CN107787532A - 电池的加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池(2)的加热装置(1)，所述电池包括至少一个金属离子蓄电池，所述加热装置包括：至少一个反应器(4)；至少一个运输载热流体的回路(5)，所述回路(5)包括：第一部分(51)，所述第一部分穿过能够实施与所述回路(5)热交换的反应器(4)；和第二部分(52)，所述第二部分能够实施与所述电池(2)热交换，所述反应器(4)包括第一反应物，所述第一反应物能够根据放热热化学反应与第二反应物反应。

Description

电池的加热装置
技术领域
本发明涉及一种加热包括至少一个蓄电池的电池的加热装置，更确切地一种加热包括至少一个金属离子蓄电池(例如锂离子蓄电池)的电池的加热装置，所述加热装置安装在机动车辆上，尤其是具有混合动力或电动牵引链的机动车辆上。
背景技术
锂离子蓄电池包含有电化学电池单元，所述电化学电池单元的最佳运行温度范围受到限制。
如果温度过高(通常大于45℃)，电化学电池单元过早老化。相反，如果温度过低，电化学电池单元的内阻极大地增大。
此外，为了限制锂沉积形成锂枝晶的形式(所述锂枝晶可穿透隔板并由此促使短路)，锂离子电池的可提取功率受到限制。也应用到加热所述电池的加热过程。
然而，锂离子电池的热惯性极大。对锂离子电池的加热因此需要消耗大量的能量，这引起了对安装有锂离子电池的电动或混合动力车辆的运行的限制。
如今，研究能量消耗不大的电池(例如锂离子电池)加热系统，以便尽可能快地使用所述电池并且使用所述电池的最大容量。
几十年来，开发了基于实施热化学反应的加热和冷却系统。因此，专利EP0206875描述了一种用于存储和卸载热量的电化学变换器，所述电化学变换器包括两个反应器，所述反应器通过连通管彼此连接，以便限定封闭壳体。所述反应器中的每个都包括至少一个可在存在气体时招致可逆放热反应的反应物。
专利US5964097涉及一种用于通过化学反应产生热量和制冷的装置，所述装置包括两个反应器。所述反应器中的每个都包括可与气体化学反应的盐。
专利CA2815334本身揭示了一种热化学系统，所述热化学系统包括反应器或存储能够吸附气体的反应产物的存储壳体，所述气体通过扩散器进入到反应器中，所述反应产物和所述气体使得：当同时存在所述反应产物和所述气体时，所述反应产物和所述气体是效果在于由反应产物吸附气体的反应的对象，相反，所述反应产物和所述气体是用于在加热的效应下解吸由反应产物吸附的气体的反应的对象，在吸附所述气体之后所述加热应用在所述反应产物上。
因此，这些专利揭示了基于放热热化学反应原理的加热系统，所述加热系统尤其用于家用应用(例如热泵)。
专利US7147071描述了一种用于包括热交换器的混合动力车辆的热管理系统，所述热管理系统包括热能存储系统。混合动力车辆可包括电池(例如锂离子电池)。根据一种优选实施方式，热交换器包括至少一种相变材料。相变材料是放热的，因此相当于热源。
该设备能够基于使用相变焓(例如热源)来重新加热所述电池。因此，这要求对包含有相变材料的交换器的极强隔热，以使材料的温度保持高于相变温度。无论如何，相变材料中的能量的存储阶段由于向外的热损失而必然受到限制。
发明内容
因此，有利地提供了一种能量消耗不大的加热包括至少一个金属离子蓄电池的电池的加热系统，所述加热系统使能够快速地使用所述电池，并且所述加热系统随着时间的使用不受热损失限制。
因此，本发明的目的在于提供一种电池的加热装置，所述电池包括至少一个金属离子蓄电池，所述加热装置包括：
-至少一个反应器；
-至少一个运输载热流体的回路，
所述回路包括：第一部分，所述第一部分穿过能够实施与所述回路热交换的反应器；和第二部分，所述第二部分能够实施与所述电池热交换，所述反应器包括第一反应物，所述第一反应物能够根据放热热化学反应与第二反应物反应。
根据本发明的加热装置包括至少一个反应器，所述至少一个反应器包括第一反应物，所述第一反应物能够根据热化学反应与第二反应物反应。
