CN115084723A - 一种基于相变材料的寒地电池预热装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池领域，公开了一种基于相变材料的寒地电池预热装置和方法，所述电池预热装置包括高导热相变材料层，所述高导热相变材料层内设置电池，所述高导热相变材料层外设置低导热相变材料层，所述方法包括(1)电池与高导热复合相变材料组成闭合回路；(2)利用电池的内阻和高导热复合相变材料的电阻产生焦耳热，使得电池温度迅速上升；(3)到达预热目标温度后，电池与高导热复合相变材料断开电路连接。本发明有效解决了现有技术中低温对锂电池性能的稳定性造成较大影响的问题。

Description

一种基于相变材料的寒地电池预热装置和方法
技术领域
本发明属于电池热管理领域，更具体地涉及一种基于相变材料的寒地电池预热装置和方法。
背景技术
锂离子电池具有储能密度大、放电功率高及无记忆效应等优点，被广泛用于新能源汽车和分布式储能等领域。但是锂离子电池的性能和寿命高度依赖环境，过低或者过高的温度都会影响电池的正常工作，甚至带来安全问题。高温会导致电池内部副反应加剧，放大电池的热效应，严重时会造成电池热失控。在0℃以下的温度中，电池内部的化学反应和传质过程亦会受到不利影响，从而影响了电池的充放电能力。除了性能方面的影响外，电池长时间在高温和寒地低温环境下充放电会加剧电池老化，影响电池的使用寿命。老化后的电池可用容量下降、内阻增大，内阻的增大会进一步加剧电池的热效应，进而带来更大的安全隐患。我国幅员辽阔，各地气候差异巨大。北方地区冬季寒冷。而夏季的最高温度又能达到30℃以上。锂离子电池在我国的大范围推广和应用，需要面对和适应各地不良环境的影响。电池在寒地低温环境下运行时，持续的低温环境会对电池的性能和寿命造成损害。当温度达到-30℃时，极低的温度还可能造成电池的失效。而夏季的高温会增加电池热失控的风险。因此，若不采取任何热管理措施，环境温度的巨大差异会对电池的工作能力和使用寿命造成伤害，严重影响电动汽车和电化学储能在北方地区的推广和大规模应用。
发明内容
为解决现有电池热管理技术中难以兼顾高温散热和低温加热的问题，本发明提供一种同时兼顾高温散热和寒地保温一种基于相变材料的寒地电池预热装置和方法。
本发明采用的具体方案为：一种基于相变材料的寒地电池预热装置，所述电池预热装置包括高导热相变材料层，所述高导热相变材料层内设置电池，所述高导热相变材料层外设置低导热相变材料层。
所述高导热复合相变材料为导电率高于500S/m，热导率大于5W/(mK)的材料。
所述低导热复合相变材料为石蜡和烯烃嵌段共聚物比例为1:9-3:7的材料。
所述高导热相变材料层为内部中空的长方体结构。
所述高导热相变材料层与所述电池过盈配合。
所述低导热相变材料层为内部中空的长方体结构。
所述低导热相变材料层与所述高导热相变材料层尺寸适配。
所述电池通过串联的方式连接，高导电复合相变材料通过串联的方式互相连接构成电池组,所述电池组的末端的电池负极和末端的高导热相变材料相连，所述电池组的首端的电池正极与首端的高导热相变材料通过继电器连接，所述电池组的首端电池表面与首端的高导热相变材料之间的接触缝隙处设置温度传感器，所述温度传感器与继电器分别与单片机连接。形成所述电池组的相邻的电池预热装置之间设置导电连接件。
另一方面，本发明提供一种基于相变材料的寒地电池预热装置的预热方法，所述方法包括如下步骤:
(1)低温环境下，电池在启动运行前，由温度传感器间断监测电池实时温度，并传输到单片机，单片机接收到温度后进行判定，如果电池温度低于0℃，控制器开始进行预热程序；
(2)单片机控制继电器接通，电池组的电池与高导热材料构成的回路连通，利用电池的内阻和高导热复合相变材料的电阻产生焦耳热，使得电池温度迅速上升；
(3)到达预热目标温度后，温度传感器反馈信号至单片机，单片机控制继电器断开，继而整个电池组的电路断开。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
