CN112886096A - 基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，包括电子控制单元(ECU)、节温器、水泵、水流加速器、散热器、加热器、温度传感器、若干个单体电池包和冷却液管道。电池箱外部设三个冷却液回路：电池箱处于正常工作温度时，冷却液流经水流加速器直接进入电池包内部；电池箱温度过低时，冷却液流经节温器经过水泵，再流经加热器进入电池包内部；电池箱温度过高时，冷却液流经节温器、散热器总成、水泵，再流经加热器进入电池包内部，此时加热器不工作。节温器、水泵、水流加速器、散热器总成、加热器、电磁阀在ECU控制下协调工作。冷却液在电池包内采用双向交叉循环流动，保证电池箱内部温度梯度变化较小。

Description

基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统
技术领域
本发明涉及电池组热管理技术领域，具体涉及基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统。
背景技术
电动汽车的使用环境复杂、地域广泛，因此电池受温度的影响比较大。单体电池和动力电池组的温度主要对电池的充放电性能、电池循环寿命、SOC、电压和安全性等有较大影响。动力电池是纯电动汽车的唯一动力源，要求电池动力系统应能适应比较宽的温度范围，Freedom CAR提出的车用动力电源系统的温度范围为-30～52℃，而目前还没有任何一种动力电池能完全满足这样的要求。因此，在动力电池系统设计方面，必须考虑电池热管理问题。在电池组高温时进行合理有效的降温，温度低时进行及时加热。目前市场上在售的纯电动汽车对汽车电池动力系统温度的控制有单方面考虑高温进行降温的，降低温度的措施有自然冷，这种就是没有设置降温系统，靠电池自身温度的散失；风冷，这种是依靠自然风直接吹入电池包内部对电池进行降温，也有利用风机强制把风吹进电池包进行风冷的，这种风冷不能够保证单体电池之间温度的均匀一致性；冷却液降温，这种就是在电池包或者电池内部铺设冷却液管道进行冷却降温的，有的冷却液并不具备流动的特点，没有高效的降温作用。低温时很少有高效的措施进行升温的，有的是通过对电池内芯片进行控制升温的，会改变电池内部电池化学变化，这样可能会存在安全隐患。
上述这些降温和升温的措施并没有十分完善的控制系统，也没有结合电池自身的特性进行合理控制。为此，本发明提出了基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于解决上述动力电池高温如何合理降温，低温如何升温的问题。提供一种合理的电池温度控制系统，把电池温度控制在最合理的范围内，使电池的充放电效率、电池循环寿命、SOC、电池电压和安全性得到保证。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，包括ECU、散热系统、加热装置、若干个单体电池包和冷却液管道；
若干个所述单体电池包空间阵列设置；每个所述单体电池包包括平面阵列设置的若干个电池；每层所述单体电池包内均布设有所述冷却液管道，每个所述冷却液管道均曲折环绕地布设在相邻的两列所述电池之间；每个所述电池和冷却液管道之间设置有相变材料；相邻的所述冷却液管道通过外接管道连通；相邻的两个所述单体电池包之间的冷却液管道通过同层连接管道连通，上下两层相邻的两个所述冷却液管道通过上下层连接管道连通；所述冷却液管道、同层连接管道和上下层连接管道内部结构相同，均包括交叉设置的两个冷却液进水管道和冷却液出水管道；
所述散热系统包括散热器、水泵、水流加速器和节温器；所述节温器与两个所述冷却液进水管道入口连通，两个所述冷却液进水管道出口与所述加热装置连通；所述节温器通过管道一与所述水流加速器连通，所述水流加速器通过管道三与两个所述冷却液出水管道入口连通；两个所述冷却液出水管道出口通过管道二与所述水流加速器连通，所述水流加速器通过管道四与所述加热装置连通；
