CN112397809A - 一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱 - Google Patents

一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，该试验箱包括方形的实验箱箱体、安装在实验箱箱体后端面上的实验箱后端端盖、安装在实验箱箱体前端面上的风扇以及分别与锂离子电池组上端面和下端面固定的上端固定板和下端固定板，所述的上端固定板和下端固定板内分别设有液体介质流道，并通过滑槽插设在实验箱箱体内部。与现有技术相比，本发明具有空气与液体对向流动、冷却效果好、温度分布均匀等优点。

Description

一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱
技术领域
本发明涉及锂离子电池热管理领域，尤其是涉及一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱。
背景技术
随着传统化石燃料的大量消耗与大气环境的逐步破坏，新能源汽车尤其是纯电动汽车成为交通运输业发展的前沿领域。而锂离子电池凭借能量密度高、自放电率低等特点在科研、车企研发领域获得广泛关注。但随着纯电动汽车的大量商用、民用，因过热导致的自燃、爆炸事故至今无法杜绝；在冬季低温环境及高纬度地区，过低的温度导致锂离子电池无法正常工作，严重影响纯电动汽车的使用便利性，大大缩短其续航里程。同时，由于温度分布不均匀导致的电池单体不一致严重降低了锂离子电池组实际可用容量、实际使用寿命及其他性能参数。因此，需要设计可靠、高效的锂离子电池热管理系统，并充分保障锂离子电池组温度分布均匀性，以保障电池单体热一致性。
在现有研发产品及科研工作中，一般采用单一冷却/加热方式使锂离子电池组温度控制在正常工作温度范围，即通过风冷/风热、液冷/液热和相变材料等方法进行电池组热管理。而仅以空气、液体单向流动冷却/加热必将导致沿流动方向的温度梯度，进而造成锂离子电池单体间的不一致，其中以空气为介质的热管理系统更是容易受到环境影响；而相变材料在快速充电等产热量的工况下更是无法实现理想的温升控制，单凭增加附在锂离子电池单体表面的相变材料厚度更是大大增加其体积和质量，严重增加纯电动汽车行车过程功耗。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，该试验箱包括方形的实验箱箱体、安装在实验箱箱体后端面上的实验箱后端端盖、安装在实验箱箱体前端面上的风扇以及分别与锂离子电池组上端面和下端面固定的上端固定板和下端固定板，所述的上端固定板和下端固定板内分别设有液体介质流道，并通过滑槽插设在实验箱箱体内部。
所述的上端固定板和下端固定板内的液体介质流动方向与风扇的空气流动方向相反，从而实现双向对流式冷却/加热，从而避免单一冷却/加热方式造成的沿冷却剂流动方向形成的温度梯度与不一致性。
所述的锂离子电池组中的各锂离子电池单体呈错位排列，用以实现冷却/加热流体介质对锂离子电池组的均匀冷却/加热效果。
所述的下端固定板上表面等间距的设有多条固定卡槽，所述的上端固定板下表面在相对于每条固定卡槽的位置处设有多个错位排列的圆形固定槽，以实现锂离子电池单体的错位排列。
所述的上端固定板和下端固定板内液体介质流道的入口和出口通过实验箱后端端盖上孔道与外部泵体管路相连，实现冷却/加热介质的循环作用。
所述的实验箱后端端盖外侧表面安装有把手，两个侧面分别设有与实验箱箱体侧面咬合卡接的凹槽，内侧表面设有多条竖向的凸起，用以实现不同间距的锂离子电池组稳定的推进实验箱箱体。
该实验箱适用于低温环境，在低温环境下，液体介质通过打开加热泵体中的电加热膜实现加热，加热泵体的开关由采集到的锂离子电池单体表面温度决定；空气通过打开风扇前端的电热丝实现加热，电热丝的启闭由采集到的锂离子电池单体表面温度决定。
所述的实验箱箱体、实验箱后端端盖、上端固定板和下端固定板均采用铝合金材质，用以减轻重量，提高散热性能。
所述的锂离子电池组在插入实验箱箱体内后，两侧与实验箱箱体内侧壁间设有间隙。
该实验箱的测试流程包括以下步骤：
1)选定锂离子电池，筛选性能较为接近的锂离子电池单体构成锂离子电池组；
2)将锂离子电池组以设定间距错位布置在实验箱箱体中，连接液体管路并布置温度传感器；
3)对锂离子电池组进行恒流、恒压或恒流恒压充电/放电；
4)记录充放电过程中所测得锂离子电池单体表面温度；
5)由测得锂离子电池单体表面温度获得锂离子电池组最高温度和温度标准差，所述的温度标准差的计算式为：
Figure BDA0002776561240000031
其中，Ti为第i个电池测温点所采集的温度值，
Figure BDA0002776561240000032
为所有电池测温点所采集的温度平均值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明结合空气冷却/加热方法和液体冷却/加热方法，同时设置冷却/加热风扇和锂离子电池组上下设有流道的固定板，增强了单一冷却/加热系统的热管理效果。