第二反应物有利地初始就存在于反应器中。
根据本发明的一种特定实施方式，所述金属离子蓄电池是锂离子蓄电池。
优选地，所述热化学反应是对于从催化离解、氢氧化物脱水、碳酸盐脱碳、还原反应、蒸汽重整和金属氢化物脱氢中选择的反应的逆反应。
有利地，所述第一反应物从MgO、CaO、BaO、CoO、N2、SO2、CO和Mg中选择，优选地从MgO、CaO、BaO、CoO和Mg中选择，更优选地是MgO。
优选地，所述第二反应物从H2O、CO2、O2和H2中选择，优选地从H2O、CO2、O2中选择，更优选地是H2O。
根据本发明的一种特定实施方式，所述热化学反应是氧化镁的水合，以得到氢氧化镁。
此外，液态形式的水有利地借助于受控阀门与氧化镁接触。所述阀门打开，水通过重力掉落在氧化镁上。
优选地，所述反应器包括至少一个热交换器。
有利地，所述反应器包括至少一个加热部件。特别有利地，所述加热部件是电加热装置。该电加热装置有利地能够在车辆处于充电时重新生成第一反应物和第二反应物。所述热化学反应由此有利地是可逆的，即所述反应是引起反应物与产物平衡混合的反应。
此外，在存在热量时，氢氧化镁可被转换以得到氧化镁和水，这样，初始反应物重新生成。
优选地，根据本发明的装置还包括能够使所述载热流体运动的泵。所述载热流体可为含有乙二醇的水(eau glycolée)。
根据本发明的一种特定实施方式，所述回路包括用于加热机动车辆的车厢的第三部分。
有利地，根据本发明的加热装置还包括多个三通阀和多个停止阀，所述多个三通阀和多个停止阀能够根据需要使所述载热流体导向所述电池、或导向所述车厢、或导向所述电池和所述车厢。
优选地，根据本发明的加热装置用于安装在机动车辆上。
附图说明
通过阅读以下详细说明和附图，本发明的其它优点和特征将更加清楚，在附图上：
-图1示意性示出了根据本发明的加热装置的一种实施例；
-图2示出了循环有载热流体的用于加热锂离子电池的第一回路；
-图3示出了循环有载热流体的用于加热机动车辆车厢的第二回路；
-图4示出了循环有载热流体的用于同时加热锂离子电池和机动车辆车厢的第三回路；
-图5示出了在所述回路按闭合回路(en circuit fermé)运行时循环的第四回路。
具体实施方式
图1上示意性示出了一方面与锂离子电池2相关联以及另一方面与机动车辆的车厢3相关联的加热装置1。
装置1包括反应器4和载热回路5。反应器4布置在机动车辆中并且远离电池2，以避免这两个系统之间的任何相互作用。
载热回路5运输载热流体(例如含有乙二醇的水)，装配在载热回路5上的泵6使所述载热流体运动。
载热回路5包括穿过反应器4的第一部分51，所述第一部分配备有在反应器4内部延伸的热交换器7。热交换器7因此能够尤其在反应器4中发生放热热化学反应(例如氧化镁的水合反应)时使载热回路5中循环的载热流体与反应器4之间热交换。
载热回路5包括穿过或围绕电池2的第二部分52，这因此能够使载热流体与电池2之间热交换。根据未示出的另一实施方式，载热回路5可包括与电池2相关联的空气/水交换器，以便生成穿过电池2的热空气流，所述热空气流用于尤其在机动车辆起动之前加热所述电池。
载热回路5包括穿过车厢3的第三部分53，以使回路5的载热流体关系到与未示出的通风装置热交换，该热交换能够将热气流发送到车厢3中。
载热回路5包括阀门和管道的组件，所述组件能够形成：
-如图2所示的循环有载热流体的用于加热电池的第一回路；
-如图3所示的循环有载热流体的用于加热车厢的第二回路；
-如图4所示的循环有载热流体的用于同时加热电池和车厢的第三回路；
-如图5所示的循环有载热流体的在所述回路按闭合回路运行时循环的第四回路。
载热回路5包括与反应器4、泵6和第一停止阀9联结的第一三通阀8。
载热回路5包括经由管道11与泵6和电池2联结的第二停止阀10，以便在停止阀10打开时使载热流体在穿过电池2的管道11中循环。
载热回路5还包括经由分流管道14与泵6和第二三通阀13联结的第三停止阀12。因此，当第二停止阀10关闭并且第三停止阀12打开时，载热流体在分流管道14中循环，并且电池2不再被加热。
