CN111710920A - 一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池，电池本体的外周为电池壳体，电池壳体的一端为正极，另一端为负极，且负极端的卷绕组端头装有温度传感器；电池壳体的中心设置有相变芯，相变芯与电池壳体同轴，相变芯与电池壳体之间设置有卷绕组，卷绕组的内环设置有加热环；加热环与相变芯之间设有间隙；电池壳体的两端内装有呈圆环状的控制器，控制器与卷绕组的端头之间安装有集线器，集线器的中间孔内装有风扇，风扇与控制器的中心孔对应。本发明提供的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，将相变材料填充于锂电池内部，与加热环和风扇协同作用，在高低温时具有热控功能，提高电池的工作性能。

Description

一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，尤其涉及一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池。
背景技术
随着电动汽车的发展，凭借着高能量密度、高功率密度及长循环寿命等优势，以锂电池为代表的动力电池被广泛应用于电动车中。
然而，锂电池性能及安全性受温度影响显著，高温和低温都不利于锂电池正常工作。尤其在低温环境下，当环境温度低于10℃时，锂电池不仅有效容量减少20%以上，而且锂电池电极容易出现锂镀现象，容易引发短路等风险。
现有的锂电池大多采用电池箱恒温装置，在电池箱内设置相变材料(PCM - PhaseChange Material)，或将相变材料与锂电池通过热管连接。相变材料是一种能够利用自然界能量进行能量储存和温度控制的功能性材料，具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。物理状态发生变化时，相变材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。同时，相变材料的化学稳定性好、安全性高。
但是，上述方式中，电池将热量传递到电池表面，再通过外部的散热装置风扇或相变材料将热量带走，从而降低电池温度。由于只对电池表面进行了冷却或加热，电池内部会造成较大的温差，影响电池的工作性能。
发明内容
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池，将相变材料填充于锂电池内部，升高或降低电池的温度，提高电池的工作性能。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池，包括电池本体，所述电池本体的外周为电池壳体，电池壳体的一端为正极，另一端为负极，且负极端的卷绕组端头装有温度传感器；电池壳体的中心设置有相变芯，相变芯与电池壳体同轴，相变芯与电池壳体之间设置有卷绕组，卷绕组的内环设置有加热环；加热环与相变芯之间设有间隙；电池壳体的两端内装有呈圆环状的控制器，控制器与卷绕组的端头之间安装有集线器，集线器的中间孔内装有风扇，风扇与控制器的中心孔对应。
进一步，所述相变芯的直径为8～10mm。
进一步，所述相变芯的材料为石蜡类。
进一步，所述石蜡类的材料中添加有膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒。
进一步，所述温度传感器的温度感应范围为-30~60℃。
进一步，所述控制器设有第一预设温度和第二预设温度。
进一步，所述第一预设温度为38℃。
进一步，所述第二预设温度为18℃。
进一步，所述加热环为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
进一步，所述控制器包括开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4，开关S0与电阻R1串联，开关S1与电阻R2串联，开关S2与电阻R3串联，电阻R2与电阻R3并联，电阻R1分别与电阻R2和电阻R3串联，开关S3和开关S0与电阻R1串联，开关S4分别与电阻R2和电阻R3串联；其温度控制方法如下：
1）当温度感应器感应到加热环和相变芯的温度平均值低于-30℃时，开关S4和开关S1闭合，电阻R2连接加热环并接通电路，电池壳体内部线路接通并进行自加热；当温度达到第二预设温度时，开关S4和开关S1断开，加热环停止对电池加热，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作；
2）当温度感应器感应到加热环和相变芯的温度平均值高于60℃时，开关S2和开关S4闭合，电阻R3连接风扇，电池壳体内部线路接通，风扇转动，对电池壳体内部进行散热；当温度达到第一预设温度时，相变芯对电池壳体内部进行散热；
3）当电池壳体内温度处于0℃~60℃之间时，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作。
