CN106602177B - 一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统及控制方法，主要包括软包电芯模组、加热器、温度采集器和BMS，所述的加热器表面采用绝缘处理，加热器贴在软包电芯模组顶部的的汇流排上，模组盖板压紧加热膜，使加热膜紧贴汇流排，温度采集器探头设置在模组汇流排上，加热膜和温度采集器连接BMS。热能传递的路径为：加热器‑汇流排‑极耳‑铜铝箔‑正负极材料‑隔膜‑电解液‑铝塑膜‑电芯外部零部件，热能通过极耳从电芯内部向外传热，其转热路径更合理，加热效率高。

Description

一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统及控制方法。
背景技术
未来的动力电池是新能源汽车发展的核心环节。先进动力电池材料的发展对于新能源汽车降低成本、提高实用性具有重要作用。以锂离子电池为代表的动力电池材料，是新能源汽车发展的关键技术。然而锂离子电池对使用温度的要求很高，要求其充电温度在零度以上。如果锂离子电池自身温度过低，轻者导致无法充电，重者造成电池内部短路，起火爆炸。
现有软包电芯模块的动力电池加热方案通常采用底部和侧面两种加热方案。底部加热方案是将发热元件置于电池模组底部，其加热路径是由下向上，由外向内加热电芯，传热路径较长，且软包电芯底面不平整，传热性能较差；侧面加热方案是将发热元件置于电池模组或电芯侧面，其发热路径也是由外向内加热电芯，侧面加热方案也存在表面不平整，传热性能差的缺点，同时，由于软包动力电池动辄上百个电芯，侧面加热需要上百个加热元件串并联，涉及数百个接插件，成本高，可靠性较低。
现有的底部或侧面加热方案，在车辆行驶过程中，加热器易受挤压，导致加热器损坏，安全可靠性低。
现有的加热方案其热能传递路径为加热器-塑料壳-固定胶-铝塑膜-电解液-隔膜-正负极材料-铜铝箔-极耳-汇流排。而影响电池低温充电性能的关键部位是正负极材料和铜铝箔，因此现有的加热方案其热能传递路径不合理，加热效率较低。
另外，现有的底部和侧面方案还存在对空间结构要求较高的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空间结构要求低、高效率、成本低、安全可靠的适用软包动力电池的模组顶部加热系统及控制方法，为此，本发明提供以下技术方案：
一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统，主要包括软包电芯模组、加热器、温度采集器和BMS(电池管理系统)，所述根据软包电芯模组的形状特征以及在电池包里的安装位置，将加热器制成相应的形状，加热器表面采用绝缘处理，将加热器贴在模组的汇流排上，扣紧模组盖板，使其压紧加热膜，温度采集器探头设置在模组汇流排上，加热膜和温度采集器连接BMS。
在采用上述技术方案的基础上，根据汇流排和极耳材质不同，本发明所述加热器所对应的不同区域采用不同发热密度，正极汇流排与负极汇流排所对应加热器发热密度比值为2:1。
在采用上述技术方案的基础上，本发明采用传热路径为：
加热器-汇流排-极耳-铜铝箔-正负极材料-隔膜-电解液-铝塑膜-电芯外部零部件。
在采用上述技术方案的基础上，本发明采用以下控制方法：
1)电池充电之前，温度采集器采集汇流排初始温度T0；
2)根据T0计算所需加热时间Δt；
3)BMS为加热器供电，供电时间为Δt，然后切断加热电路，切换为充电电路。
所述加热时间采用以下的计算方法：
采用实验测试确定电池在零下20度加热至零度所需的总时间t20，加热所需时间为：Δt＝t预+|T0|/(20/(t20-t预))。预热时间t预可通过采集模组内部电芯底部表面温度确定或由试验确定，预热时间t预为电池模组的参数，在电池模组使用过程中，可视为常数。
由于采用本发明的技术方案，其有益效果为：
1.采用顶部加热方案，热能传递的路径为：加热器-汇流排-极耳-铜铝箔-正负极材料-隔膜-电解液-铝塑膜-电芯外部零部件，热能通过极耳从电芯内部向外传热，其转热路径更合理，加热效率高；
2.模组顶端汇流排表面比较平整，有利于加热器的贴合，接触热阻小，加热效率高；
3.加热器根据模组外形特征和安装位置制备，安装空间小，结构紧凑，结构适应性强；
4.加热器贴在汇流排上再用盖板压紧，安全可靠。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统结构示意图。
图2为实例所述的零下20度加热测试模组顶部加热器表面和汇流排温度变化曲线。
图3为实例所述的零下20度加热测试模组内电芯表面温度变化曲线。
图4为实例所述的零下20度加热仿真模组温度分布云图。
具体实施方式
以下实例用于说明本发明。
如图1所示，某软包动力电池包的模组顶部加热系统示意图，主要包括机箱5、软包电芯模组3、加热器2、温度采集器4和BMS(电池管理系统)，所述根据软包电芯模组的形状特征以及在电池包里的安装位置，将加热器2制成相应的形状，加热器2表面采用绝缘处理，将加热器2贴在模组3的汇流排上，扣紧模组盖板1，使其压紧加热膜2，温度采集器4探头设置在模组3汇流排上，加热膜2和温度采集器4连接BMS。
本实例采用的加热器为PI加热膜，正极汇流排区域和负极汇流排区域所对应加热器发热功率为0.6W/cm2,0.3W/cm2。
对电池包进行一次低温加热测试，将电池包温度下降至-20度，使用加热器对电芯模组进行加热，得到电池包内部各点温度变化曲线(如图2、3所示)，图2所示加热膜表面最大温度为80度左右，与加热膜直接接触的零部件为塑料盖板(熔点大于120度)和汇流排(金属材质)，属于安全温度范围；图2所示汇流排表面最大温度为60度左右，与汇流排直接接触的零部件分别为加热器、塑料支架、电芯极耳，均在材料的安全使用温度范围内；图3所示电芯(除极耳)表面温度最值达到0度，符合充电要求；通过数值仿真(图4所示)和测试手段相结合得出极耳根部最高温度为26度左右，处于电池理想温度范围以内，安全可靠。
记录加热总时间t20＝80分钟，并通过采集模组内部电芯表面温度确定预热时间t预＝10分钟；加热所需时间为：Δt＝80+|T0|/(20/70)。
在本发明的一个具体实施例中，环境初始温度为-10度，充电开始时，BMS根据采集器4所采集的温度结合加热时间公式计算出加热所需时间为45分钟。BMS为加热器供电加热45分钟后切断加热器电源，并切换为电池充电电路。
加热结束时，加热膜表面最大温度也为80度左右，汇流排表面最大温度为60度左右，均在材料的安全使用温度范围内；电芯表面最低温度达到0度以上，极耳根部最高温度为25度左右，符合充电要求。

