CN108110378A - 一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构，包括锂离子电池和冷却板；若干个冷却板平行设置，冷却板之间的空隙设置一层或两层锂离子电池，形成锂电池组散热结构；冷却板通过两块冷却板基材板焊接而成，内部形成若干冷却浆料流道；各冷却浆料流道呈“几”字形布置，且流道与流道之间互相平行；“几”字形流道的一端为冷却浆料进口，另一端为冷却浆料出口；“几”字形流道内设置有冷却浆料；冷却浆料为冷却液体与相变材料微胶囊的混合浆料。本发明能有效控制电池运行温度在合理的温度窗口，避免动力电池冷却系统在低冷却效率下的运行情况，降低电池过热等安全问题的发生概率，从而提升电动汽车动力锂电池的使用寿命和热安全性等指标。

Description

一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构及方法
技术领域
本发明属于电动汽车动力锂离子电池组热管理技术领域，特别涉及一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构及方法。
背景技术
锂离子电池由于其在比能量、比功率、安全性、使用寿命等方面的优点，逐渐成为当前电动汽车最为理想的储能设备之一。锂离子电池的性能与其温度密切相关，通常动力锂离子电池的最佳运行温度范围为20～35℃，最高运行温度不超过45℃。当运行温度过高时，锂离子电池内部的衰退过程将明显加快，使得电池使用寿命显著缩短；如果散热不及时，甚至会引起电池内部的局部过热现象，进一步引发电池热失控等安全问题。而随着电动汽车的逐渐推广，人们对动力电池使用的温度窗口要求越来越宽，-30℃～55℃的运行温度区间已逐渐成为电动汽车需要面对的场景。此外，随着对电动汽车加速、爬坡等性能要求的不断提高，大电流充放电工况也经常出现，这将使动力锂电池组在使用过程中的发热问题更为严重，从而引起电池温度的迅速升高。因此，为提高电动汽车锂离子电池的使用寿命和安全性能等指标参数，亟需设计一种高效、安全地动力电池组冷却系统，以保证电动汽车动力锂电池运行在最佳温度窗口。
目前，电动汽车动力锂电池常用的冷却方式包括：自然对流风冷、强制对流风冷、液冷和制冷剂直接冷却四种方式。其中，基于液体的冷却系统由于其在控制电池温升以及温度均匀性等方面的良好性能而逐渐在电动汽车中被广泛应用。常见液冷系统的工作原理是：将电池产生的热量通过液冷板中的冷却液体带出电池系统，然后进入电池系统外部的冷却回路中，通过换热器将这部分热量传递给空调系统，最后通过整车空调系统将该部分热量传递到车外环境。
电动汽车动力电池的上述冷却系统存在以下问题：当锂离子电池的冷却负荷较低(如：在30～35℃的环境下以较小倍率运行的情况)时，此时电池冷却系统在消耗较大功率的情况下输出的制冷量却很低，即：此时冷却系统的冷却效率(制冷量与系统耗功之比) 较低；当锂离子电池在较高的冷却负荷(如：大电流充放电的情况)下运行时，电池温度迅速升高，而上述冷却系统对电池温度的调控则具有一定的滞后性，从而使电池易出现短暂过热现象，有时甚至损坏电池或引发安全事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构及方法，以解决上述问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构，包括锂离子电池和冷却板；若干个冷却板平行设置，冷却板之间的空隙设置一层或两层锂离子电池，形成锂电池组散热结构；冷却板通过两块冷却板基材板焊接而成，内部形成若干冷却浆料流道；各冷却浆料流道呈“几”字形布置，且流道与流道之间互相平行；“几”字形流道的一端为冷却浆料进口，另一端为冷却浆料出口；“几”字形流道内设置有冷却浆料；冷却浆料为冷却液体与相变材料微胶囊的混合浆料。
进一步的，冷却浆料为冷却液体和相变材料微胶囊的混合液体，其中：冷却液体为水、乙醇或两者的混合液体；相变材料微胶囊中的相变材料熔点在35℃～45℃之间；微胶囊壳体由聚合物或无机材料制成。
进一步的，锂离子电池为方形铝壳电池或软包电池；锂离子电池和冷却板之间可根据需要布置电加热膜。
进一步的，冷却浆料流道(5)的入口和出口与电池箱外部的制冷循环系统连接。
进一步的，一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构的散热方法，包括以下步骤：
