CN112838294A - 相变材料与嵌入式冷管锂电池及热管理、失控抑制系统 - Google Patents

相变材料与嵌入式冷管锂电池及热管理、失控抑制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相变材料与嵌入式冷管锂电池及热管理、失控抑制系统，其中，锂电池包括电池本体，所述电池本体外围包覆有相变材料，且电池本体可沿相变材料自由进行取出或插入，所述相变材料在靠近电池本体内侧面嵌入冷管。本发明利用冷管嵌入相变材料组合的方式对锂电池进行散热，该组合与电池表面贴合，嵌入的冷管与电池表面贴合，该组合便于锂电池取出与插入；本发明正常工作下，在电池表面温度未达到热失控临界温度，使用冷风在冷管中进行循环散热，冷风可使用飞机上压气机进行引气；本发明正常工作下，在电池表面温度达到或超过热失控临界温度，或有烟气放出时，使用液氮在冷管中进行强力循环散热，避免热失控。

Description

相变材料与嵌入式冷管锂电池及热管理、失控抑制系统
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种相变材料与嵌入式冷管锂电池及热管理、失控抑制系统。
背景技术
随着航空业的迅速发展，航空碳排放对环境的影响日益严峻，由此引发了各类多电/全电飞机的广泛发展。而目前，锂电池因良好的充放电性能及使用寿命，已成为各种多电与全电飞机动力装置的主要候选电源。但电池自身的热不稳定性，以及电池在过充、过放、短路等异常情况下的热量释放，易导致电池因温度过高而热失控，造成起火燃烧，严重威胁电池系统及飞机的运行安全。为了均衡电池系统中各单体的温度均匀性，提升电池使用性能，同时避免电池因产热而导致热堆积问题，就需要为锂电池动力装置配备电池热管理系统。
现有的电池热管理装置大体可分为三种：风冷散热、液冷散热、相变材料散热。其中，相变材料散热是一种化学稳定性好、安全性高的一种散热方式。相变材料是一种功能性材料，通过利用自然界能量进行能量存储和温度控制，在一定温度范围内可以改变自身的物理状态。相变材料在相变完成前自身的温度几乎维持不变，具有宽温度平台，可以吸收或释放相当大的潜热。
当前，缺少一种良好的航空锂电池散热的电池热管理及热失控抑制系统，使航空锂电池在使用过程中保持合理的电池温度，同时在电池热失控发生前对电池进行强力降温，保证电池使用安全。
现有技术一：专利申请号为“202020375780.9”的一种新型电动汽车锂电池综合热管理系统，如图1-3所示，其技术方案为：锂电池箱体模块7和空调系统的室内换热器5通过制冷剂并联，夏季高温工况下，锂电池箱体框架9内的相变材料吸收锂电池放电过程产生的热量，维持锂电池温度在合适工作温度范围内，当检测到锂电池温度超过40℃时(注：相变材料的相变温度点为40℃，如锂电池温度超过40℃，则表明相变材料已经基本融化不再具有吸热能力)，电磁阀A6和电磁阀B8打开，低温液态制冷剂通入锂电池箱体7内，在紫铜管10内蒸发吸收热量，降低相变材料的温度，相变材料逐渐由液态变成固态，恢复吸热能力，从而抑制锂电池温度的继续上升；冬季低温工况下，锂电池箱体7先利用锂电池外部加热技术使锂电池和相变材料达到40℃，相变材料完全融化，并在箱体7外层进行相应的保温措施，当检测到锂电池温度低于20℃时，电磁阀A6和电磁阀B8打开，高温气态制冷剂通入锂电池箱体7内，在紫铜管10内冷凝放热，提升相变材料的温度，相变材料逐渐由固态变成液态，恢复放热能力，从而防止锂电池温度继续下降。
现有技术一的缺点为：
该系统只使用相变材料进行散热，散热效果稍差；在电池表面温度达到或超过热失控温度界限值时，没有强制散热方式对锂电池表面温度进行散热，避免电池热失控发生；没有相关阻隔方式对电池热失控电池的火焰传播进行阻隔。
现有技术二：专利申请号“202010630068.3”的一种基于相变材料的热控卷绕式锂电池，如图4-6所示，其技术方案为：1)当温度感应器8感应到加热环5和相变芯6的温度平均值低于-30℃时，开关S4和开关S1闭合，电阻R2连接加热环5并接通电路，电池壳体2内部线路接通并进行自加热；当温度达到第二预设温度时，开关S4和开关S1断开，加热环5停止对电池加热，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作；2)当温度感应器8感应到加热环5和相变芯6的温度平均值高于60℃时，开关S2和开关S4闭合，电阻R3连接风扇，电池壳体2内部线路接通，风扇11转动，对电池壳体2内部进行散热；当温度达到第一预设温度时，相变芯6对电池壳体2内部进行散热；3)当电池壳体2内温度处于0℃～60℃之间时，开关S3和开关S0闭合，负载电阻R1正常工作。
