CN110120568B - 一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统及应用 - Google Patents

一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统及应用，包括：冷却管路，冷却管路内流通冷却介质，且冷却管路包绕在动力电池组的电池单体外侧；发热装置，发热装置置于动力电池组的电池单体之间；相变储热装置，相变储热装置置于动力电池组的电池单体两侧；温差发电装置，温差发电装置包括串联连接的冷端温差发电片和热端温差发电片，热端温差发电片置于动力电池组上端，冷端温差发电片置于冷却管路外侧，利用冷端温差发电片与热端温差发电片的温差进行发电。

Description

一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统及应用
技术领域
本公开涉及动力电池热管理技术领域，具体是涉及一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，可以适用于各种车体中，特别适用于新能源汽车中。
背景技术
动力电池是新能源汽车的重要组成部分。电池的工作温度是影响其运行性能和寿命的主要参数。据实验研究表明，当电池组环境温度过低或者过高时，电池的使用寿命受到影响。此外，电池在低温条件下工作时，电池的可充入容量和可释放的容量均降低，直接影响动力电池的续航里程，而且在低温条件下电池的放电电压降低，影响电池组的放电效率。
新能源动力汽车电池组是串并联形式存在的，若某一电池单体的温度过高或过低，对成组电池会造成直接影响。电池组的温差使电池间的内阻产热不同，长期的生热不均，产热多的电池与产热少的电池之间会有容量差距，则影响电池组中电池的容量的不均衡。电池组的容量和最差电池的容量是一致的，所以电池组内部的温差不容忽视。总之，电池组缺少热管理系统，轻则影响电池性能和寿命，重则引发火灾，引起爆炸。
铜是良好的热导体，由其制成的扁管具有良好的热导性，冷却水能快速将管壁上集聚的热量带走。
目前，对电池组的热量管理方式主要有三种，风冷，液冷和采用相变材料。风冷对流换热系数较低，降温效果差。液冷结构复杂，能耗大。相变材料还处在理论研究阶段，导热性能不稳定，未在市场推广，但其相变潜热可以节省大量的能量。因此，采用以上任一单一方式对电池组进行热量管理均无法达到预期的效果，采用相变材料-液冷复合方式对于保证电池的使用性能以及使用寿命具有重要意义。
发明内容
本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统以及应用；该散热保温系统利用动力电池模组和冷却管路的温差进行发电，将这一电能用于动力电池组的散热，并配合以相变材料-液冷复合方式对动力电池进行热量管理，使电池工作在合适的温度范围内，保证电池性能和寿命。
本公开的第一发明目的是提出一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：
一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，包括：
冷却管路，所述冷却管路内流通冷却介质，且冷却管路包绕在动力电池组的电池单体外侧；
发热装置，所述发热装置置于动力电池组的电池单体之间；
相变储热装置，所述相变储热装置置于动力电池组的电池单体两侧；
温差发电装置，所述温差发电装置包括串联连接的冷端温差发电片和热端温差发电片，所述热端温差发电片置于动力电池组上端，所述冷端温差发电片置于冷却管路外侧，利用冷端温差发电片与热端温差发电片的温差进行发电。
作为进一步的技术方案，所述温差发电装置与散热风扇连接。
本公开的动力电池散热保温系统的工作原理是：
在动力电池组的温度低于下限值时，发热装置工作，供热给动力电池组，使动力电池组温度上升，当动力电池组的温度高于该下限值则使发热装置停止工作；
在动力电池组的温度高于上限值时，冷却管路内冷却介质流通，将动力电池组产生的热量吸收，对动力电池组进行降温，当动力电池组的温度低于该上限值则使冷却管路内冷却介质停止流通。
热端温差发电片置于动力电池组上端，冷端温差发电片置于冷却管路外侧，利用动力电池组和冷却管路的温差进行发电，电能供给给散热风扇，对动力电池组产生的热量进行降温。
作为进一步的技术方案，所述冷却管路以S型包绕设置在电池单体外侧。
