CN112072217A - 一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统及控制方法 - Google Patents
一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，包括：箱体；以及电加热模块，其设置在所述箱体的内侧；多组锂电池，其设置在所述电加热模块内侧；相变材料模块，其设置在相邻两组锂电池之间。本发明还公开一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，根据不同的环境温度以及多组锂电池的温度，通过相变材料进行一重保护，通过调节电加热模块的加热温度实现多组锂电池的二重保护，保证了电池组始终在合适的温度范围内。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池热管理技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统及控制方法。
背景技术
锂离子动力电池具有寿命长、自放电率低、比能量高及储存时间长等优点，作为动力电池广泛应用于新能源汽车，但温度对其性能发挥有很大影响，其最佳工作温度区间为20～45℃。研究表明，环境温度低于0℃时，锂电池的各种性能开始出现衰减；-20℃时，锂电池性能急剧恶化，容量和工作电压急剧下降，严重影响其使用；当环境温度为-40℃时，商用18650型锂离子电池只能保持1.25％的电量，严重制约了锂电池汽车的续航能力。低温充电电压高、恒流充电阶段所占比例变小,充电缓慢,充电容量大幅衰减,易产生析锂而对锂离子电池的容量和阻抗造成不可恢复性严重损伤，严重影响电池寿命。
目前锂电池组低温下的性能研究开展较少，锂电池组低温保护方面的技术也较少。现有技术为防止锂电池汽车在低温环境下续航能力下降，主要采取了以下几种方案：
(一)空气加热，这种方案结构简单，成本低，但是其加热效率低下，效果较差；
(二)液体加热，此方案换热效率高，加热均匀，但其装置复杂，成本较高，不适合低端的车型；
(三)相变材料加热，这种方案是未来的发展方向之一，其温度控制效果和成本方面均十分优秀，而且不消耗电池组自身的电量，但受目前材料储热的限制，一旦相变材料失效，将失去保护效果，不适合长时间工作；
(四)内热法，主要有高低频交流电加热、电池自身加热等方案，此方法加热均匀，效率较高，加热迅速，但实际应用中会对电池造成一定的损伤，而且成本较高昂。
目前这些解决方案，都有一定的低温保护能力，但均存在一些弊端，制约了新能源汽车的发展。
发明内容
本发明设计开发了一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，采用相变材料作为第一重保护，同时又采用电加热片作为第二重保护，在相变材料失效后启用电加热装置，有效保证了电池组工作温度在合适的范围内。
本发明还设计开发了一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，根据不同的环境温度调节电加热模块的温度，使锂电池的温度保持在最佳工作温度区间。
本发明提供的技术方案为：
一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，包括：
箱体；以及
电加热模块，其设置在所述箱体的内侧；
多组锂电池，其设置在所述电加热模块内侧；
相变材料模块，其设置在相邻两组锂电池之间。
优选的是，所述相变材料模块的材质为固液相变材料。
优选的是，所述电加热模块为电加热片。
优选的是，所述电加热模块的功率密度为0.05～0.06W/cm3。
优选的是，还包括：
保温层，其设置在所述箱体内部。
优选的是，还包括：
多个温度传感器，其设置在所述多组锂电池之间；
温控单元，其与所述多个温度传感器、电加热模块相连接。
一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，使用所述的一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，包括如下步骤：
步骤1、检测所述多组锂电池的温度；
步骤2、当所述多组锂电池的温度低于所述相变材料模块的相变温度时，所述相变材料模块释放潜热；
步骤3、当所述多组锂电池的温度低于温控区间下限后，启动所述电加热模块；
步骤4、当所述多组锂电池的温度达到所述温控区间上限后，关闭所述电加热模块。
优选的是，所述相变材料模块的相变温度为20-25℃。
优选的是，所述温控区间下限满足：
式中，tL为温控区间下限，ta为环境温度。
优选的是，所述温控区间上限满足：
式中，tH为温控区间上限，α为能量系数，E为多组锂电池最大容量，P为电加热装置消耗的功率，δ为箱体的壁厚，λ为电池组壁面的导热系数，A为电池组外壳面积，tb为多组锂电池的温度，cm为多组锂电池整体的比热；
其中，cm＝∑cimi；
式中，ci为多组锂电池的比热或者相变材料的比热，mi为多组锂电池的质量或者相变材料的质量。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明提供的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，采用相变材料作为第一重保护，利用其温度控制效果良好均匀、成本较低，不消耗电池组自身能量的优点，一方面维持了电池组温度在一定范围，另一方面由于相变仅与温度有关，因此节省了电池组电量。
