CN114243165A - 一种锂离子电池热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池热管理系统，包括电池包外壳和锂离子电池组，其特征在于：所述锂离子电池组由若干电池单元通过电池连接片连接构成；在所述电池包外壳内，设置有若干拓展表面换热器，所述拓展表面换热器的两侧外表面设置有密集分布的肋片；肋片的外侧设置有多孔导热片，该多孔导热片内具有丰富孔隙结构；多孔导热片的一侧紧贴电池单元；所述电池包外壳内填充相变材料，相变材料被多孔导热片的孔隙以及肋片分割为若干个小区域，以减小相变材料导热性能差的影响；采用拓展表面换热器与相变材料相结合的换热方式以实现不同环境下蓄换热一体化和温度可控；在拓展表面换热器的内部开设有若干流道，该流道作为换热工质流动通道；本发明可广泛应用在储能、电力、及汽车等领域。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池热管理系统。
背景技术
由于太阳能、风能等主流新能源使用过程中存在间歇性、不连续等问题，在当今全球大力发展利用太阳能、风能的同时，储能技术的需求也越来越高。而锂离子电池因为拥有较高的能量密度、充放点性能好、循环寿命高等特点，适合应用于电源侧储能。但电源侧储能由于功率需求高，电池数量巨大，所以对电池的性能、安全性和寿命的要求相较于动力汽车电池而言也更高。其中电池在使用过程中的温度变化是影响锂离子电池性能、安全性以及寿命的重要物理量，锂离子电池必须在适宜的温度区间工作才能发挥出最佳的性能。因此，为了保证电池良好的使用性能、安全性和较长的使用寿命，电池的温度必须被控制在一定范围内。
现有锂离子电池热管理技术一般采用风冷或水冷的方式对电池进行散热，散热效率低下，难以满足电池的散热需求。而且现有的热管理装置一般是在电池包外进行热管理，这会导致电池内部温度均温性差，严重影响电池寿命，且换热工质的加热或冷却需要一定的时间，温度控制会出现滞后现象，热管理效果差，当冬季温度过低时，电池存在性能下降，启动困难等问题；同时现有热管理装置无蓄热能力，停机后能量快速耗散，使得下次启动时需要重新进行冷却或加热，极大的增大了能耗。因此，亟需一种新的锂离子电池热管理系统，以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种锂离子电池热管理系统。
本发明的技术方案是：一种锂离子电池热管理系统，包括电池包外壳和锂离子电池组，其特征在于：所述锂离子电池组由若干电池单元通过电池连接片连接构成；在所述电池包外壳内，平行设置有若干拓展表面换热器，所述拓展表面换热器的两侧外表面设置有密集分布的肋片；肋片的外侧设置有多孔导热片，该多孔导热片内具有丰富孔隙结构；多孔导热片的一侧紧贴电池单元；在电池包外壳内填充相变材料，相变材料被多孔导热片的孔隙以及肋片分割为若干个小区域，以减小相变材料导热性能差的影响；相变材料通过多孔导热片与电池单元进行换热，同时相变材料与拓展表面换热器进行换热，采用拓展表面换热器与相变材料相结合的换热方式以实现不同环境下蓄换热一体化和温度可控；在拓展表面换热器的内部开设有若干流道，该流道作为换热工质流动通道。
根据本发明所述的一种锂离子电池热管理系统的优选方案，所述电池包外壳的左、右两端分别设置有进口联箱和出口联箱，所述进口联箱和出口联箱内充有换热工质；所述进口联箱和出口联箱的内端板上分别设有若干通孔一和通孔二；进口联箱和出口联箱分别通过通孔一和通孔二与流道两端联通。
根据本发明所述的一种锂离子电池热管理系统的优选方案，所述进口联箱和出口联箱分别设置换热工质进口和换热工质出口，换热工质进口和换热工质出口通过泵与换热工质箱连接；所述换热工质箱对换热工质出口流出的换热工质温度设定要求进行相应的冷却或加热后，再通过泵流回换热工质进口，以实现换热可控；泵的流量通过控制阀调节控制。
根据本发明所述的一种锂离子电池热管理系统的优选方案，使用温度采集装置采集肋片间隙内相变材料的温度，在控制器内进行温度比对，根据不同环境下采集温度与设置温度的不同进行相应控制。
