CN108879028B - 一种基于螺旋加热棒的固态锂电池及其加热装置、加热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋加热棒的固态锂电池及其加热装置、加热控制方法，包括固态锂电池和加热棒组件，固态锂电池由金属外壳、电池绝缘膜、正极活性物质、固态电解质、负极活性物质、负极集流体、正极集流体组成，加热棒组件包括：螺旋加热棒、陶瓷螺纹结构、绝缘导热介质、螺旋加热棒正极导线、螺旋加热棒负极导线、加热棒接口，可替换的螺旋加热棒插入固态电池并通电直接从内部对固态电池加热。本发明采用的固态锂电池有效避免了轨道交通用备用电源在高温过热或其他极端工况下可能引发的热失控事故，并且为固态电池单体直接配置加热系统，改善了固态电池在常温下充放电性能降低的缺陷，并且与表面加热相比，内部加热直接提升了加热效率。

Description

一种基于螺旋加热棒的固态锂电池及其加热装置、加热控制 方法

技术领域

本发明涉及电池热管理领域，特别涉及一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池及其加热装置和加热控制方法。

背景技术

随着我国轨道交通的快速发展，轨道交通工具已经成为现代化交通工具的主力，其不仅具有速度快和运输量大的特点，而且更加舒适、方便。此外，轨道交通的安全性相比其他交通工具而言更为突出，轨道交通技术装备一旦发生致命故障，往往会造成重大行车事故，甚至会造成人员伤亡，造成巨大的社会影响，这就对轨道交通上的每一个零件都提出了较高的安全性要求。轨道交通用备用电源是在电力系统出现故障时，可用于使轨道车辆正常启动并行驶一定距离的动力装置。经过多年的技术升级，轨道交通用备用电源已由低能量密度的铅酸电池改为更轻、寿命更长的锂离子电池。然而现有锂电池多为液态锂电池，其电解液为可燃物质，当电池温度过高或遭遇极端情况时，容易引发电池热失控，电池起火爆炸且难以扑灭，因此，未来轨道交通备用电源亟需使用更安全的电池以确保乘客的安全。

固态电池是指电池结构中不含液体，所有材料都以固态形式存在的储能器件，主要由正极活性物质、负极活性物质和固态电解质组成。当固态电池对外充放电时，锂离子通过固态电解质往返于正、负极活性物质间，产生自由电荷，对外输出电流工作。由于电解质为固态不可燃物质，所以固态电池具有安全性好、能量密度高、可柔性化等优点。但由于固态电解质在常温下电导率总体偏低，因此在常温下难以发挥其使用性能，而固态电解质的电导率随着温度上升也会有明显的提高，因此，固态锂电池组必须配置加热系统，以使其在较高的温度窗口下工作并发挥良好的使用性能。

现有固态电池加热相关的专利较少，专利公开号CN204885366U，公开日2015年12月16日，发明创造的名称为带有加热片的电池单体及电池组，该申请公开了一种带有加热片的锂电池单体及电池组，其不足之处在于液态电池内部由于隔膜、电解液的存在，电池内部导热性能较差，故仅对外壳进行散热加热效率较低，表面热量难以迅速传导至电池内部芯体。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池，针对轨道交通车辆的高安全性要求，解决了现有液态锂电池在过热和极端情况下易引起热失控的问题和固态电池常温下电解质电导率低导致的性能下降问题。

本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池，采用的技术方案是：

固态锂电池由外至内包括：金属外壳、电池绝缘膜、正极活性物质、固态电解质、负极活性物质以及固态电解质，底部设有负极集流体，顶部设有正极集流体；正极活性物质和负极活性物质之间铺设固态电解质；负极集流体与负极活性物质预先焊接，正极集流体预先与正极活性物质焊接；并将连接有正极集流体的正极活性物质、固态电解质和连接有负极集流体的负极活性物质、固态电解质层层叠起后进行卷绕；电池绝缘膜用于包裹卷绕后裸露的正极活性物质、固态电解质和负极活性物质并与金属外壳绝缘。

螺旋加热棒插入固态锂电池最内层的固态电解质内部，中间填充绝缘导热介质；螺旋加热棒可通过表面的陶瓷螺纹结构旋入绝缘导热介质中；螺旋加热棒正极导线和螺旋加热棒负极导线一端与螺旋加热棒连接，另一端与加热棒接口连接。

本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的加热装置，包括：电池管理系统、蓄电池电源、加热开关、加热保险、低压线束、固态锂电池、高压线束、负载、主回路保险、主回路开关；系统驱动负载需满足其工作电压要求，在主回路中，一定数量的固态锂电池通过高压线束将正负极串联后并与负载连接，主回路保险和主回路开关串联在主回路中，并通过高压线束与固态锂电池和负载连接；在加热回路中，低压线束连接各固态锂电池的加热棒接口，先后通过加热保险、加热开关与蓄电池连接，电池管理系统串联在加热回路中并由蓄电池提供电源。

