CN112078833A - 一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法 - Google Patents

一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，通过将导热硅胶复合相变材料包覆在电池外实现控温。其中质量配比为金刚砂：相变材料：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯：固化剂＝1：x：(1+x)：0.3(1+x)：0.03(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3，相变材料的相变温度为30℃～60℃。本发明的复合材料应用于运载火箭用高功率锂电池，具有结构简单、加工方便、连接稳固、防水防尘等优点；在低气压条件下，复合材料具备不分解不产气的优点；复合材料以其超高温度耐性，在150℃高温下不熔融不膨胀；在大冲击条件下，具有良好的缓冲能力，不易发生永久形变；同时还具有给电池散热功能，充分对电池温度进行传导，使电池温度在最佳工作温度范围内的优点。

Description

一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法
技术领域
本发明涉及一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，尤其是一种导热硅胶复合相变材料应用于运载火箭用高功率锂电池，属于电池控温技术领域。
背景技术
随着航天技术的不断发展，在运载领域对电池的使用要求不断苛刻，高功率放电要求不断增加，基于对电池的安全性、可靠性和寿命等考虑，对电池在高功率放电情况下的散热问题越来越显重视。由于电池放电产热的特性，会造成电池本体温度超出最佳工作温度范围，往往会造成电池内部材料不可逆反应的发生，造成电性能急剧衰减，特别是达到一定极限温度，会造成电池的燃烧、爆炸等危害，造成人员和经济损失。
传统的运载电池没有特定的控制温升的方式，在运载电池放电功率越来越严苛的今天，这种方式需要进行改善，需要在满足运载电池耐大冲击、耐大温度冲击、耐低气压的条件下，增加电池的控制温升途径，防止电池在高温下被损坏。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，针对运载火箭用高功率锂电池对导热散热的需求，提出一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，能够在满足运载电池耐大冲击、耐大温度冲击、耐低气压的条件下，增加电池的温升控制，防止电池在高温下被损坏。
本发明采用的技术方案为：
一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，步骤如下：
步骤一：将运载火箭用高功率锂电池的总正极和总负极引出；
步骤二：制备导热硅胶复合相变材料；
步骤三：使用所述导热硅胶复合相变材料包覆所述运载火箭用高功率锂电池，实现温升控制。
进一步的，运载火箭用高功率锂电池为多个电池单体组成的电池组，导热硅胶复合相变材料包裹电池单体表面，仅露出极耳、极柱部分，导热硅胶复合相变材料作为单体电池间的中间层；导热硅胶复合相变材料将电池组的连接片、跨接片进行密封，且导热硅胶复合相变材料与电池组外壳相连接，实现导热散热。
进一步的，导热硅胶复合相变材料是导热硅胶和复合相变材料的复合材料，其中质量配比为金刚砂：相变材料：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯：固化剂＝1：x：(1+x)：0.3(1+x)：0.03(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3。
进一步的，所述相变材料的相变温度为30℃～60℃；
进一步的，导热硅胶复合相变材料的制备步骤如下：
(1)导热硅胶的制备
将金刚砂、107室温硫化硅橡胶、正硅酸乙酯按一定质量配比混合，使用搅拌棒搅拌均匀，形成导热硅胶并作为组分A；
(2)液态导热硅胶复合相变材料的制备
将相变材料按比例添加到组分A中，使用搅拌棒搅拌均匀，作为组分B；
(3)导热硅胶复合相变材料的固化
将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀，之后均匀涂覆到电池表面，固化成型。
进一步的，步骤(1)中制备导热硅胶时，质量配比具体为：
金刚砂：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯＝1：(1+x)：0.3(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3。
进一步的，步骤(2)中添加的相变材料与组分A中的金刚砂的质量比为x：1。
进一步的，步骤(3)中添加的固化剂采用二月桂酸二丁基锡：正硅酸乙酯＝1：9的质量比进行配制，固化剂与组分B中金刚砂的质量比为0.03(1+x)：1。
进一步的，包裹在电池单体表面的导热硅胶复合材料，固化后的厚度为0.1cm～0.8cm。
进一步的，将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀后，在10min中内将导热硅胶复合相变材料均匀涂覆到电池单体表面。
本发明与对比文件相比带来的有益效果为：
