CN113328172A - 具有热管理功能的环形锂离子电池组及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有热管理功能的环形锂离子电池组及其控制方法，包括两个相互连接的环形锂离子电池单体，电池壳体与外加热筒之间填充有相变材料，外加热筒套装于电芯的外周，上端盖设置有温度传感器、正极极柱和负极极柱，环形锂离子电池单体之间通过燕尾槽与燕尾滑块相对连接组成电池组。本发明将内外加热筒和相变材料置于电池内部，可以从内部和外部同时开始对电池加热或者散热，能实现环形锂离子电池单体自由组合形成电池组，且将相变材料填充于环形锂离子电池单体内部，与内外加热筒协同作用，具有热管理功能，在低温加热环形锂离子电池单体，高温时对环形锂离子电池单体进行散热，提高了环形锂离子电池单体的工作性能。
Description
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，尤其涉及一种具有热管理功能的环形锂离子电池组及其控制方法。
背景技术
随着电动汽车的发展，凭借着高能量密度、高功率密度及长循环寿命等优势，以锂电池为代表的动力电池被广泛应用于电动汽车中。
然而，锂电池性能及安全性受温度影响显著，高温和低温都不利于锂电池正常工作。锂离子电池在低温下充放电容量会急剧下降，车辆性能严重衰退，而且低温充电时，锂电池电极容易出现析锂现象，容易引发短路等风险。高温时，需对锂电池进行散热，否则易引起电池热失控。
目前对电池加热方式主要为空气加热和液体加热，这两种方式虽然结构较简单，但是需要外部设备辅助，占据一定空间，且空气加热效率低，所需时间长；相比空气加热，液体加热虽然提高了加热效率，但是成本大幅度增加，加热仍然需要一定的时间。在高温散热方面，随着人们对相变材料认识不断提升，越来越多的科研工作者开始对其进行研究。在锂电池高温散热方面，相比空冷和液冷，相变材料塑造性好，适用于各种形状电池，成本低，相变潜热高，是一种比较理想的散热材料。
目前电池热管理的研究聚焦于既定结构的电池，在现有的电池结构基础上开展热管理。虽然圆柱形电池制作工艺简单，但是由于电池自身的发热特性，圆柱形电池容易在中心位置产生热积累，而圆柱形电池只能通过圆柱外表面进行热交换，导致圆柱中心位置的热量不容易散掉，这种圆柱形电池结构给电池的设计和电池热管理带来较大的困难。
发明内容
针对现有圆柱形电池存在的技术问题，从改变电池结构角度出发，提出一种具有热管理功能的环形锂离子电池组及其控制方法，提高热交换效率，能对低温下电池进行加热，高温下电池进行散热。提高电池的工作性能。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。一种具有热管理功能的环形锂离子电池组，包括两个相互连接的环形锂离子电池单体，所述环形锂离子电池单体包括内加热筒、圆柱形卷片、电芯和电池壳体，所述内加热筒内部填充相变材料，内加热筒外周设有卷片，卷片外周绕装有电芯；所述电池壳体外装有控制器，电池壳体与外加热筒之间填充有相变材料；外加热筒套装于电芯的外周；环形锂离子电池单体下端封装有下端盖，上端封装有上端盖，上端盖设置有温度传感器、正极极柱和负极极柱；电芯上端连接有引线正极片和负极片，正极片和负极片分别与上端盖上的正极极柱和负极极柱对应连接；环形锂离子电池单体的上端盖和下端盖上均装有连接座，连接座呈四边形且中间内孔端口对角设有挡片，连接座一侧相邻的两边设置有燕尾槽，另一侧相邻的两边设置有与燕尾槽相对应匹配的燕尾滑块，环形锂离子电池单体之间通过燕尾槽与燕尾滑块相对连接组成电池组；电池组中的环形锂离子电池单体之间正极极柱和负极极柱通过连接片对应连接，实现电池组的并联通电。
优选地，所述电芯的材料为石蜡类。
优选地，所述石蜡类的材料中可添加膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒。
优选地，所述温度传感器的温度感应范围为-30~60℃。
优选地，所述控制器设有第一预设温度和第二预设温度。
优选地，所述第一预设温度为-10℃。
优选地，所述第二预设温度为0℃。
优选地，所述内加热筒和外加热筒均为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
一种具有热管理功能的环形锂离子电池组的控制方法，其具体控制步骤如下：