作为进一步的技术方案，所述冷却管路的进口和出口均与液箱连通，液箱与冷却管路进口连通的管路上设置泵和第一电磁阀，第一电磁阀、泵均与控制器连接。
作为进一步的技术方案，所述散热风扇设置于液箱内侧。
作为进一步的技术方案，所述发热装置为硅胶加热膜，硅胶加热膜与控制器连接。
作为进一步的技术方案，所述相变储热装置包括储热壳体，储热壳体内填充相变材料，储热壳体中部设置支撑网。
作为进一步优选的技术方案，所述相变材料为石墨烯-石蜡复合相变材料。
作为进一步的技术方案，所述动力电池组置于箱体内部，所述箱体对应于动力电池组顶部和底部均设置容纳膨胀珍珠岩的腔体。
作为进一步的技术方案，所述腔体与冷却管路连通，腔体和冷却管路连通处设置第二电磁阀，第二电磁阀与控制器连接。
作为进一步的技术方案，所述动力电池组侧部置有温度传感器，温度传感器与控制器连接。
本公开的第二发明目的提出一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其应用在新能源汽车中。
本公开的第三发明目的提出一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其还应用在各种带有动力电池的车体中。
本公开的有益效果为：
1)本公开的散热保温系统中冷却管路采用S蛇形，冷却管路包绕在动力电池组的电池单体外侧，可以更加有效的对动力电池组进行降温散热，且其还能串联起电池单体外侧的石墨烯-石蜡复合相变材料，做到了节省水量，汽车轻量化。
2)本公开的散热保温系统用石墨烯-石蜡复合相变材料辅助发热装置发热，有热效率高、温升快、能耗低的优点。
3)本公开的散热保温系统在动力电池组外侧配合设置膨胀珍珠岩箱体，其内的膨胀珍珠岩可随系统工作温度变化改变自身的导热性能。
4)本公开的散热保温系统基于第一热电效应，利用电池模组和冷却管路的温差进行发电，电能供给低温散热风扇，起到节能减排的作用。
5)本公开的散热保温系统用低温散热风扇代替传统的压缩机制冷，有系统简单，成本低、低温环境下经济节能的优点，石墨烯-石蜡复合相变材料加强了其冷却性能，解决了其冷却性能低、夏天水温高、应用受天气限制等缺点。
6)温度传感器实时监测电池组温度，控制器根据传感器温度信息经逻辑运算后发出加热或冷却指令。当电池组温度低于设定温度下限时，发热装置工作，高于设定温度上限时，水泵工作，冷却管路带走电池组热量，使电池处在最佳的工作温度中。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为一个实施例中公开的散热保温系统整体结构示意图；
图2是动力电池组的左视图；
图3是动力电池组的俯视图；
图4是动力电池组的主视图；
图5是石墨烯-石蜡复合相变材料与支撑网的结构图；
图6是动力电池模组温度动态仿真图；
图7是动力电池最高温度变化图；
图8是复合相变材料融化动态仿真图；
图9是复合相变材料固体百分比随时间变化曲线图；
图10是电池组平均温度变化曲线图；
图中，1动力电池组，2石墨烯-石蜡复合相变材料，3支撑网，4冷却管路，5发热装置，6泵，7液箱，8第一电磁阀，9热端半导体发电片，10控制器，11温度传感器，12箱体，13第二电磁阀，14散热风扇，15进口，16出口，17冷端半导体发电片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
名词解释：Seebeck效应，又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。
正如背景技术所介绍的，在新能源动力汽车行驶过程中，动力电池组常处在大电流放电(电流可达到几十安培到几百安培)的状态，产生热量巨大。而在寒冷季节新能源动力汽车冷启动时，电池组环境温度又远低于适宜温度下限。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，通过散热保温系统使电池工作在合适的温度范围内，保证电池性能和寿命。
本申请提供了一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，包括：
冷却管路，所述冷却管路内流通冷却介质，且冷却管路包绕在动力电池组的电池单体外侧；
发热装置，所述发热装置置于动力电池组的电池单体之间；
相变储热装置，所述相变储热装置置于动力电池组的电池单体两侧；
温差发电装置，所述温差发电装置包括串联连接的冷端温差发电片和热端温差发电片，所述热端温差发电片置于动力电池组上端，所述冷端温差发电片置于冷却管路外侧，利用冷端温差发电片与热端温差发电片的温差进行发电。