1)判断锂电池组的运行温度和工作功率；当锂电池组在低于35°的环境中小功率运行时，关闭外部的制冷循环系统，电池发热量被冷却板中的冷却浆料吸收，热量以显热形式被冷却浆料带走；随着锂电池组的持续运行，冷却浆料由于持续吸热其温度逐渐升高，当达到相变材料的熔点时，微胶囊中的相变材料开始熔化，电池发热量被相变材料以潜热形式存储；
2)当锂电池组在低于35°的环境中大功率运行时，冷却板中的冷却浆料吸收电池发热量，以显热形式存储；随着冷却浆料温度的升高，微胶囊内的相变材料开始熔化，进一步吸收的电池热量以相变材料潜热的形式存储；当冷却浆料温度接进相变材料发生相变过程的温度上限时，启动外部的制冷循环系统对冷却浆料降温；当其温度达到低于其凝固点温度时，关闭外部的制冷循环系统，此时微胶囊内部的相变材料完全变为固体状态；并重复上述步骤进行电池组散热。
3)当锂电池组在高于35°的环境中运行时，开启外部制冷循环系统，对冷却浆料进行降温，当其温度达到低于其凝固点温度时，关闭制冷系统；冷却板中的冷却浆料吸收电池发热量，以显热形式存储；随着冷却浆料温度的升高，微胶囊内的相变材料开始熔化，进一步吸收的电池发热量以相变材料潜热的形式存储；当冷却浆料温度接进相变材料完全溶化的温度上限时，启动外部的制冷循环系统对冷却浆料降温，使其温度重新降低；当冷却浆料温度低于其凝固点温度时，关闭制冷系统；并重复上述步骤进行电池组散热。
进一步的，外部制冷循环系统开启选取冷却浆料微胶囊内相变材料熔化过程的温度上限为控制点,温度上限为80％的相变材料熔化时对应的温度；外部制冷循环系统关闭选取低于相变材料凝固点温度的某一温度为控制点。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过在锂离子电池之间设置具有“几”字形冷却浆料(冷却液体与相变材料微胶囊的混合浆料)流道的冷却板，有效控制电池运行温度在合理的温度窗口，避免动力电池冷却系统在低冷却效率下的运行情况，降低电池过热问题的发生概率，从而提升电动汽车动力锂电池的使用寿命和热安全性等性能指标。
附图说明
图1(a)为动力锂离子电池冷板之间布置两层锂离子电池结构示意图；
图1(b)为动力锂离子电池冷板之间布置一层锂离子电池结构示意图；
图2为冷板设计示意图；
图3为冷却板冷却浆料进口流道截面示意图；
图4为冷却板冷却浆料中间流道截面示意图。
其中：1.锂离子电池；2.冷却板；3.冷却板基材；4.冷却浆料；5.冷却浆料流道；6.冷却浆料流道截面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1-图4，一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构，包括锂离子电池1和冷却板2；若干个冷却板2平行设置，冷却板2之间的空隙设置一层或两层锂离子电池1，形成锂电池组散热结构；冷却板2通过两块冷却板基材板3焊接而成，内部形成若干冷却浆料流道5；各冷却浆料流道5呈“几”字形布置，且流道与流道之间互相平行；“几”字形流道的一端为冷却浆料进口，另一端为冷却浆料出口；“几”字形流道内设置有冷却浆料4；冷却浆料4为冷却液体与相变材料微胶囊的混合浆料。
冷却浆料为冷却液体和相变材料微胶囊的混合液体，其中：冷却液体为水、乙醇或两者的混合液体；相变材料微胶囊中的相变材料熔点在35℃～45℃之间；微胶囊壳体由聚合物或无机材料制成。
锂离子电池为方形铝壳电池或软包电池；锂离子电池1和冷却板2之间可根据需要布置电加热膜。
冷却浆料流道5的入口和出口与电池箱外部的制冷循环系统连接。
一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构的散热方法，包括以下步骤：
1)判断锂电池组的运行温度和工作功率；当锂电池组在低于35°的环境中小功率运行时，关闭外部的制冷循环系统，电池发热量被冷却板中的冷却浆料吸收，热量以显热形式被冷却浆料带走；随着锂电池组的持续运行，冷却浆料由于持续吸热其温度逐渐升高，当达到相变材料的熔点时，微胶囊中的相变材料开始熔化，电池发热量被相变材料以潜热形式存储；
2)当锂电池组在低于35°的环境中大功率运行时，冷却板中的冷却浆料吸收电池发热量，以显热形式存储；随着冷却浆料温度的升高，微胶囊内的相变材料开始熔化，进一步吸收的电池热量以相变材料潜热的形式存储；当冷却浆料温度接进相变材料发生相变过程的温度上限时，启动外部的制冷循环系统对冷却浆料降温；当其温度达到低于其凝固点温度时，关闭外部的制冷循环系统，此时微胶囊内部的相变材料完全变为固体状态；并重复上述步骤进行电池组散热。
