CN110299580B - 一种电池自加热保温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池自加热保温装置。所述电池自加热保温装置包括：动力电池单体、加热膜片、气凝胶外壳、温度传感器以及开关电路；动力电池单体的外表面包覆有加热膜片；加热膜片的外表面包覆有气凝胶外壳；温度传感器设于动力电池单体上，且温度传感器设于动力电池单体与加热膜片之间；温度传感器与开关电路通过信号线相连接；动力电池单体、加热膜片以及开关电路两两相互连接，开关电路用于将动力电池单体以及加热膜片相连通，构成加热回路；加热膜片用于利用焦耳热效应产生热量，并通过热传导效应为动力电池单体进行加热。采用本发明所提供的电池自加热保温装置使得电池能够在低温条件下高效地自预热并保温，从而提升电池充放电性能。

Description

一种电池自加热保温装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池加热保温领域，特别是涉及一种电池自加热保温装置。

背景技术

随着传统燃油车辆带来的环境问题和资源问题日益严峻，大力发展新能源汽车作为解决此问题的有效途径，引起了各国的重视。尽管近年来二次电池技术获得了一定程度上的突破，但如何高效、健康且安全地利用电池仍然是当前的一大挑战；其中，温度作为关键的环境因素，将影响电池的电极反应速率以及扩散过程，进而严重影响电池充放电性能，也因此，动力电池在低温条件下，电池的充放电性能将大打折扣，成为了使电动车辆在冬季或寒区行车严重受限的主要原因；然而，随着电动汽车的需求及市场的不断扩大，电池的全气候应用需要得到保障；如何解决两者间的矛盾，成为了电池管理的一大关键问题。

为解决此矛盾，目前较为常用且有效的方法是对低温条件下的电池进行预加热，使其工作在合适温度下，电池低温加热技术又可大致分为两大类：外部加热及内部加热；外部加热方法通常利用布置在电池组中的加热膜、电阻丝等加热器件实现电池的预热，然而，此类方法往往由于电池组与环境的热交换，使得电池组温升效率有限，且温升不均匀；而内部加热方法则是对电池施加交流电或直流电，利用电池自身阻抗实现生热，尽管，内部加热方法能够获得较为均匀的温升效果，但交、直流电的接入可能会使电池寿命受到影响，且交流电的获取往往需要借助外界设备；也有技术通过在电池内部加入加热片，实现电池自加热，但这可能使电池的生产制造成本上升。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池自加热保温装置，以解决现有的电池加热方式加热效率低，散热快，电池寿命短，生产制造成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电池自加热保温装置，包括：动力电池单体、加热膜片、气凝胶外壳、温度传感器以及开关电路；

所述动力电池单体的外表面包覆有所述加热膜片；

所述加热膜片的外表面包覆有所述气凝胶外壳；

所述温度传感器设于所述动力电池单体上，且所述温度传感器设于所述动力电池单体与所述加热膜片之间；所述温度传感器与所述开关电路通过信号线相连接；

所述动力电池单体、所述加热膜片以及所述开关电路两两相互连接，所述开关电路用于将所述动力电池单体以及所述加热膜片相连通，构成加热回路；所述加热膜片用于利用焦耳热效应产生热量，并通过热传导效应为所述动力电池单体进行加热。

可选的，所述动力电池单体具体包括：第一极耳以及第二极耳；

所述第一极耳与所述开关电路的一端相连接；

所述第二极耳与所述加热膜片相连接。

可选的，所述加热膜片具体包括：第三极耳以及第四极耳；

所述第三极耳与所述第二极耳相连接；

所述第四极耳与所述开关电路的另一端相连接。

可选的，所述第一极耳以及所述第四极耳为加热激活极；

所述第二极耳以及所述第三极耳为固连极。

可选的，所述气凝胶外壳采用分散介质为气体的凝胶固体材料。

可选的，所述温度传感器设于所述动力电池单体的中心处。

可选的，所述温度传感器为热电偶或热敏电阻。

可选的，所述动力电池单体为锂离子电池或全固态锂电池。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种电池自加热保温装置，利用轻质保温隔热材料(气凝胶)，在更小的质量下提供更好的保温效果，从而减少与环境的热交换，使得电池在加热过程中能量损失明显减小，温升速率将显著提升；加热膜片包覆在待加热电池表面，因此加热过程中产热均匀，能够获得更加均匀的温度分布，且气凝胶材料兼顾了保温及隔热阻燃性能；利用开关电路实现电池自加热，而不再需要外部电源的供电，进而解决在无外部电源条件下的电池加热问题。因此，采用本发明所提供的高度集成的电池自加热保温装置，使得电池能够在低温条件下高效地自预热并保温，从而提升电池充放电性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的电池自加热保温装置分解图；

