CN112086705A - 基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及动力电池热量管理领域，公开了一种基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法。本发明的方法包括利用离子液体相变材料吸收动力电池产生的热量；并用导热件将所述离子液体相变材料吸收的热量传递至液冷箱；然后流动在液冷箱中的冷却液将液冷箱中的热量导出。本发明的动力电池散热方法基于离子液体相变材料和液冷，通过离子液体相变吸收电池工作或异常条件下产生的热量，再通过翅片和液冷相结合的方式将热量迅速移出，恢复离子液体相变材料的蓄热能力。

Description

基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法
技术领域
本发明涉及动力电池热量管理领域，具体涉及一种基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法。
背景技术
随着石油资源的日益紧张和环境污染问题的日益严峻，电动汽车在降低石油资源消耗、节能减排方面表现出突出优势，近年来国内外电动汽车的销量迅猛增长。
动力电池是电动汽车的核心部件，其性能直接决定电动汽车的效率和安全性。为保证动力电池的使用效率和安全性，必须严格控制其温度。电池组温度过高会加速电解液、电极等材料的老化，使电池的电化学性能下降，严重时动力电池会发生一系列放热放应，引起电池热失控甚至起火、爆炸；电池温度过低时会严重影响其容量和使用寿命。此外，电池组不同电池单体之间温度的差异会破坏电池组的一致性，造成电池单体之间的性能不匹配，直接影响到电池寿命和电动汽车的性能。因此，电池包的高效散热性能和维持温度均一恒定是非常必要的。
现有的动力电池冷却方式主要有空气冷却和液体冷却两种。其中，风冷结构简单、成本低、容易维护，并能排出电池箱内产生的有害气体。但风冷的换热系数低、冷却速度慢、温度均一性差，尤其在高放电倍率、高温等特殊工况下，其冷却效果不够理想。液冷虽然换热系数较高，冷却效果较好，但却存在漏液的危险，且其结构复杂、重量较大、维护成本高、能耗高。
相变冷却利用相变材料潜热大、相变过程温度恒定、不需要额外动力系统等特点，越来越受到人们的关注。CN108428816A、CN104167574A、CN104241729B等公布了采用相变材料进行动力电池散热的方法，其中相变材料一般采用结晶水合盐、熔融盐等无机相变材料或直链烷烃、脂类、醇类等有机相变材料。但是，无机相变材料存在过冷现象，易出现相分离，且对设备腐蚀严重。有机相变材料在相变过程中体积变化大，容易造成设备损坏，且熔点低、易挥发、易燃烧爆炸等。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的动力电池相变散热方法中存在的相变材料性能低、撤热效率低、易燃易爆易挥发、熔点和相变热相对较低、容易过冷、等缺点，以及传统液冷方式存在漏液损伤电池的风险，本发明提供了一种基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法，通过离子液体相变吸收电池工作或异常条件下产生的热量，再通过翅片和液冷相结合的方式将热量迅速移出，恢复离子液体相变材料的蓄热能力。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法，该方法包括利用离子液体相变材料吸收动力电池产生的热量；并用导热件将所述离子液体相变材料吸收的热量传递至液冷箱；然后流动在液冷箱中的冷却液将液冷箱中的热量导出。
优选地，该方法利用动力电池散热装置进行，该装置包括电池箱、液冷箱和导热件，
所述电池箱包括设置在其内部的动力电池和离子液体相变材料，所述离子液体相变材料用于吸收动力电池产生的热量；
所述导热件的一端设置于液冷箱的内部，另一端设置于离子液体相变材料的内部，用于将所述离子液体相变材料吸收的热量传递至液冷箱；
所述液冷箱的内部能够流通冷却液，用于将液冷箱中的热量导出。
优选地，所述离子液体相变材料的相变温度为40-60℃，相变热为150J/g以上。
优选地，所述离子液体相变材料为烷基咪唑类离子液体。