本发明通过在电池外部依次设置高导热相变材料层、低导热相变材料层，对传统的热管理结构进行改进。高导热相变材料包裹在电池的外，利用其较高的热导率快速吸收工作过程中并利用潜热从而控制电池的温度。在高导热相变材料的外层增加一层低导热的相变材料，不仅能够在高温下吸收内层相变材料传递的热量，同时也能够利用其较低的热导率降低电池组在低温下的热损失，从而大幅提升寒地下的保温能力。
在相变材料被动散热和保温的基础上，利用高导热/电复合相变材料的导电能力构建内外源加热结构。复合相变材料充当加热元件，能够有效降低系统的复杂程度。
该电池预热装置具备良好的扩展性，通过将单电池热管理装置依次排布形成电池组，便于对寒地电池进行预热，节约了能源，提高了电池的使用效率。
本发明所述的电池预热方法利用复合相变材料作为加热介质，并且利用电池自身的能量实现快速预热，不需要额外的加热元件。
附图说明
图1为本发明电池预热装置示意图；
图2为本发明电池组外部示意图；
图3为本发明预热过程示意图；
图4为高导热相变材料层示意图；
图5为低导热相变材料层示意图；
图6为电池组结构示意图；
图7为电池散热时间-温度实验结果图；
图8为电池散热环境温度-电池温度实验结果图；
图9为电池预热实验结果图；
图10为寒地环境本发明所述装置预热过程中的能量转化示意图；
图11为高温环境本发明所述装置散热过程中的能量转换示意图；
图12为发明所述装置预热过程热阻网络示意图；
图13为发明所述装置散热过程热阻网络示意图。
符号说明
1：电池；2：铜箔；3：高导热复合相变材料层；4：低导热复合相变材料层；5：电池空腔；6.高导热相变材料空腔，7：单片机，8：继电器，9：温度传感器，10：导线。
具体实施方式
在下文将结合附图对本发明做进一步详细地说明，显然此处应该理解的是，所描述的实施方案不是全部的实施方案，仅用于解释说明本发明，而不限制本发明。
本发明提供一种基于相变材料的寒地电池预热装置，所述电池预热装置包括高导热相变材料层3，所述高导热相变材料层内设置电池1，所述高导热相变材料层3外设置低导热相变材料层4。所述高导热复合相变材料为添加膨胀石墨或碳纳米管、石墨烯的石蜡基复合相变材料，热导率高于5W/(mK)，电导率高于500S/m。所述低导热复合相变材料为80％石蜡和20％烯烃嵌段共聚物的混合物。
所述高导热相变材料层为内部中空的长方体结构，内部中空部分形成用于放置电池的电池空腔5。所述高导热相变材料层与所述电池过盈配合。
所述低导热相变材料层为内部中空的长方体结构，内部中空部分形成用于放置高导热相变材料的高导热相变材料空腔6。所述低导热相变材料层与所述高导热相变材料层尺寸适配。所述电池预热装置依次排布形成电池组，形成所述电池组的相邻的电池预热装置之间设置导热连接件。所述导热连接件的设置避免了相邻的寒地电池的热量相互影响。
所述电池通过串联的方式连接，高导电复合相变材料通过串联的方式互相连接构成电池组,所述电池组的末端的电池负极和末端的高导热相变材料相连，所述电池组的首端的电池正极与首端的高导热相变材料通过继电器8连接，所述电池组的首端电池表面与首端的高导热相变材料之间的接触缝隙处设置温度传感器9，所述温度传感器与继电器分别与单片机7连接。形成所述电池组的相邻的电池预热装置之间设置导电连接件。
另一方面，本发明提供一种基于相变材料的寒地电池预热装置的预热方法，所述方法包括如下步骤:(1)低温环境下，电池在启动运行前，由温度传感器间断监测电池实时温度，并传输到单片机，单片机接收到温度后进行判定，如果电池温度低于0℃，控制器开始进行预热程序；(2)单片机控制继电器接通，电池组的电池与高导热材料构成的回路连通，利用电池的内阻和高导热复合相变材料的电阻产生焦耳热，使得电池温度迅速上升；(3)到达预热目标温度后，温度传感器反馈信号至单片机，单片机控制继电器断开，继而整个电池组的电路断开。本发明所述方法利用复合相变材料作为加热介质，并且利用电池自身的能量实现快速预热。不需要额外的加热元件，能够有效降低系统的复杂程度。
本发明中单片机型号为87C51。继电器为电磁继电器，最大承载电流不小于30A。