除了与第三停止阀12连接之外，第二三通阀13还与处在第二停止阀10和电池2下游的管道11联结，以及与第四停止阀15联结。
第四停止阀15经由返回管道17连结在第二三通阀13与第三三通阀16之间。
载热回路5还包括与三通阀13、停止阀15和车厢3联结的第五停止阀18。停止阀18经由管道19与车厢联结，以便在该停止阀打开时使载热流体在管道19中循环且关系到与未示出的通风装置热交换，该热交换能够将热气流发送到车厢3中。
相反，当第四停止阀18关闭并且第五停止阀15打开时，载热流体在管道17中循环，并且车厢3不再被加热。
除了与停止阀15联结之外，三通阀16还与处在第五停止阀18和车厢3下游的管道19联结，以及与停止阀9联结。
载热回路5还包括与三通阀16、反应器4和停止阀9联结的第六停止阀20。因此，当停止阀9关闭并且停止阀20打开时，流体循环穿过反应器4。相反，当停止阀20关闭并且停止阀9打开时，载热流体在处于闭合回路的载热回路5中运输。
反应器4还包括受控电加热装置21，所述受控电加热装置因此使能够重新生成第一反应物和第二反应物，例如氧化镁和水。
图2示出了循环有载热流体的用于加热电池2的第一回路。
为了使载热流体取道于所述第一回路，停止阀20打开，停止阀9关闭，停止阀10打开，停止阀12关闭，停止阀15打开，并且停止阀18关闭。
图3示出了循环有载热流体的用于加热车厢3的第二回路。
为了使载热流体取道于所述第二回路，停止阀20打开，停止阀9关闭，停止阀10关闭，停止阀12打开，停止阀15关闭，并且停止阀18打开。
图4示出了循环有载热流体的用于加热电池2和车厢3的第三回路。
为了使载热流体取道于所述第三回路，停止阀20打开，停止阀9关闭，停止阀10打开，停止阀12关闭，停止阀15关闭，并且停止阀18打开。
图5示出了循环有载热流体的在载热回路5按闭合回路运行时循环的第四回路。
为了使载热流体取道于所述第四回路，停止阀20关闭，停止阀9打开，停止阀10打开，停止阀12关闭，停止阀15关闭，并且停止阀18打开。
本发明通过以下示例非限制性地示出。
示例
该示例旨在确定所述加热装置的特征，所述加热装置能够在10分钟时间内给电池组加热10℃。
电池组的特征
电池组的质量：250kg
等压热容量(Capacité calorifique isobare)：Cp＝1000J.kg-1.K-1
电池加热功率的初步计算
电池组上的焓总结(bilan enthalpique)能够计算反应器中需要的功率。需由热化学反应提供并且在10分钟内向电池运输的有用功率可通过关系式(1)确定：
P加热 电池＝m*Cp*△T/600＝4.16kWth(1)，
其中：
-P加热 电池表示在10分钟内给电池加热10℃所需的热功率(kWth)；
-m表示要重新加热的电池组的质量(kg)；
-Cp表示电池组的等压热容量(J.kg-1.K-1)
-△T表示10K并且对应于所期望的温度变化，即温度增加10℃(K)。
放热热化学反应
所使用的可逆的热化学反应是氧化镁的水合反应：
放电步骤对应于氧化镁的水合反应。
相反，充电步骤对应于氢氧化镁的脱水反应。事实上，在该步骤期间，重新生成氧化镁和水。
氧化镁的水合反应在大气压下在100与350℃之间为最佳，这因此能够将载热流体加热至接近80℃。
在该背景下，通常接受，充电转化率和放电转化率是相同的并且等于0.8。由此可在充电步骤和放电步骤中的每个之后确定固体的摩尔百分比。
因此，在7个充电放电循环之后，氧化镁的摩尔百分比稳定到大约17％，氢氧化镁的摩尔百分比稳定到大约83％。
由此可根据加热需求计算在充电步骤和放电步骤之前初始就存在的固体的质量。
氧化镁的水合的热功率
计算热化学反应的热功率，已知该热功率不仅需提供电池组的加热功率，还需提供预加热反应物所需的热功率。事实上，氧化镁的水合反应在大气压下在100与350℃之间为最佳，需要预先加热到100℃。
反应物的预加热功率可通过关系式(2)确定：