优选地，所述离子液体相变材料为1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐和/或1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐。
优选地，所述离子液体相变材料中掺杂有多孔材料。
优选地，所述多孔材料的孔隙率为80％以上。
优选地，所述多孔材料选自膨胀石墨、泡沫金属、碳纤维、金属颗粒的一种或多种。
优选地，所述多孔材料的用量为所述离子液体相变材料体积的10-50％，优选为20-40％。
优选地，所述导热件在所述电池箱内部的部分上设置有翅片，所述翅片用于加速热量传递。
优选地，所述导热件和翅片由铜和/或铝合金材料构成。
优选地，所述导热件为导热管、导热棒或者导热片。
优选地，所述电池箱与所述液冷箱邻接设置。
优选地，所述液冷箱的一端设置有冷却液入口，另一端设置有冷却液出口。
优选地，所述冷却液为水或乙二醇的水溶液。
优选地，所述离子液体相变材料与所述动力电池贴合设置。
优选地，所述离子液体相变材料的内部设置有温度传感器。
通过上述技术方案，本发明利用离子液体本身具有的优良特性，采用离子液体作为动力电池相变散热材料，除具有传统相变散热方式的相变潜热大、电池温度均一、不需要额外动力、结构简单、易维护等优点外，离子液体相变材料不挥发、不容易燃烧爆炸，相比传统有机相变材料具有本质安全特性；且可以根据动力电池的工作温度和产热量定向设计或优选具有合适熔点和相变热的离子液体材料，具备精准、高效散热的效果；动力电池完全浸没在离子液体中的设置方式能够保证电池单体或模组各方向上产生的热量均被吸收，从而提高电池组温度一致性。
进而，本发明的散热装置在离子液体中设置导热件和翅片，能够显著提高离子液体的传热效果。并且，传统液冷方式冷却液和电池均设置在电池箱内，一旦漏液后会腐蚀、损坏电池，而本发明将冷却液箱和电池箱分开设置，既能实现热量由离子液体内部向外界散失，又能有效避免冷却液对泄漏后对电池的损害。
附图说明
图1为本发明的动力电池散热装置的正视剖面示意图；
图2为本发明的动力电池散热装置的俯视剖面示意图。
附图标记说明
1、电池箱 2、液冷箱 3、动力电池
4、导热件 5、翅片 6、离子液体相变材料
7、冷却液入口 8、冷却液出口 9、温度传感器
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图中的上、下、左、右，“内、外”是指对应结构的内部和外部。
如图1-2所示，本发明提供的一种动力电池散热方法，该方法包括利用离子液体相变材料吸收动力电池产生的热量；并用导热件将所述离子液体相变材料吸收的热量传递至液冷箱；然后流动在液冷箱中的冷却液将液冷箱中的热量导出。
优选地，本发明的方法利用动力电池散热装置进行，该装置包括电池箱1、液冷箱2和导热件4；所述电池箱1包括设置在其内部的动力电池3和离子液体相变材料6，所述离子液体相变材料6用于吸收动力电池3产生的热量；所述导热件4的一端设置于液冷箱2的内部，另一端设置于离子液体相变材料6的内部，用于将所述离子液体相变材料6吸收的热量传递至液冷箱2；所述液冷箱2的内部能够流通冷却液，用于将液冷箱2中的热量导出。
在本发明中，通过离子液体作为相变材料吸收动力电池产生的热量，然后通过导热件将离子液体相变材料中的热量传导至液冷箱，最终利用液冷箱将热量导出。离子液体作为一种新型的相变材料，具有不易氧化、不易燃、高热稳定性、高相变储热密度等优点，而且离子液体的性质可以通过结构设计和筛选进行调整，使之能够完全满足动力电池散热需求。由此，本发明实现了电池组热量由电池表面向离子液体内蓄热，离子液体内的热量由导热翅片和导热件转移至液冷箱，从而保证动力电池的高效散热、温度稳定均一。
根据本发明，所述离子液体相变材料6没有特别的限定，能够实现上述功能即可，优选根据动力电池的最佳工作温度和产热量设计选择合适的离子液体相变材料，使得离子液体通过固态-液态相变吸热实现对动力电池热量的吸收和转移。考虑到一般动力电池的工作温度在-20～60℃之间，优选地，所述离子液体相变材料6的相变温度为40-60℃，优选为43-59℃,更优选为43-50℃。更优选地，所述离子液体相变材料6的相变热为100J/g以上，优选为150J/g以上，例如为150-1200J/g。