本公开的散热保温系统不仅能使动力电池组在高温条件下有效散热，在低温条件下有效加热，使动力电池组工作在适宜的环境温度，同时，石墨烯-石蜡复合相变材料的相变潜热也对温度控制起到了一定作用，起到了节能减排的效果。本公开还应用了Seebeck效应，即利用动力电池组和冷却管路的温差进行发电，所发电能供给散热电扇，进一步对动力电池组辅助散热。此外，该系统没有采用传统的压缩机冷却水装置，而是采用低温散热器冷却水装置，具有系统简单、成本低、低温环境下经济节能等优点。
实施例1
下面结合附图1-附图5对本实施例公开的散热保温系统做进一步的说明；
参照附图1所示，低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，包括动力电池组1，石墨烯-石蜡复合相变材料2，支撑网3，冷却管路4，发热装置5，泵6，液箱7，第一电磁阀8，热端半导体发电片9，控制器10，温度传感器11，箱体12，第二电磁阀13、散热风扇14、冷端半导体发电片17；
如图1-图4所示，冷却管路4以S型包绕设置在动力电池组1的电池单体外侧，冷却管路4的进口15和出口16均与液箱7连通，液箱7与冷却管路4进口15连通的管路上设置泵6和第一电磁阀8，第一电磁阀8、泵6均与控制器10连接，控制器10用来控制泵6和第一电磁阀8的通断。
由图2中可以看出，冷却管路4与动力电池组1等高设置，以便于对动力电池组整个侧面进行降温。
本实施例中，冷却管路4采用涂有导热漆的铜扁平管，其以S型包绕动力电池组1的各个电池单体，液箱7的冷却介质在其内流通，对动力电池组进行降温；每一电池单体两侧均有冷却管路4对其进行冷却降温，降温效果更好。
本公开的冷却管路采用S蛇形能达到节省水流量的效果，经过软件模拟，进出口温度不超过0.5℃。相比于总水流分流，后来又合流的形式，可以大大节省水量，具体的模拟情况如下：
夏季模拟仿真结果：
环境温度和初始温度设置为35℃，电池放电倍率为3c，放电电流为33A，放点电压为3.7V，电池模组采取七串五并的形式，小型汽车车速此时约为市区速度30km/h，当动力电池表面最高温度超过40摄氏度时，开启冷却管路，取水的流速为0.62m/s，此时相变蓄能材料和冷水间的对流换热系数为390W/(m2·K)，用star-ccm+模拟仿真出动力电池组冷却过程，动力电池模组温度动态仿真图和电池最高温度随放电时间变化曲线图如图6、图7所示。
如图7所示，动力电池最高温度逐渐升高，在550s附近时，电池最高温度达到40℃，冷却管路开启，电池最终在800s附近达到稳定状态，最高温度为40.8℃，复合相变蓄能材料在整个电池放电过程中吸收热量29.23kJ，最终温度为36.7℃，相比于单纯石蜡相变材料，融化率提升了50％。
相比于相同效果的的单独水冷装置(水冷流速为3m/s)，本系统的动力锂电池最高温度降低了约3℃，而且冷水流速降低了80％，水冷时间降低了45.83％。
复合相变材料融化动态仿真图和复合相变材料固体百分比随时间变化曲线图如图8和图9所示。
冬季模拟仿真结果：
停车后，电池组的平均温度先升高至8℃左右，在21000s后，电池组平均温度仍然高于0℃。相比于无相变材料的加热过程，相变潜热对电池组的加热具有重要意义。仿真曲线图如图10所示。
如图1、图3、图4所示，动力电池组1的电池单体两侧均设置相变储热装置，相变储热装置包括储热壳体，储热壳体内填充石墨烯-石蜡复合相变材料2，储热壳体中部设置支撑网3，储热壳体安装在动力电池组1的电池单体左右两侧，如图5所示，支撑网3安装在填充石墨烯-石蜡复合相变材料2的储热壳体中央，支撑网3上下各高出石墨烯-石蜡复合相变材料2 5mm，起到导热翅片的效果，以增大传热面积，增强气流紊动，加强了相变材料和动力电池组的散热效果。
储热壳体可以采用厚度为0.3mm的铜箱体，薄壁铜箱的基本参数如下表所示：
Figure BDA0002073468960000091
石墨烯-石蜡复合相变材料2中石墨烯质量百分比为2％。
该石墨烯-石蜡复合相变材料2与电池单体外侧设置的冷却管路4配合，冷却管路4以S蛇形串联起石墨烯-石蜡复合相变材料2。
本实施例中，支撑网3采用铜网制成。
如图1所示，发热装置5设置于动力电池组1的电池单体之间，发热装置5与控制器10连接，在动力电池组1温度低于设定下限值时，控制器10控制发热装置5工作，为动力电池组提供热量使其温度回升。
