CN113884902A - 一种低温下自供能的电池相变加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温下自供能的电池相变加热系统，该系统可以使用电池自身的能量进行快速加热，该电池组的框架即为加热元件，具有极其紧凑的结构，主要用于电池的低温热管理领域。该系统包括：电池、固‑固相变材料加热框架、加热电极；在该系统中，固‑固相变材料制成的框架具有电阻，并且在电池的放电电压下可以产生热量，从而加热电池；该框架的电阻正好与电池电压匹配，构成电池自加热系统。本系统结构极其紧凑，固‑固相变材料不仅可以作为电池组的框架，还能作为加热元件进行加热，可以快速加热电池组，对于锂离子电池在低温环境下的使用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于电池热管理领域，特别涉及一种利用电池自身能量来加热的电池低温自加热系统。
背景技术
锂离子电池广泛应用于电子器件和电动汽车中，然而，锂电池在低温地区的使用却有着很大的困难。低温下，锂离子电池的放电电压和容量会大幅度衰减，导致电池很快就无法使用。同时，低温也会对锂离子电池造成伤害。低温会降低电解液的电导率和锂离子的扩散速率，导致电压下降、永久电容量损失和锂镀。锂镀会增加电池内部短路的风险，导致起火、爆炸。因此，低温热管理系统对于锂离子电池的应用是不可或缺的。
由于电池大多应用在移动电子设备、电动汽车上，因此其电池热管理系统需要满足可移动式使用。使用电池自身的能量来给电池的低温加热系统供能，可以保证锂离子电池组使用的灵活性，具有较大的实用价值。同时，电池低温加热系统还应满足加热速率快、能耗低等特点。现有的电池低温热管理系统如CN103051026A和CN111276773A等大多加热速率较低，不能满足使用需要。
发明内容
本发明针对上述背景中指出的不足，利用一种特殊的导电塑料体复合材料，设计了一种低温下自供能的电池相变加热系统。在该系统中，导电塑料体材料制备得到的电池组支撑框架同时具备了加热器的功能，在其框架的两端铜电极片上接上电池电极即可起到加热的效果。并且由于其电阻与电池电压的匹配性，仅需较小的放电电流就可以达到较大的加热速率，不会造成电池的短路。此外，该系统在加热至30℃时，电池组具有最佳的工作功率；加热至10℃时，电池组具有最佳的放电时长。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供一种低温下自供能的电池相变加热系统，包括：
一体成型的固-固相变材料加热框架，所述固-固相变材料加热框架用于支撑电池，且能够导电；
至少一个电池，每个所述电池均固定在所述固-固相变材料加热框架上；
加热电极片，所述固-固相变材料加热框架的两端均设置有所述加热电极片，且所述加热电极片与所述电池电连接，当电路连通时，电池、固-固相变材料加热框架以及加热电极片形成闭合电路；以及
温度监测和控制模块，所述温度监测和控制模块用于监测电池的温度并控制闭合电路通电以加热电池。
在该系统中，固-固相变材料加热框架既可以作为电池组的支撑框架，又可以作为电池组的加热元件。固-固相变材料制成的框架具有一定的电阻，电池、固-固相变材料框架以及加热电极片形成闭合电路，构成电池自加热系统，电池电压施加在加热电极片上，电流流过固-固相变材料加热框架后产生热量来加热电池。
优选地，该固-固相变材料加热框架的电阻正好与电池的放电电压匹配。电池直接施加电压在固-固相变材料加热框架两端的加热电极片上时，就可以快速的升温。由于电阻的适合，电池电压施加在框架两端时不会产生短路的风险，同时可以有较快的加热速率。
优选地，该固-固相变材料加热框架的电阻在2-10Ω范围内可调，正好与电池的放电电压匹配。电池直接施加电压在框架两端的加热电极片上时，就可以快速的升温。由于电阻的适合，电池电压施加在框架两端时不会产生短路的风险，同时可以有较快的加热速率。
优选地，电池电压为3-18V。电池、固-固相变材料加热框架以及加热电极片形成闭合电路中的加热电流大小为3-10A。其中，在9.6A的加热电流下，电池组的加热速率为17.2℃/min。该自加热系统仅需较小的放电电流就可以达到较大的加热速率，同时整个加热框架是一体化的，因此加热过程中系统的温度均匀性很好。
优选地，该自加热系统在电池电量处于20％～100％的区间内都可以使用。
优选地，固-固相变材料加热框架包括多个子框架单元，每个子框架单元中均设置有电池，所有子框架单元设置的电池组成电池组。
优选地，固-固相变材料加热框架的材质包括有机相变材料和导电塑料基体。
优选地，加热电极片的材质铜。
优选地，电池组在被加热至30℃时可以具有最佳的放电功率，被加热至10℃时具有最佳的工作时长。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、现有的电池自加热系统大多靠电池的内阻来产热热量。由于电池的内阻很小，即使在低温下，也需要在很大的电流作用下，电池内阻才能产生大量的热量来快速加热电池。但是在低温下大电流充电/放电会对电池造成一定的损害。本发明所提供电池相变加热系统利用外部电阻与电池内阻来共同产生热量，因此仅需较小的加热电流就可以达到较大的加热速率。
2、由于现有的电池自加热系统大多靠电池内阻来产生热量，在大规模的电池组应用中，单体电池之间的电阻微小差异就会引起整个电池组很大的温度不一致性；因此，现有的单独利用电池内阻来产热的加热系统很难应用在规模较大的电池组中。本发明主要的热量由外部电阻产生，并且外部电阻是一体化的形式，因此在加热过程中温度一致性很好，受到电池单体之间差异的影响较小。