本发明工作过程如下：温度传感器1s输出一个温度信号给单片机，单片机接收到温度传感器的信号，判断电池组温度是否低于0℃，当温度低于0℃时，控制继电器开启，接通预热电路。电路被接通后，电流通过电池和高导热材料相变材料组成闭合回路，电池输出电能，通过复合相变材料和电池内阻产生焦耳热，快速对电池组进行加热。当电池组温度升高到0℃后，单片机输出信号，切断继电器，预热过程结束。电池开始进行正常放电状态。
从附图10的能量转化示意图可以看出，预热过程中电池的电能被转换成热能，快速加热电池组。此外从附图12中的热阻网络也看出，由于PO的导热系数较低，热阻RPO非常大，可以有效减少电池组的外部散热，提高预热和保温的效率。当外界环境温度较高时，从附图11和12可以看出，POE凭借其高导热性可以快速吸收电池的热量，外层的PO还可以吸收POE传递的热量从而控制电池的温度。
实施例1
本发明公开一种基于相变材料的寒地电池预热装置，电池预热装置包括高导热相变材料层，所述高导热相变材料层内设置18650电池，所述高导热相变材料层外设置低导热相变材料层高导热复合相变材料采用添加了20％膨胀石墨的石蜡基复合相变材料记为POE，低导热复合相变材料采用80％石蜡和20％烯烃嵌段共聚物的混合物，记为PO。高导热复合相变材料通过模压，得到中空的长方体结构，具体尺寸24mm*24mm*65mm，内部电池空腔的直径为17.8mm。由于电池的直径为18mm，因此可以实现与POE的过盈配合，提升结合强度。铜箔被粘贴在POE的表面，左右对称粘贴。
PO通过模压得到一个可以容纳POE的长方体，该低导热复合相变材料层的尺寸为30mm*30mm*65mm，其内部的空腔形成为高导热相变材料空腔，该空腔的尺寸为24mm*24mm。将电池、POE和PO组合在一起，所述电池通过串联的方式连接，高导电复合相变材料通过串联的方式互相连接构成电池组,所述电池组的末端的电池负极和末端的高导热相变材料相连，所述电池组的首端的电池正极与首端的高导热相变材料通过继电器连接，所述电池组的首端电池表面与首端的高导热相变材料之间的接触缝隙处设置温度传感器，所述温度传感器与继电器分别与单片机连接。形成所述电池组的相邻的电池预热装置之间设置导电连接件。
上述电池预热装置的预热方法为：温度传感器1s输出一个温度信号给单片机，单片机接收到温度传感器的信号，判断电池组温度是否低于0℃，当温度低于0℃时，控制继电器开启，接通预热电路。电路被接通后，电流通过电池和高导热材料相变材料组成闭合回路，电池输出电能，通过复合相变材料和电池内阻产生焦耳热，快速对电池组进行加热。当电池组温度升高到0℃后，单片机输出信号，切断继电器，预热过程结束。电池开始进行正常放电状态。
实施例2
本发明公开一种基于相变材料的寒地电池预热装置，电池预热装置包括高导热相变材料层，所述高导热相变材料层内设置18650电池，所述高导热相变材料层外设置低导热相变材料层高导热复合相变材料采用添加了20％膨胀石墨的石蜡基复合相变材料记为POE，低导热复合相变材料采用90％石蜡和10％烯烃嵌段共聚物的混合物，记为PO。高导热复合相变材料通过模压，得到中空的长方体结构，具体尺寸26mm*26mm*66mm，内部电池空腔的直径为17.8mm。由于电池的直径为18mm，因此可以实现与POE的过盈配合，提升结合强度。铜箔被粘贴在POE的表面，左右对称粘贴。
PO通过模压得到一个可以容纳POE的长方体，该低导热复合相变材料层的尺寸为32mm*32mm*66mm，其内部的空腔形成为高导热相变材料空腔，该空腔的尺寸为26mm*26mm。将电池、POE和PO组合在一起，所述电池通过串联的方式连接，高导电复合相变材料通过串联的方式互相连接构成电池组,所述电池组的末端的电池负极和末端的高导热相变材料相连，所述电池组的首端的电池正极与首端的高导热相变材料通过继电器连接，所述电池组的首端电池表面与首端的高导热相变材料之间的接触缝隙处设置温度传感器，所述温度传感器与继电器分别与单片机连接。形成所述电池组的相邻的电池预热装置之间设置导电连接件。
上述电池预热装置的预热方法为：温度传感器1s输出一个温度信号给单片机，单片机接收到温度传感器的信号，判断电池组温度是否低于0℃，当温度低于0℃时，控制继电器开启，接通预热电路。电路被接通后，电流通过电池和高导热材料相变材料组成闭合回路，电池输出电能，通过复合相变材料和电池内阻产生焦耳热，快速对电池组进行加热。当电池组温度升高到0℃后，单片机输出信号，切断继电器，预热过程结束。电池开始进行正常放电状态。
