CN112713333A - 一种锂离子方形电池冷却板结构及其冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子方形电池冷却板结构及其冷却方法，以供冷却电池，包括平行设置的两个冷却板以及与两个冷却板一一对应的两个环形冷却管组；两个冷却板之间形成一冷却腔，以供放置电池；环形冷却管组包括多个环形冷却管，环形冷却管内嵌于对应的冷却板内开设的环形通道中，环形冷却管的两端均延伸至冷却板外，环形通道正对着冷却腔；其中方法包括以下步骤：测量电池的电容；根据电池的电容建立仿真模型；根据仿真模型确定电池单体产热值；将电池放置于两个冷却板的冷却腔中，往环形冷却管中通入一定流量的冷却液；建立电池的热模型；通过改变冷却液的流量；解决现有电池冷却的结构及其方法存在缺陷的问题。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池安全技术领域，尤其涉及一种锂离子方形电池冷却板结构及其冷却方法。
背景技术
近些年来，随着新能源汽车的高速发展，锂离子电池作为主要动力源被广泛使用。动力电池在运行过程中需要面对复杂的使用环境，电池热管理系统是保证其长期稳定工作的基础。温度是影响锂离子电池能否正常工作的主要因素之一，电池热管理系统需要将电池模组的最高温度和最大温差控制在合适范围内。
目前电池的热管理冷却通常采用三种方式，风冷、液冷和相变材料的冷却。风冷的结构相对简单，在冷却过程中还能够带走有害气体，但是该结构冷却速度较慢，同时受环境和空间的影响较大，容易使电池组产生温度分布不均匀的情况。液冷又分为两种接触方式，直接接触的液冷就是将电池组浸泡在冷却液中进行散热，间接接触就是利用换热的原理，通过流动的冷却液带走电池组的热量，冷却速度快，并且不容易产生短路。相变材料的冷却则是利用相变材料在相态变化过程中的吸热反应带走电池的热量。
现在多数情况下采用的对模块化电池组的冷却方式为液冷，但是对于电池组来说，由于排列不同，充放电时不同位置的单电池产热效率并不相同，同一块电池的不同位置上会出现温度分布不均匀的情况，不同位置的电池的温度也不尽相同，目前的冷却箱体并没有对每个单电池的表面温度进行监控，使用单独调节冷却液流量的系统也屈指可数，这对于整个电池组的温度控制没有起到良好的散热效果。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种锂离子方形电池冷却板结构及其冷却方法，用以解决现有电池冷却的结构及其方法存在缺陷的问题。
本发明提供一种锂离子方形电池冷却板结构，以供冷却电池，包括平行设置的两个冷却板以及与两个冷却板一一对应的两个环形冷却管组；两个所述冷却板之间形成一冷却腔，以供放置电池；所述环形冷却管组包括多个环形冷却管，所述环形冷却管内嵌于对应的冷却板内开设的环形通道中，所述环形冷却管的两端均延伸至所述冷却板外，所述环形通道正对着所述冷却腔。
进一步的，所述冷却板包括平行设置的两个平板，两个所述平板之间固定连接，两个所述平板相对的一侧均开设有环形槽，两个所述环形槽对接形成所述环形通道。
进一步的，所述环形冷却管包括进液管、第一弧形管、第二弧形管、第三弧形管和出液管，所述进液管为水平管，所述进液管的一端位于所述冷却板外，所述进液管的另一端与所述第一弧形管的一端连通，所述第一弧形管的另一端向下弯曲、并与所述第二弧形管的一端连通，所述第二弧形管为四分之三管，所述第二弧形管的另一端与所述第三弧形管的一端连通，所述第三弧形管的另一端向上弯曲、并与所述出液管的一端连通，所述出液管的另一端位于所述冷却板外，所述进液管与所述出液管相对设置，所述第一弧形管和所述第三弧形管相对设置。
进一步的，同一所述环形冷却管组中的多个所述环形冷却管的延伸方向相互平行设置。
进一步的，该结构还包括一循环泵，所述循环泵的进液端与所述环形冷却管的一端连通，所述循环泵的出液端与所述环形冷却管的另一端连通。
进一步的，所述循环泵上的出液端外接一调节阀。
本发明提供一种锂离子方形电池冷却方法，包括上述的一种锂离子方形电池冷却板结构，包括以下步骤：