P预加热 反应物＝(m固体*Cp固体+m水*Cp水)*△T/600＝2.2kWth(2)，
其中：
-P预加热 反应物表示为将反应物预加热到100℃所需的热功率(kWth)；
-m固体表示参与(engagés dans)水合热化学反应的固体的质量(kg)；
-Cp固体表示参与热化学反应的固体的等压热容量(J.kg-1.K-1)；
-△T表示100K并且对应于0至100℃的温度变化(K)。
因此，热水合反应的热功率等于6.36kWth。
氧化镁的水合反应的焓在100℃下为41kJ/mol。在这些值的基础上，可确定初始就存在的固体的质量。因此，对于放电步骤，氧化镁的质量为4.65kg，氢氧化镁的质量为1.35kg。
因此，为了提取4.16kWth的热功率，考虑到载热流体的80℃的温度，可确定要确保的流量，该流量为0.1L/s。
由此实施在10分钟内给电池组加热10℃。
氢氧化镁的脱水的热功率
关于充电步骤，氧化镁的质量为0.93kg，氢氧化镁的质量为6.74kg。
可确定需要提供给反应器以用于氢氧化镁的脱水步骤的热功率。考虑到小时的时长以及在350℃的温度上进行的步骤，热功率通过关系式(3)确定：
P反应器＝(m固体*Cp固体*△T+X充电*n反应物*△Hr)/3600＝2.05kWth(3)，
其中：
-P反应器表示氢氧化镁的脱水步骤所需的热功率(kWth)；
-m固体表示参与热化学反应的固体的质量(kg)；
-Cp固体表示参与热化学反应的固体的等压热容量(J.kg-1.K-1)；
-△T表示350K并且对应于0至350℃的温度变化；
-X充电表示转化率(0.8)；
-n反应物表示Mg(OH)2的摩尔数；
-△Hr表示反应焓(41kJ/mol)。
因此，在一小时内实施重新生成氧化镁和水。

Claims (9)

1.一种电池(2)的加热装置(1)，所述电池包括至少一个金属离子蓄电池，所述加热装置包括：
-至少一个反应器(4)；
-至少一个运输载热流体的回路(5)，
所述回路(5)包括：第一部分(51)，所述第一部分穿过能够实施与所述回路(5)热交换的反应器(4)；和第二部分(52)，所述第二部分能够实施与所述电池(2)热交换，其特征在于，所述反应器(4)包括第一反应物，所述第一反应物能够根据放热热化学反应与第二反应物反应。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热化学反应是对于从催化离解、氢氧化物脱水、碳酸盐脱碳、还原反应、蒸汽重整和金属氢化物脱氢中选择的反应的逆反应。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一反应物从MgO、CaO、BaO、CoO、N2、SO2、CO和Mg中选择，优选地从MgO、CaO、BaO、CoO和Mg中选择，更优选地是MgO。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二反应物从H2O、CO2、O2和H2中选择，优选地从H2O、CO2、O2中选择，更优选地是H2O。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述反应器包括至少一个热交换器(7)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述反应器包括至少一个加热部件(21)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括能够使所述载热流体运动的泵(6)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述回路(5)包括用于加热机动车辆的车厢(3)的第三部分(53)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置用于安装在机动车辆上。
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