CN106257742A - 车用动力电池系统温控系统 - Google Patents

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张海滨
翟冬
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Abstract

本发明揭示了一种车用动力电池系统温控系统,所述动力电池由电芯构成，所述电芯固定在由相互连通的导热微管所构成的换热体内，所述导热微管内填充有导热介质。本发明的优点在于不需要外部提供冷却介质和能源，电池包密封性提高，杜绝灰尘进入动力电池包内，堵塞散热风道，影响电池散热效率；此外系统制作方便，结构简单，成本降低，采用新型的微热管正向散热技术，冷却效率高，减少水在不同温度下体积变化带来的密封安全隐患，有效减小包内电芯单体之间的温差，提高动力电池包的安全性能和使用寿命。

Description

车用动力电池系统温控系统
技术领域
本发明涉及车用动力电池系统领域，尤其涉及锂电池系统温度控制领域。
背景技术
锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和寿命长等优点，目前在电动汽车电池系统中得到良好应用。其中18650锂离子动力电池是目前应用最广泛的卷绕型电池类型之一，它不仅应用于移动电源、笔记本电源等领域，也可应用在新能源汽车上，如美国的特斯拉公司选用了日本松下的三元18650动力电池作为其纯电动跑车的驱动电源。但车辆上空间有限，18650动力电池在工作中产生的大量热量受空间影响而累积，或低温时加热不便，造成各处温度不均匀从而影响电池单体的一致性，以及低温和高温使用都将降低电池充放电循环寿命，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性。为了使18650动力电池系统发挥最佳的性能和寿命，需要优化设计18650电芯的电池包的热管理系统。
目前存在以下诸多问题：
1、由于单体电池内阻大，使用过程中发热量较大，而且电池系统成组难度高，热管理系统设计复杂；
2、系统电芯个数较多，安全保护系统设计难度大，失效几率呈几何级数增加，热管理设计安全风险高；
3、单一使用自然或强制风冷：只能高温降温，不能在低温时加热，也不能对电池包有效密封，且长时间会使电池包内堆积灰尘，如果灰尘进入动力电池包内堵塞电池内部散热风道会造成电池散热效率降低，使电芯之间温差加大，会造成电池系统高温环境下无法正常工作；一旦灰尘吸入水分后，有造成内部绝缘降低，带来故障或安全等问题；
4、制冷剂冷却系统：制冷剂冷却系统的冷却介质是空调系统的制冷剂。空调系统的制冷剂经过冷凝器后形成两个分支，一路进入车辆的蒸发器用于乘员舱的冷气供应，一路经过膨胀后形成低温低压液体，用于集成在动力电池内部的制冷剂板进行热交换，把动力电池内部的热量带出，最后从两个分支出来的制冷剂又汇合进入压缩机，开始新一轮的循环。由于该种方案管路较长，制冷剂量大，成本也较高。
5、系统水冷方案：水冷系统无论是从技术研究、设计开发、制造、成本方面上考虑，均高于前两者，尤其是考虑到电池使用的安全性，对水冷系统的密封性提出了很高的要求，造成工艺复杂，成本升高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种不需要外部提供冷却介质和能源，能够有效解决锂电池温度问题的系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：车用动力电池系统温控系统,所述动力电池由电芯构成，所述电芯固定在由相互连通的导热微管所构成的换热体内，所述导热微管内填充有导热介质。
所述电芯外壁外设有导热护套。
所述导热护套由导热硅胶制成，所述导热护套外壁设有多个沿其周向设置的圆形凸棱，相邻所述凸棱之间的间隙用于夹持固定所述导热微管，
所述导热微管内填充有用于形成毛细现象的柔性多孔纳米碳纤维。
所述换热体由导热微管和填充在导热微管间隙内的导热填充胶构成。
所述换热体位于导热护套的中部位置，所述换热体包裹导热护套的高度占导热护套总长度的40％-70％。
所述导热介质为氯化钙、乙醇、乙二醇、二甲基亚砜、硼砂、钼酸钠、硝酸钠、磷酸钠、硅酸钠、苯并三唑、苯甲酸钠、2-巯基苯并噻唑钠、甲苯基三唑钠、聚乙二醇、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、亚甲基蓝中的一种或两种以上与水的混合液。
所述导热介质的配方为：占总质量63.7％的乙二醇、2％的硼砂、3.41％的乙二胺四乙酸二钠的水混合物。
用于生产所述车用动力电池系统温控系统的生产方法：
步骤1、按照电芯部件放置导热护套；
步骤2、将制作好的导热微管固定在导热护套外；
步骤3、在导热微管外灌导热胶制成换热体；
步骤4、在导热护套内安装电芯。
所述步骤2中制作好的导热微管内填充有导热介质，所述导热微管内的内压力为-0.06Mpa至-0.03Mpa。
本发明的优点在于不需要外部提供冷却介质和能源，电池包密封性提高，杜绝灰尘进入动力电池包内，堵塞散热风道，影响电池散热效率；此外系统制作方便，结构简单，成本降低，采用新型的微热管正向散热技术，冷却效率高，减少水在不同温度下体积变化带来的密封安全隐患，有效减小包内电芯单体之间的温差，提高动力电池包的安全性能和使用寿命。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为系统换热原理图；
图2、3为车用动力电池系统温控系统结构示意图；
上述图中的标记均为：1、电芯；2、导热微管；3、导热护套。
具体实施方式
