CN116073026A - 低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统和控制方法，属于锂离子电池加工技术领域。系统包括放热反应箱、支架、电池箱和控制终端；放热反应箱设在支架底部，其顶部设有热气出口；支架中部设有与热气出口密接的导气通道；电池箱设在支架顶部，电池箱内部设有一个位于中心的预热仓和两个位于侧边的受热仓，预热仓中部设有与导气通道密接的传热通道，预热仓中设有预热仓电池，受热仓中设有受热仓电池，预热仓和受热仓中分别灌注有第一、第二相变材料。本申请采用梯级加热的方式分步提高锂电池的温度，确保电池组在低温环境下能够正常供电，供热时无需消耗电池组本身的电量，显著减小了电池组的损耗，有利于延长锂电池的使用寿命。

Description

低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统和控制方法

技术领域

本发明属于锂离子电池加工技术领域，具体涉及一种在低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统和控制方法。

背景技术

锂离子电池作为一种能量密度高、响应速度快、循环寿命长的电化学储能元件，近年来已被广泛应用于电动汽车、规模储能和移动电子设备等领域。锂离子电池工作时的适宜温度区间约在0-45℃，若电池在0℃以下的低温环境进行充放电，电池的离子电导率和扩散速率均会下降，会使得电池内部的电化学反应速率减缓，并增加负极析锂风险，引起电池容量快速衰减，极端情况下甚至会引起正负极短路，威胁电池的循环寿命和安全性能。

为了避免低温环境对电池运行造成的负面问题，现有的电动汽车和储能集装箱等大型储能装置中均配备有相应的加热装置，但是现有的锂离子电池加热装置普遍存在能耗大、加热效率低等问题。此外，对于移动电子设备等小型电池模组，在成本有限的制约条件下，仍然需要依靠直流放电方式加热，这种加热方式会导致电池模组整体出现较大的储能损失，并存在电池模组尺度下的电压与温度不一致问题。因而如何能在低温环境下快速提升锂离子电池的温度已经成为了行业内亟需解决的关键问题之一。

研发低温锂离子电池或提高锂离子电池周边环境的温度是两种较为常见且有效的帮助锂电池在低温环境下正常工作的方法。

低温锂离子电池虽然在低温环境下的应用前景良好，但就目前的研发状况而言，低温锂离子电池难以突破技术瓶颈，且研发成本及其应用成本都较高，经济性不强。

提高锂离子电池周边环境温度的方法主要包括液体传导加热法、电热膜片加热法、高温空气加热法等。液体传导加热虽然有较好的加热效果，但由于液体具有导电性，所以采用液体传导加热的方式来帮助系统升温的锂离子电池存在一定的漏电危险，系统的可靠性和安全性大大降低；电热膜片加热法虽然具有结构简单、效率高、通用性好、装配方便等优点，但电热膜片加热需要消耗电池组的能量，锂离子电池在加热的同时本身需要放电，严重影响了锂离子电池系统电量的使用，能耗较高；高温空气加热的方法具有操作简便、效率高等优点，且相较于上述两种加热方式而言，高温空气加热的方法不仅可以避免液体外溢导致的锂电池漏电风险，且不用消耗电池组的能量，大大提升了电池组使用的时间。

但利用高温空气加热法对电池模组进行一体化加热也存在一定的问题，对电池箱进行整体化加热时由于加热空间大，为了产生足够的热量，往往需要消耗大量的能源，且为了便于高温空气的顺利输送，通常还需要在电池箱内配备复杂的运输管道与外部产热装置进行固定相接，这就使得电池组的位置受到非常明显的限制，难以灵活移动；且单纯依靠一贯式通入的高温空气的热传导作用来加热电池，电池的受热均一性也不高，当在电池的不同部位温度不同的情况下进行放电会加剧电池的不平衡，对其容量、寿命、自放电能量、电池性能差异等都将造成不利影响，不利于电池模组的长期稳定运行。如中国专利CN216563317 U公开的一种方便更换锂电池的锂电池加热装置，其在电池仓的两侧内壁铺设有加热片，在电池箱的一端设置进风仓，风仓内部的风腔中设有电热丝，风腔的一端设有风机，电热丝用于对通过风腔的空气进行加热，通过热空气对锂电池进行预加热，预加热后再启动电池仓两侧内壁铺设的加热片对锂电池进行升温，该装置联合采用了电热膜片加热法和高温空气加热法对处于低温环境下的锂电池进行升温处理，但是一侧通热空气进行预加热的方案会造成靠近风腔一侧的电池温度升高快而另一侧的电池温度升高慢的情况，单体电池间的温度存在较为明显的差异，不利于后期电池的正常运行，且电热膜片加热法本身存在的弊端无法避免。

