CN117832688A - 一种电池热管理系统、电池包和车辆 - Google Patents
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Abstract
为克服现有电池热管理系统中，加热装置占用电池内部空间且导热效率低的问题，本发明提供了一种电池热管理系统及电池包和车辆，电池热管理系统包括电池和脉冲充放电装置，所述电池包括极芯和导电壳体，所述导电壳体设置在所述极芯的外周，所述脉冲充放电装置与所述电池电连接，其中，所述脉冲充放电装置用于对所述电池进行脉冲充放电以产生变化的磁场，所述导电壳体位于变化的磁场内，且所述导电壳体用于产生感应电流并对所述极芯进行加热。
Description
技术领域
本发明属于电池加热技术领域，具体涉及电池热管理系统、电池包和车辆。
背景技术
目前，由于资源短缺，电池作为新能源载体已经成为一种趋势，更多地用于电动汽车等。现有的电池包都使用气凝胶作为阻隔电池之间热传导的缓冲材料，用于降低单个电池热失控后的传热速率，延长模组或电池包体热扩散的时间。另一方面，为了克服锂离子电池在低温下放电功率较低和低温下充电功率受限的问题，需要在电池低温启动或者充电时对电池进行加热，以尽快将电池的温度升至合理区间。现有技术中多采用在电池包框架上布置加热片，或者在电池内部设置加热片的方案。但是，在模组框架上布置的加热片一般仅仅加热电池的底部或者侧面，而不能加热传热效率最高的大面，同时会占用额外的空间，降低空间使用率。在电池内部的加热片则存在金属加热片塑料包膜破损后引发电池内污染的问题，容易引起安全事故，同样也存在挤占电池内空间的缺陷。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种电池热管理系统、电池包和车辆，提高导热效率的同时避免占用电池内部空间。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种电池热管理系统，包括电池和脉冲充放电装置，所述电池包括极芯和导电壳体，所述导电壳体设置在所述极芯的外周，所述脉冲充放电装置与所述电池电连接，其中，所述脉冲充放电装置用于对所述电池进行脉冲充放电以产生变化的磁场，所述导电壳体位于变化的磁场内，且所述导电壳体用于产生感应电流并对所述极芯进行加热。
可选的，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲放电频率大于10Hz。
可选的，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲电流I＝kA，其中，A为电池容量，单位为Ah；k为系数，0.3≤k≤20，I的单位为A。
可选的，所述导电壳体的相对磁导率μr与电阻率ζ的比值为500≤μr/ζ≤5x106，其中，ζ的单位为10-6Ω·m。
可选的，所述导电壳体的材料选自铁基软磁性合金，所述铁基软磁性合金包括硅钢、软磁性不锈钢、坡莫合金、低碳软钢、非晶软磁合金和纳米晶软磁合金中的一种或多种。
可选的，所述导电壳体的厚度为T，其中，0＜T≤δ，
δ为趋肤效应透入深度，单位为mm；
K0为趋肤效应渗入深度系数；
ζ单位为Ω·m；
f为脉冲放电频率，单位为Hz。
可选的，所述导电壳体包括盖板和外壳，所述极芯容置在所述外壳内，所述盖板用于密封所述外壳，所述外壳的厚度为T。
可选的，所述电池包括正极柱和负极柱，所述正极柱和所述负极柱分别设置在所述导电壳体的两端，且与所述极芯电连接。
另一方面，本发明还提供一种电池包，包括上述任意一项所述的电池热管理系统。
另一方面，本发明还提供一种车辆，包括上述任意一项所述的电池热管理系统。
根据本发明提供的电池热管理系统，电池进行脉冲充/放电时产生变化的磁场，变化的磁场使位于磁场中的导电壳体产生感应电动势以及感应电流，导电壳体产生的感应电流形成涡流效应，产生热能，开始对电池的极芯进行加热。通过导电壳体作为加热部件，不会额外占用电池包以及电池内部的空间。同时由于导电壳体设置在极芯的外周，传热面积大，使得导热效率提高，导电壳体加热启动时可以有效的加热极芯温度最低的位置。并且电池的加热功率可以通过控制脉冲充放电装置的脉冲充/放电的频率和电流大小自由调整。导电壳体对电池的极芯加热时，电池对于外部其他系统(其他电池、包体和模组结构件以及电、热管理系统)的影响小。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种电池热管理系统的电池脉冲放电的状态示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种电池热管理系统的加热过程中能量转化过程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例和附图，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。