CN111769341B - 基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置及其控制方法，该装置包括电池组、吸附床、储液器、温度传感器、液位传感器、电源状态传感器、车辆状态传感器、控制器；电池组内部有换热盘管，吸附床、储液器内部有电加热器和换热盘管，电池换热盘管与吸附床换热盘管通过热能传递管路连接形成热循环管路，吸附床用于热化学吸附储能，所述各传感器分别与控制器相连接；本发明适用于高寒地区汽车动力电池部件升温，能够解决动力电池在低温下启动难、容量低和稳定性下降的问题。

Description

基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置及其控制 方法

技术领域

本发明属于新能源汽车领域，具体涉及一种基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置及其控制方法。

背景技术

进入二十一世纪后，经济与社会迅速发展，人们对出行的需求不断增加。同时，石油等传统化石能源逐渐短缺，人们的环境保护的意识日益增强。在这样的背景下，新能源汽车的研发与制造得到了越来越多国家的重视，动力电池作为新能源汽车的主要动力部件被广泛应用。

铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池等已经在动力电池领域中得到了广泛的应用。然而，动力电池在低温下存在启动难、容量降低、寿命下降等缺点。这些缺点的存在极大地阻碍了动力电池在高寒地区的使用与推广，同时也使得电动车动力电池应急加热方面充满了潜力。

目前为止，在低温电池的加热有燃油加热、风暖加热、水暖加热等方法，但是这些方法各自有着产生多余污染、耗电量大、结构复杂等局限性。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置，结构简单，在低温下能够快速启动加热。

本发明的目的之二是提供上述基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置，包括电池组、吸附床、储液器、温度传感器、液位传感器、电源状态传感器、车辆状态传感器和控制器；

所述电池组内部设有电池换热盘管，所述吸附床内部设有电加热器一、吸附床换热盘管和填充部，所述填充部填充热化学吸附储能材料；所述电池换热盘管与所述吸附床换热盘管通过热能传递管路连接形成热循环管路，所述热循环管路中通有传热流体，

所述储液器内部设有电加热器二和储液器换热盘管，所述储液器换热盘管的输入端连接空气入口，所述储液器换热盘管的输出端连接空气出口，储热器内储存有液氨工质，所述吸附床与储液器通过管路连通，管路上设置有吸附反应控制阀，

所述温度传感器安装在电池组上，所述液位传感器安装在储液器上，所述温度传感器、液位传感器、电源状态传感器、车辆状态传感器分别与所述控制器电连接，所述控制器还分别与吸附反应控制阀、电加热器一、电加热器二电连接。

进一步地，所述热能传递管路上设置有第一调节阀、第二调节阀和循环泵；所述吸附床换热盘管的一端通过循环泵、第一调节阀与电池换热盘管的一端连接，所述吸附床换热盘管的另一端通过第二调节阀与电池换热盘管的另一端连接，所述循环泵、第一调节阀、第二调节阀分别与所述控制器电连接。

进一步地，空气输入管路上依次设有风机和第一空气阀门，空气输出管路上设有第二空气阀门，所述风机、第一空气阀门、第二空气阀门分别与所述控制器电连接。

优选的，所述热化学吸附储能材料为卤化盐和高导热多孔介质组成的复合吸附剂。更优选的，所述热化学吸附储能材料为氯化钙-膨胀石墨复合吸附剂。

本发明还提供上述基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)温度传感器监测电池组温度，液位传感器监测储液器液位，车辆状态传感器监测车辆启动状态，电源状态传感器监测电池组外接电源状态，以上各传感器将实时测得的数据转换成信号发送到控制器，控制器根据电池组实时温度与最低温度预设值、储液器实时液位与最低液位预设值作比较，并根据车辆启动状态、外接电源状态作分析；

(2)当控制器判断储液器液位高于最低液位预设值时，则进一步判断装置是否需要启用制热模式；若控制器进一步判断车辆处于启动状态且电池组温度低于最低温度预设值，则启用制热模式；否则，不启用制热模式；