作为满足上述要求的离子液体相变材料6，优选为烷基咪唑类离子液体；更优选地，所述离子液体相变材料6为1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐或者两者以任意比例的混合物。
其中，1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐，以下也简称[C16MIM]Br，相变温度为43.91℃，相变潜热为152.56kJ·kg-1，分解温度为286℃，比热容为1.83J/g·K，储热密度>170MJ/m3。
1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐，以下也简称[C16MMIM]Br，相变温度为58.55℃，相变潜热为126.62kJ·kg-1，分解温度为302℃，比热容为3.43J/g·K，储热密度>210MJ/m3。
作为上述两种烷基咪唑类离子液体的混合物，优选地，其中1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐的质量比为1：0.1-1.0，更优选为1：0.3-0.8，进一步优选为1：0.4-0.6，更进一步优选为1：0.4-0.5。
根据本发明的散热方法，为了进一步提高离子液体相变材料6吸收动力电池3产生的热量的效率，所述离子液体相变材料6中掺杂有多孔材料。作为上述多孔材料，优选孔隙率为80％以上的多孔材料，优选80-95％，孔隙率例如可以为80％、85％、90％或者95％等。另外，所述多孔材料的粒度优选为0.1-5mm，更优选为0.5-2mm。
具体地，所述多孔材料可以选自膨胀石墨、泡沫金属、碳纤维、金属颗粒的一种或多种，其中优选为泡沫金属。上述泡沫金属可以为泡沫铝和/或泡沫铜，上述金属可以为铝颗粒和/或铜颗粒。作为所述多孔材料的用量，可以为所述离子液体体积的10-50％，优选为20-40％，更优选为25-35％。其中，所述多孔材料的体积以表观体积计。
在本发明中，所述动力电池3可以为现有的任意需要进行散热的动力电池，例如锂电池、镍氢电池和铅酸电池，可以是动力电池的单体或模组，其工作温度一般在-20～60℃之间。在电池箱1中，可以根据动力需求设置1个以上的动力电池3，例如3-10个。在电池箱1中包括多个动力电池3的情况下，为了提高散热的效率，优选使动力电池3间隔排布或者阵列排布，例如本发明图1-2中，动力电池3等间距直线排布。
在本发明中，为了提高离子液体相变材料6吸收动力电池3产生的热量的效率和效果，优选使得液体相变材料6与吸收动力电池3贴合设置，使得二者充分接触，例如将液体相变材料6围绕动力电池3设置，更优选使得液体相变材料6充满电池箱1的内部(即电池箱1的内部动力电池3之外的空间)。通过采用上述嵌入式的接触方式，能够提高离子液体相变材料6的取热效率。
作为形成上述离子液体相变材料6的方法，没有特别的限定，只要达到上述结构和功能即可。例如，可以采用液态填充法，即将离子液体加热到其熔点以上，然后将其注入电池箱内，均匀填充在电池周围；或也可以采用压制成形法，即将固态的离子液体相变材料根据动力电池单体或模组外形压制成特定形状，使相变材料和电池能够无缝贴合。
根据本发明，所述导热件4用于将所述离子液体相变材料6吸收的热量传递至液冷箱2，具体地，通过设置于离子液体相变材料的内部的一端吸收热量，并传递至设置于液冷箱2的内部的另一端，最后将热量导出至液冷箱2。
根据本发明，所述导热件的结构没有特别的限定，可以为导热管、导热棒或者导热片等。为了达到良好的吸收效率，所述导热件4优选间隔设置为多组，使得离子液体相变材料6吸收到的热量可以分散导出。所述导热件4的形状和材质没有特别的限定，达到上述热传递的功能即可。优选地，所述导热件4为柱形，例如可以为实心柱形，并充分在离子液体相变材料6和液冷箱2中伸展设置。优选地，所述导热件4由具有高导热效率的铜和/或铝合金材料构成。
进一步地，所述导热件4优选在所述电池箱1内部的部分上设置有翅片5，所述翅片5用于加速热量传递。通过设置所述翅片5，可以进一步增大导热件4与离子液体相变材料6的接触面积，提高热传递效率。所述翅片5设置的形状和数量可以配合动力电池的最佳工作温度和产热量设置。例如一根所述导热件4上可以设置6-10个所述翅片，优选翅片间隔对称排布在所述导热件4上。优选地，所述翅片5由具有高导热效率的铜和/或铝合金材料构成。