1）当温度传感器检测环形锂离子电池单体温度低于-10℃时，控制器接通内、外加热筒，内加热筒和外加热筒通过电流开始工作产热，协同环形锂离子电池单体自身放出的热量一起加热；当温度传感器检测到环形锂离子电池单体温度≥0℃，断开内加热筒和外加热筒，停止产热；
2）当环形锂离子电池单体温度达到相变材料熔化温度时，相变材料开始吸收热量对环形锂离子电池单体进行散热，直至相变材料全部熔化，停止吸热；
3）当环形锂离子电池单体温度在0℃以上且相变材料熔化温度以下时，环形锂离子电池单体正常工作。
优选地，所述相变材料熔化温度为28℃。
本发明将内外加热筒和相变材料置于电池内部，可以从内部和外部同时开始对电池加热或者散热，能实现环形锂离子电池单体自由组合形成电池组，且将相变材料填充于环形锂离子电池单体内部，与内外加热筒协同作用，具有热管理功能，在低温加热环形锂离子电池单体，高温时对环形锂离子电池单体进行散热，提高了环形锂离子电池单体的工作性能。
附图说明
图1为本发明中环形锂离子电池单体100的剖面结构示意图；
图2为图1中A-A向截面图；
图3为本发明中电池壳体7和外加热筒6的局部放大结构示意图；
图4为本发明中上端盖8的立体结构示意图；
图5为本发明中下端盖11的立体结构示意图；
图6为本发明中连接座14的立体结构示意图；
图7为本发明中连接片16的平面示意图；
图8为本发明环形锂离子电池组的立体结构示意图；
图9为本发明中控制器13的电路图。
图中：1.内加热筒，2.卷片，3.电芯，4.正极片，5.负极片，6.外加热筒，7.电池壳体，8.上端盖，9.正极极柱，10.负极极柱，11.下端盖，12.相变材料，13.控制器，14.连接座，141.燕尾槽，142.燕尾滑块，143.挡片，15.温度传感器，16.连接片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。参见图1至图9。一种具有热管理功能的环形锂离子电池组，包括两个相互连接的环形锂离子电池单体100，所述环形锂离子电池单体100包括内加热筒1、圆柱形卷片2、电芯3和电池壳体7（如图1和图2所示），所述内加热筒1内部填充相变材料12，内加热筒1外周设有卷片2，卷片2外周绕装有电芯3；所述电池壳体7外装有控制器13，电池壳体7与外加热筒6之间填充有相变材料12（如图3所示）；外加热筒6套装于电芯3的外周；环形锂离子电池单体100下端封装有下端盖11（如图5所示），上端封装有上端盖8，上端盖8设置有温度传感器15、正极极柱9和负极极柱10（如图4所示）；电芯3上端连接有引线正极片4和负极片5，正极片4和负极片5分别与上端盖8上的正极极柱9和负极极柱10对应连接；环形锂离子电池单体100的上端盖8和下端盖11上均装有连接座14（如图6所示），连接座14呈四边形且中间内孔端口对角设有挡片143，连接座14一侧相邻的两边设置有燕尾槽141，另一侧相邻的两边设置有与燕尾槽141相对应匹配的燕尾滑块142，环形锂离子电池单体100之间通过燕尾槽141与燕尾滑块142相对连接组成电池组（如图7和图8所示）；电池组中的环形锂离子电池单体100之间正极极柱9和负极极柱10通过连接片16对应连接，实现电池组的并联通电。所述电芯3的材料为石蜡类。所述石蜡类的材料中可添加膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒。所述温度传感器15的温度感应范围为-30~60℃。所述控制器13设有第一预设温度和第二预设温度。所述第一预设温度为-10℃。所述第二预设温度为0℃。所述内加热筒1和外加热筒6均为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
一种具有热管理功能的环形锂离子电池组的控制方法，其具体控制步骤如下，控制器13包括控制板和控制电路（如图9所示），主要包括温度传感器15连接部位H1连接温度传感器15，运算放大器U2，Q1控制内加热筒1和外加热筒6加热与断开，正极极柱9引出导线接J3，负极极柱10引出导线接J5，内加热筒1引出两条导线从下端盖11中心孔引出与控制器13中J1和J2连接，外加热筒6引出两条导线从下端盖11中心孔引出与控制器13中J6和J7连接，J4接负极极柱10，此时电池电流在控制板13上接通但未通过内加热筒1和外加热筒6，其具体控制方法为：