为此，针对高温空气加热法所存在的问题，还需进行进一步的完善与提高，以期在均匀稳定提高锂离子电池周围环境温度的同时能够最大化的节约能耗，提升工作过程的有效性和经济性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的低温环境下锂电池加热能耗大、储能损失率高的问题，提供一种低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统和控制方法。

本发明是这样来实现的：一种低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，包括放热反应箱、支架、电池箱和控制终端；放热反应箱设在支架底部，其顶部设有热气出口；支架的架板中部设有导气通道，导气通道的底面与热气出口密合相接；电池箱设在支架顶部，电池箱的箱体内部被分隔出三个仓室，分别是位于中心的预热仓和位于两侧的受热仓，预热仓中部设有传热通道，传热通道的底部与导气通道的顶部密合相接、顶部与盖板底面密合相接，在预热仓中设有预热仓电池，受热仓中设有受热仓电池，单个仓室中的电池串联连接并在末端引出电线连接口后再并联连接到控制终端；预热仓中灌注第一相变材料，受热仓中灌注第二相变材料。

进一步地，第一相变材料的热熔点低于第二相变材料的热熔点。

进一步地，传热通道由高导热性的材料制成，在传热通道顶部设有泄压阀。

进一步地，预热仓电池在传热通道的外围环周均布，受热仓电池阵列分布在受热仓中；在预热仓中设有第一温度传感器，在两个受热仓中分别设有一个第二温度传感器，三个温度传感器分别与相应仓室中的一个电池表面相接触，第一、第二温度传感器均与控制终端电性连接。

进一步地，在预热仓和受热仓中均设有导热翅片。

进一步地，在放热反应箱的侧壁上设有投料口、底部设有排渣口，投料口设在放热反应箱侧壁的上部，投料口处设有活动挡板，排渣口利用密封盖密封，放热反应箱内用于投放基于化学反应即能放出热量的燃料包。

进一步地，支架的架板底部四角位置分别设有一个可折叠支脚，在架板顶部四角位置分别设有一个直角支座，直角支座围合形成的空间与箱体的外部形状相适配，电池箱卡接连接在支架上方的直角支座之间。

进一步地，在支架的架板下方设有连接板，在连接板的两侧设有沿其长度方向延伸的滑槽，在放热反应箱的顶部两侧位置分别设有一条沿其长度方向延伸的滑块，滑块与滑槽的形状相适应，滑块连接在连接板上相应一侧的滑槽上并可沿其滑动。

上述梯级升温系统的控制方法如下：

1)将燃料包和水从投料口投入放热反应箱中，基于化学反应产生的大量热气从热气出口传出，热气流通至传热通道中

2)传热通道中高温气体的热量经热传导作用传递给预热仓中的第一相变材料，第一相变材料温度升高，预热仓电池周围的环境温度随之升高；当第一温度传感器监测到预热仓电池的温度高于20℃时停止燃料包的投放，放热反应结束，通过控制终端启用预热仓电池，由预热仓电池独立进行电源供给工作；

