CN106785199B - 一种锂离子电池组电源散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池组电源散热装置，包括泄气阀1、电子控制板2、金属散热器3、泄压阀4、电池组5、输入输出插座8、混合工质9、金属散热容器10、蒸汽管道11、回流管道12；金属散热容器10为中空腔体结构其内部填充混合工质9；金属散热容器10上盖板上设置有泄气阀1、泄压阀4；金属散热容器10侧壁上设有输入输出插座8；金属散热容器10内设有电子控制线路板2、电池组5；金属散热容器10的上方设置有金属散热器3，金属散热容器10侧壁上设有蒸汽管道11、回流管道12，金属散热容器10、蒸汽管道11、散热器3、回流管道12顺序连接构成热混合工质循环通路，保证电源系统工作在适当的温度环境，有利于延长了电池工作寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池组电源散热装置，尤其是一种适应不同温度区域的锂离子电池组电源散热装置，用于防爆及高温环境的电源系统。
背景技术
太阳能、风能等绿色能源应用日益广泛，其使用过程中储能与安全问题一直备受关注。在电池储能技术中,锂离子电池由于具有较高的能量密度比和功率密度比,良好的充放电效率和灵活的成组方式,已在储能领域逐步取代铅酸蓄电池，成为大容量储能技术研究与应用的重点。
众所周知，单节电池能量小，通常需若干节电池组合在一起达到一定功率后才好使用。所以锂离子电池常以不同的结构形式串并联在一起，构成有一定功率的电源系统。当数节电池组合后，功率大了，线路中流过的电流变大，同时产生的热量也增大。若散热问题解决不好，极易发生热失控问题，在热失控出现时一旦不能及时采取措施，会造成温度过高导致电源系统瘫痪，甚至会引起爆炸发生。国内外已有多起电池爆炸事故，世界知名的几家公司也发生了锂离子电池爆炸事故。所以，锂离子电池应用的安全问题，属世界性的难题。
正因为如此，受目前技术水平限制，锂离子电池组电源常常采用小电流充放电，因而其过程所用时间很长，如一个(48V/25Ah)总功率为1200W的电源其充电需耗费5至6小时，很难满足人们快节奏生活要求，所用大家急盼大电流充电从而减少充电时间。而大电流充电减少充电时间这一美好愿望的实现十分不易，大电流流过线路必然产生大量的热量，高温若散发不出去就会不断的累积，当达到150℃时就会发生爆炸事故。
概况来说，锂离子电池组电源的安全应用，必须处理好散热问题。目前国内外对锂离子电池电源系统采用的散热方法很多，主要有：自然对流散热、空气强制对流传导、蒸发器提供冷源散热、自来水形成的冷壁散热等方法进行冷却散热，即迫使空气在单个电池之间流动将热量带走。当采用风冷工艺时，由于空气的导热系数低，热容小等缺点，导致电池电源系统传热系数小，散热冷却效率低，而且空气在电池电源系统内的流动不均匀会影响电池电源系统的温度一致性，其温度会在电池中间部位集中，形成热量累积的高温点，也是最容易引起热失控的危险地方。
另外，散热方法选择不当会出现其他问题，如：选用风扇送风抽风散热，噪声比较大，凉风也很难吹至电池组中间部位，不适合大电源系统散热使用；而水冷散热，需接入水管与水泵，水路循环系统复杂，存在水滴渗入电路导致短路或漏电的隐患，所以水冷仍然不理想。
值得指出：锂离子电池组电源若用作车载电源，冬天在寒冷的北方，-40℃的低温，该电源无法启动使用；若其应用在炎热夏季的南方，室外气温达40℃的高温时，该电源也无法正常使用。这是目前应用锂离子电池组电源作电动自行车、电动摩托车、电动汽车存在且带有普遍性的问题。所以，锂离子电池车载电源系统，需对环境温度进行测控，为其稳定工作提供一个合适的温度环境，使其能适应四季时节与不同地区。
针对以上问题，本发明借助一种新型混合散热工质，采用蒸发致冷技术给电池组电源散热，满足大电流及快速充放电需要；采用温度调节技术以及相应的隔热和保温措施，实现夏天致冷与冬天制热，为锂离子电池组电源系统正常工作提供稳定合适的环境温度。
散热器存在散热能力不足、重量和体积过大等问题。
发明内容
针对现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于设计一种锂离子电池组电源散热装置，能快速将热量散发至电源系统外界，解决锂离子电池组电源大电流充放电带来的高热问题，使其电源系统避免热失控现象发生，能正常工作。