所述加热装置与所述水泵入口连通，所述水泵的两个输出口分别通过管道与所述节温器和散热器的入口连通，所述散热器的出口与所述节温器连通；
所述节温器、水泵、加热装置、水流加速器和散热器均通过所述ECU控制。
优选地，所述相变材料使用固-液相变的物质，进行温度的吸收和释放。
优选地，还包括冷却液补偿水箱，所述冷却液补偿水箱与所述冷却液管道连通；所述冷却液补偿水箱通过所述电子控制单元控制。
优选地，所述冷却液管道的管道横截面为异形发散状。
优选地，所述节温器的出入口、水泵的出入口以及两个所述冷却液进水管道和冷却液出水管道的出入口均设置有温度传感器，每个所述单体电池包的内部均设置有温度传感器；每个所述温度传感器均通过所述ECU控制，并向ECU提供温度参数。
本发明有益效果：
本发明提出基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，该装置电池温度低的时候使用冷却液对电池包进行加温，保证电池在最佳温度范围充放电工作；电池温度高的时候先使用相变材料发生相变吸收热量，然后使用冷却液降温。
电池包内电池温度过高时候，相变材料开始发生相变，吸收电池的热量，维持电池包一定条件下温度不再升高，如果电池温度继续升高或者高温无法及时散去，使用冷却液进行降温。冷却液采取交叉双进双出的设计能够保证冷却液在流动过程中减少温度梯度差，保证电池包内部温度的均匀一致性，及时的对电池包降温。
电池包内电池温度过低时候，由加热装置对冷却液加热，然后冷却液进入电池包内部对电池包升温。
从而，使电池处在最佳工作温度范围内，改善电池出现温度过低或者过高对电池的内阻、充电性能、放电性能、安全性、寿命等带来的影响。提高汽车的行驶安全性，增加汽车同等条件下的续航里程，保证电池使用寿命，降低汽车使用维护成本等。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明一种电动汽车电池能量管理系统的结构示意图；
图2为本发明一种电动汽车电池能量管理系统在Ⅰ处的局部放大图；
图3为本发明一种电动汽车电池能量管理系统在Ⅱ处的局部放大图；
图4本发明电池包层与层之间管道连接示意图；
图5为本发明单体电池包结构放大示意图；
图6为本发明单体电池包内部结构放大示意图；
图7为本发明单体电池包内部冷却液管道截面放大图；
图8为本发明涉及到的电子单元控制图。
图中：1、电池包；2、电池；3、冷却液管道；3-1、冷却液进出电池包内部管道口；3-2、外接管道；3-3、上下层连接管道；3-4、同层连接管道；3-5、单体电池包内部冷却液管道；3-6、冷却液进水口管道口；3-7、冷却液出水口管道口；4、冷却液补偿水箱；5、节温器；6、水泵；7、水流加速器；8、散热器；9、加热装置；10、相变材料；31、管道一；32、管道二；33、管道三；34、管道四。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，如图1-8所示，包括ECU、若干个单体电池包1和冷却液管道3；
若干个单体电池包1空间阵列设置；每个单体电池包1包括平面阵列设置的若干个电池2；每个电池2上包裹有相变材料10；每层单体电池包1交叉布设有两个双进双出的冷却液管道3，每个冷却液管道3均曲折环绕地布设在相邻的两列电池2之间；相邻的两个单体电池包1之间的冷却液管道3通过同层连接管道3-4连通，上下两层相邻的两个冷却液管道3通过上下层连接管道3-3连通；冷却液管道3、同层连接管道3-4和上下层连接管道3-3内部结构相同，均包括交叉设置的两个冷却液进水管道3-6和冷却液出水管道3-7；
冷却液由冷却液补偿水箱4供给，保证冷却液管道3内没有空气等其他气体。单体电池包1内部的冷却液管道3由冷却液进出电池包内部管道口3-1和节温器5通过管道连接；节温器5能够把由散热器8降温后的冷却液流进单体电池包1内，保证整个冷却的循环性。单体电池包1内的温度变化可以通过温度传感器检测；
