CN106129527A - 一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置，该液冷装置包括闭合的液冷管道和设置于液冷管道内部的导热冷却液，液冷管道包括交替设置的金属管道和绝缘管道，金属管道与锂离子电池组的极耳集流片贴合相连，用于对锂离子电池组极耳导热，绝缘管道用于连接金属管道；液冷管道还包括可开闭的入液口和出液口，用于导入和导出所述导热冷却液，导热冷却液为具有导热冷却功能的绝缘液体。本发明中利用导热回路将锂离子电池组不同位置极耳连接并注满导热冷却液，解决了电池组在充放电过程中不同位置电池极耳温度存在差异的问题，具有良好的均热效果，且该装置结构简单，易于拆卸和扩展，适用于不同组合的锂离子电池。

Description

一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置
技术领域
本发明涉及锂电池热管理技术领域。更具体地，涉及一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严峻，电动汽车正在逐步替代传统动力汽车，电动汽车目前已经成为汽车行业的一大分支。锂离子动力电池因其优异的倍率性能、长寿命、安全等优点，已经成为目前电动汽车的首选电池，得到整个行业的认可。
在电动汽车中，电池、电机、电控单元是最重要的三个部分。其中，电池技术的发展是影响电动车发展的最主要的原因。动力电池在电动汽车上扮演一个能量存储者，将电网中的能量、车辆刹车时多余的能量等存储至电池中，在行驶时将电池中的能量放出，以提供整车运行的需要。电池性能的好坏对电动车整体的驱动能力和能量效率有很大影响，而电池的性能又对电池所处的温度十分的敏感。在锂离子动力电池的使用中，比较重要的是电池的一致性、使用环境的温度差、连接内阻差异等等，而其中，温度差异性对锂离子动力电池的影响最大，一般来说，锂离子动力电池的最佳使用温度在20℃～45℃之间，但是由于整车的运行环境比较复杂，低温可能至零下20℃，高温可能至55℃，温度非常不稳定。
温度因素对电池性能的影响主要表现在一致性及循环寿命方面。众所周知，若电池组的温度分布出现显著的温度梯度，则电池组中各个单体电池的状态会表现出显著的不一致性，势必严重影响电池的性能以及稳定运行。通常，温度超过45℃，甚至更高的温度时，电池的寿命将明显缩短。值得注意的是，温度不仅仅会影响电池的性能，在高温时还可会引发安全问题。例如，极端高温条件下，锂电池内部电解液发生分解反应以及正负极材料与电解液发生副反应，持续生热很可能造成极端热失控。因此，从电池组寿命和系统稳定运行的角度看，电池组散热/均热方法非常重要。
电池是分正负极的，极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体，通俗的说电池正负两极的耳朵是在进行充放电时的接触点。电池组在充放电过程中不同位置极耳存在温度差异，影响电池的性能液冷散热技术作为一种高效的散热方案在电池温控方面具有显著的优势，但目前的电池组液冷装置都是针对电池组体的液冷装置，结构复杂，可拆卸性差，且对电池正负极的均热效果一般。
因此，需要提供一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够基于液冷原理调节锂离子电池组不同位置极耳温度差异的液冷装置。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置，该液冷装置包括闭合的液冷管道和设置于液冷管道内部的导热冷却液，液冷管道包括交替设置的金属管道和绝缘管道，金属管道与锂离子电池组极耳集流片贴合连接，用于对锂离子电池组极耳导热，绝缘管道用于连接金属管道；液冷管道还包括可开闭的入液口和出液口，用于导入和导出导热冷却液，导热冷却液为具有导热冷却性能的绝缘液体。
优选地，液冷装置还包括设置于入液口和出液口之间的循环管道，循环管道内设置有循环泵，用于循环导热冷却液，循环管道为绝缘管道。
优选地，循环管道内还设置有储液箱，用于存储导热冷却液。
优选地，循环管道内还设置有过滤器，用于过滤导热冷却液中的杂质。
优选地，循环管道内还设置有制冷器，用于对导热冷却液进行制冷处理。
优选地，液冷装置还包括温度检测系统和电池管理系统，温度检测系统用于检测锂离子电池组极耳集流片的温度和导热冷却液的温度，电池管理系统用于采集温度检测装置检测的温度值，还用于根据温度值调整循环泵的循环速度和制冷器制冷温度。
优选地，液冷装置还包括紧固装置，用于将该液冷装置紧固于电池组上。
优选地，金属管道与锂离子电池组极耳集流片贴合连接采用铆接或焊接方式。
优选地，金属管道与绝缘管道连接方式为粘结连接。
优选地，金属管道与绝缘管道连接方式为卡扣连接或螺纹连接。
进一步优选地，金属管道与绝缘管道连接处还设置有用于密封的密封圈。
本发明的有益效果如下：
1.本发明中的基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置，利用导热回路将锂离子电池组不同位置极耳连接并注满导热冷却液，解决了电池组在充放电过程中不同位置电池极耳温度存在差异的问题，具有良好的均热效果。
2.本发明中的基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置，通过设置循环管道和循环泵，加速了制冷过程，保证了电池组工作在合适的工作范围内，进而提高了电池组的工作寿命。