为了达到上述效果，本发明的技术解决方案如下：
提供一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：包括泄气阀、电子控制板、金属散热器、泄压阀、电池组、输入输出插座、混合工质、金属散热容器、蒸汽管道、回流管道；金属散热容器为中空腔体结构其内部填充混合工质；电子控制板、电池组都设置在金属散热容器内且电子控制板和电池组完全浸泡在混合工质中；金属散热容器上壁上设置有泄气阀、泄压阀；金属散热容器侧壁上设有输入输出插座；金属散热容器内设有电子控制线路板、电池组；金属散热容器的外部上方设置有金属散热器，金属散热容器侧壁上设有蒸汽管道、回流管道，金属散热容器、蒸汽管道、散热器、回流管道顺序连接构成混合工质热循环通路，所述混合工质为纳米级胶囊组成的混合液体，该混合液体包含97％的九氟丁基甲醚(C4F9OCH3)材料和3％由酚醛树脂包裹的胆甾型液晶热敏材料，混合液体经乳化处理形成58℃±2℃的相变温度点。
如上所述的一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：还包括加热电极、绝缘隔热保温层，金属散热容器底板设有加热电极，电子控制板连接加热电极，金属散热容器外壁四周设置有绝缘隔热保温层。
如上所述的一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：金属散热容器内灌注有2/3体积的混合工质，金属散热容器的1/3体积空域为混合工质相变预留空间。
提供一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：包括泄气阀、电子控制板、金属散热器、泄压阀、电池组、加热电极、绝缘隔热保温层、输入输出插座、混合工质、金属散热容器、蒸汽管道、回流管道；金属散热容器为中空腔体结构其内部填充混合工质；电子控制板、电池组都设置在金属散热容器内且电子控制板和电池组完全浸泡在混合工质中；金属散热容器上壁上设置有泄气阀、泄压阀；金属散热容器侧壁上设有输入输出插座；金属散热容器的外部上方设置有金属散热器，金属散热容器侧壁上设有蒸汽管道、回流管道，金属散热容器、蒸汽管道、散热器、回流管道顺序连接构成热混合工质循环通路；金属散热容器中部设有加热电极，电子控制板连接加热电极，金属散热容器外壁四周设置有绝缘隔热保温层；其混合工质为纳米级胶囊组成的混合液体，该混合液体包含97％的九氟丁基甲醚(C4F9OCH3)材料和3％由酚醛树脂包裹的胆甾型液晶热敏材料，混合液体经乳化处理形成58℃±2℃的相变温度点。
本发明的有益效果如下：
本发明设计一种锂离子电池组电源散热装置，用于防爆及高温环境，散热性好，能快速将热量散发至系统外界，解决锂离子电池组电源大电流充放电带来的高热问题，使其电源系统避免热失控现象发生，能正常工作，可大幅提高产品寿命。
附图说明
图1：实施例1结构图
图2：实施例2结构图
具体实施方式
如图1-2所示，图中包括：泄气阀1、电子控制线路板2、金属散热器3、泄压阀4、电池组5、加热电极6、绝缘隔热保温层7、输入输出插座8、混合工质9、金属散热容器10、蒸汽管道11、回流管道12。
具体实施例一
提供一种锂离子电池组电源散热装置，如图1所示，包括：泄气阀1、电子控制板2、金属散热器3、泄压阀4、电池组5、加热电极6、绝缘隔热保温层7、输入输出插座8、混合工质9、金属散热容器10、蒸汽管道11、回流管道12；金属散热容器10为中空腔体结构其内部填充混合工质9；电子控制板2、电池组5都设置在金属散热容器10内且电子控制板2和电池组5完全浸泡在混合工质9中；金属散热容器10上壁上设置有泄气阀1、泄压阀4；金属散热容器10侧壁上设有输入输出插座8；金属散热容器10的外部上方设置有金属散热器3，金属散热容器10侧壁上设有蒸汽管道11、回流管道12，金属散热容器10、蒸汽管道11、散热器3、回流管道12顺序连接构成混合工质热循环通路。
如上所述的一种锂离子电池组电源散热装置，还包括加热电极6、绝缘隔热保温层7，金属散热容器10底板设有加热电极6，电子控制板2连接加热电极6，金属散热容器10外壁四周设置有绝缘隔热保温层7。
如上所述的一种锂离子电池组电源散热装置，金属散热容器10内灌注有2/3体积的混合工质9，金属散热容器10的1/3体积空域为混合工质相变预留空间。