3)当锂电池组在高于35°的环境中运行时，开启外部制冷循环系统，对冷却浆料进行降温，当其温度达到低于其凝固点温度时，关闭制冷系统；冷却板中的冷却浆料吸收电池发热量，以显热形式存储；随着冷却浆料温度的升高，微胶囊内的相变材料开始熔化，进一步吸收的电池发热量以相变材料潜热的形式存储；当冷却浆料温度接进相变材料完全溶化的温度上限时，启动外部的制冷循环系统对冷却浆料降温，使其温度重新降低；当冷却浆料温度低于其凝固点温度时，关闭制冷系统；并重复上述步骤进行电池组散热。
外部制冷循环系统开启选取冷却浆料微胶囊内相变材料熔化过程的温度上限为控制点,温度上限为80％的相变材料熔化时对应的温度；外部制冷循环系统关闭选取低于相变材料凝固点温度的某一温度为控制点。

Claims (6)

1.一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构，其特征在于，包括锂离子电池(1)和冷却板(2)；若干个冷却板(2)平行设置，冷却板(2)之间的空隙设置一层或两层锂离子电池(1)，形成锂电池组散热结构；冷却板(2)通过两块冷却板基材板(3)焊接而成，内部形成若干冷却浆料流道(5)；各冷却浆料流道(5)呈“几”字形布置，且流道与流道之间互相平行；“几”字形流道的一端为冷却浆料进口，另一端为冷却浆料出口；“几”字形流道内设置有冷却浆料(4)；冷却浆料(4)为冷却液体与相变材料微胶囊的混合浆料。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构，其特征在于，冷却浆料为冷却液体和相变材料微胶囊的混合液体，其中：冷却液体为水、乙醇或两者的混合液体；相变材料微胶囊中的相变材料熔点在35℃～45℃之间；微胶囊壳体由聚合物或无机材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构，其特征在于，锂离子电池为方形铝壳电池或软包电池；锂离子电池(1)和冷却板(2)之间可根据需要布置电加热膜。
4.根据权利要求3所述的一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构，其特征在于，冷却浆料流道(5)的入口和出口与电池箱外部的制冷循环系统连接。
5.一种如权利要求4所述的一种基于相变微胶囊浆料的锂离子电池散热结构的散热方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)判断锂电池组的运行温度和工作功率；当锂电池组在低于35°的环境中小功率运行时，关闭外部的制冷循环系统，电池发热量被冷却板中的冷却浆料吸收，热量以显热形式被冷却浆料带走；随着锂电池组的持续运行，冷却浆料由于持续吸热其温度逐渐升高，当达到相变材料的熔点时，微胶囊中的相变材料开始熔化，电池发热量被相变材料以潜热形式存储；
2)当锂电池组在低于35°的环境中大功率运行时，冷却板中的冷却浆料吸收电池发热量，以显热形式存储；随着冷却浆料温度的升高，微胶囊内的相变材料开始熔化，进一步吸收的电池热量以相变材料潜热的形式存储；当冷却浆料温度接进相变材料发生相变过程的温度上限时，启动外部的制冷循环系统对冷却浆料降温；当其温度达到低于其凝固点温度时，关闭外部的制冷循环系统，此时微胶囊内部的相变材料完全变为固体状态；并重复上述步骤进行电池组散热；
3)当锂电池组在高于35°的环境中运行时，开启外部制冷循环系统，对冷却浆料进行降温，当其温度达到低于其凝固点温度时，关闭制冷系统；冷却板中的冷却浆料吸收电池发热量，以显热形式存储；随着冷却浆料温度的升高，微胶囊内的相变材料开始熔化，进一步吸收的电池发热量以相变材料潜热的形式存储；当冷却浆料温度接进相变材料完全溶化的温度上限时，启动外部的制冷循环系统对冷却浆料降温，使其温度重新降低；当冷却浆料温度低于其凝固点温度时，关闭制冷系统；并重复上述步骤进行电池组散热。
6.根据权利要求5所述的一种基于相变微胶囊冷却浆料的锂离子电池散热结构的散热方法，其特征在于，外部制冷循环系统开启选取冷却浆料微胶囊内相变材料熔化过程的温度上限为控制点，温度上限为80％的相变材料熔化时对应的温度；外部制冷循环系统关闭选取低于相变材料凝固点温度的某一温度为控制点。
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