1）控制器13中运算放大器接U2中-INB接收温度传感器15的信号，当温度传感器15检测环形锂离子电池单体100温度低于-10℃时，U2中OUTB输出电流，CJ8820接通内加热筒1和外加热筒6并通过电流开始工作产热，协同环形锂离子电池单体100自身放出的热量一起加热电池；当温度传感器检15测到环形锂离子电池单体100温度在0℃或以上时，U2中OUTB不输出电流，CJ8820断开内加热筒1和外加热筒6，停止产热；
2）当环形锂离子电池单体100温度达到相变材料12熔化温度时，此时内部和外部相变材料12开始吸收热量对环形锂离子电池单体100进行散热，直至相变材料12全部熔化完毕，相变材料12停止吸热；
3）当环形锂离子电池单体100温度在0℃以上相变材料12熔化温度以下时，环形锂离子电池单体100正常工作。
本发明中控制器13包括控制板和控制电路（如图9所示），主要包括温度传感器15连接部位H1连接温度传感器15，运算放大器U2，Q1控制内加热筒1和外加热筒6加热与断开，正极极柱9引出导线接J3，负极极柱10引出导线接J5，内加热筒1引出两条导线从下端盖11中心孔引出与控制器13中J1和J2连接，外加热筒6引出两条导线从下端盖11中心孔引出与控制器13中J6和J7连接，J4接负极极柱10，此时电池电流在控制板13上接通但未通过内加热筒1和外加热筒6，其具体控制方法为：
1）控制器13中运算放大器接U2中-INB接收温度传感器15的信号，当温度传感器15检测环形锂离子电池单体100温度低于-10℃时，U2中OUTB输出电流，CJ8820接通内加热筒1和外加热筒6并通过电流开始工作产热，协同环形锂离子电池单体100自身放出的热量一起加热电池；当温度传感器检15测到环形锂离子电池单体100温度在0℃或以上时，U2中OUTB不输出电流，CJ8820断开内加热筒1和外加热筒6，停止产热；
2）当环形锂离子电池单体100温度达到相变材料12熔化温度时，此时内部和外部相变材料12开始吸收热量对环形锂离子电池单体100进行散热，直至相变材料12全部熔化完毕，相变材料12停止吸热；
3）当环形锂离子电池单体100温度在0℃以上相变材料12熔化温度以下时，环形锂离子电池单体100正常工作。
内加热筒1和外加热筒6为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
相变材料12为80%石蜡和20%膨胀石墨融合物，导热系数由单一石蜡的0.24·m-1·K-1提高到1.23·m-1·K-1，是单一石蜡导热系数的5倍。
本发明中的温度传感器15负责采集环形锂离子电池单体100的温度，将采集到的温度传递给控制器13，温度传感器15的温度感应范围为-30℃-60℃。
相变材料12为石蜡类。作为优选，可以在相变材料12中掺入膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒，以增加材料的热传导性能。本发明中相变材料12中优选使用石蜡，石蜡的固液相相变温度随组成石蜡的石蜡分子的碳链的长度而变化，约在5.5 ~ 75.9℃范围内，优选碳原子数为18，相变温度为28℃的石蜡。即，相变材料12的相变温度为28℃。
利用相变材料12在相变过程中的潜热来对电池进行冷却加热保温。相变材料12的相变温度接近锂电池的最佳工作温度，相变材料12在其物相变化过程中，可从电池内部吸收热量或向环境中放出热量，从而达到能量储存和释放及调节能量需求和供给的目的。
本发明中控制器13包括控制板和控制电路（如图9所示），主要包括温度传感器15连接部位H1连接温度传感器15，运算放大器U2，Q1控制内加热筒1和外加热筒6加热与断开，正极极柱9引出导线接J3，负极极柱10引出导线接J5，内加热筒1引出两条导线从下端盖11中心孔引出与控制器13中J1和J2连接，外加热筒6引出两条导线从下端盖11中心孔引出与控制器13中J6和J7连接，J4接负极极柱10，此时电池电流在控制器13上接通但未通过内加热筒1和外加热筒6，其具体控制方法为：
1）控制器13中运算放大器接U2中-INB接收温度传感器15的信号，当温度传感器15检测环形锂离子电池单体100温度低于-10℃时，U2中OUTB输出电流，CJ8820接通内加热筒1和外加热筒6并通过电流开始工作产热，协同环形锂离子电池单体100自身放出的热量一起加热电池；当温度传感器检15测到环形锂离子电池单体100温度在0℃或以上时，U2中OUTB不输出电流，CJ8820断开内加热筒1和外加热筒6，停止产热；