提供一种锂离子电池组电源散热装置，金属散热容器内按照设置灌注一定数量的混合工质9液体，其混合工质9为纳米级胶囊组成的混合液体，该混合液体包含97％的九氟丁基甲醚(C4F9OCH3)材料和3％由酚醛树脂包裹的胆甾型液晶热敏材料，混合液体经乳化处理形成58℃±2℃的相变温度点。
为适应蒸发致冷散热需要，首先制备出一种散热混合工质液体。该工质液体材料是能在常温常压的0℃-200℃范围内具备相变蒸发致冷特性、高绝缘性，粘度低的液体，其与相变微胶囊材料混合形成的一种混合型工质(以下简称混合工质)液体，该混合工质与金属和无机材料的相容性良好并在设定的相变温度点发生相变。该混合工质的热力学特征是：高绝缘特性,传热特性和物化特性优良，热稳定性与流动性好，潜热大,满足环保规定要求。该液态混合工质具有高绝缘性，其击穿电压＞(室温)kV/2.5mm，体积电阻率≥6×10E10Ω·m。所以电池与控制电路系统板浸泡在该产生液态工质中不会出现短路；由于液态工质具有的高绝缘性，可应用在4万伏以下的高压场合。该液态混合工质有灭弧功能，能将电路可能产生的火花及时灭掉；该液态混合工质具有相变特性，在到达设置相变温度点时其会由液态转变成为气态，此时携带走大量热量，当低于该相变温度点时又变回液态。
一种适应不同温度区域的锂离子电池电源散热结构工作时，金属散热容器内按照设置灌注一定数量的混合质液体。该液体是以97％的(C4F9OCH3)九氟丁基甲醚材料,加入3％由酚醛树脂包裹的胆甾型液晶热敏材料的纳米级胶囊，经乳化处理形成58℃±2℃的相变温度点的混合质散热液体。
具体实施例二
如图2所示为本发明的另外一个实施示例，与实施例一不同之处是金属散热容器10中部设有加热电极6，电子控制板2连接加热电极6；金属散热容器10外壁四周设置有绝缘隔热保温层7。加热电极6根据温度的高低决定是否进入加热工作状态，其由电子控制线路进行选择性控制。当电源系统低于设置温度点时启动加热，其他时候不工作。
一种能适应不同气候温度与地区、包括能适应高速大电流充电的高温环境使用的锂离子电池组电源散热结构，金属散热容器内设置有一种能起冷却散热作用的液态混合工质，电源系统及电子控制线路板2密闭在该金属容器内；液态混合工质所占金属容器的2/3体积，而电池组系统及电子控制线路板全浸泡在液态混合工质中。
当大电流(如2C以上)快速充放电时，电池组会产生高温，当温度达到设定值时，混合工质会立即发生相变反应，由液态变成气态，消耗一定的热量，剩余热气体会迅速上升，上升的气体部分经由管道输送至外设的散热器，当气体低于设置温度点时其变化为液体、由管道回流至金属容器内，为下一次相变做准备。这种液态变成气态散除热量的方法，俗称为蒸发致冷。由此可见，相变及蒸发去热+金属容器外壁散热+散热器散热所构成的多重散热方式，能及时将系统产生的热量散发出去，为系统正常工作提供保证。
所述金属散热容器为六面体矩形结构，除上壁外，其余五面体为整体化铸造和整块金属料车铣加工而成，避免焊接加工件出现缝隙而出现漏液。在其顶部两侧设置有放气阀、安全泄压阀。金属散热容器上壁的凹槽配置橡胶密封条，与容器下部压紧用螺丝拧紧，保持容器的密封性不会泄漏液体。
所述金属散热容器侧壁上设置有输入输出电线接插器的插座。
所述金属散热容器的1/3体积空域，为混合工质在相变为气态时所预留的空间。
所述电池组系统及电子控制线路板全部浸泡在液态混合工质里，即具有均温性能的液态混合工质，其液面高于电池组系统及电子控制线路板。
所述金属散热容器上部设置有金属散热器翅片，其和金属散热容器两端的气管相连，是混合工质在相变为气态时的气体流通管道。相变产生的气体流经其散热器冷却变换为液体回流至容器内。
所述金属散热容器底部或中部设置有加热层，由电子线路控制下采用加热电极6在低温时加热。
所述金属散热容器，除上盖外，其余五面体全部设置有绝缘隔热保温层7，保温层设置在加热层下面。
所述锂离子电池组电源，由多个锂离子电池单体串并联构成电池组，由电池组采取串并联构成电源整体，加上电子控制线路构成电源系统。所述锂离子电池组电源，其锂离子电池单体层叠设置或平行设置摆放。
电池组5由多个单体电池组成，多个电池层叠设置并且串并联在一起，金属散热容器10的外表面设置有输入输出插座8，泄气阀1、泄压阀4，金属散热容器10底板设置有加热电极6；金属散热容器10外壁四周设置有绝缘隔热保温层7，金属散热容器10有蒸汽管道与散热器3相连，构成热蒸汽通路。