当电动车高速运行时，电芯1大电流放电，因内阻高(30mΩ～40mΩ)产热量大，导致整个电池包内温度逐渐升高。这时电池继续放电，会产生约15℃-25℃的温升，电池包内局部温度会达到50℃-65℃的风险状态。(当然各种电池的温升值不等，但情况相似。)在此之前就必须对电池散热冷却，否则会因整包温度报警而不能继续使用，基于此问题，本发明车用动力电池系统温控系统将动力电池的电芯1固定在换热体内，换热体由相互连通的导热微管2所构成，导热微管2内填充有导热介质。导热微管2连通的最低要求是同层导热微管2相互连通。
导热介质受温度和毛细现象驱动从温度较高的一端(电芯1结构中部部位)，传导到温度较低的一端(散热片区域)，导热介质再回流到高温区，周而往复的将高温区的热量带到冷凝区散掉。反之，当电芯1需要加热时，对散热片区域进行热源输入，即可实现电芯1的加热啊，如图1所示，从而实现整个系统中液体流动和系统的加热与冷却。
为了提高热交换效果，导热微管2内填充柔性多孔纳米碳纤维，形成有效的溶剂凝结核，形成毛细现象，能够更加有利于提高导热介质换热效率。
为方便固定，电芯1外壁外设有导热护套3，以有效提高电芯1与导热微管2的接触，挤出空气从而提高表面的导热能力和效率，导热护套3由导热硅胶制成，导热护套3外壁设有多个沿其周向设置的圆形凸棱，相邻凸棱之间的间隙用于夹持固定导热微管2，即导热微管2镶嵌到导热护套3的凸棱槽内，同时为进一步保证系统整体结构稳定，换热体由导热微管2和填充在导热微管2间隙内的导热填充胶构成，导热体的外部灌胶密封处理方式(结构)，能够保障导热微管2的密封性，起到导热、固定电芯1的作用。
换热体位于导热护套3的中部位置，换热体包裹导热护套3的高度占导热护套3总长度的40％-70％，这样既能有效的保证换热效果，也能降低系统制作成本。
导热微管2内初始有一定的负压(-0.03Mpa～-0.06Mpa)，以降低液体相变温度，提高吸热能力；所用导热介质为：纯的氯化钙(CaCl2)、乙醇(C2H5OH，俗名酒精)、乙二醇(C2H4(OH)2，俗名甜醇)、二甲基亚砜、硼砂、钼酸钠、硝酸钠、磷酸钠、硅酸钠、苯并三唑、苯甲酸钠、2-巯基苯并噻唑钠、甲苯基三唑钠、聚乙二醇(600)、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、亚甲基蓝中的一种或两种以上与H2O(电导率在0.1us/cm(电阻值在10兆欧姆)以上)的混合液。
优选导热微管2内压力为-0.05Mpa，电芯1的发热量根据Q＝cpmΔT(式中:Q为发热量；cp为比容；m为质量；ΔT为温升。)计算出电芯1在标准需求下的最大发热量，调整冷却液配方(质量比)为：乙二醇63.7％、硼砂2％、乙二胺四乙酸二钠3.41％与H2O(电导率在0.1us/cm(电阻值在10兆欧姆)以上)的导热介质在36.5℃时，导热介质开始逐步气化吸热，热量通过导热护套3导到导热微管2，同时导热微管2内液体沿着填充柔性多孔纳米碳纤维形成的毛细管从高温处向低温度处流动，将热量带走，冷凝的导热介质又回流到温度高处形成循环，这样电池温度不会急剧升高，再结合外部风扇将热量带走，使整个电池系统最高维持在45℃的电池可工作状态。
上述车用动力电池系统温控系统的生产方法：
步骤1、按照电芯1部件放置导热护套3；
步骤2、将制作好的导热微管2固定在导热护套3外；
步骤3、在导热微管2外灌胶制成换热体；
步骤4、在导热护套3内安装电芯1。
这样的生产方式，不仅能够提高车用动力电池系统温控系统的制作效率，也能保证产品的质量，并方便后期检修维护。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.车用动力电池系统温控系统,所述动力电池由电芯构成，其特征在于：所述电芯固定在由相互连通的导热微管所构成的换热体内，所述导热微管内填充有导热介质。
2.根据权利要求1所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述电芯外壁外设有导热护套。
3.根据权利要求2所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述导热护套由导热硅胶制成，所述导热护套外壁设有多个沿其周向设置的圆形凸棱，相邻所述凸棱之间的间隙用于夹持固定所述导热微管。
4.根据权利要求1、2或3所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述导热微管内填充有用于形成毛细现象的柔性多孔纳米碳纤维。
5.根据权利要求4所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述换热体由导热微管和填充在导热微管间隙内的导热填充胶构成。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述换热体位于导热护套的中部位置，所述换热体包裹导热护套的高度占导热护套总长度的40％-70％。
7.根据权利要求1所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述导热介质为氯化钙、乙醇、乙二醇、二甲基亚砜、硼砂、钼酸钠、硝酸钠、磷酸钠、硅酸钠、苯并三唑、苯甲酸钠、2-巯基苯并噻唑钠、甲苯基三唑钠、聚乙二醇、氢氧化钠、乙二胺四乙酸二钠、亚甲基蓝中的一种或两种以上与水的混合液。
8.根据权利要求7所述的车用动力电池系统温控系统,其特征在于：所述导热介质的配方为：占总质量63.7％的乙二醇、2％的硼砂、3.41％的乙二胺四乙酸二钠的水混合物。
9.用于生产权利要求1-8中任一项所述车用动力电池系统温控系统的生产方法，其特征在于：
步骤1、按照电芯部件放置导热护套；
步骤2、将制作好的导热微管固定在导热护套外；
步骤3、在导热微管外灌导热胶制成换热体；
步骤4、在导热护套内安装电芯。
10.根据权利要求9所述的生产方法，其特征在于：所述步骤2中制作好的导热微管内填充有导热介质，所述导热微管内的内压力为-0.06Mpa至-0.03Mpa。
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