现有技术二的缺点为：
该系统将相变材料填充在电池内部，外部使用风扇风冷进行散热，可能会导致散热不均匀，无法控制电池表面温度在合理的范围内，同时散热效果稍差；在电池表面温度达到或超过热失控温度界限值时，无法进行强制冷却散热，避免电池热失控发生；没有隔板进行阻隔，热管理系统失效后，无法进行有效的阻隔火焰的传播。
现有技术三：专利申请号为“201910060488.X”的电池热管理装置，如图7-11所示，其专利技术方案说明：本实施例中的电池热管理装置包括第一散热装置和第二散热装置，所述第一散热装置包括导热贴于电池1表面的导热侧板21、竖直设置于导热侧板21内部的毛细管211和与导热侧板21固定且位于导热侧板21底部的储液仓2，所述储液仓2内盛装有相变材料，所述毛细管211连通于储液仓2内的相变材料；所述第二散热装置用于强制冷却电池1或/和导热侧板21，在本实施例中，毛细管211的管径不唯一，可以根据冷凝的需要调整管径，因为管径越小，渗透作用的液面就越高，对于毛细管211设置的层数也是可以根据需要调整的，本发明中采用的是四层毛细管211密布排列来对电池1进行散热，如果需要更多的毛细管211层数，在制作之初加设进去即可；所述导热侧板21固定连接于储液仓2且贴于电池1表面，所述储液仓2内盛装有相变材料，第一散热装置位于电池1和第二散热装置之间，主要用于吸收电池1散发出来的热量，第一散热装置的主要散热部件为导热侧板21和安装于导热侧板21中的毛细管211，导热侧板21为导热性非常好的导热材料制成，毛细管211均匀排列在导热侧板21中，毛细管211可以在与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入，且缝隙越细，液体上升越高，就是指液体在细管状物体的内侧因为内聚力以及附着力的差异，克服地心引力而向上升，以此来实现无动力引流而形成相变材料的上升实现相变材料的循环。
现有技术三的缺点为：
该系统使用相变材料与风扇风冷进行散热，可能会导致散热不均匀，无法控制电池表面温度在合理的范围内，同时散热效果稍差；在电池表面温度达到或超过热失控温度界限值时，无法进行强制冷却散热，避免电池热失控发生；没有隔板进行阻隔，热管理系统失效后，无法进行有效的阻隔火焰的传播。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种相变材料与嵌入式冷管锂电池及热管理、失控抑制系统，将冷管嵌入相变材料中，通过相变材料相变，以及冷空气在冷管中循环为锂电池降温，控制电池温度在合理范围内，提高电池的工作性能，同时在锂电池表面温度临近热失控极限值或有烟气放出时，使用液氮在冷管中循环对锂电池进行强力降温，使锂电池温度迅速下降到安全范围，保证锂电池的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：相变材料与嵌入式冷管锂电池，包括电池本体，所述电池本体外围包覆有相变材料，且电池本体可沿相变材料自由进行取出或插入，所述相变材料在靠近电池本体内侧面嵌入冷管。
进一步地，所述冷管迂回折弯设置。
进一步地，所述电池本体包括方形电池、圆形电池和菱形电池；优选的，所述电池本体为方形电池，但本发明不限于方形电池，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
进一步地，所述相变材料采用石蜡-膨胀石墨复合材料，但本发明不限于石蜡-膨胀石墨复合材料，其他相关现有技术的相变材料也在本发明保护范围内。
进一步地，所述相变材料的中间具有可供电池本体插入的空腔，且所述相变材料空腔内表面与电池本体表面贴合，在相变材料嵌入冷管后，所述冷管与电池本体表面贴合。