本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的加热控制方法采用的技术方案包括：当外界环境温度过低时，电池管理系统开启加热模式，闭合加热开关，蓄电池的电流经由低压线束、加热棒接口、螺旋加热棒正极导线、螺旋加热棒负极导线进入螺旋加热棒并开始对固态锂电池加热，电流流经加热棒接口并通过螺旋加热棒正极导线和螺旋加热棒负极导线对螺旋加热棒通电加热，螺旋加热棒为PTC陶瓷材料，表现为电阻随温度增加而线性增加，并且当温度上升到某一限值时，其电阻维持不变，即以某一恒定温度放热。当加热达到一定时间后，固态锂电池的内部温度已达到其正常使用温度，此时闭合主回路开关并开始驱动负载工作，同时电池管理系统控制加热开关断开，停止加热。当加热回路出现短路时，加热保险用于及时断开低压回路内的电流，确保加热系统的可靠运行；同理，当高压回路出现短路时，主回路保险用于及时断开高压回路内的电流，确保固态锂电池系统的可靠运行。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)避免了轨道交通用备用电源在高温过热或其他极端工况下可能引发的热失控事故；改善了固态电池在常温下充放电性能降低的缺陷；

(2)直接对电池单体采用内部螺旋加热棒加热的方式，改善了对电池表面加热效率低下的问题。

附图说明

图1是本发明中一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池主视剖视图；

图2是本发明中一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池中间位置俯视横截面图；

图3是本发明三维剖视图；

图4是本发明中用于加热固态锂电池内部的螺旋加热棒三维图；

图5是本发明所涉及的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的加热装置原理示意图；

图中：

1-金属外壳，2-电池绝缘膜，3-正极活性物质，4-固态电解质，5-负极活性物质，6-负极集流体，7-绝缘导热介质，8-螺旋加热棒，9-正极集流体，10-螺旋加热棒正极导线，11-螺旋加热棒负极导线，12-加热棒接口，13-陶瓷螺纹结构，14-电池管理系统，15-蓄电池电源，16-加热开关，17-加热保险，18-低压线束，19-固态锂电池，20-高压线束，21-负载，22-主回路保险，23-主回路开关；

具体实施方式

下面结合附图具体描述本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的结构及其工作原理，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-图3所示，本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池包括固态锂电池和加热棒组件，其中：固态锂电池19由金属外壳1、电池绝缘膜2、正极活性物质3、固态电解质4、负极活性物质5、负极集流体6、正极集流体9组成，正极活性物质3和负极活性物质5之间铺设固态电解质4；负极集流体6与负极活性物质5预先焊接，正极集流体9预先与正极活性物质3焊接；并将连接有正极集流体9的正极活性物质3、固态电解质4和连接有负极集流体6的负极活性物质5层层叠起后进行卷绕；电池绝缘膜2用于包裹卷绕后裸露的正极活性物质3、固态电解质4和负极活性物质5并与金属外壳1绝缘；金属外壳1可用于固定固态电池的外形，并为固态锂电池提供足够的强度刚度。

如图1、图4所示，本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的加热棒组件，包括：螺旋加热棒8、陶瓷螺纹结构13、绝缘导热介质7、螺旋加热棒正极导线10、螺旋加热棒负极导线11、加热棒接口12；螺旋加热棒8为PTC陶瓷材料，表面带有陶瓷螺纹结构13；螺旋加热棒8插入电池最内层的固态电解质4内部，中间填充绝缘导热介质7，绝缘导热介质7为柔软胶状物质，一定时间后固化并起到导热、粘接、绝缘、阻燃的作用；螺旋加热棒8可通过表面的陶瓷螺纹结构13旋入和旋出绝缘导热介质7中，既使得加热棒固定更可靠也便于加热棒损坏后随时替换，另一方面陶瓷螺纹结构13增加了与导热绝缘介质7的换热面积，提升了加热效率；螺旋加热棒正极导线10和螺旋加热棒负极导线11一端与螺旋加热棒8连接，另一端与加热棒接口12连接。

如图5所示，本发明涉及的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的加热系统，包括：电池管理系统14、蓄电池电源15、加热开关16、加热保险17、低压线束18、固态锂电池19、高压线束20、负载21、主回路保险22、主回路开关23；系统驱动负载21需满足其工作电压要求，在主回路中，一定数量的固态锂电池19通过高压线束20将正负极串联后并与负载21连接，主回路保险22和主回路开关23串联在主回路中，并通过高压线束20与固态锂电池19和负载21连接；在加热回路中，低压线束18连接各固态锂电池的加热棒接口12，先后通过加热保险17、加热开关16与蓄电池15连接，电池管理系统14串联在加热回路中并由蓄电池15提供电源。