(1)本发明方法导热硅胶复合相变材料包裹电池单体表面，仅露出极耳、极柱部分；导热硅胶复合相变材料可密封电池组的连接片、跨接片，与电池组外壳相连接，具有导热散热功能；导热硅胶复合相变材料可作为单体电池间的中间层，具有散热、传热、均衡温度的功能。
(2)采用本发明的复合材料应用于运载火箭用高功率锂电池，不仅具有结构简单、加工方便、连接稳固、防水防尘等优点；在低气压条件下，复合材料具备不分解不产气的优点；复合材料以其超高温度耐性，在150℃高温下不熔融不膨胀；在大冲击条件下，复合材料具有良好的缓冲能力，不易发生永久形变；同时还具有给电池散热功能，充分对电池温度进行传导，使电池温度在最佳工作温度范围内的优点。
附图说明
图1是采用本发明设计的电池单体图，其中，(a)为某型号18650单体电池，(b)为某型号软包单体电池；
图2是采用本发明设计的电池单体分解图，其中，(a)为某型号18650单体电池分解图，(b)为某型号软包单体电池分解图；
图3是采用本发明设计的电池单体温度监测图，其中，(a)为某型号18650单体电池升温曲线，(b)为某型号软包单体电池升温曲线。
具体实施方式
下面结合附图1、2、3对本发明的实施方式进行具体描述。
基于运载火箭用高功率锂电池对控制温升的需求，本发明提出基于电池的整体控制温升而开发的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法。具体步骤如下：
步骤一：将运载火箭用高功率锂电池的总正极和总负极引出；
运载火箭用高功率锂电池为多个电池单体组成的电池组，导热硅胶复合相变材料包裹电池单体表面，仅露出极耳、极柱部分，导热硅胶复合相变材料作为单体电池间的中间层；导热硅胶复合相变材料将电池组的连接片、跨接片进行密封，且导热硅胶复合相变材料与电池组外壳相连接，实现导热散热。
步骤二：制备导热硅胶复合相变材料；
导热硅胶复合相变材料是导热硅胶和复合相变材料的复合材料，其中质量配比为金刚砂：相变材料：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯：固化剂＝1：x：(1+x)：0.3(1+x)：0.03(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3。相变材料的相变温度为30℃～60℃；
导热硅胶复合相变材料的制备步骤如下：
(1)导热硅胶的制备
将金刚砂、107室温硫化硅橡胶、正硅酸乙酯按一定质量配比混合，使用搅拌棒搅拌均匀，形成导热硅胶并作为组分A；
质量配比具体为：
金刚砂：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯＝1：(1+x)：0.3(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3。
(2)液态导热硅胶复合相变材料的制备
将相变材料按比例添加到组分A中，使用搅拌棒搅拌均匀，作为组分B；
添加的相变材料与组分A中的金刚砂的质量比为x：1。
(3)导热硅胶复合相变材料的固化
将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀，之后均匀涂覆到电池表面，固化成型。
添加的固化剂采用二月桂酸二丁基锡：正硅酸乙酯＝1：9的质量比进行配制，固化剂与组分B中金刚砂的质量比为0.03(1+x)：1。
步骤三：使用所述导热硅胶复合相变材料包覆所述运载火箭用高功率锂电池，实现温升控制。
具体为：将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀后，在10min中内将导热硅胶复合相变材料均匀涂覆到电池单体表面。包裹在电池单体表面的导热硅胶复合材料，固化后的厚度为0.1cm～0.8cm。
采用本发明的导热硅胶复合相变材料应用于运载火箭用高功率锂电池，不仅具有结构简单、加工方便、连接稳固、防水防尘等优点；在低气压条件下，复合材料具备不分解不产气的优点；复合材料以其超高温度耐性，在150℃高温下不熔融不膨胀；在大冲击条件下，复合材料具有良好的缓冲能力，不易发生永久形变；同时还具有给电池散热功能，充分对电池温度进行传导，使电池温度在最佳工作温度范围内的优点。
给出本发明实施例如下：
运载火箭用高功率锂电池为多个电池单体组成的电池组，导热硅胶复合相变材料包裹电池单体表面，仅露出极耳、极柱部分，导热硅胶复合相变材料作为单体电池间的中间层；导热硅胶复合相变材料将电池组的连接片、跨接片进行密封，且导热硅胶复合相变材料与电池组外壳相连接，实现导热散热。
如图1所示是采用本发明设计的电池单体图，其中，(a)为某型号18650单体电池，(b)为某型号软包单体电池；图2是采用本发明设计的电池单体分解图，其中，(a)为某型号18650单体电池分解图，(b)为某型号软包单体电池分解图；
制备导热硅胶复合相变材料；
导热硅胶复合相变材料是导热硅胶和复合相变材料的复合材料，其中质量配比为金刚砂：相变材料：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯：固化剂＝1：1：2：0.6：0.06。相变材料的相变温度为40℃；
导热硅胶复合相变材料的制备步骤如下：
(1)导热硅胶的制备
将金刚砂、107室温硫化硅橡胶、正硅酸乙酯按一定质量配比混合，使用搅拌棒搅拌均匀，形成导热硅胶并作为组分A；
质量配比具体为：
金刚砂：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯＝1：2：0.6。
(2)液态导热硅胶复合相变材料的制备
将相变材料按比例添加到组分A中，使用搅拌棒搅拌均匀，作为组分B；