S1、测量电池的电容；
S2、根据电池的电容建立仿真模型；
S3、根据仿真模型确定电池单体产热值；
S4、将电池放置于两个冷却板的冷却腔中，往环形冷却管中通入一定流量的冷却液；
S5、建立电池的热模型；
S6、通过改变冷却液的流量，根据电池的热模型确定冷却电池的冷却液的流量大小。
进一步的，在对方形锂离子电池进行建模仿真之前，需要对实体电池进行容量标定，从而确定电池的额定容量。
进一步的，建立电池的热模型是通过建立三维的模型并与电化学模型耦合得到的。
与现有技术相比，当方形子锂离子电池进行充放电循环时，电池内部因为电化学反应产生温度导致电池表面温度分布不均匀，通过调节环形冷却管中的冷却液流量，对电池表面进行降温，从而达到对电池的表面温度起到冷却和均匀化的目的。
附图说明
图1为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却板结构本实施例中整体的透视图；
图2为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却板结构本实施例中冷却板的透视图；
图3为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却方法的工作流程图；
图4为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却板方法本实施例中不同倍率电流密度以及0.5平均SOC条件下方形电池电势变化曲线；
图5为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却方法本实施例中未加冷却板时不同倍率下电池循环充电2000s后表面最高温度分布曲线；
图6为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却方法本实施例中添加冷却板结构后在不同电流密度下充电循环后电池表面面温度曲线；
图7为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却方法本实施例中未加冷却板的电池表面热模型；
图8为本发明提供的一种锂离子方形电池冷却方法本实施例中添加冷却板的电池表面热模型。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1-2所示，本实施方案中的一种锂离子方形电池冷却板结构，以供冷却电池，包括平行设置的两个冷却板以及与两个冷却板一一对应的两个环形冷却管组，环形冷却管组内嵌于对应的所述冷却板中，将电池放置于两个冷却板之间，环形冷却管组对电池进行冷却。
本实施方案中的两个所述冷却板之间形成一冷却腔，以供放置电池。
本实施例中的所述冷却板包括平行设置的两个平板，两个所述平板之间固定连接，两个所述平板相对的一侧均开设有环形槽，两个所述环形槽对接形成所述环形通道。
本实施方案中的所述环形冷却管组包括多个环形冷却管，所述环形冷却管内嵌于对应的冷却板内开设的环形通道中，所述环形冷却管的两端均延伸至所述冷却板外，所述环形通道正对着所述冷却腔。
其中，所述环形冷却管包括进液管、第一弧形管、第二弧形管、第三弧形管和出液管，所述进液管为水平管，所述进液管的一端位于所述冷却板外，所述进液管的另一端与所述第一弧形管的一端连通，所述第一弧形管的另一端向下弯曲、并与所述第二弧形管的一端连通，所述第二弧形管为四分之三管，所述第二弧形管的另一端与所述第三弧形管的一端连通，所述第三弧形管的另一端向上弯曲、并与所述出液管的一端连通，所述出液管的另一端位于所述冷却板外，所述进液管与所述出液管相对设置，所述第一弧形管和所述第三弧形管相对设置。
其中，同一所述环形冷却管组中的多个所述环形冷却管的延伸方向相互平行设置。
本实施例中的该结构还包括一循环泵，本实施例中的所述循环泵的进液端与所述环形冷却管的一端连通，所述循环泵的出液端与所述环形冷却管的另一端连通。
为了控制环形冷却管中的冷却液的流量大小，本实施例中的循环泵上的出液端外接一调节阀。