结合附图具体描述本发明涉及一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的工作原理，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池单体，其工作原理是：在充电过程中，正极活性物质3生成锂离子，生成的锂离子穿过固态电解质4嵌入负极活性物质5中，在此过程中产生自由电荷；在放电过程中，负极活性物质5中的锂离子脱嵌，并再次通过固态电解质4进入正极活性物质，在此过程中产生自由电荷；锂离子透过固态电解质4在正极活性物质3和负极活性物质5之间的不断嵌入和脱嵌，引起电荷的定向移动，并通过负极集流体6和正极集流体9对负载21输出电流。当加热模式启动时，加热棒接口12从外界获取电流，并通过螺旋加热棒正极导线10和螺旋加热棒负极导线11对螺旋加热棒8通电加热，螺旋加热棒8为PTC陶瓷材料，表现为电阻随温度增加而线性增加，并且当温度上升到某一限值时，其电阻维持不变，即以某一恒定温度放热。

如图5所示的一种用于轨道车辆的基于内部螺旋加热棒的固态锂电池的加热系统，其工作原理是：当外界环境温度过低时，电池管理系统14开启加热模式，闭合加热开关16，蓄电池15的电流经由低压线束18、加热棒接口12、螺旋加热棒正极导线10、螺旋加热棒负极导线11进入螺旋加热棒8并开始对固态锂电池19加热，当加热达到一定时间后，固态锂电池19的内部温度已达到其正常使用温度，此时闭合主回路开关23并开始驱动负载21工作，同时电池管理系统14控制加热开关16断开，停止加热。当加热回路出现短路时，加热保险17用于及时断开低压回路内的电流，确保加热系统的可靠运行；同理，当高压回路出现短路时，主回路保险22用于及时断开高压回路内的电流，确保固态锂电池系统的可靠运行。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于螺旋加热棒的固态锂电池的加热控制方法，其特征在于，

当外界环境温度过低时，由电池管理系统(14)开启加热模式，闭合加热开关(16)，蓄电池(15)的电流经由低压线束(18)、加热棒接口(12)、螺旋加热棒正极导线(10)、螺旋加热棒负极导线(11)进入螺旋加热棒(8)并开始对固态锂电池(19)加热，当加热达到一定时间后，固态锂电池(19)的内部温度已达到其正常使用温度，此时闭合主回路开关(23)并开始驱动负载(21)工作，同时电池管理系统(14)控制加热开关(16)断开，停止加热；

当加热回路出现短路时，利用加热保险(17)及时断开低压加热回路内的电流；当高压主回路出现短路时，利用主回路保险(22)及时断开高压主回路内的电流；

所述基于螺旋加热棒的固态锂电池，加热装置包括：电池管理系统(14)、蓄电池电源(15)、加热开关(16)、低压线束(18)；所述电池管理系统与所述蓄电池相连，所述蓄电池通过所述低压线束与所述加热开关、所述固态锂电池形成加热回路；所述蓄电池正极和负极连接所述固态锂电池的加热棒接口(12)；

还包括固态锂电池的主回路；所述主回路：利用高压线束依次串联固态锂电池、主回路开关以及负载；

在所述加热回路中还连接加热保险(17)，所述主回路中还连接主回路保险(22)；所述固态锂电池个数为若干个，若干个固态锂电池之间并联；

所述加热装置适用的固态锂电池为：包括固态锂电池本体和加热棒组件；所述固态锂电池本体由外至内包括：金属外壳(1)、电池绝缘膜(2)、正极活性物质(3)、固态电解质(4)、负极活性物质(5)以及固态电解质(4)，电池底部设有负极集流体(6)、顶部设有正极集流体(9)；所述加热棒组件位于固态锂电池本体最内层的固态电解质内，在加热棒顶部引出导线，通过所述导线能够对其加热；

所述加热棒组件包括加热棒和绝缘导热介质；所述绝缘导热介质填充在加热棒和电池本体最内层的固态电解质之间；

所述加热棒为螺旋加热棒(8)，其表面为螺纹结构，通过所述螺纹结构旋入所述绝缘导热介质内；

所述加热棒的导线包括正极导线和负极导线，所述正极导线的一端、负极导线的一端均连接加热棒顶端，所述正极导线的另一端、负极导线的另一端连接加热棒接口(12)；

所述负极集流体(6)与负极活性物质(5)预先焊接，正极集流体(9)预先与正极活性物质(3)焊接；并依次将连接有正极集流体(9)的正极活性物质(3)、固态电解质(4)和连接有负极集流体(6)的负极活性物质(5)、固态电解质(4)层层叠起后进行卷绕；电池绝缘膜(2)用于包裹卷绕后裸露的正极活性物质(3)、固态电解质(4)和负极活性物质(5)并与金属外壳(1)绝缘。

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