加热系统可在不发热工作的情况下替代传统的温度传感器，并无需再使用其他温度传感器。即加热系统的PTC发热元件为正温度系数热敏电阻元件，可以将温度数值转化为电阻数值反馈给电池管理系统(即BMS)，除了 可以判断是否让加热系统通电工作以及加热后电池是否达到合适的工作温度，同时在电池已正常工作时可实时监测电池的温度，防止温度过高而引起安全事故。并且减少了原温度传感器所必需的导线，降低了电池模组的成本。

Claims (10)

1.一种电池模组加热系统，包括与电池管理系统连接的加热系统(2)，其特征在于：所述加热系统(2)包括绝缘固定板(4)以及至少设有一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件(3)，在绝缘固定板(4)上设有至少一个容置孔(10)，PTC发热元件(3)设于绝缘固定板(4)的容置孔(10)内，所述PTC发热元件(3)的两侧表面上分别设有金属电极板(5)，PTC发热元件(3)的两侧表面分别与金属电极板(5)的内侧面贴合，在两块金属电极板(5)上分别设有一个引脚(8)，所述PTC发热元件(3)的正极与其中一块金属电极板(5)表面接触，负极与另一块金属电极板(5)的表面接触，两块金属电极板(5)的引脚(8)分别通过引线与电池管理系统连接，金属电极板(5)的外侧表面上设有绝缘薄膜(6)，绝缘薄膜(6)的外侧表面上设有导热硅胶垫(7)；当电池模组的工作环境为低温状态下时，PTC发热元件(3)给电池模组加热；当电池模组处于工作状态时，电池管理系统通过读取PTC发热元件(3)的电阻值来获取当前电池模组的温度。

2.根据权利要求1所述的电池模组加热系统，其特征在于：所述PTC发热元件(3)为PTC陶瓷热敏电阻元件。

3.根据权利要求1所述的电池模组加热系统，其特征在于：所述绝缘固定板(4)为塑料材料制成。

4.根据权利要求1所述的电池模组加热系统，其特征在于：所述绝缘固定板(4)上的容置孔(10)设有二个以上，两个以上的容置孔(10)间隔设置在绝缘固定板(4)上，相邻两个容置孔(10)之间均设有绝缘部(9)，PTC发热元件(3)分别设于容置孔(10)内。

5.一种电池模组，包括若干组电池单元(1)，其特征在于：所述电池模组还包括如权利要求1所述的电池模组加热系统，每组电池单元(1)的电池芯外壳至少有一侧或电池单元(1)的其中一正/负电极与加热系统(2)的其中一侧表面紧密接触，所述加热系统(2)与电池单元(1)之间通过紧固件紧固。

6.根据权利要求5所述的电池模组，其特征在于：所述PTC发热元件(3)为PTC陶瓷热敏电阻元件。

7.根据权利要求5所述的电池模组，其特征在于：所述绝缘固定板(4)为塑料材料制成。

8.根据权利要求5所述的电池模组，其特征在于：相邻的电池单元(1)的电极分别相对设置。

9.根据权利要求8所述的电池模组，其特征在于：每组电池单元(1)的其中一正/负电极与加热系统(2)的其中一侧表面紧密接触。

10.根据权利要求5至9任意一项所述的电池模组，其特征在于：所述紧固件为螺杆。