当不同的充放电电流流过电池组时，其产生热量导致液体温度升高，当达到温度设置点时液体相变发生，液体蒸发变成气体，其热气进入气体管道流经外面的金属散热器与外面的冷空气进行热交换，一旦其低于温度设置点，气体冷凝变成液体回流到容器内。当出现特殊情况，液体蒸发出的气量过大，泄压阀4会自动打开，减少气压到一定程度后自动恢复原状。在整个系统工作初始时，通过人工按下泄气阀1瞬间放气，金属容器内会形成微量负压状态。上述散热降温过程包括相变蒸发去热、金属容器外壁散热、散热器散热三重散热，构成本发明的散热方式。在三重散热作用下，锂离子电池电源大电流快速充电产生的热量很快排出容器外，电源系统能进入正常工作状态。
本发明的有益效果如下：
本发明的锂离子电池组电源系统全部浸泡金属容器内的混合工质里，不管是处于外侧还是中间位置的电池，由于液体有一定的高度、液体中的各节电池产生热量存在差异，这种温差会加速液体内温度的均衡，起到均温效果，从而避免了中间位置电池温度过高想象发生。在大电流快速充放电出现高温时，本发明依靠液态工质相变及蒸发去热+金属容器外壁散热+散热器散热所构成的多重散热方式，能及时将系统产生的热量散发出去，保证系统工作在正常温度下，这样既保护整个电源系统，又相应延长了电池的使用寿命。
针对锂离子电池组电源系统不能在高温区域与寒冷区域正常工作问题，本发明采取不同措施：金属容器外壁设置半导体制冷与制热器件和保温层形成一个恒温区，冬天保证电源系统工作温度高于0℃，夏日温度不超过60℃。本发明借助一种新型混合散热工质，采用蒸发致冷技术给电池组电源散热，满足大电流及快速充放电需要；采用温度调节技术以及相应的隔热和保温措施，实现夏天致冷与冬天制热，为锂离子电池组电源系统正常工作提供稳定合适的环境温度，可大幅提高电池组寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.提供一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：包括泄气阀、电子控制板、金属散热器、泄压阀、电池组、输入输出插座、混合工质、金属散热容器、蒸汽管道、回流管道；金属散热容器为中空腔体结构其内部填充混合工质；电子控制板、电池组都设置在金属散热容器内且电子控制板和电池组完全浸泡在混合工质中；金属散热容器上壁上设置有泄气阀、泄压阀；金属散热容器侧壁上设有输入输出插座；金属散热容器内设有电子控制线路板、电池组；金属散热容器的外部上方设置有金属散热器，金属散热容器侧壁上设有蒸汽管道、回流管道，金属散热容器、蒸汽管道、散热器、回流管道顺序连接构成混合工质热循环通路； 所述混合工质为纳米级胶囊组成的混合液体，该混合液体包含97％的九氟丁基甲醚(C4F9OCH3)材料和3％由酚醛树脂包裹的胆甾型液晶热敏材料，混合液体经乳化处理形成58℃±2℃的相变温度点。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：还包括加热电极、绝缘隔热保温层，金属散热容器底板设有加热电极，电子控制板连接加热电极，金属散热容器外壁四周设置有绝缘隔热保温层。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：金属散热容器内灌注有2/3体积的混合工质，金属散热容器的1/3体积空域为混合工质相变预留空间。
4.提供一种锂离子电池组电源散热装置，其特征在于：包括泄气阀、电子控制板、金属散热器、泄压阀、电池组、加热电极、绝缘隔热保温层、输入输出插座、混合工质、金属散热容器、蒸汽管道、回流管道；金属散热容器为中空腔体结构其内部填充混合工质；电子控制板、电池组都设置在金属散热容器内且电子控制板和电池组完全浸泡在混合工质中；金属散热容器上壁上设置有泄气阀、泄压阀；金属散热容器侧壁上设有输入输出插座；金属散热容器的外部上方设置有金属散热器，金属散热容器侧壁上设有蒸汽管道、回流管道，金属散热容器、蒸汽管道、散热器、回流管道顺序连接构成热混合工质循环通路；金属散热容器中部设有加热电极，电子控制板连接加热电极，金属散热容器外壁四周设置有绝缘隔热保温层；其混合工质为纳米级胶囊组成的混合液体，该混合液体包含97％的九氟丁基甲醚(C4F9OCH3)材料和3％由酚醛树脂包裹的胆甾型液晶热敏材料，混合液体经乳化处理形成58℃±2℃的相变温度点。
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