(3)当控制器判断储液器液位低于最低液位预设值时，则进一步判断装置是否需要启用储热模式；若控制器进一步判断车辆接通外接电源，或未接通外接电源且电池组温度高于最低温度预设值，则启用储热模式；否则，不启用储热模式。

进一步地，在制热模式中，控制器执行以下操作：打开电加热器二，其中电加热器二接入电池电源，电加热二加热储液器中液氨工质使其汽化从而使得储液器内压力升高；随后打开吸附反应控制阀、循环泵、第一调节阀、第二调节阀，使高压气体进入吸附床内发生吸附反应，反应产生的热量通过传热流体经吸附床换热盘管、热能传递管路、电池换热盘管传递到电池组，从而使电池组升温；该过程中风机、第一空气阀门、第二空气阀门、电加热器一保持关闭。

进一步地，在储热模式中，控制器执行以下操作：打开电加热器一、吸附反应控制阀、风机、第一空气阀门、第二空气阀门，其中电加热器一接入电池电源或外接电源，电加热器一加热吸附床使其升温从而发生解析反应；解吸产生的氨气进入储液器后液化储存；环境中的空气从空气入口进入，从空气出口排出；液化过程中的释放的热量被储液器换热盘管中的流动空气带走；该过程中循环泵、第一调节阀、第二调节阀、电加热器二保持关闭。

进一步地，不启用储热模式且不启用制热模式时，控制器执行以下操作：使风机、循环泵、第一空气阀门、第二空气阀门、第一调节阀、第二调节阀、吸附反应控制阀、电加热器一、电加热器二保持关闭。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的装置结构简单紧凑，无需大幅改造动力电池原有的液冷散热系统，可直接在原有液冷电池热管理系统中接入本装置；

2、本发明提升了汽车动力电池的制热效率，缩短了低温下车辆的启动时间，从而提升了用户体验。

3、本发明减少了动力电池低温工作带来的永久性损伤，从而降低了用户的使用和维护维护成本。

附图说明

图1为本发明的应急加热装置的结构示意图。

图2为本发明的混合动力汽车电池加热和充电控制方法的流程图。

图中，1-风机，2-循环泵，3-第一空气阀门，4-第二空气阀门，5-第一调节阀，6-第二调节阀，7-吸附反应控制阀，8-电池组，9-吸附床，10-储液器，11-电池换热盘管，12-热能传递管路，13-吸附床换热盘管，14-储液器换热盘管，15-电加热器一，16-电加热器二，17-空气入口，18-空气出口，19-温度传感器，20-液位传感器，21-电源状态传感器，22-车辆状态传感器，23-控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置，包括电池组8、吸附床9、储液器10、温度传感器19、液位传感器20、电源状态传感器21、车辆状态传感器22和控制器23。

所述电池组8内部设有电池换热盘管11，所述吸附床9内部设有电加热器一15、吸附床换热盘管13和填充部，所述填充部填充热化学吸附储能材料，热化学吸附储能材料优选卤化盐和高导热多孔介质组成的复合材料，更优选卤化盐-膨胀石墨复合吸附剂；所述电池换热盘管11与所述吸附床换热盘管13通过热能传递管路12连接形成热循环管路，所述热循环管路中通有传热流体。

具体可以是：所述热能传递管路12上设置有第一调节阀5、第二调节阀6和循环泵2；所述吸附床换热盘管13的一端通过循环泵2、第一调节阀5与电池换热盘管11的一端连接，所述吸附床换热盘管13的另一端通过第二调节阀6与电池换热盘管11的另一端连接。

