CN114361649A - 基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，包括电池柜和散热装置，电池柜中设有一层或多层电池模块；电池柜设有冷却风道，每层电池模块的顶部开设风口，风口与冷却风道连通；散热装置包括叶片、记忆金属内环和外环，叶片等间距安装于记忆金属内环和外环之间，外环固定安装于风口外围，记忆金属内环与风口相对，记忆金属内环的初始直径大于风口直径；记忆金属内环可随电池模块的温度变化而扩张或收缩。本发明通过记忆金属内环、叶片和电池柜风口的配合，使得电池冷却系统可在不同运行工况和外界环境条件下维持电池的工作温度处于合理区间。

Description

基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统

技术领域

本发明涉及本发明涉及储能电站与储能电池热管理领域，具体涉及一种基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统。

背景技术

随着储能系统向着规模化、集约化发展，安全性要求也不断提高。在过去几年，火灾事件屡见不鲜，起火的一个重要原因是电池保护系统存在缺陷，尤其当电池运行存在故障时，会导致电池热管理系统失效。随着储能系统容量越来越高，电池密集程度也越来越高，单一的热管理技术已经不能满足日益增长的高热流密度要求。其次，储能电池本身的“不一致性”和“短板效应”制约了电池批量化热处理技术的发展，以个性化热处理为代表的精细化热管理技术成为亟待解决的重要内容。

锂电池是集装箱储能系统的核心部件，锂电池的容量、寿命以及抗破坏和恶劣环境的能力都将影响到集装箱的使用寿命和续航能力。锂离子电池的性能对温度非常敏感，锂离子电池最佳性能的温度应在10-35℃之间，锂电池可承受的温度区间为-40℃～60℃，过低的温度会导致电解液凝固，阻抗增加，过高的温度则电池的容量、寿命以及安全性将大大降低。高温环境会使电池容量降低，主要原因是高温会导致电池内阻增加、活性材料和有效锂离子流失。与高温环境类似，低温环境也会导致锂电池容量降低，如磷酸铁锂电池的容量保持率在0℃下为60％～70％，而在-20℃时则降低到20％～40％，主要是由于电解质在低温条件下传输性能发生显著降低。因此必须要对储能电池进行热管理，旨在使电池组温度分布趋于均匀以及工作温度稳定在合理区间，既包括低温工作环境下的保温、也包括高温环境下的冷却及余热利用问题。

储能箱体中电池紧密排列，在进行充电及放电时，系统内部的电池会产生大量的热量，由于电池排列间隙较小，导致电池所产生的热量很难快速排出，电池组之间会出现热量聚集、运行温差较大等现象。长此以往，会引起电池间内阻及容量的严重不一致，严重影响电池组的性能及寿命，还进而造成安全隐患。对储能系统进行热管理的目标是为电池模块提供一个舒适的环境温度。对电池的热管理系统结构须满足结构紧凑、安全性高以及普适性强等特点，此外还需考虑经济性要求，即对储能系统内部余热的利用，满足对环境友好、节约资源等环境条件。现阶段，关于电池的热管理技术主要包括热性能预测及热管理方案设计。在热管理方案设计方面，对于集装箱储能系统的冷却主要有以下几种方式：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。

空气冷却主要分为自然冷却和强制冷却，自然冷却是利用自然风压、空气温差、空气密度差等对电池进行散热处理；强制冷却是通过机械手段对电池进行冷却降温处理通常以通风的方式实现冷却。两种冷却方式所涉及的冷却结构简单、便于安装、成本较低，但并不能满足电容量较大的储能系统散热，且进出口的电池组之间的温差偏大，即电池散热不均匀。液体冷却是以液体为传热介质的热管理技术，它利用液体具有较高热容量和换热系数的特性，将低温液体与高温电池进行热量交换，从而达到降温目的。液体冷却系统结构复杂、经济效益低且安装及后续维护技术难度较大，因此对于集装箱储能系统无法广泛应用。相变材料冷却是利用其本身的相态转换来达到电池散热的目的，对电池散热效果影响最大的是对相变材料的选择，当所选相变材料的比热容越大、传热系数越高，相同条件下的冷却效果越好，反之冷却效果越差。相变材料本身不具备散热能力，需配合其他散热方式加以使用。热管冷却是利用介质在热管吸热端的蒸发带走电池热量，热管的放热端通过冷凝的方式将热量给发散到外界中去，从而实现冷却电池的目的，此冷却方式可任意改变传热面积的大小，适用于较长距离的热量传输。