根据本发明所述的一种锂离子电池热管理系统的优选方案，温度采集装置采集相变材料的温度，当锂离子电池启动时，如果温度采集装置采集到温度低于预设电池启动温度，启动泵、控制阀以及换热工质箱工作，带动流道内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口流出的换热工质进行加热，加热后的换热工质再流回流道，换热工质将热量传递给相变材料，对电池单元进行预热，电池自发热的同时利用相变材料蓄热能力进行保温，以降低电池温降速率；当温度采集装置采集到相变材料温度达到预设工作温度后，使换热工质箱停止加热，关闭泵及控制阀。
根据本发明所述的一种锂离子电池热管理系统的优选方案，当温度采集装置采集到相变材料的温度超过电池安全工作温度后，启动泵、控制阀以及换热工质箱工作，带动流道内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口流出的换热工质进行冷却，冷却后的换热工质再流回流道，换热工质将相变材料内的热量带走，对电池单元进行冷却；当温度采集装置采集到相变材料的温度低于安全温度后，换热工质箱停止冷却，关闭泵及控制阀。
根据本发明所述的一种锂离子电池热管理系统的优选方案，当温度采集装置采集到相变材料的温度处于电池安全工作之间，根据电池工况不同间歇性启动泵、控制阀工作，带动流道内的换热工质流动，使相变材料始终处于稳定温度的固液共存状态，保证电池一直处于最佳工作温度。
本发明所述的一种电池热管理系统的有益效果是：
1)、散热效率高，电池单元与多孔导热片及相变材料紧密接触，热量传输快。
2)、多孔导热片包裹电池单元同时被相变材料浸没，可以大大提高相变材料吸热的响应速度，减小温度控制的滞后现象。
3)、相变材料相变时温度基本恒定，使得电池温度波动减小，减小电池内部温差，极大的提高了电池的均温性。
4)、相变材料具有一定的蓄热能力，在冬季室外温度较低时，利用相变材料的蓄热能力，可缩短电池启动时的预热时间，较少能耗。
4)、拓展表面换热器增加了换热面积，同时提高了相变材料的传热性能，并及时将相变材料热量带走，保证电池在最佳工作温度区间工作。
5)、具有可调控性，相变材料与拓展表面换热器的结合实现蓄换热一体化。相变材料可以将一部分的热量储存起来，在下一次启动时直接使用以降低能耗；通过调控换热工质箱内工质的温度实现不同环境下的电池冷却与加热功能，并通过调控流量分布进一步的调控电池表面温度，有较强的环境适应性。
本发明可广泛应用在储能、电力、及汽车等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种电池热管理系统的连接示意图。
图2是本发明所述的一种电池热管理系统的结构示意图。
图3是本发明所述的拓展表面换热器3、进口联箱13和出口联箱14的连接示意图。
图4是本发明所述的拓展表面换热器3的结构示意图。
图5是拓展表面换热器3与多孔导热片6的连接示意图。
图6是本发明所述的出口联箱14的结构示意图。
图7是本发明所述的进口联箱13的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。但应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
参见图1至图7，一种锂离子电池热管理系统，包括电池包外壳1和锂离子电池组，所述锂离子电池组由若干电池单元5通过电池连接片7串、并联连接构成；在所述电池包外壳1内，平行设置有若干拓展表面换热器3，所述拓展表面换热器3的两侧外表面设置有密集分布的肋片9；肋片9的外侧设置有多孔导热片6，该多孔导热片6内具有丰富孔隙结构；多孔导热片6的另一侧紧贴电池单元5；在电池包外壳1内填充相变材料，相变材料被多孔导热片6的孔隙以及肋片9分割为若干个小区域，以减小相变材料导热性能差的影响；相变材料通过多孔导热片6与电池单元5进行换热，同时相变材料与拓展表面换热器3进行换热，采用拓展表面换热器与相变材料相结合的换热方式用以实现不同环境下蓄换热一体化和温度可控；在拓展表面换热器3的内部开设有若干流道8，该流道8作为换热工质流动通道。所述拓展表面换热器3形状与电池组形状相配合，可选片状等，材料可选用导热系数较高的材料，外表面做绝缘处理。