工作流程：将需要冷却的方形电池卡嵌于冷却腔中，开启循环泵往多个环形冷却管中通入冷却液，实现对方形电池的冷却功能。
与现有技术相比，当方形子锂离子电池进行充放电循环时，电池内部因为电化学反应产生温度导致电池表面温度分布不均匀，通过调节环形冷却管中的冷却液流量，对电池组表面进行降温，从而达到对电池组的表面温度起到冷却和均匀化的目的。
如图3所示，本实施方案中还提供了一种锂离子方形电池冷却方法，包括上述一种锂离子方形电池冷却板结构，还包括以下步骤：
S1、测量电池的电容；
S2、根据电池的电容建立仿真模型；
S3、根据仿真模型确定电池单体产热值；
S4、将电池放置于两个冷却板的冷却腔中，往环形冷却管中通入一定流量的冷却液；
S5、建立电池的热模型；
S6、通过改变冷却液的流量，根据电池的热模型确定冷却电池的冷却液的流量大小。
本实施例中采用的方形锂离子电池为磷酸铁锂方形电池，体积为135mm*30mm*180mm，标准理论容量50Ah，充电截止电压Uo为3.6V，为确定方形锂离子电池的电化学性能以及产热温度分布，同时分析冷却板对电池表面温度进行均匀化降温，所述的设计方案如图3所示，包括以下步骤：
(1)建立方形锂离子电池的电化学模型并对其进行不同倍率下的充电循环实验；
(2)通过电化学与热耦合仿真的到电池在未进行冷却液降温的条件下循环后的产热Qh以及电池表面温度分布；
(3)加入冷却板进行降温利用流体仿真得到电池在有冷却液降温的情况下表面温度分布以及改变冷却板厚度，冷却液流量，找到最优结构冷却效果。
在对方形锂离子电池进行建模仿真之前，需要对实体电池进行容量标定，从而确定电池的额定容量，其基本测试步骤如下：
(1)在进行容量测试前需要对电池进行多次的充电、静置、放电、静置等循环预处理，使电池处于激活稳定状态；
(2)在高低温湿热试验箱中对电池进行热平衡预处理后，以标准的充电规程将电池充电至磷酸铁锂电池截止电压3.65V；
(3)以0.3C的电流将电池放电至2.5V，记录电池所放电量Q1，然后静置1h；4.将步骤2和3重复进行两次，记录放电容量Q2、Q3并计算三次放电容量的平均值Q0，若Q0与Q1、Q2、Q3的偏差小于2％，则认为Q0为电池的实际可用容量。
本实施例中，最终测量值Q0值为50Ah，即电池的实际容量为50Ah。
为了建立锂离子方形电池相关电化学、传热以及流体的模型并同时进行耦合仿真，采用COMSOL Multiphsics有限元分析软件进行建模。首先在软件中建立电池电化学模型，本实施例中采用一维电化学模型与三维固体热模型来进行耦合，在建立一维模型时，将部分参数设置在模型中，添加磷酸铁锂为正极材料与实体电池保持一致，然后对正负极多孔电极进行设置，其中包括电极属性，电解质和电极的体积分数，电极设置完毕后就确定多孔电极反应以及初始值相关参数，本实施例中将电池的SOC设置在0.5，充放电曲线为波形曲线，3000s以内都是对电池的充电实验。在完成对电池一维电化学模型的建立后，将模型在不同倍率的电流密度下进行2000s的充电，得到如图4所示的电池电势随时间变化曲线。
建立的电池的一维电化学模型之后，接下来要建立三维的模型并与电化学模型耦合，得到热模型，首先就要确定产热，因此将电池正常工作状态进行简化之后得到的电池总热源为：Qh＝Qr+Qp+Qj，这其中，Qr表示电池反应热，主要是由电池在充放电过程中，正负极离子的嵌入和脱嵌这一电化学反应产生的热量，在充电和放电过程中产热正负值相反，因此也叫做可逆热；Qj表示电池在工作产生的焦耳热，其主要是由电池的内阻导致，由欧姆定律可以得出；QP表示电池在充放电过程中电极表面产生极化反应而生成的极化反应热，通过引入一个极化内阻即可得出，Qj和QP同时也叫做不可逆热。在软件中建模三维热模型与一位电化学模型耦合就是将一维的电化学反应热当做三维模型中的热源，考虑到实体电池在极耳处产生极化内阻，故在两个极耳处设置独立极化热产热源，完成电池的模型建立之后模拟电池在空气中对流换热充电循环，图5即为电池在不同电流密度下充电2000s后电池表面最高温度曲线图。