从目前已有的研究来看，在储能系统热管理领域，液冷技术、相变换热技术及热管冷却技术由于自身存在着系统复杂、体积庞大、冷却介质易泄漏、价格昂贵等挑战，使其依然停留在实验室研究阶段。空冷技术是目前集装箱储能电池散热的首选方案。

发明内容

本发明提出了一种基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，用于在不同运行工况和外界环境条件下维持电池的工作温度处于合理区间。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，包括电池柜和散热装置，电池柜中设有一层或多层电池模块；电池柜设有冷却风道，每层电池模块的顶部开设风口，风口与冷却风道连通；散热装置包括叶片、记忆金属内环和外环，叶片等间距安装于记忆金属内环和外环之间，外环固定安装于风口外围，记忆金属内环与风口相对，记忆金属内环的初始直径大于风口直径；记忆金属内环可随电池模块的温度变化而扩张或收缩。

作为本发明的优选方案之一，记忆金属内环圆周设有多个内环支柱，外环圆周设有多个外环支柱，叶片为扇形，扇形叶片的转动端安装于内环支柱，扇形叶片的固定端安装于外环支柱。

作为本发明的优选方案之一，内环支柱穿设于记忆金属内环，内环支柱为金属件。

作为本发明的优选方案之一，内环支柱的导热系数大于叶片导热系数。

作为本发明的优选方案之一，记忆金属内环由铜基形状记忆合金材料制成。

作为本发明的优选方案之一，风口的外周设有圆形轨道，圆形轨道位于风口与外环安装处之间；叶片背向电池模块的一面设有支撑杆，支撑杆的一端与金属叶片固定连接，另一端活动安装于圆形轨道内。

作为本发明的优选方案之一，电池柜的两侧均设有冷却风道，冷却风道的入口设有风机。

作为本发明的优选方案之一，系统还包括控制器，每层电池模块的周围设置温度传感器，温度传感器、风机均与控制器电性连接，控制器基于温度传感器的检测值控制风机的频率。

相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

本发明采用记忆金属内环和叶片的配合，能够在电池温度接近或超过最适工作温度区间上限时，散热装置逐渐变形张开，增大送风量使电池温度保持稳定不至于过热；在电池温度接近最适工作温度区间时散热装置逐渐收缩，减少送风量使电池温度保持稳定。

采用铜基形状记忆合金等作为记忆金属内环材料，可保证电池散热温度区间内，记忆金属的及时扩张与收缩。

采用金属件作为内环支柱，可将热量集中于记忆金属内环，提高记忆金属的温度敏感度，同时维持记忆金属内环的形状，提高记忆金属内环的稳定性。

叶片背部设置支撑件和圆形导轨，可维持叶片的高度，防止叶片受重力向下偏移，影响扩张和伸缩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例所述电池冷却系统结构示意图；

图2为实施例所述散热装置正面结构示意图；

图3为实施例所述散热装置背面结构示意图；

图4为实施例所述记忆金属内环结构示意图；

图5为实施例所述外环结构示意图；

图6为实施例所述散热结构安装结构示意图；

图7为实施例所述散热结构扩张变形示意图。

附图标记说明：

1-电池柜，2-冷却风道，3-风口，4-电池模块，5-散热装置，51-外环，52-叶片，53-记忆金属内环，54-内环支柱，55-外环支柱；6-圆形轨道，61-支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，并且所描述的实施案例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。不脱离本发明的思想和原理的各种等效替换和简单修改，均应涵盖在本发明的范围内。