(2)本发明提供的锂电池低温保护系统又采用电加热装置作为第二重保护，在相变材料失效后启用电加热装置，弥补了相变材料有效时间较短的缺点，同时电加热片的成本也较低，从而控制整体的成本在较低的范围内，但效果显著。
(3)本发明还提供一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，根据不同的环境温度调节电加热模块的温度，使锂电池的温度保持在最佳工作温度区间，保证了电池组低温下的性能，提高了电池组在低温下的工作效率。
附图说明
图1为本发明所述基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的结构示意图。
图2为本发明所述基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的温度转换图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
锂电池最佳工作温度区间为20～45℃，在这个温度区间，锂电池才能更好的得到保护并有效发挥其性能，本发明通过相变材料与电加热的双重保护，弥补了现有技术存在的一些缺点，有效保证了电池组工作温度在合适的范围内，保证了电池组的正常工作。
如图1、图2所示，本发明提供一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，包括：箱体110、电加热模块120、多组锂电池130、相变材料模块140、多个温度传感器160和温控单元150，其中，所述多组锂电池130平行间隔设置，所述相变材料模块140设置在所述多组锂电池130之间，在所述多组锂电池130的外侧设置有箱体110，在所述箱体110的内部设置有保温层，用于热量的保护，且在所述箱体110内侧设置有6个电加热模块120，所述6个电加热模块120之间能够单独控制；多个温度传感器160设置在所述多组锂电池130之间，用于检测多组锂电池130各部分的温度；温控单元150与所述多个温度传感器160、电加热模块120相连接，通过所述多个温度传感器160检测到的温度判断是否需要启动所述电加热模块120，电加热模块120将热量提供到多组锂电池130和相变材料模块140。
在本实施例中，所述相变材料模块140的材质为固液相变材料，相变温度为20-25℃，在将所述相变材料模块140放置于所述多组锂电池130之间时，需要将所述相变材料模块140密封于密封袋内，当所述多组锂电池130的温度低于所述相变材料模块140的相变温度时，通过固液相变自动释放相变潜热，以维持多组锂电池130的温度，进行第一重保护；
在本实施例中，所述电加热模块120采用电加热片，其功率密度为0.05～0.06W/cm3。
所述温控单元150包括信号输入单元、计算控制单元、信号输出单元，其中，所述信号输入单元与所述多个温度传感器160相连接，用于温度信号的输入；所述计算控制单元用于判断是否需要启动所述电加热模块120以及启动一个或者多个电加热模块120；所述信号输出单元与所述电加热模块120相连接，用于输出加热信号；并且所述计算控制单元可设定温度区间，当多组锂电池130的温度低于温控区间下限时，启动电加热模块120；当多组锂电池130的温度达到温控区间上限时，停止加热；当检测到某一侧多组锂电池130的温度低于温控区间下限时，可单独启用该侧电加热模块120。
本发明所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统工作过程为：在低温环境中，首先是相变材料模块140发挥作用，当环境温度低于相变材料的相变温度时，相变材料由液态转变为固态，开始释放相变潜热，由于相变材料的相变温度是20～25℃，故此时多组锂电池130的温度仍在一个合适的范围内；随着时间的推移，相变材料逐渐失效，多组锂电池130的温度也逐渐下降，分布在多组锂电池130内的温度传感器将温度信号转变为电信号传递给温控单元150，当温控单元150检测到温度降低到预设的温控区间下限时，开启电加热模块120，其电源由多组锂电池130供给，经温控单元150调节后，分配到每个电加热片，同时，温控单元150也可根据温度的不同单独开启一侧的电加热片；当温度达到温控区间上限时，温控单元150切断电加热模块120的电源，关闭此模块，以防多组锂电池130温度太高而损伤电池本身。
温控区间的设置可根据工作环境的不同自行调整，其中温控区间下限的数值可以精确一些，而上限的数值要设置的比要求的略低一些，这是因为在加热到上限时，温度不会立即停止升高，余热的存在使得温度还会略微升高。
充电时，由于低温下的充电会对电池造成不可逆损伤，因此温控单元会首先监测多组锂电池130的温度，若低于正常温度，则开启电加热模块120，直至多组锂电池130的温度达到温控区间上限为止，此时电加热模块120的电量由充电装置提供。同时，充电也是相变材料储存相变潜热的时刻，电加热片不仅加热了多组锂电池130，还加热了中间放置的相变材料模块140，使其从液态转变为固态，储存相应的热量。
本发明提供的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，采用相变材料作为第一重保护，利用其温度控制效果良好均匀、成本较低，不消耗电池组自身能量的优点，一方面维持了电池组温度在一定范围，另一方面由于相变仅与温度有关，因此节省了电池组电量；又采用电加热装置作为第二重保护，在相变材料失效后启用电加热装置，弥补了相变材料有效时间较短的缺点，同时电加热片的成本也较低，从而控制整体的成本在较低的范围内，但效果显著。