本实施例中，在确定的方形锂离子电池的产热，充放电循环后的表面温度曲线，接下来便可以将冷却板加上进行冷却电池，均匀化表面温度的操作，充放电循环后的表面温度曲线，下来便可以将冷却板加上进行冷却电池，均匀化表面温度的操作，本实施例中采用的冷却液为水，使用软件中的层流来与固体传热进行耦合得到冷却后的稳态表现，冷却板中的环形冷却管道为铜管，冷却板为铝这两类换热系数较高的金属材质，在添加冷却板结构之后，对电池进行充电循环，图6即为与图5相同的充电条件下，增加冷却板后电池表面最高温度分布曲线。通过最高温度曲线可以得出冷却板能够减少电池充放电后其表面温度的升高，达到电池表面温度均匀化的要求。
如图7-8所示，在添加冷却板以及环形冷却管，在控制环形冷却管内的冷却液的流量后，即使同一块电池的不同位置上会出现温度分布不均匀的情况，也可使方形锂离子电池的均匀散热。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种锂离子方形电池冷却板结构，以供冷却电池，其特征在于，包括平行设置的两个冷却板以及与两个冷却板一一对应的两个环形冷却管组；
两个所述冷却板之间形成一冷却腔，以供放置电池；
所述环形冷却管组包括多个环形冷却管，所述环形冷却管内嵌于对应的冷却板内开设的环形通道中，所述环形冷却管的两端均延伸至所述冷却板外，所述环形通道正对着所述冷却腔。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子方形电池冷却板结构，其特征在于，所述冷却板包括平行设置的两个平板，两个所述平板之间固定连接，两个所述平板相对的一侧均开设有环形槽，两个所述环形槽对接形成所述环形通道。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子方形电池冷却板结构，其特征在于，所述环形冷却管包括进液管、第一弧形管、第二弧形管、第三弧形管和出液管，所述进液管为水平管，所述进液管的一端位于所述冷却板外，所述进液管的另一端与所述第一弧形管的一端连通，所述第一弧形管的另一端向下弯曲、并与所述第二弧形管的一端连通，所述第二弧形管为四分之三管，所述第二弧形管的另一端与所述第三弧形管的一端连通，所述第三弧形管的另一端向上弯曲、并与所述出液管的一端连通，所述出液管的另一端位于所述冷却板外，所述进液管与所述出液管相对设置，所述第一弧形管和所述第三弧形管相对设置。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子方形电池冷却板结构，其特征在于，同一所述环形冷却管组中的多个所述环形冷却管的延伸方向相互平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子方形电池冷却板结构，其特征在于，该结构还包括一循环泵，所述循环泵的进液端与所述环形冷却管的一端连通，所述循环泵的出液端与所述环形冷却管的另一端连通。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子方形电池冷却板结构，其特征在于，所述循环泵上的出液端外接一调节阀。
7.一种锂离子方形电池冷却方法，包括上述权利要求1-6任一所述的一种锂离子方形电池冷却板结构，其特征在于，包括以下步骤：
测量电池的电容；
根据电池的电容建立仿真模型；
根据仿真模型确定电池单体产热值；
将电池放置于两个冷却板的冷却腔中，往环形冷却管中通入一定流量的冷却液；
建立电池的热模型；
通过改变冷却液的流量，根据电池的热模型确定冷却电池的冷却液的流量大小。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子方形电池冷却板结构及其冷却方法，其特征在于，在对方形锂离子电池进行建模仿真之前，需要对实体电池进行容量标定，从而确定电池的额定容量。
9.根据权利要求7所述的一种锂离子方形电池冷却板结构及其冷却方法，其特征在于，所述建立电池的热模型是通过建立三维的模型并与电化学模型耦合得到的。
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