3)预热仓中的余热及预热仓电池正常工作产生的热量向外周扩散并传递给受热仓中的第二相变材料，第二相变材料温度升高，受热仓电池周围的环境温度随之升高；

4)当第二温度传感器监测到受热仓电池的温度高于20℃时，通过控制终端独立启用受热仓电池，受热仓电池开始进行电源供给工作，整个电池箱处于满负荷工作状态。

进一步地，步骤1)中，当传热通道内的压力超过泄压阀的设定压力，泄压阀被触发，过量的热气从泄压阀中排出，以使传热通道内的压力恢复到设定压力之下。

有益效果：

1.本申请公开的梯级升温系统利用热空气的热传导作用对处于低温环境下的锂电池进行启用前的加热工作，有效解决了由于环境温度过低导致的锂离子电池无法正常工作或者工作效率低下的问题；且燃料包产生的热量无需用于整个电池箱的温度提升工作，其仅需保证预热仓电池达到相应温度要求，低温条件下的受热仓电池主要是在后期利用预热仓余热和预热仓电池工作时产生的热量达到温度提升的目的，因而无需外部热源直接参与受热仓的能量供给工作，这种梯级升温的工作模式减小了整体的供热需求，显著节省了反应产热所需的燃料数量，起到了节约能源的效果；

2、本申请主要利用不同仓室中灌注的相变材料和导热翅片完成热传导升温的目的，因而可提升导热过程的均一性，保证单个仓室中的不同单体电池间不会出现较大的温差，可降低温度梯度对电池寿命造成的不利影响，有助于提高电池的使用寿命；

3、本申请公开的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统将电池箱分割成可独立工作的三个仓室，预热仓或受热仓中的单体电池在串联连接后分别并联连接至控制终端，即三个仓室中的电池可以仓室为单位独立进行满负荷的供电工作，进而可充分利用预热仓电池提前启用后产生的热量为受热仓电池供热，减少能源供给，起到节约能耗的目的；

4、本申请公开的升温系统仅依靠燃料包发生化学反应产生的热量为预热仓电池提供热源，无需外部加热电源参与供热，属于一种无电源加热方式，极大的拓展了电池应用的场景；且工作过程无需消耗电池组本身的能量，减少了电池损耗，有效延伸了电池组的使用时间；

5、本申请公开的升温系统的结构简单，不与外部大型供热设备固定相连，因而方便移动电池箱的位置，使用灵活性得以提升；

6、本申请公开的传热通道内设有泄压阀，当通道内压力达到泄压阀的设定压力后，泄压阀会自动开启泄压，保证传热通道内的气体压力处于安全范围内，提升系统使用过程中的安全性。

附图说明

图1为低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统的轴测图；

图2为放热反应箱其中一个角度的轴测图；

图3为放热反应箱另一个角度的轴测图；

图4为支架的轴测图；

图5为电池箱去掉顶部盖板后的轴测图；

图6为电池箱箱体的轴测图；

其中，1-放热反应箱，2-支架，3-电池箱，4-控制终端；

11-投料口，12-排渣口，13-热气出口，14-滑块；

21-支脚，22-导气通道，23-直角支座，24-连接板，25-滑槽；

31-箱体，32-预热仓，33-受热仓，34-传热通道，35-预热仓电池，36-受热仓电池，37-泄压阀，38-导热翅片。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1、一种低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统

为了解决低温环境下锂离子电池难以高效运行的问题，本实施例中提供了一种可对锂电池进行加热的梯级升温系统，包括放热反应箱1、支架2、电池箱3和控制终端4，控制终端4主要用于与系统中的电性元件连接以进行端部控制。

放热反应箱1设在支架2底部，在放热反应箱1的侧壁上设有投料口11、底部设有排渣口12、顶部设有热气出口13，投料口11处设有活动挡板，排渣口12利用密封盖密封。操作结束后可打开密封盖从排渣口12取出放热反应箱中的燃料残渣。

放热反应箱1内用于投放自发热的燃料包，该类燃料包为现有材料，主要成分是氧化钙、铝粒和碳酸氢钠，向箱中投入燃料包后注水，氧化钙会先和水反应放热，生成氢氧化钙，氢氧化钙再和碳酸氢钠反应生成碳酸钙和氢氧化钠，最后氢氧化钠和铝粒剧烈反应产生大量热气，其中包含两次的剧烈放热反应，以放出足够多的热量。