3.本发明中的基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置通过设置电池管理系统和温度检测系统，实现了电池组温度调节的自动化和精准化控制。
4.本发明中的基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置结构简单，易于拆卸，适用于不同组合的锂离子电池。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出单体电池构成电池组的串并联方式示例图。
图2示出一个用于3并5串电池组的装置的实施例立体结构示意图。
图3示出一个实施例中电池单体组成电池组结构示意图。
图4示出液冷装置与电池组连接位置示意图。
图5示出液冷装置液冷管道分布图。
图6示出另一个实施例中液冷装置结构示意图。
图7示出仿真温度分布效果图。
图8示出无液冷装置0.5C温度分布图。
图9示出有液冷装置0.5C温度分布图。
图10示出无液冷装置0.75C温度分布图。
图11示出有液冷装置0.75C温度分布图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
锂离子电池单体构成电池组有多种连接方式，常用的连接方式为串联连接、并联连接和串并联混合连接。下面以6个单体电池组成电池组的情况为例进行说明，多个电池单体组成电池组的情况与之类似：如图1所示，图中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别表示6个单体电池以不同连接方式组成电池组，其中(a)表示6个单体电池串联形成电池组，记为6串；(b)表示3个单体电池串联形成串联支路，然后2个串联支路并联形成电池组，记为3串2并；(c)表示2个单体电池串联形成串联支路，然后3个串联支路并联形成电池组，记为2串3并，(d)表示2个单体电池并联形成并联电池，然后3个并联电池串联形成电池组，记为2并3串，(e)表示3个单体电池并联形成并联电池，然后2个并联电池串联形成电池组，记为3串2并，(f)表示6个单体电池并联形成电池组，记为6并。
本发明中，如图2所示，一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置，该液冷装置包括闭合的液冷管道和设置于液冷管道内部的导热冷却液，液冷管道包括交替设置的金属管道和绝缘管道，金属管道与锂离子电池组的极耳集流片贴合连接，用于对锂离子电池组极耳导热，绝缘管道用于连接金属管道；液冷管道还包括可开闭的入液口和出液口，用于导入和导出导热冷却液，导热冷却液为具有导热冷却性能的绝缘液体。
应注意的是，本发明中的基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置适用于不同连接的锂离子电池组，也不仅限于电动汽车动力电池组，还能应用于其他电力储能领域的电池组。
以下为本发明的一个实施例：
以3并5串电池组为例，如图3所示，该锂离子电池组包括15个电池单体，每3个单体电池并联连接形成1个并联电池，共5个并联电池串联连接组成该3并5串电池组。该电池组每个单体电池为长方体结构，15个单体电池并排放置组成一个长方体结构的电池组，电池组的极耳集流片分布在电池组的上表面，温度点的分布情况如图4所示。第一并联电池负极连接温度点1，正极连接温度点2，第二并联电池负极连接温度点3，正极连接温度点4，第三并联电池负极连接温度点5，正极连接温度点6，第四并联电池负极连接温度点7，正极连接温度点8，第五并联电池负极连接温度点9，正极连接温度点10。
如图5所示，应用于该3并5串电池组的基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置包括6个金属管道和6个绝缘管道，第一金属管道与第一并联电池负极贴合连接，第二金属管道与第一并联电池正极以及第二并联电池负极贴合连接，第三金属管道与第二并联电池正极以及第三并联电池负极贴合连接，第四金属管道第三并联电池正极以及第四并联电池负极贴合连接，第五金属管道第四并联电池正极以及第五并联电池负极贴合连接，第六金属管道与第五并联电池正极贴合连接。6个绝缘管道与6个金属管道交替设置，形成该装置的液冷管道，液冷管道内部注满具有导热冷却性能的绝缘液体，作为该装置的导热冷却液。第一金属管道上设置入液口，用于导入导热冷却液，第六金属管道上设置出液口，用于导出导热冷却液。
本实施例中，液冷管道整体形状为矩形，截面形状为方形，应注意的是，液冷管道的形状可为其他形状，不影响其功能的实现即可。本实施例中，金属管道选取材质为金属铜，选取亚克力管作为绝缘管道，金属管道与绝缘管道之间通过粘接的方式连接，应注意的是，液冷管道材质与连接方式不限于本实施例中的材质与连接方式，且若采用卡扣或螺纹连接时，可相应的设置用于密封的密封圈。卡扣或螺纹连接能使装置的可拆卸和可扩展性增强，即可以灵活的用于不同电池组。本实施例中，导热冷却液使用的是BOSCH品牌的冷却液，其沸点很高，在通常条件下不导电、不分解。
其工作原理为：电池组在充放电过程中，不同位置的电池极耳存在温度差异。通过本发明的装置，金属管道能及时导出极耳部分的热量，通过液冷管道内的导热冷却液将热量转移。因为液冷管道是闭合回路，所以达到不同位置极耳均热散热的目的。
以下为本发明的又一个实施例：
