CN205752445U - 电动汽车锂电包用多式相变热衡系统 - Google Patents

电动汽车锂电包用多式相变热衡系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种电动汽车锂电包用多式相变热衡系统，包括：含有气液相变材料的气液相变导热通道，气液相变导热通道包括至少一个延伸通道及用于容纳锂电芯的柱筒，所有柱筒的中空壁体与延伸通道相连通，锂电芯的外侧壁适于和柱筒的内壁紧密配合或其间填充导热胶，以进行热传递。各柱筒的周向外侧分别填充有固液相变储能体，该固液相变储能体至少包含三组，各组固液相变储能体内含有不同工作温度区间的固液相变材料，当锂电芯升温时可以吸收储存能量来延缓锂电芯的升温速度，当锂电芯降温时可以释放之前储存的热量来延缓锂电芯的降温速度，从而使锂电芯在更长的时间内保持在设定的工作温度范围内。

Description

电动汽车锂电包用多式相变热衡系统
技术领域
本实用新型涉及一种电动汽车锂电包用多式相变热衡系统，用于电动汽车锂电芯的全天候热管理。
背景技术
电动汽车采用锂电池组作为动力源来驱动汽车行驶，锂电池的电芯适宜在20-40℃的温度范围内充、放电，才能发挥出锂电池的最大性能。然而，锂电池在充、放电过程中会产生热量，使锂电池的温度超过上述适宜的温度范围，从而影响锂电池的性能和使用安全，比如在充电中不能充足电或者在放电过程中放出的电量远小于设定值，影响电动汽车的续航里程。现有技术中采用了一些导热装置将锂电芯的热量导出散发（如风冷、水冷），比如采用含有多种相变材料组成的固-固或固-液复合相变材料的单一热管理系统。然而固-固或固-液相变材料本身的导热性不高，其储存热量的性能却很好，因此这些材料并不适合用作导热装置，不利于锂电芯热量的迅速导出。
另一方面，锂电芯的温度低于上述适宜温度范围时，其充、放电性能也会显著下降，特别当电动汽车的运行环境为低于0℃的寒冷地区，电动汽车的充、放电性能会下降达35%以上，对于电动汽车的续航里程产生不利影响。另外，电动汽车在低温环境中充电时，锂电芯有爆炸的风险。因此，在环境温度低于上述适宜温度范围时，对电动汽车的锂电芯保温、加热，使锂电芯维持在适宜温度范围内，将有利于锂电芯发挥出最大的充、放电性能，防止电动汽车的续航里程下降、保障其安全性。
实用新型内容
本实用新型首要解决的技术问题是提供一种电动汽车锂电包用多式相变热衡系统，能更快地与锂电芯进行热交换。
为了解决首要的技术问题，本实用新型提供一种多式相变热衡系统，包括：含有气液相变材料的气液相变导热通道，气液相变导热通道包括至少一个延伸通道及用于容纳锂电芯的柱筒，所有柱筒的中空壁体与延伸通道相连通，锂电芯的外侧壁适于和柱筒的内壁紧密配合或其间填充导热胶，以进行热传递。
各柱筒的周向外侧分别填充有固液相变储能体（具体是：充填有固液相变复合材料、壁体适于快速导热的容器（优选金属容器）），该固液相变储能体至少包含三组，各组固液相变储能体内含有不同工作温度区间的固液相变材料（也即：固液相变复合材料），分别为：工作温度区间为10~20℃的固液相变材料、工作温度区间为20~30℃的固液相变材料及工作温度区间为35~45℃的固液相变材料。
固液相变混合物中，工作温度区间为10~20℃的固液相变材料占30%，工作温度区间为20~30℃的固液相变材料占40%，工作温度区间为35~45℃的固液相变材料占30%。
延伸通道的伸出端设有车载冷热交换器，车载冷热交换器是车载空调系统的冷、热输出端。
车载冷热交换器包括多个传热片及传热管，传热片互相平行，延伸通道穿过各传热片并与各传热片传热连接，传热管穿过各传热片并与各传热片传热连接，传热管同时与车载空调系统热传递连接（具体是：所述传热管与车载空调系统的冷凝管、换热水箱和/或电热丝等部件相连）。
多式相变热衡系统还包括热平衡处理单元，热平衡处理单元包括：与电动汽车的ECU相连的控制器、与该控制器相连的多个温度传感器采；控制器适于通过温度传感器或热敏传感器采集环境温度、气液相变材料的的温度、固液相变储能体的温度，控制器通过ECU控制与车载空调系统和电动汽车的车载动力系统电连接。车载动力系统包括：车载汽油或柴油发动机，或氢燃料电池等动力源。
本实用新型还提供一种多式相变热衡系统的工作方法，其包括：
当锂电芯的温度升高时，锂电芯通过气液相变导热通道导出热量至固液相变储能体，固液相变储能体在各相变材料工作温度区间内吸收热量，当检测到固液相变储能体的温度达到设定上限值时，启动车载空调系统的制冷模式，车载空调系统通过车载冷热交换器、气液相变导热通道与锂电芯进行热交换；
当锂电芯的温度下降至下限值时，固液相变储能体放出热量并通过气液相变导热通道传递给锂电芯，当检测到固液相变储能体的温度再次达到设定下限值时，启动车载空调系统的制热模式，车载空调系统通过车载冷热交换器、气液相变导热通道与锂电芯进行热交换。