所述相变材料采用适当熔点的相变材料、阻燃剂等以一定质量分数混合。充分混合后填充到电池包外壳1内。拓展表面换热器3被紧夹于两块多孔导热片之间同时被相变材料浸没，既能提高相变材料的导热性能，又能在温度较高时保持一定形状，作为金属骨架对电池及相变材料支撑。
在具体实施例中，所述电池包外壳1的左、右两端分别设置有进口联箱13和出口联箱14，所述进口联箱13和出口联箱14内充有换热工质，换热工质可以采用水或者其他工质；所述进口联箱13和出口联箱14的内端板上分别设有若干通孔一11和通孔二12；进口联箱13和出口联箱14分别通过通孔一11和通孔二12与流道8两端联通。
所述进口联箱13和出口联箱14分别设置换热工质进口2和换热工质出口4，换热工质进口2和换热工质出口4通过泵与换热工质箱16连接；所述换热工质箱16对换热工质出口4流出的换热工质温度设定要求进行相应的冷却或加热后，再通过泵17流回换热工质进口2，以实现换热可控；泵17的流量通过控制阀18调节控制。
在具体实施例中，利用温度采集装置15、换热工质箱、泵17及控制阀18等共同组成电池热管理控制部分。温度采集装置15可以采用热电偶或其他快速响应温度采集系统。
温度采集装置采集肋片间隙内相变材料的温度，在控制器19内进行温度比对，根据不同环境下采集温度与设置温度的不同进行相应控制。
当锂离子电池启动时，如果温度采集装置采集到温度低于预设电池启动温度，启动泵17、控制阀18以及换热工质箱16工作，带动流道8内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口4流出的换热工质进行加热，加热后的换热工质再流回流道8，换热工质将热量传递给相变材料，对电池单元5进行预热，电池自发热的同时利用相变材料蓄热能力进行保温，以降低电池温降速率；当温度采集装置采集到相变材料温度达到预设工作温度后，使换热工质箱停止加热，关闭泵17及控制阀18。
当温度采集装置采集到相变材料的温度超过电池安全工作温度后，启动泵17、控制阀18以及换热工质箱16工作，带动流道8内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口4流出的换热工质进行冷却，冷却后的换热工质再流回流道8，换热工质将相变材料内的热量带走，对电池单元5进行冷却；当温度采集装置采集到相变材料的温度低于安全温度后，换热工质箱停止冷却，关闭泵17及控制阀18。
当温度采集装置采集到相变材料的温度处于电池安全工作之间，根据电池工况不同间歇性启动泵17、控制阀18工作，带动流道8内的换热工质流动，使相变材料始终处于稳定温度的固液共存状态，保证电池一直处于最佳工作温度。
本发明的工作原理为：在电池运行过程中，电池散热，热量由电池表面传递给多孔导热片6，多孔导热片内的相变材料开始吸收热量，多孔导热片6将热量传递到相变材料及拓展表面换热器，如果温度采集装置采集到温度低于预设电池启动温度时，启动泵17、控制阀18以及换热工质箱16工作，带动流道8内的换热工质流动，所述换热工质箱对流道8流出的换热工质进行加热，加热后的换热工质再流回流道8，换热工质将热量传递给相变材料，对电池单元5进行预热，电池单元5自发热的同时利用相变材料的蓄热能力进行保温，以降低电池温降速率；运行一段时间后相变材料开始融化，电池表面温升速率降低，相变材料包裹拓展表面换热器，将热量传递个散热器，电池温升速率继续降低。当温度采集装置采集到相变材料温度达到预设工作温度后，使换热工质箱停止加热，关闭泵17及控制阀18；当温度采集装置采集到相变材料10的温度达到预设启动冷却温度后，启动泵17、控制阀18以及换热工质箱16工作，带动流道8内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口4流出的换热工质进行冷却，冷却后的换热工质再流回流道8。