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种电池热管理系统，包括电池和脉冲充放电装置，所述电池包括极芯和导电壳体1，所述导电壳体1设置在所述极芯的外周，用于容置极芯，所述脉冲充放电装置与所述电池电连接，其中，所述脉冲充放电装置用于对所述电池进行脉冲充放电以产生变化的磁场，所述导电壳体位于变化的磁场内，且所述导电壳体用于产生感应电流并对所述极芯进行加热。该脉冲充放电装置用于产生变化的电流对电池进行充电，或者控制电池按照变化的电流进行放电。具体地，该变化的电流可以是交流电也可以为变化的直流电。在对电池进行脉冲充放电的情况下，由于流过极芯的电流为变化的电流进而极芯产生变化的磁场，所述导电壳体1位于所述变化磁场内能够产生感应电流，进而发热以对所述极芯进行加热。具体地，导电壳体1需要在满足电池所需的强度、密封性等要求的基础上，实现在电池脉冲放电的变化磁场中受电磁感应产生涡流加热的功能。
在本实施例中，电池进行脉冲充/放电时产生变化的磁场，变化的磁场使位于磁场中的导电壳体1产生感应电动势以及感应电流，导电壳体1产生的感应电流形成涡流效应，产生热能，开始对电池的极芯进行加热。通过导电壳体1作为加热部件，不会额外占用电池包以及电池内部的空间。同时由于导电壳体1设置在极芯的外周，传热面积大，使得导热效率提高，导电壳体1加热启动时可以有效的加热极芯温度最低的位置。并且电池的加热功率可以通过控制脉冲充放电装置的脉冲充/放电的频率和电流大小自由调整。导电壳体1对电池的极芯加热时，电池对于外部其他系统(其他电池、包体和模组结构件以及电、热管理系统)的影响小。首先，由于导电壳体产生的涡流现象，以使靠近极芯一侧的加热效果比远离极芯一侧的加热效果好，因此本申请公开的电池热管理系统还能够进一步降低加热电池对其他电池的影响，使加热更加集中。其次，对于单个电芯来说，对电池施加交流电不仅可以进行涡流加热，还可以因为施加交流电进而自身辅助加热，加热效果更加明显。
具体地，电池充/放电过程中极芯内部电流路径可简化为垂直于电池壳体截面的电流方向2，当电流方向2所表示的电流I产生变化时，将产生变化的磁场。
具体地，电磁感应问题的基本方程式麦克斯伟方程组，麦克斯伟方程组由电场高斯定理、电场环流定律、磁场高斯定理和安培环路定律组成，数学表达式如下：
式中：
为电位移，单位为C/m；
ρ为电荷密度，单位为C/m3；
q为电荷，单位为C；
为电场强度，单位为V/m；
为磁感应强度，单位为A/m；
为磁场强度，单位为A/m；
为电流密度，单位为A/m2。
由于本实施例中电磁感应加热为似稳电磁场，频率远小于无线电和光高频电磁场频率，所以方程组中远小于电流密度，位移电流密度忽略不计。故将麦克斯伟方程组化成微分形式，简化公式如下：
式中：
为对应向量的散度；
为对应向量的旋度。
其中，对应电场产生磁场的毕奥-萨伐尔定律：
式中：
为电流矢量，单位为A，
μ0为真空磁导率(4π×10^(-7)N/A2)。
总电流密度源电流密度/>即脉冲充放电装置对电池施加的脉冲电流密度、涡流密度/>和磁感应强度/>之间关系如下：
为方便表示感应的涡流密度引入磁场矢量/>作为计算磁感应强度/>的辅助量，由毕奥-萨伐尔定律(2-3)的积分形式可知/>和/>的关系如下：
将公式(2-4)和(2-5)联立，可得涡流密度和磁场矢量/>关系：
涡流加热区域电流密度和感应加热过程中各点的加热功率一一对应：
由以上公式(2-5)、(2-6)可知：磁场矢量反应出感应的源电流I对于感应涡流密度/>的影响，源电流变化的幅值越大，导电壳体1中的感应电流越大；源电流变化的频率f越高，壳体中感应电流越大。相应的，壳体中感应电流越大，涡流加热功率越高。
而对于产生感应电流的壳体中，
式中，μ为导电壳体1材料的磁导率，单位为H/m；
ε为介电常数，单位为F/m。
同时，由(2-4)、(2-8)可知，导电壳体1材料的磁导率μ越大，越大，感应涡流密度越大，涡流加热功率越高。由(2-7)可知，导电壳体1材料的电阻率ζ越小，涡流加热功率p越高。
在一些实施例中，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲放电频率大于10Hz。
在一些优选地实施例中，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲放电频率为10Hz～10000Hz。脉冲放电频率低于10Hz时导电壳体1的产热功率过小，加热效率低。脉冲放电频率高于10000Hz时，成本过高。
在一些实施例中，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲电流I＝kA，其中，A为电池容量，单位为Ah；k为系数，0.3≤k≤20。具体地，该脉冲电流的范围适用于-10℃时的锂离子电池，随着电池加热前所处的温度进一步降低，k的最大取值需根据实际情况酌情减少。当k值小于0.3时，脉冲电流I较小，导电壳体1的产热功率过低，加热速率过慢。当k值大于20时，由于锂离子电池在低温时内阻高、极化大，难以放电。