Claims (2)

1.一种适用软包动力电池的模组顶部加热系统，包括软包电芯模组、加热器、温度采集器和BMS，所述的加热器表面采用绝缘处理，加热器贴在软包电芯模组顶部的汇流排上，模组盖板压紧加热膜，使加热膜紧贴汇流排，温度采集器探头设置在模组汇流排上，加热膜和温度采集器连接BMS；所述BMS为加热器供电时，传热路径依次为：加热器-汇流排-极耳-铜铝箔-正负极材料-隔膜-电解液-铝塑膜-电芯外部零部件；所述加热器所对应的不同区域采用不同发热密度，正极汇流排与负极汇流排所对应发热密度比值为2:1；所述加热器为PI加热膜，加热器形状与软包电芯模组顶部形状相一致。
2.一种如权利要求1所述的软包动力电池的模组顶部加热系统的控制方法，其特征在于：
1)电池充电之前，温度采集器采集汇流排初始温度T0；
2)根据T0计算所需加热时间Δt；所述加热时间Δt采用以下方法确定：
2.1)测试确定电池在零下20度加热至零度所需的总时间t20，
2.2)加热所需时间为：Δt＝t预+|T0|/(20/(t20-t预))，其中t预为预热时间,通过采集模组内部电芯底部表面温度确定；
3)BMS为加热器供电，供电时间为Δt，然后切断加热电路，切换为充电电路。
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