为防止投料过程中热气快速喷溅而误伤操作人员，本实施例中选择将投料口11设在放热反应箱1侧壁的上部。

支架2的架板底部四角位置分别设有一个支脚21，在架板中部设有纵向贯通的导气通道22，导气通道22的底面与热气出口13密合相接，进而使得从放热反应箱1中流出的高温气体能直接传导到导气通道22中而不从接口处外溢。

为方便连接电池箱3，在架板顶部四角位置分别设有一个直角支座23。

支脚21为可折叠结构，方便在移动电池箱3的过程中收起支脚21以减小系统所占空间，提升运输过程的便捷性。

为方便从支架2上装卸放热反应箱1，放热反应箱1可拆卸地活动连接在支架2底部，具体地，在架板下方设有连接板24，在连接板24的两侧设有沿其长度方向延伸的滑槽25，在放热反应箱的1顶部两侧位置分别设有一条沿其长度方向延伸的滑块14，滑块14与滑槽25的形状相适应，滑块14连接在连接板24上相应一侧的滑槽25上并可沿其滑动。

电池箱3卡接连接在支架2顶部的直角支座23之间，直角支座23围合形成的空间与箱体31的外部形状相适配，使得电池箱3能稳定的卡接连接在支架2上方。

电池箱3包括箱体31和顶部盖板，箱体31内部利用隔板均匀分隔出三个仓室，分别为位于中心的预热仓32和位于两侧的受热仓33，预热仓32中部设有柱形的传热通道34，传热通道34的底部贯通箱体31的底面、顶部与盖板底面密合相接，流至传热通道34中的热气不会直接灌注到预热仓32中，传热通道34的形状与导气通道22的形状相适应，传热通道34的底部与导气通道22的顶部密合相接，进而使得热气能顺利从放热反应箱1上的热气出口13流出后通过导气通道22流至传热通道34中，并能通过热传导作用对预热仓32进行预加热。在预热仓32中且位于传热通道34的外围均布数个预热仓电池35，在受热仓33中阵列分布数个受热仓电池36，单个仓室中的电池串联连接并在末端引出电线连接口后再并联连接到控制终端，这种连接方式使得预热仓32与受热仓33中的锂电池可独立工作，互不影响，可以单独启动预热仓电池35再启动受热仓电池36。在预热仓32中灌注第一相变材料，在受热仓33中灌注第二相变材料，第一相变材料的热熔点低于第二相变材料的热熔点，作为优选，第一相变材料的热熔点为25℃，第二相变材料的热熔点为35℃。

传热通道34由导热性能好的材料制成，作为优选，可选择铜片制作传热通道34。

为防止传热通道34内的气体压力过大而引发安全事故，在传热通道34顶部设有泄压阀37，当传热通道34内的压力超过泄压阀37设定压力时(优选为0.25MPa)，泄压阀37将被触发，热气会从泄压阀37中排出，保证传热通道34内的介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止意外发生。

为了方便监测不同仓室中的电池的温度，在预热仓32中设有第一温度传感器，在两个受热仓33中分别设有一个第二温度传感器，三个温度传感器分别与相应仓室中的一个电池表面相接触以便精准监控该仓室中的电池温度，第一、第二温度传感器均与控制终端电性连接。利用温度传感器可以实时监测锂电池周围的环境温度，保证锂电池时刻处于最佳工作温度区间，提高了锂电池的热管理技术，有利于延长锂电池的使用寿命。

为加快热传导作用，在预热仓32和受热仓33中均设有导热翅片38。

上述梯级升温系统的控制方法如下：

1、将燃料包和水从投料口11投入放热反应箱1中，基于化学反应产生的大量热气从热气出口13传出，热气流通至传热通道34中，当传热通道34内的压力超过泄压阀37的设定压力，泄压阀37被触发，过量的热气从泄压阀37中排出，以使传热通道34内的压力恢复到设定压力之下；