添加的相变材料与组分A中的金刚砂的质量比为1：1。
(3)导热硅胶复合相变材料的固化
将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀，在10min之内均匀涂覆到电池表面，固化成型。其中，金刚砂：固化剂＝1：0.06。
最后，固化后的导热硅胶复合材料紧密包裹电池单体表面，厚度为0.5cm，对电池产热进行导热、散热作用、减震、防水防尘、耐大冲击等作用。
本实施例中，对某型号18650单体电池17A放电(4.2V-3V)，对某型号软包电池372W放电(4.2V-2.75V)，图3是采用本发明设计的电池单体温度监测图，其中，(a)为某型号18650单体电池升温曲线，(b)为某型号软包单体电池升温曲线。
从图中可以看出，某型号18650单体电池在以17A恒流放电时，未包覆导热硅胶复合相变材料时，单体电池温度由22.0℃升高到71.5℃，温升为49.5℃；而包覆导热硅胶复合相变材料时，单体电池温度由22.0℃升高到55.6℃，温升仅为33.6℃。
某型号软包单体电池在以372W恒功率放电时，为包覆导热硅胶复合相变材料时，单体电池温度由28.5℃升高到47.0℃，温升为18.5℃；而包覆导热硅胶复合相变材料时，单体电池温度由27.0℃升高到37.0℃，温升仅为10℃。由此可见，当电池包覆导热硅胶复合相变材料时，对电池散热具有极为明显的作用，可有效降低电池温升，保证电池处于最佳工作温度范围。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，如调整材料的配方比例，改变导热硅胶复合相变材料的作用部位、数量或改变固化形状等，其他任何未背离本发明精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式与技术方案，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：将运载火箭用高功率锂电池的总正极和总负极引出；
步骤二：制备导热硅胶复合相变材料；
步骤三：使用所述导热硅胶复合相变材料包覆所述运载火箭用高功率锂电池，实现温升控制。
2.根据权利要求1所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：运载火箭用高功率锂电池为多个电池单体组成的电池组，导热硅胶复合相变材料包裹电池单体表面，仅露出极耳、极柱部分，导热硅胶复合相变材料作为单体电池间的中间层；导热硅胶复合相变材料将电池组的连接片、跨接片进行密封，且导热硅胶复合相变材料与电池组外壳相连接，实现导热散热。
3.根据权利要求1所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：导热硅胶复合相变材料是导热硅胶和复合相变材料的复合材料，其中质量配比为金刚砂：相变材料：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯：固化剂＝1：x：(1+x)：0.3(1+x)：0.03(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3。
4.根据权利要求3所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：所述相变材料的相变温度为30℃～60℃。
5.根据权利要求3所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：导热硅胶复合相变材料的制备步骤如下：
(1)导热硅胶的制备
将金刚砂、107室温硫化硅橡胶、正硅酸乙酯按一定质量配比混合，使用搅拌棒搅拌均匀，形成导热硅胶并作为组分A；
(2)液态导热硅胶复合相变材料的制备
将相变材料按比例添加到组分A中，使用搅拌棒搅拌均匀，作为组分B；
(3)导热硅胶复合相变材料的固化
将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀，之后均匀涂覆到电池表面，固化成型。
6.根据权利要求5所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：步骤(1)中制备导热硅胶时，质量配比具体为：
金刚砂：107室温硫化硅橡胶：正硅酸乙酯＝1：(1+x)：0.3(1+x)，其中x的取值范围为0.2～3。
7.根据权利要求6所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：步骤(2)中添加的相变材料与组分A中的金刚砂的质量比为x：1。
8.根据权利要求6所述的一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：步骤(3)中添加的固化剂采用二月桂酸二丁基锡：正硅酸乙酯＝1：9的质量比进行配制，固化剂与组分B中金刚砂的质量比为0.03(1+x)：1。
9.根据权利要求5所述一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：包裹在电池单体表面的导热硅胶复合材料，固化后的厚度为0.1cm～0.8cm。
10.根据权利要求5所述一种运载火箭用高功率锂电池控制温升的方法，其特征在于：将固化剂按比例添加到组分B中，使用搅拌棒搅拌均匀后，在10min中内将导热硅胶复合相变材料均匀涂覆到电池单体表面。
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