2）当环形锂离子电池单体100温度达到相变材料12熔化温度时，此时内部和外部相变材料12开始吸收热量对环形锂离子电池单体100进行散热，直至相变材料12全部熔化完毕，相变材料12停止吸热；
3）当环形锂离子电池单体100温度在0℃以上相变材料12熔化温度以下时，环形锂离子电池单体100正常工作。
内加热筒1和外加热筒6为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
相变材料12为80%石蜡和20%膨胀石墨融合物，导热系数由单一石蜡的0.24·m-1·K-1提高到1.23·m-1·K-1，是单一石蜡导热系数的5倍。
Claims (10)
1.具有热管理功能的环形锂离子电池组，包括两个相互连接的环形锂离子电池单体，其特征在于，所述环形锂离子电池单体包括内加热筒、圆柱形卷片、电芯和电池壳体，所述内加热筒内部填充相变材料，内加热筒外周设有卷片，卷片外周绕装有电芯；所述电池壳体外装有控制器，电池壳体与外加热筒之间填充有相变材料；外加热筒套装于电芯的外周；环形锂离子电池单体下端封装有下端盖，上端封装有上端盖，上端盖设置有温度传感器、正极极柱和负极极柱；电芯上端连接有引线正极片和负极片，正极片和负极片分别与上端盖上的正极极柱和负极极柱对应连接；环形锂离子电池单体的上端盖和下端盖上均装有连接座，连接座呈四边形且中间内孔端口对角设有挡片，连接座一侧相邻的两边设置有燕尾槽，另一侧相邻的两边设置有与燕尾槽相对应匹配的燕尾滑块，环形锂离子电池单体之间通过燕尾槽与燕尾滑块相对连接组成电池组；电池组中的环形锂离子电池单体之间正极极柱和负极极柱通过连接片对应连接，实现电池组的并联通电。
2.根据权利要求1所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述电芯的材料为石蜡类。
3.根据权利要求2所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述石蜡类的材料中可添加膨胀石墨、泡沫铝、泡沫石墨、碳纤维或铝颗粒。
4.根据权利要求1所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述温度传感器的温度感应范围为-30～60℃。
5.根据权利要求1所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述控制器设有第一预设温度和第二预设温度。
6.根据权利要求5所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述第一预设温度为-10℃。
7.根据权利要求5所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述第二预设温度为0℃。
8.根据权利要求1所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组，其特征在于，所述内加热筒和外加热筒均为高导热率高电阻率的铁铬铝合金，导热系数为52KJ/m·h·c，电阻率为1.6×10-6Ω·m。
9.一种如权利要求1所述的具有热管理功能的环形锂离子电池组的控制方法，其特征在于，其具体控制步骤如下：
1）当温度传感器检测环形锂离子电池单体温度低于-10℃时，控制器接通内、外加热筒，内加热筒和外加热筒通过电流开始工作产热，协同环形锂离子电池单体自身放出
的热量一起加热；当温度传感器检测到环形锂离子电池单体温度≥0℃，断开内加热筒和外加热筒，停止产热；
2）当环形锂离子电池单体温度达到相变材料熔化温度时，相变材料开始吸收热量对环形锂离子电池单体进行散热，直至相变材料全部熔化，停止吸热；
3）当环形锂离子电池单体温度在0℃以上且相变材料熔化温度以下时，环形锂离子电池单体正常工作。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，进一步，所述相变材料熔化温度为28℃。
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