本发明提供的锂电池中，将相变材料填充于锂电池内部，提高电池的工作性能，体积小。相变材料与加热环、风扇协同作业，在高温和低温时具有热控功能，延长电池的使用寿命和性能。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为图1中A-A向截面图；
图3为本发明中控制器9的电路图。
图中：1.电池本体，2.电池壳体，3.正极，4.负极，5.加热环，6.相变芯，7.卷绕组，8.温度传感器，9.控制器，10.集线器，11.风扇。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。参见图1至图3。一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池，包括一个电池本体1，该电池本体1的外周设置有电池壳体2，电池壳体2的一端为正极3，另一端为负极4，且负极4端的卷绕组7端头装有温度传感器8；电池壳体2的中心设置有一根直径为8～10mm的相变芯6，相变芯6采用石蜡类材料制作，且与电池壳体2同轴；相变芯6与电池壳体2之间设置有卷绕组7，卷绕组7的内环设置有加热环5；加热环5与相变芯6之间设有间隙，间隙设置为1.5～2mm；电池壳体2的两端内装有呈圆环状的控制器9，控制器9与卷绕组7的端头之间安装有集线器10，集线器10的中间孔内装有风扇11，风扇11与控制器9的中心孔对应（如图1和图2所示）。
相变芯6的石蜡类材料中添加有膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或金属铝颗粒。温度传感器8的温度感应范围为-30~60℃。控制器9设有温度为38℃的第一预设温度和温度为18℃的第二预设温度。
控制器9（如图3所示）包括开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4，开关S0与电阻R1串联，开关S1与电阻R2串联，开关S2与电阻R3串联，电阻R2与电阻R3并联，电阻R1分别与电阻R2和电阻R3串联，开关S3和开关S0与电阻R1串联，开关S4分别与电阻R2和电阻R3串联；其温度控制方法如下：
1）当温度感应器8感应到加热环5和相变芯6的温度平均值低于-30℃时，开关S4和开关S1闭合，电阻R2连接加热环5并接通电路，电池壳体2内部线路接通并进行自加热；当温度达到第二预设温度时，开关S4和开关S1断开，加热环5停止对电池加热，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作；
2）当温度感应器8感应到加热环5和相变芯6的温度平均值高于60℃时，开关S2和开关S4闭合，电阻R3连接风扇，电池壳体2内部线路接通，风扇11转动，对电池壳体2内部进行散热；当温度达到第一预设温度时，相变芯6对电池壳体2内部进行散热；
3）当电池壳体2内温度处于0℃~60℃之间时，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作。
加热环5为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
相变芯6为80%石蜡和20%膨胀石墨融合物，导热系数由单一石蜡的0.24·m-1·K-1提高到1.23·m-1·K-1，是单一石蜡导热系数的5倍。
所述风扇11为1504微型电扇，是长宽高为15mm×15mm×4mm的聚风散热微型电扇。
本发明中的温度传感器8负责采集加热环5和相变芯6的温度，将采集到的加热环5和相变芯6的温度计算温度平均值，将温度平均值传递给控制器9，温度传感器8的温度感应范围为-30℃-60℃。
相变芯6内用相变材料填充，相变材料为石蜡类。作为优选，可以在相变材料中掺入膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒，以增加材料的热传导性能。本发明中相变材料中优选使用石蜡，石蜡的固液相相变温度随组成石蜡的石蜡分子的碳链的长度而变化，约在5.5 ～75.9℃范围内，优选碳原子数为18，相变温度为28℃的石蜡。即，相变芯6的相变温度为28℃。
利用相变材料在相变过程中的潜热来对电池进行冷却加热保温。相变材料的相变温度接近锂电池的最佳工作温度，相变材料在其物相变化过程中，可从电池内部吸收热量或向环境中放出热量，从而达到能量储存和释放及调节能量需求和供给的目的。根据相变材料的相变温度预先设定预设温度，预设温度为相变温度的±10 ～10℃，优选为10℃。即，第一预设温度为38℃，第二预设温度为18℃。
本发明控制电路中的开关S1与电阻R2串联，开关S2与电阻R3串联，电阻R2和电阻R3并联，电阻R1分别与电阻R2和电阻R3串联，开关S3和开关S0与电阻R1串联，开关S4分别与电阻R2和电阻R3串联；其温度控制方法如下：
1）当温度感应器8感应到加热环5和相变芯6的温度平均值低于-30℃时，开关S4和开关S1闭合，电阻R2连接加热环5并接通电路，电池壳体2内部线路接通并进行自加热；当温度达到第二预设温度时，开关S4和开关S1断开，加热环5停止对电池加热，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作；