图2为本发明所提供的电池自加热保温装置结构图；

图3为本发明所提供的动力电池单体与所述加热膜片结合后的立体图；图4为本发明所提供的动力电池单体与所述加热膜片结合后的剖面图；

图5为本发明所提供的基于图3-图4的基础上包覆气凝胶外壳的立体图；

图6为本发明所提供的基于图3-图4的基础上包覆气凝胶外壳的剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电池自加热保温装置，使得电池能够在低温条件下高效地自预热并保温，从而提升电池充放电性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的电池自加热保温装置分解图，图2为本发明所提供的电池自加热保温装置结构图，如图1-图2所示，一种电池自加热保温装置，包括：动力电池单体1、加热膜片2、气凝胶外壳3、温度传感器4以及开关电路5；所述动力电池单体1的外表面包覆有所述加热膜片2；所述加热膜片2的外表面包覆有所述气凝胶外壳3；所述温度传感器4设于所述动力电池单体1上，且所述温度传感器4设于所述动力电池单体1与所述加热膜片2之间；所述温度传感器4与所述开关电路5通过信号线相连接；所述动力电池单体1、所述加热膜片2以及所述开关电路5两两相互连接，所述开关电路5用于将所述动力电池单体1以及所述加热膜片2相连通，构成加热回路；所述加热膜片2用于利用焦耳热效应产生热量，并通过热传导效应为所述动力电池单体1进行加热。

如图2所示，所述开关电路5用以控制电池自加热过程的开启或关闭，开关两端的电路分别与电池单体和加热膜片2的激活极相连接；开关电路5的闭合及断开将由控制器根据温度传感器4测得的电池单体温度进行控制。

当测得电池单体温度低于其正常或适宜工作温度时，开关闭合，自加热回路导通，利用电池单体自身能量实现加热。当电池单体温度达到其工作温度时，控制器断开开关电路5，自加热回路断开，加热过程停止。

对于不同种类的电池单体，适宜的工作温度存在差异，因此对于不同种类的电池单体，需要在控制器中设置不同的加热温度阈值与停止加热温度阈值，从而保证电池单体工作在适宜的工作温度下；所述控制器为电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，BMS)，所述控制器分别与温度传感器4以及开关电路5相连接，与整车控制器(VehicleControl Unit，VCU)进行通讯。

图3为本发明所提供的动力电池单体与所述加热膜片结合后的立体图，图4为本发明所提供的动力电池单体与所述加热膜片结合后的剖面图，如图3-图4所示，所述动力电池单体1为需要预热的对象，同时也是加热能量的提供者；电池单体可为各类商用锂离子电池(软包、方形等)或全固态锂电池；电池单体需包含正、负极两极耳或极柱，同时具备良好导热性且绝缘的外包装。

所述温度传感器4体积微小，可为热电偶或热敏电阻形式，布置在单体电池表面，用以测量单体电池表面温度；所述加热膜片2作为整个加热保温结构的加热装置，包覆在单体电池表面，形成自加热结构。

为减小整体结构的尺寸，加热膜片2不应过厚；加热膜片2同样包含两极耳，其中一极耳与电池单体正或负极耳固定连接，而加热膜片2另一极接入受温度控制的开关电路55的一端；电池单体1中未与加热膜片2连接的极耳则接入开关电路55的另一端；将固连的两极称为固连极，即：图2中第二极耳12和第三极耳21；未固连的两极称为加热激活极，即：图2中第一极耳11与第四极耳22。

当开关闭合时，电池进入放电过程，电流经过加热膜片2构成回路，加热膜片2作为负载利用焦耳热效应产生热量，并通过热传导效应为单体电池加热。优选地，加热膜片2具备较好的延展性并能够包覆在电池表面，其内阻应根据加热量需求进行匹配。

图5为本发明所提供的基于图3-图4的基础上包覆气凝胶外壳的立体图，图6为本发明所提供的基于图3-图4的基础上包覆气凝胶外壳的剖面图，如图5-图6所示，所述气凝胶外壳3由气凝胶材料构成，包裹在上述自加热结构外侧，构成整体加热保温结构。

气凝胶是一种分散介质为气体的凝胶固体材料，由于其具备的超低导热率以及超低密度，是优质的保温隔热材料，能够在电池预热过程中有效避免热量向外界环境散失，从而提高电池温升效率，缩短加热时间，同时减少单体电池本身能量的消耗。