当温度传感器检测到温度过低需要升温时候，由加热装置9对水泵6与电池包之间的管道内部冷却液加热，然后通过水泵6和节温器5之间连接管道将加热的冷却液送进单体电池包1内；
电池包温度过高时候，首先相变材料10先发生相变吸收热量，温度继续升高，水泵6将高温冷却液经过水泵6与散热器8之间连接管道送入散热器8进行降温，由水泵6作用使降温后冷却液在电池包内循环流动。
本发明工作时候分为单体电池包1内部电池高温需要降温和单体电池包1内部电池低温需要升温两个过程。电池包内电池2最佳工作温度范围以Freedom CAR提出的车用动力电源系统的温度范围-30～52℃为标准。因为电动汽车用不同的电池作为动力电源的时候最佳工作温度范围不同，为了适应电池最佳工作温度，可以选取不同的相变材料10、不同的冷却液来满足对单体电池包内电池2降温和升温过程。高温以52℃为最高温度，低温以-30℃为最低温度。
单体电池包内电池2温度高需要降温过程。这时候必须保证单体电池包内电池2温度不能超过52℃，超过52℃时候电池的充放电效率就会受到影响。结合温度传感器，在电池温度没有达到52℃之前，在单体电池包内电池2之间填充的相变材料10开始发生相变，相变材料10选择Na2S2O3〃5H2O(硫代硫酸钠晶体，俗称海波或大苏打)，Na2S2O3〃5H2O相变温度为48.5℃，在电池温度达到52℃之前，相变材料10发生相变，由晶体(固体)变为液体在单体电池包内1部，能够保证单体电池包内部电池2温度保持一致，相变材料10全部相变为液体时候通过温度传感器检测电池包内部电池2温度，单体电池包1内部温度会使单体电池包内部冷却液管道3-5内的冷却液温度升高。
冷却液在水泵没有工作之前，冷却液会在重力的作用下由缓慢的流动，此时冷却液会经过散热器8，由外界自然风对散热器8内冷却液进行散热冷却，此时水泵6没有启动如果温度继续升高则启动水泵6，加快冷却液流动，加快散热。如果冷却液温度散热快，则不用启动散热风扇；如果在自然风力作用下冷却液温度降低慢、效率不高，则启动散热风扇，加快散热。
水泵6将冷却液管道3内的高温冷却液送入散热器8进行散热冷却，降温散热后的冷却液经过节温器5与散热器8之间连接管道将降温散热后冷却液流入节温器5，经过节温器5将降温散热后的冷却液分为方向一和方向二两方向，方向一为直接进入单体电池包1内部进行循环降温流动，方向二为经过管道一31，由管道一31经过水流加速器7，并通过管道三33进入电池包内部，对电池包进行降温，然后经过管道二32流出，管道二32经过水流加速器，并通过管道四34，然后和方向一流出的冷却液一起进入加热装置9，这时候加热装置9不工作，然后经过水泵6流入散热器8。方向一和方向二均经过节温器5分开方向同时进入电池包内部，最终汇聚到水泵6，由水泵6和水泵与散热器之间连接管道进入散热器8进行降温散热，降温散热后的冷却液通过节温器与散热器之间连接管道进入节温器5进行下一个循环流动。
在这个阶段冷却液受热会膨胀，这时候通过冷却液补偿水箱4将膨胀多出的冷却液吸入冷却液补偿水箱4内，保持高温时所有流动管道内冷却液压强的恒定，让冷却液顺利平稳流动，保证散热降温的高效性和稳定性。
单体电池包内电池2温度低需要升温过程。这个过程需要考虑冷却液的成分，防止低温冷却液结冰冻住无法流动，冷却液可以用50％的水和50％乙二醇混合而成的冷却液，这时候冷却液冰点约为-35.5℃，选取比电池温度-30℃更低的温度，另外还可以调配水与乙二醇的百分比，如果使用63.1％乙二醇和36.9％的会组成的冷却液，这时候结冰点可以降低至-60℃.在冬天特别寒冷地区可以选择这样配比冷却液。冷却液不仅满足低温(-30℃)不结冰，还能保证高温(50℃)不蒸发。当温度传感器检测到电池包内温度过低时候，提前关闭水泵6和散热器8之间管道通路。