所述储液器10内部设有电加热器二16和储液器换热盘管14，所述储液器换热盘管14的输入端通过第一空气阀门3和风机1连接空气入口17，所述储液器换热盘管14的输出端通过第二空气阀门4连接空气出口18；储热器10内储存有液氨工质，通过液氨吸热汽化/氨气冷凝液化实现热量平衡，所述吸附床9与储液器10通过管路连通，管路上设置有吸附反应控制阀7。

所述温度传感器19安装在电池组8上，所述液位传感器20安装在储液器10上，所述温度传感器19、液位传感器20、电源状态传感器21、车辆状态传感器22分别与所述控制器23电连接，所述控制器23还分别与风机1、循环泵2、电加热器一15、电加热器二16、第一空气阀门3、第二空气阀门4、第一调节阀5、第二调节阀6、吸附反应控制阀7电连接。

本发明提供的基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)温度传感器19监测电池组8温度，液位传感器20监测储液器10液位，车辆状态传感器22监测车辆启动状态，电源状态传感器21监测电池组8外接电源状态，以上各传感器将实时测得的数据转换成信号发送给控制器23，控制器23根据电池组8实时温度与最低温度预设值、储液器10实时液位与最低液位预设值作比较，并根据车辆启动状态、外接电源状态作分析。

(2)当控制器23判断储液器10液位高于最低液位预设值时，则进一步判断装置是否需要启用制热模式；若控制器23进一步判断车辆处于启动状态且电池组8温度低于最低温度预设值，则启用制热模式；否则，不启用制热模式。

在制热模式中，控制器23执行以下操作：打开电加热器二16，其中电加热器二16接入电池电源，电加热二16加热储液器10中液氨工质使其汽化从而使得储液器10内压力升高；随后打开吸附反应控制阀7、循环泵2、第一调节阀5、第二调节阀6，使高压气体进入吸附床9内发生吸附反应，反应产生的热量通过传热流体经吸附床换热盘管13、热能传递管路12、电池换热盘管11传递到电池组8，从而使电池组8升温；该过程中风机1、第一空气阀门3、第二空气阀门4、电加热器一15保持关闭。

(3)当控制器23判断储液器10液位低于最低液位预设值时，则进一步判断装置是否需要启用储热模式；若控制器23进一步判断车辆接通外接电源，或未接通外接电源且电池组8温度高于最低温度预设值，则启用储热模式；否则，不启用储热模式。

在储热模式中，控制器23执行以下操作：打开电加热器一15、吸附反应控制阀7、风机1、第一空气阀门3、第二空气阀门4，其中电加热器一15接入电池电源/外接电源，电加热器一15加热吸附床9使其升温从而发生解析反应；解吸产生的氨气进入储液器10后液化储存；环境中的空气从空气入口17进入，从空气出口18排出；液化过程中的释放的热量被储液器换热盘管14中的流动空气带走；该过程中循环泵2、第一调节阀5、第二调节阀6、电加热器二16保持关闭。

(4)不启用储热模式且不启用制热模式时，控制器23执行以下操作：使风机1、循环泵2、第一空气阀门3、第二空气阀门4、第一调节阀5、第二调节阀6、吸附反应控制阀7、电加热器一15、电加热器二16保持关闭。

为了便于本发明实例的理解，下面将以具体实施例为例进一步解释说明，且该实施例不构成对本发明专利的限定。

冬季时高纬度及高海拔地区环境温度常常低至-10℃以下，所以选取的空气温度为-20℃。电池组的制热温度选取为20℃。在电动汽车正常运行/接入外接电源时，由接入电池组电源/外接电源的电加热器一15对吸附床9加热。当吸附床9温度达到其平衡吸附/解吸点时，吸附床9内就发生吸附/解吸反应。储液器10中的气体/液体达到其气液平衡点时，在储液器10中工质发生液化/汽化。选取储液器10中工质为液氨；吸附床9中填充的储能材料优选为75wt％氯化钙与25wt％膨胀石墨组成的复合吸附剂；电动汽车的电池组8由7104节18650锂电池组成。