并且工作过程中温度采集装置监测到的温度与预设温度进行对比，从而对控制阀18的流量进行调节，使电池温度快速靠近预设温度，使得电池温度始终保持在合适的范围内，最终实现电池始终在一定温度区间内长时间稳定工作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种锂离子电池热管理系统，包括电池包外壳(1)和锂离子电池组，其特征在于：所述锂离子电池组由若干电池单元(5)通过电池连接片(7)连接构成；在所述电池包外壳(1)内，设置有若干拓展表面换热器(3)，所述拓展表面换热器(3)的两侧外表面设置有密集分布的肋片(9)；肋片(9)的外侧设置有多孔导热片(6)，该多孔导热片(6)内具有丰富孔隙结构；多孔导热片(6)的一侧紧贴电池单元(5)；所述电池包外壳(1)内填充相变材料，相变材料被多孔导热片(6)的孔隙以及肋片(9)分割为若干个小区域，以减小相变材料导热性能差的影响；采用拓展表面换热器与相变材料相结合的换热方式以实现不同环境下蓄换热一体化和温度可控；在拓展表面换热器(3)的内部开设有若干流道(8)，该流道(8)作为换热工质流动通道。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热管理系统，其特征在于：所述电池包外壳(1)的左、右两端分别设置有进口联箱(13)和出口联箱(14)，所述进口联箱(13)和出口联箱(14)内充有换热工质；所述进口联箱(13)和出口联箱(14)的内端板上分别设有若干通孔一(11)和通孔二(12)；进口联箱(13)和出口联箱(14)分别通过通孔一(11)和通孔二(12)与流道(8)两端联通。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池热管理系统，其特征在于：所述进口联箱(13)和出口联箱(14)分别设置换热工质进口(2)和换热工质出口(4)，换热工质进口(2)和换热工质出口(4)通过泵与换热工质箱(16)连接；所述换热工质箱(16)对换热工质出口(4)流出的换热工质温度设定要求进行相应的冷却或加热后，通过泵(17)流回换热工质进口(2)，以实现换热可控；泵(17)的流量通过控制阀(18)调节控制。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池热管理控制系统，其特征在于：使用温度采集装置(15)采集肋片间隙内相变材料的温度，在控制器(19)内进行温度比对，根据不同环境下采集温度与设置温度的不同进行相应控制。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池热管理系统，其特征在于：温度采集装置(15)采集相变材料(10)的温度，当锂离子电池启动时，如果温度采集装置采集到温度低于预设电池启动温度，启动泵(17)、控制阀(18)以及换热工质箱(16)工作，带动流道(8)内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口(4)流出的换热工质进行加热，加热后的换热工质再流回流道(8)，换热工质将热量传递给相变材料，对电池单元(5)进行预热，电池自发热的同时利用相变材料蓄热能力进行保温，以降低电池温降速率；当温度采集装置采集到相变材料温度达到预设工作温度后，使换热工质箱停止加热，关闭泵(17)及控制阀(18)。
6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池热管理系统，其特征在于：当温度采集装置采集到相变材料的温度超过电池安全工作温度后，启动泵(17)、控制阀(18)以及换热工质箱(16)工作，带动流道(8)内的换热工质流动，所述换热工质箱对换热工质出口(4)流出的换热工质进行冷却，冷却后的换热工质再流回流道(8)，换热工质将相变材料内的热量带走，对电池单元(5)进行冷却；当温度采集装置采集到相变材料的温度低于安全温度后，换热工质箱停止冷却，关闭泵(17)及控制阀(18)。
7.根据权利要求4所述的一种锂离子电池热管理系统，其特征在于：当温度采集装置采集到相变材料的温度处于电池安全工作之间，根据电池工况不同间歇性启动泵(17)、控制阀(18)工作，带动流道(8)内的换热工质流动，使相变材料始终处于稳定温度的固液共存状态，保证电池一直处于最佳工作温度。
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