二、本发明设计空气冷却/加热结构和液体冷却/加热结构流体介质对向流动，极大程度地改善了单一冷却/加热沿流动方向的温度分布不均匀问题，提升了锂离子电池组单体间的一致性。
三、本发明以锂离子电池单体表面温度传感器采集到的温度为信号，通过控制单元调控风扇前电热丝和泵体储液罐内电热膜的通断，以满足更广泛的行车环境、气候需求。
四、本发明设计了锂离子电池单体间位错排列设计，以保障冷却/加热空气能更充分、均匀地与各锂离子电池单体接触，实现更均匀的温度分布。
五、本发明中锂离子电池组上下固定板中流道出入口与实验箱后端端盖上孔的设计可实现冷却/加热液体的循环流动。
六、本发明设计有把手和凸起部分的实验箱后盖，仅需更换锂离子电池组上方固定板、平稳推进实验箱后盖便可实现不同锂离子电池单体间距的热管理效果测试。
附图说明
图1为本发明的热管理系统检测及控制流程框图。
图2为本发明中实验箱及零部件示意图。
图3为本发明锂离子电池组上端固定板的示意图。
图4为本发明锂离子电池组下端固定板的示意图。
图5为本发明中两种热管理系统流体介质对向流动示意图。
图6为本发明锂离子电池组固定架中液体流道示意图。
图7为本发明实验箱前端风扇示意图。
图8为本发明实验箱后盖前端凸起设计部分示意图。
图9为本发明实验箱后盖后端推拉把手设计部分示意图。
图10为本发明具体实施锂离子电池组温度数值计算分布示意图。
图中标记说明：
1、实验箱后端端盖，2、下端固定板，3、锂离子电池组，4、上端固定板，5、实验箱箱体，6、风扇。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
下面将结合附图和具体的实施方式对本发明的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，作进一步说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的双向流动冷却/加热方法是结合风冷/风热与液体冷却/液体加热两种传统热管理系统设计的增强冷却效果同时改善单一冷却/加热方法造成的温度梯度及热不一致性的新型锂离子动力电池组热管理方法。以锂离子电池表面采集到的温度为信号，控制加热/冷却系统的启停通断，进而实现全气候多地域环境下锂离子动力电池组的工作需求。本发明中锂离子电池组的位错排列设计可提升锂离子电池组与冷却/加热气流的接触与热传导，改善锂离子电池组的温度分布均匀性并提升电池组使用寿命和性能。同时，本发明的锂离子电池组上下固定板中流道与实验箱后端开孔设计可实现冷却/加热液体的循环流动。实验箱后盖上的凹凸卡槽部分与后盖前端凸起部分可结合锂离子电池组下端固定板上电池槽实现不同间距下锂离子电池组热管理系统冷却/加热效果的测试。
如图2-9所示，本发明提供一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱及测试方法，该实验箱具有以下特点：
1)通过实验箱前端的风扇6由前向后进行冷却/加热，锂离子电池组3的上端固定板4和下端固定板2中流体介质呈与空气反方向的流动从而进一步改善冷却/加热效果，锂离子电池组3的上下两块固定板中液体冷却/加热流道设计在传统风冷/风热设计基础上进一步控制了电池组温升，有助于避免过热性能大幅衰减或热失控现象的出现；
2)双向对流式设计在极大程度上改善了单一冷却/加热方式沿流体介质流动方向温度梯度造成的温度分布不均匀性，液体冷却/加热入口流向与空气冷却/加热入口流向相反，以此改善单一冷却/加热方式造成的沿冷却剂流动方向形成的温度梯度与不一致性；
3)锂离子电池组3的每个电池单体间采用错位排列，以此改善冷却/加热空气在电池组间流动状况，增加电池单体与冷却/加热空气间的换热效率，带走锂离子电池的更多热量；
4)锂离子电池组3的上端固定板4和下端固定板2中冷却/加热流道进出口通过管路穿过实验箱后端端盖1上的孔道与箱体外泵体连接，实现流道中冷却/加热液体介质的循环流动；
5)实验箱后端端盖1上的凸起部分与下端固定板2上卡槽的设计可满足不同电池单体间距下冷却/加热效果的测试要求，实验箱箱体5侧面上的凹凸边沿、实验箱后端端盖2内侧的多条凸块及外侧把手的设计，使得不同电池间距对锂离子动力电池组的影响可通过平稳推进箱体后盖实现。
6)该试验箱可适用于高温与低温环境，低温环境下液体加热可通过由采集到的锂离子电池单体表面温度打开加热泵体所用流体介质中的电加热膜实现；
低温环境下空气加热可通过由采集到的锂离子电池单体表面温度打开风扇前端电热丝实现；
7)实验箱箱体5、实验箱后端端盖1、上端固定板4和下端固定板2均采用铝合金材质，鉴于此材料密度小、导热性能好等特点，此实验箱体的质量将有所减小，同时将提升此热管理系统的散热性能；
8)实验箱箱体5的风入口、出口部分设有缓冲部分，同时锂离子电池组3与实验箱箱体5两侧内壁设有间隙，此设计有助于改善冷却加热气体流动状况，提升此热管理系统对锂离子电池组的散热效果。
该锂离子动力电池组双向对流式实验箱的具体测试过程如下：