如图1至图3所示，本实施例提供一种基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，包括电池柜1和散热装置5，电池柜1中设有一层或多层电池模块4；电池柜的两侧均设有冷却风道2，冷却风道2的入口设有风机(图中未示出)，每层电池模块4的顶部开设风口3，风口3与冷却风道2连通。

散热装置5包括叶片52、记忆金属内环53和外环51，叶片53等间距安装于记忆金属内环53和外环51之间，外环51固定安装于风口3外围，记忆金属内环53与风口3相对，记忆金属内环53的初始直径大于风口直径；记忆金属内环53可随电池模块4的温度变化而扩张或收缩。

优选地，电池柜还设有控制器，电池模块周围设置温度传感器，控制器可基于温度传感器的检测值控制风量，进一步加快电池散热。

本实施例设计一种基于记忆金属的散热装置，将其用于电池柜中，随电池周围的温度而变形。当电池温度接近或超过最适工作温度区间上限时逐渐变形张开，增大送风量使电池温度保持稳定不至于过热；当电池温度接近最适工作温度区间时逐渐收缩，减少送风量使电池温度保持稳定。

如图4、图5所示，本实施例所述记忆金属内环53圆周设有多个内环支柱54，外环51圆周设有多个外环支柱55，叶片52为扇形，扇形叶片的转动端安装于内环支柱54，扇形叶片的固定端安装于外环支柱55。当记忆金属内环受热扩张时，叶片随着记忆金属的扩张而堆叠，如图7所示，风口流出的散热面积增大，加速了电池散热，当记忆金属内环冷却收缩时，叶片随着记忆金属的收缩而铺开，降低内环圆面积，维持电池所需温度。

优选地，将内环支柱54穿设于记忆金属内环53，且内环支柱54为金属件，并使得内环支柱54的导热系数大于叶片导热系数，将热量集中于记忆金属内环上，提高记忆金属内环对温度的敏感性，及时扩张或收缩。

本实施例中，记忆金属内环由铜基形状记忆合金材料制成。电池柜传统散热温度高达150-200℃，此时，记忆金属内环可完全扩张至一定直径，当温度低于预设温度时，记忆金属内环逐渐收缩，直至恢复初始状态。

如图6所示，风口3的外周设有圆形轨道6，圆形轨道6位于风口与外环安装处之间；叶片52背向电池模块的一面设有支撑杆61，支撑杆61的一端与金属叶片52固定连接，另一端活动安装于圆形轨道6内。支撑杆61可对叶片起到稳定支撑的作用，避免叶片因多次变形而下垂或者松动，影响记忆金属内环的扩张或收缩。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，包括电池柜和散热装置，电池柜中设有一层或多层电池模块；

电池柜设有冷却风道，每层电池模块的顶部开设风口，风口与冷却风道连通；

散热装置包括叶片、记忆金属内环和外环，叶片等间距安装于记忆金属内环和外环之间，外环固定安装于风口外围，记忆金属内环与风口相对，记忆金属内环的初始直径大于风口直径；

记忆金属内环可随电池模块的温度变化而扩张或收缩。

2.根据权利要求1所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，记忆金属内环圆周设有多个内环支柱，外环圆周设有多个外环支柱，叶片为扇形，扇形叶片的转动端安装于内环支柱，扇形叶片的固定端安装于外环支柱。

3.根据权利要求2所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，内环支柱穿设于记忆金属内环，内环支柱为金属件。

4.根据权利要求3所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，内环支柱的导热系数大于叶片导热系数。

5.根据权利要求1所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，记忆金属内环由铜基形状记忆合金材料制成。

6.根据权利要求1所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，风口的外周设有圆形轨道，圆形轨道位于风口与外环安装处之间；叶片背向电池模块的一面设有支撑杆，支撑杆的一端与金属叶片固定连接，另一端活动安装于圆形轨道内。

7.根据权利要求1所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，电池柜的两侧均设有冷却风道，冷却风道的入口设有风机。

8.根据权利要求7所述的基于记忆金属的被动自适应电池冷却系统，其特征在于，还包括控制器，每层电池模块的周围设置温度传感器，温度传感器、风机均与控制器电性连接，控制器基于温度传感器的检测值控制风机的频率。

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