在本发明中，所述液冷箱2用于将离子液体相变材料6传递至液冷箱2中的热量导出。所述液冷箱2的设置方式没有特别的限定，可以采用现有的用于液冷装置的结构。具体地，所述液冷箱2的一端设置有冷却液入口7，另一端设置有冷却液出口8，冷却液在液冷箱2的内部从冷却液入口7向冷却液出口8流通。
作为所述冷却液，能够吸收液冷箱2中的热量并导出即可，对于冷却液的成分和流速可以根据需要导出的热量具体选择。优选地，所述冷却液为水或乙二醇的水溶液。通过选用上述冷却液，可以达到更好的导热效果。
进而，为了评估动力电池散热装置的散热效率，合理调整冷却液的流速，优选地，所述离子液体相变材料6的内部设置有温度传感器9。所述温度传感器9可以使用现有的能够用于测定温度的任意温度传感器。所述温度传感器9可以在临近动力电池3的区域(即热量最集中的部分)中的离子液体相变材料6的内部，并且优选设置有多个，分别测定动力电池3各个部位的散热情况，更优选在所有动力电池3附近均设置多个所述温度传感器9，以保证全部动力电池3在适宜的温度下工作。进一步优选地，所述温度传感器9呈阵列状设置，以保证动力电池的各个部分的散热情况均能测定。
另外，在本发明中，所述电池箱1与所述液冷箱2的位置关系没有特别的限定，从提高传热效率的观点考虑，优选所述电池箱1与所述液冷箱2邻接设置，从而尽可能提高导热件4中的热量导出的速度。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。下述实施例和对比例测定的平均温度记为“A±B℃”，其中，A表示全部温度传感器9测得的平均温度，B表示全部温度传感器9测得的平均温度的标准差。
实施例1
如图1-2所示，本实施例的动力电池散热装置包括相互贴合设置的电池箱1和液冷箱2，以及20根圆柱形实心导热件4(导热管)。
其中，电池箱1包括间隔设置在其中部的3组动力电池3(动力电池模组)和填充周围空间的离子液体相变材料6，离子液体相变材料6用于吸收动力电池3产生的热量，使用的离子液体相变材料6为质量比为1：0.5的1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐，并且其中掺杂有体积分数28％的多孔材料(孔隙率为93％，粒径为2mm)。
所述液冷箱2的内部能够流通冷却液，用于将液冷箱2中的热量导出，其左端侧面的下部设置有冷却液入口7，右端侧面的上部设置有冷却液出口8，使用质量浓度50％的乙二醇的水溶液作为冷却液，流量为5L/h。
所述导热件4的上端设置于液冷箱2的内部，下端设置于离子液体相变材料6的内部，用于将离子液体相变材料6吸收的热量传递至液冷箱2。每根所述导热件4在电池箱1内部的部分上设置有8个用于加速热量传递翅片5。
每组所述动力电池3的两侧分散设置有30个温度传感器9，该温度传感器9分两组呈矩阵排布设置于动力电池3和导热件4之间，用于测量动力电池3的两侧面各个区域的散热情况。
动力电池3正常工作后，开启冷却液，动力电池3工作过程中产生的热量首先传递给离子液体相变材料6，离子液体通过液化吸收热量，从而维持电池单体或模组3温度恒定；然后离子液体相变材料6内部的热量通过多孔材料和翅片5传递给导热件4，并由下端向上传递，热量由导热件4上端传递到液冷箱2，并在液冷箱2内通过冷却液的接触和流动将热量移出。温度传感器9测得的温度平均为41.1±2.1℃，能够保证动力电池3的高效散热、温度稳定均一。
实施例2-7
使用实施例1中的装置和方法，区别仅在于，1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐、1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐的质量比如下表1。温度传感器9测得的温度如表1所示。
表1
Figure BDA0002091847490000101
如表1所示，使用本发明的动力电池散热方法能够保证动力电池3的高效散热、温度稳定均一。
实施例8
使用实施例1中的装置和方法，区别仅在于，仅使用1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐。温度传感器9测得的温度平均为46.0±2.4℃，能够保证动力电池3的高效散热、温度稳定均一。