在-30℃之前由加热装置9冷却液管道内的冷却液进行加温，然后通过水泵6与加热装置9之间管道将加热后的冷却液送至水泵6，水泵6将加热后的冷却液流过节温器5，通过节温器5采用和降温一样的流动方式，采用方向三和方向四两方向，方向三为直接进入单体电池包1内部进行循环加热流动，方向四为经过管道一31，由管道一31经过管道三33进入电池包内部，对电池包进行加热，然后经过管道二32流出，管道二32经过管道四34，然后和方向一流出的冷却液一起进入加热装置9，进入加热装置9进行加热后，经过水泵6进入节温器5进入下一个循环流动。这个循环由加热装置9开始加热，加热后的冷却液经过冷却液管道进行交叉流动，最终汇聚到加热装置进行加热循环流动。这个过程是低温下的冷却液会有缩减现象，通过冷却液补偿水箱4对管道内冷却液进行供给，保证低温时所有流动冷却管道内冷却液压强恒定，让冷却液顺利平稳流动，保证加热的高效性和稳定性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，其特征在于，包括ECU、散热系统、加热装置(9)、若干个单体电池包(1)和冷却液管道(3)；
若干个所述单体电池包(1)空间阵列设置；每个所述单体电池包(1)包括平面阵列设置的若干个电池(2)；每层所述单体电池包(1)内均布设有所述冷却液管道(3)，每个所述冷却液管道(3)均曲折环绕地布设在相邻的两列所述电池(2)之间；每个所述电池(2)和冷却液管道(3)之间设置有相变材料(10)；相邻的所述冷却液管道(3)通过外接管道(3-2)连通；相邻的两个所述单体电池包(1)之间的冷却液管道(3)通过同层连接管道(3-4)连通，上下两层相邻的两个所述冷却液管道(3)通过上下层连接管道(3-3)连通；所述冷却液管道(3)、同层连接管道(3-4)和上下层连接管道(3-3)内部结构相同，均包括交叉设置的两个冷却液进水管道(3-6)和冷却液出水管道(3-7)；
所述散热系统包括散热器(8)、水泵(6)、水流加速器(7)和节温器(5)；所述节温器(5)与两个所述冷却液进水管道(3-6)入口连通，两个所述冷却液进水管道(3-6)出口与所述加热装置(9)连通；所述节温器(5)通过管道一(31)与所述水流加速器(7)连通，所述水流加速器(7)通过管道三(33)与两个所述冷却液出水管道(3-7)入口连通；两个所述冷却液出水管道(3-7)出口通过管道二(32)与所述水流加速器(7)连通，所述水流加速器(7)通过管道四(34)与所述加热装置(9)连通；
所述加热装置(9)与所述水泵(6)入口连通，所述水泵(6)的两个输出口分别通过管道与所述节温器(5)和散热器(8)的入口连通，所述散热器(8)的出口与所述节温器(5)连通；
所述节温器(5)、水泵(6)、加热装置(9)、水流加速器(7)和散热器(8)均通过所述ECU控制。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，其特征在于，所述相变材料使用固-液相变的物质，进行温度的吸收和释放。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，其特征在于，还包括冷却液补偿水箱(4)，所述冷却液补偿水箱(4)与所述冷却液管道(3)连通；所述冷却液补偿水箱(4)通过所述ECU控制。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，其特征在于，所述冷却液管道(3)的管道横截面为异形发散状。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料的锂离子动力电池组主动热管理系统，其特征在于，所述节温器(5)的出入口、水泵(6)的出入口以及两个所述冷却液进水管道(3-6)和冷却液出水管道(3-7)的出入口均设置有温度传感器，每个所述单体电池包(1)的内部均设置有温度传感器；每个所述温度传感器均通过所述ECU控制，并向ECU提供温度参数。
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