2、传热通道34中高温气体的热量经热传导作用传递给预热仓32中的第一相变材料，预热仓32内第一相变材料的温度升高，预热仓电池35周围的环境温度也随之升高；当第一温度传感器监测到预热仓电池35的温度高于20℃时停止燃料包的投放，放热反应结束，通过控制终端4启用预热仓电池35，由预热仓电池35独立进行电源供给工作；

3、预热仓32中的余热及预热仓电池35正常工作产生的热量向外周扩散并传递给受热仓33中的第二相变材料，受热仓33内第二相变材料的温度升高，受热仓电池36周围的环境温度随之升高；

4、当第二温度传感器监测到受热仓电池36的温度高于20℃时，通过控制终端4独立启用受热仓电池36，受热仓电池36开始进行电源供给工作，此时的整个电池箱3处于满负荷工作状态。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，包括放热反应箱、支架、电池箱和控制终端；

放热反应箱设在支架底部，其顶部设有热气出口；

支架的架板中部设有导气通道，导气通道的底面与热气出口密合相接；

电池箱设在支架顶部，电池箱的箱体内部设有三个仓室，分别是位于中心的预热仓和位于两侧的受热仓，预热仓中部设有传热通道，传热通道的底部与导气通道的顶部密合相接、顶部与盖板底面密合相接，预热仓中设有预热仓电池，受热仓中设有受热仓电池，单个仓室中的电池串联连接并在末端引出电线连接口后再并联连接到控制终端；

预热仓中灌注第一相变材料，受热仓中灌注第二相变材料。

2.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，第一相变材料的热熔点低于第二相变材料的热熔点。

3.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，传热通道由高导热性的材料制成，在传热通道顶部设有泄压阀。

4.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，预热仓电池在传热通道的外围环周均布，受热仓电池阵列分布在受热仓中；在预热仓中设有第一温度传感器，在两个受热仓中分别设有一个第二温度传感器，三个温度传感器分别与相应仓室中的一个电池表面相接触，第一、第二温度传感器均与控制终端电性连接。

5.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，在预热仓和受热仓中均设有导热翅片。

6.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，在放热反应箱的侧壁上设有投料口、底部设有排渣口，投料口设在放热反应箱侧壁的上部，投料口处设有活动挡板，排渣口利用密封盖密封，放热反应箱内用于投放基于化学反应即能放出热量的燃料包。

7.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，支架的架板底部四角位置分别设有一个可折叠支脚，在架板顶部四角位置分别设有一个直角支座，直角支座围合形成的空间与箱体的外部形状相适配，电池箱卡接连接在支架上方的直角支座之间。

8.如权利要求1所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统，其特征在于，在支架的架板下方设有连接板，在连接板的两侧设有沿其长度方向延伸的滑槽，在放热反应箱的顶部两侧位置分别设有一条沿其长度方向延伸的滑块，滑块与滑槽的形状相适应，滑块连接在连接板上相应一侧的滑槽上并可沿其滑动。

9.如权利要求1-8中任一项所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)将燃料包和水从投料口投入放热反应箱中，基于化学反应产生的大量热气从热气出口传出，热气流通至传热通道中；

2)传热通道中高温气体的热量经热传导作用传递给预热仓中的第一相变材料，第一相变材料温度升高，预热仓电池周围的环境温度随之升高；当第一温度传感器监测到预热仓电池的温度高于20℃时停止燃料包的投放，放热反应结束，通过控制终端启用预热仓电池，由预热仓电池独立进行电源供给工作；

3)预热仓中的余热及预热仓电池正常工作产生的热量向外周扩散并传递给受热仓中的第二相变材料，第二相变材料温度升高，受热仓电池周围的环境温度随之升高；

4)当第二温度传感器监测到受热仓电池的温度高于20℃时，通过控制终端独立启用受热仓电池，受热仓电池开始进行电源供给工作，整个电池箱处于满负荷工作状态。

10.如权利要求9所述的低温环境下对锂电池进行加热的梯级升温系统的控制方法，其特征在于，步骤1)中，当传热通道内的压力超过泄压阀的设定压力，泄压阀被触发，过量的热气从泄压阀中排出，以使传热通道内的压力恢复到设定压力之下。

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