而且，电池单体两侧均设置石墨烯-石蜡复合相变材料2，石墨烯-石蜡复合相变材料2可辅助发热装置发热，有热效率高、温升快、能耗低的优点。
本实施例中，发热装置5采用硅胶加热膜，硅胶加热膜直接与动力电池组的电池单体贴合，直接传热给电池单体。硅胶加热膜进行发热为现有成熟技术，在此不再赘述。
本公开的散热保温系统，在动力电池组1上安装温度传感器11，温度传感器11与控制器10连接；温度传感器11可以安装在所述动力电池组1最右端。
如图1、图3、图4所示，本公开的散热保温系统还设置温差发电装置，温差发电装置包括温差发电片，本实施例中温差发电片采用半导体发电片，分别为热端半导体发电片9、冷端半导体发电片17，热端半导体发电片9、冷端半导体发电片17串联连接，热端温差发电片9置于动力电池组上端，冷端温差发电片17置于冷却管路外侧，温差发电装置与散热风扇14连接，利用冷端温差发电片与热端温差发电片的温差进行发电，所发电量供给散热风扇14，散热风扇14设置在液箱7内侧，风叶旋转，对液箱7内吸热后的冷却介质进行风冷降温。
具体的，冷端温差发电片17置于冷却管路出口16与液箱7连通的管路上。
温差发电装置采用现有半导体温差发电技术。
具体设置时，热端半导体发电片9设置12个，冷端半导体发电片17设置13个，12个热端半导体发电片9分别设置在动力电池组每个电池单体的上端，13个冷端半导体发电片17布置在冷水管路外侧，冷端半导体发电片17和热端半导体发电片9依次交叉串联连接(即连接方式为：一冷端半导体发电片17与一热端半导体发电片9连接，该热端半导体发电片9再与下一冷端半导体发电片17连接，直至全部发电片串联连接)，再与其他电路必备设备连接进行发电，所发电量供给散热风扇。
具体可以采用碲化铋半导体温差发电，经计算，一片温差发电片在10℃温差下为0.485V电压，每个电池模组热端有12个温差发电片，7个电池模组共有84个温差发电片，采用串联温差发电，总发电电压为40.75V。
碲化铋半导体：伏值ZT：3×10-3W/K，电导率σ＝850Ω-1·cm-1，绝对温度T＝283K，热导率λ＝15×10-3W/(cm·K)。
Figure BDA0002073468960000111
由该半导体元件数m＝3540，
电压Us＝m·α·(T1-T2)＝3540×0.0000137×10＝0.48498V，
即一片温差发电片在10℃温差下为0.485V电压。
如图1、图2、图4所示，动力电池组1置于箱体12内部，箱体12对应于动力电池组1顶部和底部均设置容纳吸水性能好的膨胀珍珠岩的腔体，腔体与冷却管路4连通，腔体和冷却管路4连通处设置第二电磁阀13，第二电磁阀13与控制器10连接。
箱体12内的膨胀珍珠岩布置在箱体上下两侧，控制器10可控制第二电磁阀13，第二电磁阀13开启，箱体12内的膨胀珍珠岩吸收冷却管路4内的冷水，加强动力电池组1散热，箱体12内的膨胀珍珠岩吸收冷水，进而对动力电池组1上下两侧降温，配合冷却管路4对动力电池组1侧部降温，以达到对整个动力电池组1降温的效果；第二电磁阀13关闭，膨胀珍珠岩自然蒸发冷却后干燥，对动力电池组1保温防护。
箱体12内设置的膨胀珍珠岩做成颗粒状，颗粒之间留有细小空隙，膨胀珍珠岩经自然蒸发冷却后，会变得干燥。经过实物试验证明，在25℃的情况下，膨胀珍珠岩可在8小时内干燥完全。
本公开的动力电池散热保温系统整体的工作原理是：
控制器10设置上限值、下限值、中间值，温度传感器11检测动力电池组1的温度；
在动力电池组1的温度高于上限值时，控制器10控制泵6工作，第一电磁发8、第二电磁阀13打开，冷却管路4内冷却介质流通，位于动力电池组1电池单体外侧的冷却管路4吸收动力电池组1侧部的热量，箱体12内的膨胀珍珠岩吸收冷却管路4内的冷却介质，进而吸收动力电池组1顶部和底部的热量，对动力电池组1进行全方位降温，当动力电池组1的温度低于该上限值则使冷却管路4内冷却介质停止流通；
热端半导体发电片9和冷端半导体发电片17利用动力电池组1和冷却管路之间的温差进行温差发电，电能供给给散热风扇14，散热风扇14对动力电池组1产生的热量进行辅助降温。
在动力电池组1的温度低于上限值但高于中间值时，控制器10控制第二电磁阀13开启，箱体12内的膨胀珍珠岩吸收冷却介质，起到加湿箱体12的效果，对动力电池组进行散热。
在动力电池组1的温度低于中间值但高于下限值时，控制器10控制第二电磁阀13关闭，箱体12内膨胀珍珠岩逐渐干燥，对动力电池组进行保温。
在动力电池组1的温度低于下限值时，控制器10控制发热装置5工作，供热给动力电池组1，使动力电池组1温度上升，当动力电池组1的温度高于该下限值则使发热装置5停止工作。