在一些实施例中，导电壳体1的温度在-45℃-100℃时，所述导电壳体1的相对磁导率μr与电阻率ζ的比值为500≤μr/ζ≤5x106，其中，ζ的单位为10-6Ω·m。具体地，导电壳体1的相对磁导率μr与电阻率ζ的比值可以为500、1000、5000、8000、30000、170000、1x106、3x106、5x106等中任意值，只要导电壳体1的相对磁导率μr与电阻率ζ的比值在500～5x106之间即可，通过选用磁导率与电阻率的比值较大的材料制作导电壳体1，使得导电壳体1产生的感应电流较大，从而提高加热功率。当导电壳体1的材料为相对磁导率μr与电阻率ζ的比值小于500时，在电池进行脉冲充放电产生的变化磁场中，导电壳体1产生的感应电流过小或者基本忽略不计，故而涡流加热功率过小或可忽略不计或与电池本身的散热相互抵消。
导电壳体材料的磁导率μ越大，越大，感应涡流密度/>越大，涡流加热功率越高。导电壳体材料的电阻率σ越小，涡流加热功率p越高。因此导电壳体材料的电阻率σ需要尽量低的同时磁导率μ需要尽可能高，使得导电壳体1产生的感应电流较大，从而提高加热功率。
在一些实施例中，所述导电壳体1的材料选自铁基软磁性合金，所述铁基软磁性合金包括硅钢、软磁性不锈钢、坡莫合金、低碳软钢、非晶软磁合金和纳米晶软磁合金中的一种或多种。25℃时，常见硅钢的μr/ρ比值在8000～30000之间；坡莫合金μr/ρ比值在35000～170000；部分种类的铁基纳米晶合金μr/ρ比值在0.8×106-2×106。
具体地，硅钢中，Si含量介于0.2～5％，其余为Fe以及少量用于改善材料性能的其他元素(单元素质量分数≤1％)的硅铁合金。
软磁性不锈钢中，Cr含量10～19％，Si含量0.5～3％，其余为Fe以及少量用于改善材料性能的其他元素。
坡莫合金中，Ni含量30～90％，其余为Fe及少量其他用于改善性能的元素构成。
所述非晶软磁合金选自铁基非晶合金和铁镍基非晶合金中的一种或多种。具体地，铁基非晶合金中Fe质量占比80％，Si、B类元素质量占比20％。铁镍基非晶合金中Ni质量占比40％，Fe质量占比40％，20％其他用于改善性能类的金属元素
所述纳米晶软磁合金选自铁基纳米晶合金。具体地，铁基纳米晶合金由Fe为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素构成的合金经快速凝固工艺形成的非晶态材料经热处理。
在一些实施例中，所述导电壳体1的厚度为T，其中，0＜T≤δ，
δ为趋肤效应透入深度，单位为mm；
K0为趋肤效应渗入深度系数；
ζ单位为Ω·m；
f为脉冲放电频率，单位为Hz。
本申请通过设置控制导电壳体的厚度减少导电壳体材料的浪费，提高加热效率，以及减少加热时，单体电池对于外部其他系统(其他电池、包体和模组结构件以及电、热管理系统)的影响。
具体地，K0与壳体形状有关，一般圆柱为50300，而其他异形形状则有不同的效果。本实施例中，以圆柱电池为例进行说明。
在一些实施例中，所述导电壳体1包括盖板和外壳，所述极芯容置在所述外壳内，所述盖板用于密封所述外壳，所述外壳的厚度为T。在该实施例中，通过限定外壳的厚度以在保证电芯加热的同时降低电芯的成本，提高整体能量密度和电池空间利用率。
在一些实施例中，所述电池包括正极柱和负极柱，所述正极柱和所述负极柱分别设置在所述导电壳体1的两端，且与所述极芯电连接。需要在此进行说明的是，所述正极柱和所述负极柱也可以并排设置在所述导电壳体1的一端。
另一方面，本发明一实施例还提供一种电池包，包括上述任意一实施例所述的电池热管理系统。对于电池包来说，由于电芯均是串联或者并联等形式进行连接，电池包仅需要对总正和总负施加变化的电流即可实现全部电芯的自加热，并且相对于外部部件进行加热，本实施例对于电池包来说更加均匀，每个电芯均可以靠壳体进行自加热。同时电池包体内不同装配位置电池与电池之间加热功率差异小、整个电池包体热管理系统简洁直接、空间利用率高。
另一方面，本发明一实施例还提供一种车辆，包括上述任意一实施例所述的电池热管理系统。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，电池热管理系统包括电池和脉冲充放电装置，电池的容量为100Ah，脉冲充放电装置对电池施加的脉冲充放电频率为500Hz，脉冲电流为500A，导电壳体1的材料为硅钢，相对磁导率μr与电阻率σ的比值约为10000。
实施例2
本实施例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，与实施例1不同之处在于：脉冲充放电装置对电池施加的脉冲充放电频率为1000Hz。
实施例3
本实施例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，与实施例1不同之处在于：脉冲电流为350A。
实施例4
本实施例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，与实施例1不同之处在于：相对磁导率μr与电阻率σ的比值约为500。
实施例5