故以冬季-20℃为例，本装置的工作性能如下：

当控制器23判断储液器10液位低于最低液位预设值时，若控制器23进一步判断车辆未接通外接电源且电池组8温度低于最低温度预设值，则不启用储热模式。

当控制器23判断储液器10液位低于最低液位预设值时，控制器23进一步判断车辆接通外接电源，或未接通外接电源但电池组8温度高于最低温度预设值，则启用储热模式。启用储热模式时，吸附床9的起始状态点有着经过制热模式后的吸附量。在控制器23的控制下，电加热器一15接入电池电源或外接电源，吸附床9被电加热器一15加热并发生解吸反应。同时，打开风机1、第一空气阀门3、第二空气阀门4，使得环境中的空气从空气入口17进入，从空气出口18排出。氨气在进入储液器10后热量被储液器换热盘管14内-20℃的流动空气带走，从而使得氨气在储液器10内被液化储存。

当控制器23判断储液器10液位高于最低液位预设值时，若控制器进一步判断车辆不处于启动状态，或车辆处于启动状态且电池组温度高于最低预温度预设值，则不启用制热模式。

当控制器23判断储液器10液位高于最低预设液位时，若控制器23进一步判断车辆处于启动状态且电池组8温度低于最低温度预设值，则启用制热模式；在控制器23的控制下，电加热器二16接入电池电源，电加热器二16加热储液器10内的液氨并使之汽化，从而使得储液器10内压力升高。随后，打开吸附反应控制阀7、第一调节阀5、第二调节阀6与循环泵2使得氨气进入吸附床9后发生吸附反应产生大量热量，热量经过吸附床换热盘管13、热能传递管路12、电池换热盘管11中的循环传热流体传递到电池组8中，从而产生制热效果。在此过程中，电池组由-20℃加热到20℃，吸附床9中的复合吸附剂CaCl₂质量分数为75％，理论上需要使用复合吸附剂13.86～16.16kg。

当控制器23判断不启用储热模式且不启用制热模式时，控制器23执行以下操作：使风机1、循环泵2、第一空气阀门3、第二空气阀门4、第一调节阀5、第二调节阀6、吸附反应控制阀7、电加热器一15、电加热器二16保持关闭。

本发明装置结构简单紧凑，无需大幅改造动力电池原有的液冷散热系统，可直接在原有液冷电池热管理系统中接入该系统。

本发明提升了汽车动力电池的制热效率，缩短了低温下车辆的启动时间，从而提升了用户体验。

此外，本发明减少了动力电池低温工作带来的永久性损伤，从而降低了用户的使用和维护维护成本。

Claims (3)

1.一种基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置的控制方法，其特征在于：动力电池低温启动应急加热装置包括电池组（8）、吸附床（9）、储液器（10）、温度传感器（19）、液位传感器（20）、电源状态传感器（21）、车辆状态传感器（22）和控制器（23）；

所述电池组（8）内部设有电池换热盘管（11），所述吸附床（9）内部设有电加热器一（15）、吸附床换热盘管（13）和填充部，所述填充部填充热化学吸附储能材料；所述电池换热盘管（11）与所述吸附床换热盘管（13）通过热能传递管路（12）连接形成热循环管路，所述热循环管路中通有传热流体，所述储液器（10）内部设有电加热器二（16）和储液器换热盘管（14），所述储液器换热盘管（14）的输入端连接空气入口（17），所述储液器换热盘管（14）的输出端连接空气出口（18），储热器（10）内储存有液氨工质，所述吸附床（9）与储液器（10）通过管路连通，管路上设置有吸附反应控制阀（7），所述温度传感器（19）安装在电池组（8）上，所述液位传感器（20）安装在储液器（10）上，所述温度传感器（19）、液位传感器（20）、电源状态传感器（21）、车辆状态传感器（22）分别与所述控制器（23）电连接，所述控制器（23）还分别与吸附反应控制阀（7）、电加热器一（15）、电加热器二（16）电连接；所述热能传递管路（12）上设置有第一调节阀（5）、第二调节阀（6）和循环泵（2）；所述吸附床换热盘管（13）的一端通过循环泵（2）、第一调节阀（5）与电池换热盘管（11）的一端连接，所述吸附床换热盘管（13）的另一端通过第二调节阀（6）与电池换热盘管（11）的另一端连接，所述循环泵（2）、第一调节阀（5）、第二调节阀（6）分别与所述控制器（23）电连接；空气输入管路上依次设有风机（1）和第一空气阀门（3），空气输出管路上设有第二空气阀门（4），所述风机（1）、第一空气阀门（3）、第二空气阀门（4）分别与所述控制器（23）电连接；