本发明还提供一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，使用所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，具体包括如下步骤：
步骤1、通过所述多个温度传感器检测所述多组锂电池的温度，并将温度信号转换为电信号，并将所述电信号输送到温控单元；
步骤2、当所述多组锂电池的温度低于所述相变材料模块的相变温度(20-25℃)时，所述相变材料模块释放潜热；
步骤3、当环境温度太低，导致所述多组锂电池的温度低于温控区间下限后，启动所述电加热模块；
其中，所述温控区间下限满足：
式中，tL为温控区间下限，单位为℃，ta为环境温度，单位为℃；
步骤4、当所述多组锂电池的温度达到所述温控区间上限后，关闭所述电加热模块。
其中，由多组锂电池的热特性可知，多组锂电池的温度越低，则多组锂电池的放电容量越低。
电加热模块虽然可以保证多组锂电池的温度在一个合理的范围内，但是电加热模块本身就消耗一部分电量，因此需要在由低温导致的容量衰退与由电加热装置消耗的容量之间寻找一个最佳的点，这个点可以保证多组锂电池最大程度利用。
电池组与外界的散热损失满足：
式中，Q为电池组与外界的散热损失，单位为W，λ为电池组壁面的导热系数，单位为W/(m·K)，A为电池组外壳面积，单位为m2，tb为多组锂电池的温度，单位为℃，δ为箱体的壁厚，单位为m；
将电池组从10℃加热到温控区间上限所消耗的热量为：
QH＝cm(tH-10)；
式中，QH为消耗的热量，单位为J，tH为温控区间上限，单位为℃，cm为多组锂电池整体的比热；
其中，cm＝∑cimi；
式中，ci为多组锂电池的比热或者相变材料的比热，单位为J/kg·℃，mi为多组锂电池的质量或者相变材料的质量，单位为kg；
由能量守恒可知:
QH＝(P-Q)τ；
式中，P为电加热装置消耗的功率，单位为W，τ为电加热装置的加热时间，单位为s；
则电加热消耗的能量为：
式中，U为电加热消耗的热量，单位为J；
一般此能量不超过多组锂电池最大容量的2％，故而根据不同的外界温度，温控区间上限也不断变化。
即：U≤αE
式中，α为能量系数，α＝2％，E为多组锂电池最大容量，单位为J；
带入上式可得温控区间上限：
本发明提供的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，根据不同的环境温度调节电加热模块的温度，使锂电池的温度保持在最佳工作温度区间，保证了电池组低温下的性能，提高了电池组在低温下的工作效率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，包括：
箱体；以及
电加热模块，其设置在所述箱体的内侧；
多组锂电池，其设置在所述电加热模块内侧；
相变材料模块，其设置在相邻两组锂电池之间。
2.如权利要求1所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，所述相变材料模块的材质为固液相变材料。
3.如权利要求2所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，所述电加热模块为电加热片。
4.如权利要求3所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，所述电加热模块的功率密度为0.05～0.06W/cm3。
5.如权利要求4所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，还包括：
保温层，其设置在所述箱体内部。
6.如权利要求5所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，还包括：
多个温度传感器，其设置在所述多组锂电池之间；
温控单元，其与所述多个温度传感器、电加热模块相连接。
7.一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，使用如权利要求1-6所述的一种基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、检测所述多组锂电池的温度；
步骤2、当所述多组锂电池的温度低于所述相变材料模块的相变温度时，所述相变材料模块释放潜热；
步骤3、当所述多组锂电池的温度低于温控区间下限后，启动所述电加热模块；
步骤4、当所述多组锂电池的温度达到所述温控区间上限后，关闭所述电加热模块。
8.如权利要求7所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，其特征在于，所述相变材料模块的相变温度为20-25℃。
9.如权利要求8所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，其特征在于，所述温控区间下限满足：
式中，tL为温控区间下限，ta为环境温度。
10.如权利要求9所述的基于相变材料与电加热装置的锂电池低温保护系统的控制方法，其特征在于，所述温控区间上限满足：
式中，tH为温控区间上限，α为能量系数，E为多组锂电池最大容量，P为电加热装置消耗的功率，δ为箱体的壁厚，λ为电池组壁面的导热系数，A为电池组外壳面积，tb为多组锂电池的温度，cm为多组锂电池整体的比热；
其中，cm＝∑cimi；
式中，ci为多组锂电池的比热或者相变材料的比热，mi为多组锂电池的质量或者相变材料的质量。
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