1)选定一款锂离子电池，筛选性能较为接近的电池单体构成电池组；
2)将锂离子电池组以预定间距布置在此实验箱体中，连接液体管路、布置温度传感器；
3)对电池组进行恒流、恒压或恒流恒压充电/放电；
4)记录充放电过程中所测得锂离子电池单体表面温度；
5)由测得锂离子电池温度值分析电池组最高温度(反映热管理系统降温效果)和温度标准差(反映电池组温度分布均匀性)；
其中，温度标准差值是通过计算电池组中所有电池单体上各测温点的电压值标准差得到的：
Figure BDA0002776561240000061
式中，Ti代表第i个电池测温点所采集的温度值；
Figure BDA0002776561240000062
代表所有电池测温点所采集的温度平均值。
本发明实施例中得到的3C放电倍率下电池组温度分布仿真云图如图10所示。利用实施例中所述方法取得了理想的冷却效果，将最高温度控制在303.5K(30.35℃)以内。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不能限制本发明，凡是在本发明的精神与原则之内，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，该试验箱包括方形的实验箱箱体(5)、安装在实验箱箱体(5)后端面上的实验箱后端端盖(1)、安装在实验箱箱体(5)前端面上的风扇(6)以及分别与锂离子电池组(3)上端面和下端面固定的上端固定板(4)和下端固定板(2)，所述的上端固定板(4)和下端固定板(2)内分别设有液体介质流道，并通过滑槽插设在实验箱箱体(5)内部。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的上端固定板(4)和下端固定板(2)内的液体介质流动方向与风扇(6)的空气流动方向相反，从而实现双向对流式冷却/加热，从而避免单一冷却/加热方式造成的沿冷却剂流动方向形成的温度梯度与不一致性。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的锂离子电池组(3)中的各锂离子电池单体呈错位排列，用以实现冷却/加热流体介质对锂离子电池组(3)的均匀冷却/加热效果。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的下端固定板(2)上表面等间距的设有多条固定卡槽，所述的上端固定板(4)下表面在相对于每条固定卡槽的位置处设有多个错位排列的圆形固定槽，以实现锂离子电池单体的错位排列。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的上端固定板(4)和下端固定板(2)内液体介质流道的入口和出口通过实验箱后端端盖(1)上孔道与外部泵体管路相连，实现冷却/加热介质的循环作用。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的实验箱后端端盖(1)外侧表面安装有把手，两个侧面分别设有与实验箱箱体(5)侧面咬合卡接的凹槽，内侧表面设有多条竖向的凸起，用以实现不同间距的锂离子电池组(3)稳定的推进实验箱箱体(5)。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，该实验箱适用于低温环境，在低温环境下，液体介质通过打开加热泵体中的电加热膜实现加热，加热泵体的开关由采集到的锂离子电池单体表面温度决定；空气通过打开风扇(6)前端的电热丝实现加热，电热丝的启闭由采集到的锂离子电池单体表面温度决定。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的实验箱箱体(5)、实验箱后端端盖(11)、上端固定板(4)和下端固定板(2)均采用铝合金材质，用以减轻重量，提高散热性能。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，所述的锂离子电池组(3)在插入实验箱箱体(5)内后，两侧与实验箱箱体(5)内侧壁间设有间隙。
10.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组双向对流式实验箱，其特征在于，该实验箱的测试流程包括以下步骤：
1)选定锂离子电池，筛选性能较为接近的锂离子电池单体构成锂离子电池组；
2)将锂离子电池组以设定间距错位布置在实验箱箱体中，连接液体管路并布置温度传感器；
3)对锂离子电池组进行恒流、恒压或恒流恒压充电/放电；
4)记录充放电过程中所测得锂离子电池单体表面温度；
5)由测得锂离子电池单体表面温度获得锂离子电池组最高温度和温度标准差，所述的温度标准差的计算式为：
Figure FDA0002776561230000021
其中，Ti为第i个电池测温点所采集的温度值，
Figure FDA0002776561230000022
为所有电池测温点所采集的温度平均值。
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