此外，气凝胶隔热阻燃的特性将有效隔绝电池模组中各电池单体间的热量传递；因此，当电池模组中某一电池单体发生热失控时，气凝胶外壳3将有效抑制热失控向其他电池单体的扩散；由于气凝胶材料的超低密度，气凝胶外壳3对整体加热保温结构重量的影响很小，同时由于其超低导热率，气凝胶外壳3厚度能够被控制在较小的范围内，从而保证了电池模组整体比能量；考虑到电池种类的差异，其最适宜工作温度存在差异，同时考虑与外界环境的热量传递，气凝胶厚度需要进行相应的匹配。

本发明公开了一种电池自加热保温装置，动力电池单体1可为现有各类商用锂离子电池及全固态电池，包含正、负极两极耳；加热膜片2包覆在电池外表面，且同样引出两极耳，其中一极耳与电池其中一极耳固定连接；温度传感器4用以获取电池温度，而开关电路5用以控制膜片及电池另一极耳的导通或关断；此外，气凝胶外壳3能够实现电池的保温隔热。

当温度传感器4测得电池处于低温状态时，开关电路5接通，加热膜片2与电池正负极接通，利用电池自身能量实现加热，并在到达合适工作温度时断开开关，停止自加热过程。

此外，本发明利用了气凝胶保温隔热性能，能够实现高效率电池预热及保温，同时能够在单体发生热失控时，有效抑制其扩散。

综上，相对于现有技术来说，具有如下优点：

1.本发明在保留现有各类商用锂离子电池(软包、方形等)内部结构的前提下，提供了一种的电池加热保温结构，能够高效利用电池自身能量实现低温条件下的快速升温及保温。

2.基于单体电池的集成化设计使得本发明结构紧凑，相较于传统外部加热器件的引入及加热电路的布置，一定程度上减小了成组电池系统的结构尺寸，进而提升电池系统整体比能量。

3.包覆在电池表面的加热膜能够高效且均匀地为电池提供热源，使电池能够快速升温，且相较于置于电池内部的加热膜片2，理论上对原有电池特性的不良影响将更小。

4.利用气凝胶实现电池的有效隔热保温；气凝胶材料作为超低密度及低热导率隔热材料，能够有效减小电池加热过程中的热量散失且对电池重量的增加很小，从而缩短电池单体在低温条件下的预热时间，并且减少了电池单体加热至工作温度时所消耗的能量；此外，在电池单体发生热失控时，气凝胶的隔热阻燃性能将有效抑制热失控的扩散。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种电池自加热保温装置，其特征在于，包括：动力电池单体、加热膜片、气凝胶外壳、温度传感器以及开关电路；

所述动力电池单体的外表面包覆有所述加热膜片；

所述加热膜片的外表面包覆有所述气凝胶外壳；所述气凝胶外壳采用分散介质为气体的凝胶固体材料；

所述温度传感器设于所述动力电池单体上，且所述温度传感器设于所述动力电池单体与所述加热膜片之间；所述温度传感器与所述开关电路通过信号线相连接；所述温度传感器设于所述动力电池单体的中心处，且所述温度传感器布置在单体电池表面，用以测量单体电池表面温度；

所述动力电池单体、所述加热膜片以及所述开关电路两两相互连接，所述开关电路用于将所述动力电池单体以及所述加热膜片相连通，构成加热回路；所述加热膜片用于利用焦耳热效应产生热量，并通过热传导效应为所述动力电池单体进行加热；对于不同种类的电池单体，在控制器中设置不同的加热温度阈值与停止加热温度阈值，保证电池单体工作在适宜的工作温度下；所述控制器为电池管理系统，所述控制器分别与温度传感器以及开关电路相连接，与整车控制器进行通讯。

2.根据权利要求1所述的电池自加热保温装置，其特征在于，所述动力电池单体具体包括：第一极耳以及第二极耳；

所述第一极耳与所述开关电路的一端相连接；

所述第二极耳与所述加热膜片相连接。

3.根据权利要求2所述的电池自加热保温装置，其特征在于，所述加热膜片具体包括：第三极耳以及第四极耳；

所述第三极耳与所述第二极耳相连接；

所述第四极耳与所述开关电路的另一端相连接。

4.根据权利要求3所述的电池自加热保温装置，其特征在于，所述第一极耳以及所述第四极耳为加热激活极；

所述第二极耳以及所述第三极耳为固连极。

5.根据权利要求1所述的电池自加热保温装置，其特征在于，所述温度传感器为热电偶或热敏电阻。

6.根据权利要求1所述的电池自加热保温装置，其特征在于，所述动力电池单体为锂离子电池或全固态锂电池。

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