3、现有技术中还有一些通过外部介质来对电池组进行加热，如利用热流体或热空气、以及利用加热膜和PTC等发热元件来加热电池。这些加热方式往往需要外部加热源来供能，并且加热速率一般小于5℃/min。相比较于这些加热技术，本发明可以直接利用电池的能量来进行加热，不需要额外的设施，具有结构简单、紧凑等优点。同时，本发明的加热速率可以高达17.2℃/min，可以快速均匀地加热电池组。
4、本发明中的电池加热系统，其可以使用电池自身的能量来进行加热。由于整个加热框架的电阻与电池电压相匹配，既不会有短路的风险，又可以达到较大的加热速率。同时，该电池加热系统中的支撑框架即为提供加热的元件，因此具有极其紧凑的结构。而且，由于该加热结构为一体式的，因此在加热过程中具有较好的温度均匀性，可以适用于大型电池组中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种低温下自供能的电池相变加热系统的流体结构示意图。
图2是本发明实施例中固-固复合相变材料加热框架的俯视图。
图3是本发明实施例中的控制系统示意图。
图4是本发明实施例中，电池组在不同加热电流下的温度曲线图。
图5是本发明实施例中，电池组在被加热至不同温度下的放电功率图。
图6是本发明实施例中，电池组在被加热至不同温度下的有效能量图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1-图3，本发明中的低温下自供能的电池相变加热系统，包括至少一个电池2、固-固相变材料加热框架1、加热电极片3以及温度监测和控制系统。
在本发明的一些实施例中，所述固-固相变材料加热框架1一体化注塑成型。
固-固相变材料加热框架1是指组成框架的相变材料在融化后依然呈现固体的状态，正常相变材料发生相变是由固相转化到液相，而本发明的该相变材料发生相变依然是固态，不会发生泄露等问题。在本发明的一些实施例中，其中固-固相变材料加热框架1的材质由有机相变材料和导电塑料基体复合而成。其中导电塑料是通过在PP\PV等材料中通过添加导电石墨颗粒的方法制备得到，最后，通过注塑成型得到复合相变材料加热框架。
由于该复合材料构成的框架具有较大的硬度，可以对电池2起到很好的支撑作用。同时，该框架具有导电性，在通电的情况下可以产生热量，从而可以对电池2进行加热。
两个加热电极片3分别贴在固-固相变材料加热框架1的两端，通过加热电极片3将电池2电压施加在固-固相变材料加热框架1上，从而使电池2和固-固相变材料加热框架1形成闭合电路。电流流经固-固相变材料加热框架1后产生热量，从而加热电池2。
在本发明的一些实施例中，电池2电压和固-固相变材料加热框架1的电阻想相匹配。在电池电压的作用下，由于框架有一定的电阻，电池-框架电阻组成的电路具有适合的加热电流，从而在框架电阻下产生热量来加热电池。若电阻太小，可能会造成电池放电电流过大——即电池短路；若电阻太大，可能电池无法放电或放电电流很小，这样无法具有加热的作用。
在本发明的一些实施例中，电池2在3-18V的电压下，所述系统的加热速率可以达到5-20℃/min。自加热系统在电池电量处于10％～100％的区间内都可以使用。
在本发明的一些实施例中，固-固相变材料加热框架1的电阻在2-10Ω范围内可调。
在本发明的一些实施例中，加热系统仅需3-10A的较小的放电电流就可以达到较大的加热速率，同时整个固-固相变材料加热框架1是一体化的，因此加热过程中系统的温度均匀性很好。
在本发明的一些实施例中，加热电极片3为铜片。
请参阅图3，所述温度监测和控制模块包括热电偶(K型)、温度监测模块4和温度控制开关5(也称温度控制电路开关)。所述热电偶贴于电池2表面的中部位置，用于测量电池2的温度。热电偶与温度监测模块4的采集端连接，温度监测模块4与温度控制开关5的连接，温度控制开关5用于与电池2或外部元件连接。所述温度监测模块4用于读取热电偶测量得到的温度数据，显示电池的温度情况并将信号反馈给温度控制开关5。所述温度控制开关5根据反馈得到的电池温度情况来控制电池2是给固-固相变材料加热框架1施加电压还是给外部工作元件(如电动机等)供能。具体地，电池2给固-固相变材料加热框架1供电，固-固相变材料加热框架1产生热量加热电池2。低温下电池2的工作性能会大大降低，需要预先加热，如在温度较低(一般低于0℃就需要加热，加热至10℃时电池拥有最佳工作时长，加热至30℃时电池拥有最佳放电功率)时，电池就给相变材料加热框架供电来加热，待电池2的温度升高后，温度控制开关就将电池电路切换至外部工作元件(如电动机等)，电池2给外部工作元件供电。
所述温度监测和控制模块由PID电路控制系统进行控制。在本发明的一些实施例中，通过数值仿真得到的加热策略，当电池组被加热至30℃时，其拥有最佳工作功率；当电池组被加热至10℃时，其拥有最长放电时长。可以根据具体使用场景的不同，来选择最佳的加热策略。
在本发明其中一个实施例中通过实验对电池相变加热系统的工作有效性进行了验证。在本实施例中，请参阅图2，固-固相变材料加热框架1中设置有多个子框架单元，每个子框架单元均设置有一个电池2，每个子框架单元的尺寸为18mm*80mm*165mm，框架的宽度为4mm。为获得本实施例的温度数据，在电池表面设置热电偶进行测温。实验时，将其内设置有多个电池2(下称“电池组”)的固-固相变材料加热框架1置于-10℃的恒温箱中，模拟电池2在-10℃环境下冷启动的过程。此时，电池2接通位于固-固相变材料加热框架1两端的加热电极片3，从而可以对固-固相变材料加热框架1通电，进而产生热量来加热电池2自身。