本实施例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，与实施例1不同之处在于：脉冲充放电装置对电池施加的脉冲充放电频率为7500Hz，脉冲电流为1500A，相对磁导率μr与电阻率σ的比值约为500。
对比例1
本对比例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，与实施例1不同之处在于：导电壳体材料为铝合金材料，相对磁导率μr与电阻率σ的比值为24。
对比例2
本对比例用于说明本发明公开的电池热管理系统的加热效率，与实施例1不同之处在于：脉冲充放电装置对电池施加的脉冲充放电频率为7500Hz，脉冲电流为1500A，导电壳体材料为铝合金材料，相对磁导率μr与电阻率σ的比值为24。
以下通过测试对本发明的有益效果进行进一步的说明。
测试方法：将温度采样点布置于待测电池内部，位置为电池极芯居中位置。保证起始温度相同、测试环境相同的条件下，加热相同时间(300s)后，记录不同实施例/对比例温度采样点温度。重复以上10次，取平均值。
对电池的加热效率进行测试，分析结果如表1所示：
表1
| 温度升高的数值 | |
| 实施例1 | 23.6℃ |
| 实施例2 | 28.1℃ |
| 实施例3 | 17.5℃ |
| 实施例4 | 12.5℃ |
| 实施例5 | 22.7℃ |
| 对比例1 | 12.1℃ |
| 对比例2 | 16.3℃ |
根据实施例1和对比例1的测试结果可知，导电壳体的相对磁导率与电阻率比值过小，加热效率降低，无法有效实现加热。通过选用合适的导电壳体材料，实现导电壳体对电池的加热。根据实施例1-3的测试结果可知，通过改变脉冲充放电频率和脉冲电流，在相同的加热时间内，电池加热的效果不同，也就是说导电壳体1的加热功率可以通过控制电池自加热时脉冲充放电的频率和脉冲电流的大小自由调整，灵活控制。根据实施例1、实施例4和对比例1，导电壳体的相对磁导率与电阻率比值取值为优选范围的下限值500时，仍能有一定加热效果，但是因采用的脉冲频率和脉冲电流较小，导电壳体1感应涡流加热功率效果较差，对于电池加热贡献占比低于10％，但当脉冲充放电频率和脉冲电流增大时，由实施例5和对比例2可知，导电壳体1的相对磁导率与电阻率比值为500时，导电壳体1感应涡流加热效果得到提升，而常用的铝合金材料的导电壳体即使将脉冲充放电频率和脉冲电流增大，其加热效果也未得到有效的提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池热管理系统，其特征在于，包括电池和脉冲充放电装置，所述电池包括极芯和导电壳体，所述导电壳体设置在所述极芯的外周，所述脉冲充放电装置与所述电池电连接，其中，所述脉冲充放电装置用于对所述电池进行脉冲充放电以产生变化的磁场，所述导电壳体位于变化的磁场内，且所述导电壳体用于产生感应电流并对所述极芯进行加热。
2.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲充放电频率大于10Hz。
3.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述脉冲充放电装置对电池施加的脉冲电流I＝kA，其中，A为电池容量，单位为Ah；k为系数，0.3≤k≤20，I的单位为A。
4.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述导电壳体的相对磁导率μr与电阻率ζ的比值为500≤μr/ζ≤5x 106，其中，ζ的单位为10-6Ω·m。
5.根据权利要求4所述的电池热管理系统，其特征在于，所述导电壳体的材料选自铁基软磁性合金，所述铁基软磁性合金包括硅钢、软磁性不锈钢、坡莫合金、低碳软钢、非晶软磁合金和纳米晶软磁合金中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述导电壳体的厚度为T，其中，0＜T≤δ，
δ为趋肤效应透入深度，单位为mm；
K0为趋肤效应渗入深度系数；
ζ单位为Ω·m；
f为脉冲充放电频率，单位为Hz；
μr为导电壳体的相对磁导率。
7.根据权利要求6所述的电池热管理系统，其特征在于，所述导电壳体包括盖板和外壳，所述极芯容置在所述外壳内，所述盖板用于密封所述外壳，所述外壳的厚度为T。
8.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述电池包括正极柱和负极柱，所述正极柱和所述负极柱分别设置在所述导电壳体的两端，且与所述极芯电连接。
9.一种电池包，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的电池热管理系统。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的电池热管理系统。
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