2）当温度感应器8感应到加热环5和相变芯6的温度平均值高于60℃时，开关S2和开关S4闭合，电阻R3连接风扇，电池壳体2内部线路接通，风扇11转动，对电池壳体2内部进行散热；当温度达到第一预设温度时，相变芯6对电池壳体2内部进行散热；
3）当电池壳体2内温度处于0℃~60℃之间时，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作。
加热环5为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52kj/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
相变芯6为80%石蜡和20%膨胀石墨融合物，导热系数由单一石蜡的0.24·m-1·K-1提高到1.23·m-1·K-1，是单一石蜡导热系数的5倍。电阻R1、R2、R3为01005超微型贴片电阻，其尺寸为0.4mm×0.2mm×0.2mm，电阻值为10Ω。
风扇11为1504微型电扇，是长宽高为15mm×15mm×4mm的聚风散热微型电扇。
开关S0、S1、S2、S3、S4为B8D微型温控开关，其尺寸为13mm×5.4mm×2.4mm，采用一定几何形状的双金属片,无需辅助机构,仅靠双金属片的自身感温和电流热效应,使双金属组件的状态发生快速变化,直接带动触点实现自动切断和接通电路,起到过热和过冷保护作用。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池，包括电池本体，其特征在于，所述电池本体的外周为电池壳体，电池壳体的一端为正极，另一端为负极，且负极端的卷绕组端头装有温度传感器；电池壳体的中心设置有相变芯，相变芯与电池壳体同轴，相变芯与电池壳体之间设置有卷绕组，卷绕组的内环设置有加热环；加热环与相变芯之间设有间隙；电池壳体的两端内装有呈圆环状的控制器，控制器与卷绕组的端头之间安装有集线器，集线器的中间孔内装有风扇，风扇与控制器的中心孔对应。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述相变芯的直径为8~10mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述相变芯的材料为石蜡类。
4.根据权利要求3所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述石蜡类的材料中添加有膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述温度传感器的温度感应范围为-30~60℃。
6.根据权利要求1所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述控制器设有第一预设温度和第二预设温度。
7.根据权利要求6所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述第一预设温度为38℃。
8.根据权利要求6所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述第二预设温度为18℃。
9.根据权利要求1所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述加热环为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
10.根据权利要求1所述的基于相变材料的热控卷绕式锂电池，其特征在于，所述控制器包括开关S0、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4，开关S0与电阻R1串联，开关S1与电阻R2串联，开关S2与电阻R3串联，电阻R2与电阻R3并联，电阻R1分别与电阻R2和电阻R3串联，开关S3和开关S0与电阻R1串联，开关S4分别与电阻R2和电阻R3串联；其温度控制方法如下：
1）当温度感应器感应到加热环和相变芯的温度平均值低于-30℃时，开关S4和开关S1闭合，电阻R2连接加热环并接通电路，电池壳体内部线路接通并进行自加热；当温度达到第二预设温度时，开关S4和开关S1断开，加热环停止对电池加热，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作；
2）当温度感应器感应到加热环和相变芯的温度平均值高于60℃时，开关S2和开关S4闭合，电阻R3连接风扇，电池壳体内部线路接通，风扇转动，对电池壳体内部进行散热；当温度达到第一预设温度时，相变芯对电池壳体内部进行散热；
3）当电池壳体内温度处于0℃~60℃之间时，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作。
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