实施例9
使用实施例1中的装置和方法，区别仅在于，仅使用1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐。温度传感器9测得的温度平均为53.2±2.2℃，能够保证动力电池3的高效散热、温度稳定均一。
实施例10
使用实施例1中的装置和方法，区别仅在于，使用的多孔材料(孔隙率均为90％，粒径均为2mm)如表2所示。温度传感器9测得的平均温度如表2所示。
表2
编号 多孔材料及其用量(体积分数) 平均温度(℃)
10 泡沫铝(20％) 43.4±3.0
11 泡沫铝(30％) 41.0±3.2
12 泡沫铝(40％) 42.1±3.4
13 膨胀石墨(30％) 47.1±4.4
14 碳纤维(30％) 44.0±3.7
15 铜颗粒(30％) 45.3±4.0
16 不使用多孔材料 50.3±4.1
对比例1
使用实施例1中的装置和方法，区别仅在于，不使用离子液体相变材料6，而使用传统有机相变材料石蜡。温度传感器9测得的温度平均为46.5±5.8℃，电池的整体温度较高，并且各部分的温度不平均，难以保证动力电池3的高效散热、温度稳定均一。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于离子液体相变材料和液冷的动力电池散热方法，其特征在于，该方法包括利用离子液体相变材料吸收动力电池产生的热量；并用导热件将所述离子液体相变材料吸收的热量传递至液冷箱；然后流动在液冷箱中的冷却液将液冷箱中的热量导出。
2.根据权利要求1所述的散热方法，其中，该方法利用动力电池散热装置进行，该装置包括电池箱(1)、液冷箱(2)和导热件(4)，
所述电池箱(1)包括设置在其内部的动力电池(3)和离子液体相变材料(6)，所述离子液体相变材料(6)用于吸收动力电池(3)产生的热量；
所述导热件(4)的一端设置于液冷箱(2)的内部，另一端设置于离子液体相变材料(6)的内部，用于将所述离子液体相变材料(6)吸收的热量传递至液冷箱(2)；
所述液冷箱(2)的内部能够流通冷却液，用于将液冷箱(2)中的热量导出。
3.根据权利要求1所述的散热方法，其中，所述离子液体相变材料(6)的相变温度为40-60℃，相变热为150J/g以上；
优选地，所述离子液体相变材料(6)为烷基咪唑类离子液体；
优选地，所述离子液体相变材料(6)为1-甲基-3-十六烷基咪唑溴盐和/或1,2-二甲基-3-十六烷基咪唑溴盐。
4.根据权利要求1所述的散热方法，其中，所述离子液体相变材料(6)中掺杂有多孔材料；
优选地，所述多孔材料的孔隙率为80％以上；
优选地，所述多孔材料选自膨胀石墨、泡沫金属、碳纤维、金属颗粒的一种或多种；
优选地，所述多孔材料的用量为所述离子液体相变材料(6)体积的10-50％，优选为20-40％。
5.根据权利要求1所述的散热方法，其中，所述导热件(4)在所述电池箱(1)内部的部分上设置有翅片(5)，所述翅片(5)用于加速热量传递；
优选地，所述导热件(4)和翅片(5)由铜和/或铝合金材料构成；
优选地，所述导热件(4)为导热管、导热棒或者导热片。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的散热方法，其中，所述电池箱(1)与所述液冷箱(2)邻接设置。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的散热方法，其中，所述液冷箱(2)的一端设置有冷却液入口(7)，另一端设置有冷却液出口(8)。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的散热方法，其中，所述冷却液为水或乙二醇的水溶液。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的散热方法，其中，所述离子液体相变材料(6)与所述动力电池(3)贴合设置。
10.根据权利要求1-5中任意一项所述的散热方法，其中，所述离子液体相变材料(6)的内部设置有温度传感器(9)。
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