具体地，通过一个直流转换器来调节电池的加热电流，本实施例中的加热电流分别为3.2A,6.4A和9.6A。如图4所示，电池组从-10℃被加热至20℃所需的时间分别为435s、165s和105s，其加热速率为4.13℃/min-17.14℃/min。该实验表明了，本发明提供的一种低温下自供能的电池相变加热系统可以在低温下快速地加热电池2，并且仅需要较小的加热电流就可以达到较大的加热速率，具有优异的自热能力。
进一步地，在本发明其中一个实施例中通过实验验证电池组在被加热至不同温度时对功率以及放电时长的影响效果。
具体地，电池组被放置在-10℃的环境下，分别将电池组加热至0℃、10℃、20℃和30℃。比较电池组在加热至不同温度时的放电功率和放电能量。图5为电池组在被加热至不同温度的情况下的放电功率，当电池组被加热至30℃，整个放电过程中具有最佳的放电功率。图6为电池组在被加热至不同温度下的能量情况，当电池组被加热至10℃时，电池组拥有最大的有效电能。并且加热温度太低或者太高都会使得有效电能降低。有效点电能越大表明电池的放电时长越长，因此，当电池组被加热至10℃时，电池组拥有最佳的工作时长。
综上，本发明提供的一种低温下自供能的电池相变加热系统通过电池、固-固相变材料加热框架和加热电极片的协同工作，可以在低温时由电池接通回路，固-固相变材料加热框架发热产生热量来给电池2加热，使得电池2在低温环境下也能正常工作。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，包括：
一体成型的固-固相变材料加热框架(1)，所述固-固相变材料加热框架(1)用于支撑电池(2)，且能够导电；
至少一个电池(2)，每个所述电池(2)均固定在所述固-固相变材料加热框架(1)上；
加热电极片(3)，所述固-固相变材料加热框架(1)的两端均设置有所述加热电极片(3)，且所述加热电极片(3)与所述电池(2)电连接，当电路连通时，电池(2)、固-固相变材料加热框架(1)以及加热电极片(3)形成闭合电路；以及
温度监测和控制模块，所述温度监测和控制模块用于监测电池(2)的温度并控制闭合电路通电以加热电池(2)。
2.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，电池(2)电压和固-固相变材料加热框架(1)的电阻想相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，所述固-固相变材料加热框架(1)的电阻在2-10Ω范围内可调。
4.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，电池(2)电压为3-18V。
5.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，电池(2)、固-固相变材料加热框架(1)以及加热电极片(3)形成闭合电路中的加热电流大小为3-10A。
6.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，固-固相变材料加热框架(1)包括多个子框架单元，每个子框架单元中均设置有电池，所有子框架单元设置的电池组成电池组。
7.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，固-固相变材料加热框架(1)的材质包括有机相变材料和导电塑料基体。
8.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，加热电极片(3)的材质铜。
9.根据权利要求1所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，电池(2)在被加热至30℃时具有最佳的放电功率，被加热至10℃时具有最佳的工作时长。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种低温下自供能的电池相变加热系统，其特征在于，温度监测和控制模块包括热电偶、温度监测模块(4)和温度控制开关(5)，热电偶用于测量电池(2)的温度，热电偶与温度监测模块(4)的采集端连接，且温度监测模块(4)与温度控制开关(5)连接，温度控制开关(5)与电池(2)连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Effective date of registration: 20220803 Address after: 510640 No. five, 381 mountain road, Guangzhou, Guangdong, Tianhe District Applicant after: SOUTH CHINA University OF TECHNOLOGY Applicant after: SOUTH CHINA INSTITUTE OF COLLABORATIVE INNOVATION Address before: 510640 No. five, 381 mountain road, Guangzhou, Guangdong, Tianhe District Applicant before: SOUTH CHINA University OF TECHNOLOGY |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220104 |
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