对实施例1中预热装置内的电池在不同环境温度下进行散热实验，电池的放电倍率为3C。实验结果表明，当环境温度为35℃时，电池的温度可以被控制在43℃，说明预热装置结构能够有效对电池进行散热。
为了研究不同环境温度对电池组预热性能的影响，对实施例1进行了不同环境温度下的电池组预热实验。预热目标设定为0℃，初始环境温度分别设置为-30℃、-25℃、-20℃和-10℃。附图8为电池和两种复合相变材料的温度随时间的变化。-10℃的情况下，预热时间为25.1s，当环境温度降至-30℃时，预热时间延长至149.3s，说明该结构能够对电池进行快速预热。
本发明中高导热复合相变材料作为散热和预热介质，散热过程中利用高导热能力迅速带走电池的热量。低温环境预热过程中，利用其作为加热元件对电池进行加热。低导热复合相变材料在低温环境中对电池提供保温，此外在预热过程中作为绝缘介质。
以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述电池预热装置包括高导热相变材料层(3)，所述高导热相变材料层(3)内设置电池(1)，所述高导热相变材料层(3)外设置低导热相变材料层(4)。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述高导热复合相变材料为导电率高于500S/m，热导率大于5W/(mK)的材料。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述低导热复合相变材料为石蜡和烯烃嵌段共聚物比例为1:9-3:7的材料。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述高导热相变材料层(3)为内部中空的长方体结构。
5.根据权利要求4所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述高导热相变材料层(3)与所述电池(1)过盈配合。
6.根据权利要求5所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述低导热相变材料层(4)为内部中空的长方体结构。
7.根据权利要求6所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述低导热相变材料层(4)与所述高导热相变材料层(3)尺寸适配。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，所述电池通过串联的方式连接，高导电复合相变材料通过串联的方式互相连接构成电池组,所述电池组的末端的电池负极和末端的高导热相变材料相连，所述电池组的首端的电池正极与首端的高导热相变材料通过继电器(8)连接，所述电池组的首端电池表面与首端的高导热相变材料之间的接触缝隙处设置温度传感器(9)，所述温度传感器(9)与继电器(8)分别与单片机(7)连接。
9.根据权利要求8所述的基于相变材料的寒地电池预热装置，其特征在于，形成所述电池组的相邻的电池预热装置之间设置导电连接件。
10.一种基于权利要求8或9所述的基于相变材料的寒地电池预热装置的预热方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
(1)低温环境下，电池在启动运行前，由温度传感器间断监测电池实时温度，并传输到单片机，单片机接收到温度后进行判定，如果电池温度低于0℃，控制器开始进行预热程序；
(2)单片机控制继电器接通，电池组的电池与高导热材料构成的回路连通，利用电池的内阻和高导热复合相变材料的电阻产生焦耳热，使得电池温度迅速上升；
(3)到达预热目标温度后，温度传感器反馈信号至单片机，单片机控制继电器断开，继而整个电池组的电路断开。
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