相变材料与嵌入式冷管锂电池的热管理、失控抑制系统，包括相变材料与嵌入式冷管锂电池组件、液氮罐和风机，所述相变材料与嵌入式冷管锂电池组件包括隔板箱，所述隔板箱内设有至少一个上述所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，所述隔板箱内设有与冷管连接的连接管道，所述连接管道伸出隔板箱向外，所述液氮罐和风机分别通过两个外接管道与连接管道连通；所述两个外接管道分别设有第一阀门和第二阀门。
进一步地，所述相变材料与嵌入式冷管锂电池组为多个，且其排列组合设置在隔板箱内，所述隔板箱将排列组合后的相变材料与嵌入式冷管锂电池组进行六面密封。
进一步地，所述冷管一端为入口管，其另一端为出口管，所述连接管道与冷管的入口管连通，所述冷管的出口管伸出隔板箱。
进一步地，所述隔板箱采用阻燃材料，阻碍锂电池热传播，阻止锂电池热失控火焰引燃其他部件。
进一步地，所述风机在处于常开状态时，可采用飞机压气机外部引气的方式引进冷风。
进一步地，所述冷管采用铜制冷管，本发明不限于铜制冷管，只要采用导热性能良好的现有材料都在本发明保护范围内。
进一步地，所述第一阀门和第二阀门包括但不限于手动开启的阀门，可采用自动开启阀门，根据电池表面温度变化以及电池周围烟气增量进行自动开启或关闭第一阀门与第二阀门。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用冷管嵌入相变材料的方式包覆锂电池，冷管贴合电池表面，散热效果增强；(2)本发明日常使用中，冷管中使用冷气进行循环，当电池温度达到或超过热失控临界温度，冷管中切换为液氮散热，进行强力散热，避免电池热失控发生；(3)风机可采用压气机外部引气的方式引进冷风，可以合理的使用现有的飞机冷却系统，减少占用空间；(4)本发明使用隔板进行阻挡，避免由于热管理系统降温失效，导致电池热失控后的火焰引燃其他装置。
附图说明
图1-3为现有技术一的结构示意图；
图4-6为现有技术二的结构示意图；
图7-11为现有技术三的结构示意图；
图12为本发明提供的一种相变材料与嵌入式冷管锂电池的结构示意图；
图13为本发明提供的一种相变材料与嵌入式冷管锂电池的热管理、失控抑制系统的整体外部结构排布示意图；
图14为本发明冷管嵌入相变材料正面示意图；
图15为本发明冷管嵌入相变材料侧面示意图。
本发明附图标记：1-电池本体；2-相变材料；3-液氮罐；4-风机；5-第一阀门；6-第二阀门；7-隔板箱；8-入口管；9-出口管；10-冷管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图12所示，本发明提供的一种实施例：一种相变材料与嵌入式冷管锂电池，包括电池本体1，所述电池本体1外围包覆有相变材料2，且电池本体1可沿相变材料2自由进行取出或插入，所述相变材料2在靠近电池本体1内侧面嵌入冷管10。
在本实施例中，所述冷管10类似蛇形进行迂回设置，从而更好的进行热管理、失控抑制。
在本实施例中，所述电池本体1包括方形电池、圆形电池和菱形电池；优选的，所述电池本体1为方形电池，但本发明不限于方形电池，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
在本实施例中，所述相变材料2采用石蜡-膨胀石墨复合材料，但本发明不限于石蜡-膨胀石墨复合材料，其他相关现有技术的相变材料也在本发明保护范围内。
在本实施例中，所述相变材料2的中间具有可供电池本体插入的空腔，且所述相变材料空腔内表面与电池本体1表面贴合，在相变材料2嵌入冷管10后，所述冷管10与电池本体1表面贴合。
如图13-15所示，一种相变材料与嵌入式冷管锂电池的热管理、失控抑制系统，包括相变材料与嵌入式冷管锂电池组件、液氮罐3和风机4，所述相变材料与嵌入式冷管锂电池组件包括隔板箱7，所述隔板箱7内设有至少一个上述所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，所述隔板箱7内设有与冷管10连接的连接管道，所述连接管道伸出隔板箱7向外，所述液氮罐3和风机4分别通过两个外接管道与连接管道连通；所述两个外接管道分别设有第一阀门5和第二阀门6。通过第一阀门5与第二阀门6控制液氮与冷气进入冷管10；冷管10嵌入相变材料2内部里侧，与电池本体1表面贴合，通过入口管8与出口管9进行液氮与冷气的循环流动。
在本实施例中，所述相变材料与嵌入式冷管锂电池组为多个，且其排列组合设置在隔板箱7内，所述隔板箱7将排列组合后的相变材料与嵌入式冷管锂电池组进行六面密封。