所述动力电池低温启动应急加热装置的控制方法包括以下步骤：

S1.温度传感器（19）监测电池组（8）温度，液位传感器（20）监测储液器（10）液位，车辆状态传感器（22）监测车辆启动状态，电源状态传感器（21）监测电池组（8）外接电源状态，以上各传感器将实时测得的数据转换成信号发送给控制器（23），控制器（23）根据电池组（8）实时温度与最低温度预设值、储液器（10）实时液位与最低液位预设值作比较，并根据车辆启动状态、外接电源状态作分析；

S2.当控制器（23）判断储液器（10）液位高于最低液位预设值时，则进一步判断装置是否需要启用制热模式；若控制器（23）进一步判断车辆处于启动状态且电池组（8）温度低于最低温度预设值，则启用制热模式；否则，不启用制热模式；

S3.当控制器（23）判断储液器（10）液位低于最低液位预设值时，则进一步判断装置是否需要启用储热模式；若控制器（23）进一步判断车辆接通外接电源，或未接通外接电源且电池组（8）温度高于最低温度预设值，则启用储热模式；否则，不启用储热模式；

在制热模式中，控制器（23）执行以下操作：打开电加热器二（16），其中电加热器二（16）接入电池电源，电加热二（16）加热储液器（10）中液氨工质使其汽化从而使得储液器（10）内压力升高；随后打开吸附反应控制阀（7）、循环泵（2）、第一调节阀（5）、第二调节阀（6），使高压气体进入吸附床（9）内发生吸附反应，反应产生的热量通过传热流体经吸附床换热盘管（13）、热能传递管路（12）、电池换热盘管（11）传递到电池组（8），从而使电池组（8）升温；该过程中风机（1）、第一空气阀门（3）、第二空气阀门（4）、电加热器一（15）保持关闭；

在储热模式中，控制器（23）执行以下操作：打开电加热器一（15）、吸附反应控制阀（7）、风机（1）、第一空气阀门（3）、第二空气阀门（4），其中电加热器一（15）接入电池组电源或外接电源，电加热器一（15）加热吸附床（9）使其升温从而发生解析反应；解吸产生的氨气进入储液器（10）后液化储存；环境中的空气从空气入口（17）进入，从空气出口（18）排出；液化过程中的释放的热量被储液器换热盘管（14）中的流动空气带走；该过程中循环泵（2）、第一调节阀（5）、第二调节阀（6）、电加热器二（16）保持关闭；

不启用储热模式且不启用制热模式时，控制器（23）执行以下操作：使风机（1）、循环泵（2）、第一空气阀门（3）、第二空气阀门（4）、第一调节阀（5）、第二调节阀（6）、吸附反应控制阀（7）、电加热器一（15）、电加热器二（16）保持关闭。

2.根据权利要求1所述的基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置的控制方法，其特征在于：所述热化学吸附储能材料为卤化盐和高导热多孔介质组成的复合吸附剂。

3.根据权利要求2所述的基于热化学储能的动力电池低温启动应急加热装置的控制方法，其特征在于：所述热化学吸附储能材料为氯化钙-膨胀石墨复合吸附剂。

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