如图6所示，液冷装置还包括设置于入液口和出液口之间的循环管道。循环管道内设置有循环泵，用于循环导热冷却液；循环管道为绝缘管道，循环泵的循环速度可调，不同的循环速度对应不同的散热均热效果。循环管道内还设置有储液箱，用于存储导热冷却液，充足的导热冷却液能更好的保证该装置温度的稳定性。循环管道内还设置有过滤器，用于过滤导热冷却液中的杂质。循环管道内还设置有制冷器，用于对导热冷却液进行制冷处理。液冷装置还包括温度检测系统和电池管理系统，温度检测系统用于检测锂离子电池组极耳集流片的温度和导热冷却液的温度，电池管理系统用于采集温度检测装置检测的温度值，还用于根据温度值调整循环泵的循环速度、制冷器制冷处理模式选择和制冷强度。应注意的是，循环泵、储液箱、过滤器和制冷器在管道内的位置不影响其功能的实现，图6仅为一个实施例中的一种连接方式。
其工作方式为：电池管理系统通过温度检测系统对液冷装置不同位置温度进行采集，通过分析处理，得知该装置当前温度状况：若整体温度高于锂离子电池组的最佳工作温度，则开启制冷器，且根据温度差值的大小调节制冷器的制冷强度；若各极耳温度差值大于设定阈值，则加快循环泵循环速度，提升均热效率。应注意的是，电池管理系统与理想温度差值的大小设定制冷强度。
本发明为了测试有无散热均热装置的温度分布效果，利用ANSYS仿真软件进行仿真，其分布效果如图7示。
图8至图11分别示出了0.5C和0.75C放电倍率下的温度测试结果。温度测试过程如下：将J型热电偶一端接入数据采集开关单元，另一端固定在电池组上。安捷伦34972A型号的数据单元采集器总共有10个通道，本测试使用了10个通道，并记录热电偶接入数据采集器的通道数字，用标签号贴在对应的热电偶上，方便实验数据与通道的正确对应。该电池组是3并5串的形式，每块电池的容量是80Ah，电池组总的容量就是80*3＝240Ah，120A的数值对应的倍率就是120/240＝0.5C，180A的数值对应的倍率就是180/240＝0.75C。
分析图8至图11温度数值和趋势，电池组的温度分布仍然保持了中间高，两边低的特点。两端通道的温度由于所对应的热电偶接在充电正负母线的附近所以温度较高；同时电池组最中间部分通道温度较高，以中间通道为中心，往两边温度呈现下降的趋势。在有液冷装置的条件下，0.5C倍率下进行放电实验，最高温度为33.2℃，最低温度是30.84℃，温度极差为2.4℃左右，与无液冷装置时的实验结果相比较，温度极差由7℃缩小为2.4℃，而最高温度下降了3.2℃。在0.75C的倍率下进行放电实验，温度最高为34.8℃，最低温度为31.2℃，温度极差为3.6℃，与无液冷装置的时候相比，最高温度下降了1.6℃，温度极差缩小了3.6℃。
经过数据对比分析可知该液冷装置在散热/均热方面性能优良，特别是在均热方面与预期效果一致，并且该装置可批量生产，回路易根据电池串并联方式变换组装方法。液体散热均热回路中的液体可以静置不动，也可以外部循环提升电池系统冷却效果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种基于液冷的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，该液冷装置包括闭合的液冷管道和设置于所述液冷管道内部的导热冷却液，所述液冷管道包括交替设置的金属管道和绝缘管道，所述金属管道与锂离子电池组的极耳集流片贴合连接，用于对锂离子电池组极耳导热，所述绝缘管道用于连接所述金属管道；所述液冷管道还包括可开闭的入液口和出液口，用于导入和导出所述导热冷却液；所述导热冷却液为具有导热冷却性能的绝缘液体。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述液冷装置还包括设置于所述入液口和所述出液口之间的循环管道，所述循环管道内设置有循环泵，用于循环所述导热冷却液，所述循环管道为绝缘管道。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述循环管道内还设置有储液箱，用于存储所述导热冷却液。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述循环管道内还设置有过滤器，用于过滤所述导热冷却液中的杂质。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述循环管道内还设置有制冷器，用于对所述导热冷却液进行制冷处理。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述液冷装置还包括温度检测系统和电池管理系统，温度检测系统用于检测锂离子电池组极耳集流片的温度和所述导热冷却液的温度，所述电池管理系统用于采集所述温度检测装置检测的温度值，还用于根据所述温度值调整所述循环泵的循环速度和制冷器制冷温度。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述液冷装置还包括紧固装置，用于将该液冷装置紧固于电池组上。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述金属管道与锂离子电池组极耳集流片贴合连接采用铆接或焊接方式。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述金属管道与绝缘管道连接方式为粘结连接。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述金属管道与绝缘管道连接方式为卡扣连接或螺纹连接。
11.根据权利要求10所述的锂离子电池组极耳液冷装置，其特征在于，所述金属管道与绝缘管道连接处还设置有用于密封的密封圈。
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