在本实施例中，所述冷管10一端为入口管8，其另一端为出口管9，所述连接管道与冷管的入口管8连通，所述冷管的出口管9伸出隔板箱7。
在本实施例中，所述隔板箱7采用阻燃材料，阻碍锂电池热传播，阻止锂电池热失控火焰引燃其他部件。
在本实施例中，所述风机4在处于常开状态时，可采用飞机压气机外部引气的方式引进冷风。
在本实施例中，所述冷管10采用铜制冷管，本发明不限于铜制冷管，只要采用导热性能良好的现有材料都在本发明保护范围内。
在本实施例中，所述第一阀门5和第二阀门6包括但不限于手动开启的阀门，可采用自动开启阀门，根据电池表面温度变化以及电池周围烟气增量进行自动开启或关闭第一阀门5与第二阀门6。
工作时，电池本体1插入相变材料2中，电池本体1表面与相变材料2贴合，相变材料2中嵌有冷管10，液氮罐3底部有外接管道与隔板7连通，风机4在系统正常工作下处于开启状态，通过第一阀门5与第一阀门6控制液氮与冷气进入冷管10；在电池本体1表面温度低于热失控临界值且无气体放出时，第一阀门5开启，第二阀门6关闭，冷管10中进行冷气循环，对电池进行散热；当电池本体1表面温度达到或者超过热失控温度值，或检测到烟气放出时，第一阀门5关闭，第二阀门6开启，风机4利用冷风将液氮罐3中的液氮压入冷管10中，冷管10开始进行液氮循环，对电池表面进行强力散热。
本发明利用冷管嵌入相变材料组合的方式对锂电池进行散热，该组合与电池表面贴合，嵌入的冷管与电池表面贴合，该组合便于锂电池取出与插入；
本发明正常工作下，在电池表面温度未达到热失控临界温度，使用冷风在冷管中进行循环散热，冷风可使用飞机上压气机进行引气；
本发明正常工作下，在电池表面温度达到或超过热失控临界温度，或有烟气放出时，使用液氮在冷管中进行强力循环散热，避免热失控。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.相变材料与嵌入式冷管锂电池，其特征在于：包括电池本体，所述电池本体外围包覆有相变材料，且电池本体可沿相变材料自由进行取出或插入，所述相变材料在靠近电池本体内侧面嵌入冷管。
2.根据权利要求1所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，其特征在于：所述冷管迂回折弯设置。
3.根据权利要求1所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，其特征在于：所述电池本体包括方形电池、圆形电池和菱形电池。
4.根据权利要求1所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，其特征在于：所述相变材料采用石蜡-膨胀石墨复合材料。
5.根据权利要求1所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，其特征在于：所述相变材料的中间具有可供电池本体插入的空腔，且所述相变材料空腔内表面与电池本体表面贴合，在相变材料嵌入冷管后，所述冷管与电池本体表面贴合。
6.相变材料与嵌入式冷管锂电池的热管理、失控抑制系统，其特征在于：包括相变材料与嵌入式冷管锂电池组件、液氮罐和风机，所述相变材料与嵌入式冷管锂电池组件包括隔板箱，所述隔板箱内设有至少一个如权利要求1-5中任一项所述的相变材料与嵌入式冷管锂电池，所述隔板箱内设有与冷管连接的连接管道，所述连接管道伸出隔板箱向外，所述液氮罐和风机分别通过两个外接管道与连接管道连通；所述两个外接管道分别设有第一阀门和第二阀门。
7.根据权利要求6所述的热管理、失控抑制系统，其特征在于：所述相变材料与嵌入式冷管锂电池组为多个，且其排列组合设置在隔板箱内，所述隔板箱将排列组合后的相变材料与嵌入式冷管锂电池组进行六面密封。
8.根据权利要求6所述的热管理、失控抑制系统，其特征在于：所述冷管一端为入口管，其另一端为出口管，所述连接管道与冷管的入口管连通，所述冷管的出口管伸出隔板箱。
9.根据权利要求6所述的热管理、失控抑制系统，其特征在于：所述隔板箱采用阻燃材料。
10.根据权利要求6所述的热管理、失控抑制系统，其特征在于：所述冷管采用铜制冷管。
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