本公开的散热保温系统的运行方式如下：
汽车启动后，箱体内的温度传感器11工作，检测动力电池组1的的温度。
控制器10设置动力电池组1温度的上限值为四十摄氏度，下限值为两摄氏度，中间值为十摄氏度。
汽车行驶过程中，由于大电流放电，动力电池组1在工作一段时间后温升较大。若电池温度高于上限四十摄氏度时，此时控制器10收到温度传感器11发回的信息，经过逻辑判断后，发出冷却指令，第一电磁阀8、第二电磁阀13开启，泵6开始工作，电池产生的热量经热传导到冷却管路4，冷却管路4内液体流动，带走热量。若某时刻，温度传感器11测得动力电池组1当前温度低于四十摄氏度时，泵6停止工作，第一电磁阀8、第二电磁阀13关闭，冷却管路4内液体停止流动。若电池温度高于十摄氏度时，此时控制器10收到温度传感器11发回的信息，经过逻辑判断后，发出指令，第二电磁阀13开启，起到加湿箱体，对电池组散热的效果。
半导体发电片9贴在动力电池组1的温度最高处和温度最低处，通过导线将电量输送给散热风扇14，散热风扇14对动力电池组1产生的热量进行辅助降温。
若电池温度低于下限两摄氏度时，此时控制器10收到温度传感器11发回的信息，经过逻辑判断后，发出加热指令，发热装置5工作，动力电池组1温度上升。某一时刻，温度传感器11测得动力电池组1当前温度高于两摄氏度时，发热装置5停止工作。此时动力电池组1处在一个舒适的温度环境中。若电池温度低于中间值十摄氏度时，此时控制器10收到温度传感器11发回的信息，经过逻辑判断后，发出指令，第二电磁阀13关闭，箱体内膨胀珍珠岩逐渐干燥，对电池组进行保温。
通过上述的工作过程，动力电池组工作在适宜的温度范围内，电池实用性能及寿命得到提升，这对新能源动力汽车推广具有实际的意义。
此外，上述散热保温系统既可以应用在背景技术部分所述的新能源动力汽车的电池热管理中，还可以应用在各种带有动力电池的车体的电池热管理中。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，包括：
冷却管路，所述冷却管路内流通冷却介质，且冷却管路包绕在动力电池组的电池单体外侧；
发热装置，所述发热装置置于动力电池组的电池单体之间；
相变储热装置，所述相变储热装置置于动力电池组的电池单体两侧；
温差发电装置，所述温差发电装置包括串联连接的冷端温差发电片和热端温差发电片，所述热端温差发电片置于动力电池组上端，所述冷端温差发电片置于冷却管路外侧，利用冷端温差发电片与热端温差发电片的温差进行发电；
所述动力电池组置于箱体内部，所述箱体对应于动力电池组顶部和底部均设置容纳膨胀珍珠岩的腔体；所述腔体与冷却管路连通，腔体和冷却管路连通处设置第二电磁阀，第二电磁阀与控制器连接。
2.如权利要求1所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，所述冷却管路以S型包绕设置在电池单体外侧。
3.如权利要求1所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，所述温差发电装置与散热风扇连接。
4.如权利要求3所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，所述冷却管路的进口和出口均与液箱连通，液箱与冷却管路进口连通的管路上设置泵和第一电磁阀，第一电磁阀、泵均与控制器连接；所述散热风扇设置于液箱内侧。
5.如权利要求1所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，所述发热装置为硅胶加热膜，硅胶加热膜与控制器连接；所述动力电池组侧部置有温度传感器，温度传感器与控制器连接。
6.如权利要求1所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，所述相变储热装置包括储热壳体，储热壳体内填充相变材料，储热壳体中部设置支撑网；所述相变材料为石墨烯-石蜡复合相变材料。
7.一种如权利要求1所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，其应用在新能源汽车中。
8.一种如权利要求1所述的低能耗利用温差发电的动力电池散热保温系统，其特征在于，其还应用在各种带有动力电池的车体中。
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