当环境温度低于20℃时，温度设定上限值是30℃，下限值是10℃；当环境温度位于20-30℃时，温度设定上限值是35℃，无设定下限值；当环境温度高于30℃，如果锂电芯处于充、放电状态则温度设定上限值是40℃，否则温度设定上限值是45℃，无设定下限值。
启动车载空调系统时，如果锂电芯处于放电或停用状态，车载空调系统由电动汽车的车载动力系统供电；如果锂电芯处于充电状态，车载空调系统由充电桩供电。
本实用新型还提供一种用于多式相变热衡系统的固液相变混合物，其包含：30%的工作温度区间为10~20℃的固液相变材料、40%的工作温度区间为20~30℃的固液相变材料以及30%的工作温度区间为35~45℃的固液相变材料。
相对于现有技术，本实用新型具有的技术效果是：
1）气液相变导热通道具有远高于金属的导热系数，利用气液相变导热通道来传导热量，可以提高与锂电芯进行热交换时的热传导效率，容纳单个锂电芯的柱筒内部与锂电芯热传递，可以使锂电芯与气液相变导热通道的传热接触面积更大，进一步提高了锂电芯的传热效率；柱筒与延伸通道相连通，可以将由锂电芯组成的锂电池与锂电池之外的冷、热源更方便地进行热交换。
2）柱筒周向外侧设置的固液相变储能体能根据需要吸收热量并储存或将储存的热量释放出来，当锂电芯升温时可以吸收储存能量来延缓锂电芯的升温速度，当锂电芯降温时可以释放之前储存的热量来延缓锂电芯的降温速度，从而使锂电芯在更长的时间内保持在设定的工作温度范围内，采用工作温度区间为10~20℃、20~30℃及35~45℃三种固液相变材料，可以使锂电芯在更长的时间内保持在最佳的温度，有利于锂电池维持正常的充、放电性能，同时也有利于减少外界制冷或制热设备与锂电芯进行热交换的频率，起到节能减排的作用。
3）工作温度区间为20~30℃的固液相变材料的含量高于其余两种固液相变材料，使锂电芯保持在20~30℃的时间更长，有利于发挥出锂电芯最大的充、放电性能。
4）车载冷热交换器是车载空调系统与锂电芯的热交换中间环节，当锂电芯的温度超出固液相变储能体的调节范围时，利用车载空调系统的制冷或制热作用、通过车载冷热交换器、气液相变导热通道与锂电芯进行热交换，从而使锂电芯的温度保持在可控范围内。
5）热平衡处理单元通过采集环境温度、固液相变储能体的温度以及锂电芯的充、放电或停用状态来分析并控制车载空调系统的工作时间、工作状态以及车载空调系统的动力来源，实现了多式相变热衡系统的运行全天候式自动化。
6）在锂电芯温度上升或下降过程中，首先利用气液相变导热通道或固液相变储能体来控制其温度变化，最后利用车载空调系统来控制其温度变化，既可以使锂电芯在更长时间内保持在所需的温度范围内、起到节能减排的作用，又能利用车载空调系统来对锂电芯进行强制冷却或加热，使锂电芯保持在可控的温度范围内。
7）根据不同环境温度下、气液相变导热通道的导热性能以及固液相变储能体的相变特点，设置不同的温度设定上、下限值，可以使锂电芯保持在更优的工作温度范围内，以便锂电芯更加高效地工作。
8）锂电芯充电状态时，使车载空调系统利用供电桩供电，可以有效地节约车载动力系统的能源，有效减轻车载动力系统的负荷，提高能源利用效率。
9）含有30%的工作温度区间为10~20℃的固液相变材料、40%的工作温度区间为20~30℃的固液相变材料以及30%的工作温度区间为35~45℃的固液相变材料的固液相变混合物，可以在相变过程中保持温度在20~30℃范围内的时间更长。
附图说明
为了清楚说明本实用新型的创新原理及其相比于现有产品的技术优势，下面借助于附图通过应用所述原理的非限制性实例说明可能的实施例。在图中：
图1为本实用新型的多式相变热衡系统的三维示意图；
图2为本实用新型的多式相变热衡系统的正向视图；
图3为本实用新型的多式相变热衡系统的A－A剖视图。
具体实施方式
如图1-3所示，本实用新型的多式相变热衡系统，包括：固液相变储能体1，气液相变导热通道2，延伸通道21，柱筒22，锂电芯3，车载冷热交换器4，传热片41，传热管42。
气液相变导热通道2包括一对平行设置的延伸通道21及多个垂直穿过该对延伸通道21的柱筒22，所有柱筒22与延伸通道21相通，各柱筒22适于容纳单个锂电芯3，各锂电芯3的外侧壁与柱筒22的内壁紧密配合（也可填充导热硅胶等导热介质），各柱筒22的周向外侧的腔体内分别填充有固液相变储能体1。所述延伸通道21上邻近柱筒22的部位比延伸通道21其余部位更宽。
所述延伸通道21的伸出端设有车载冷热交换器4，车载冷热交换器4包括传热片41及传热管42，多个传热片41平行等距设置，该对延伸通道21穿过所述多个传热片41并与各传热片41固定传热连接，位于该对延伸通道21之间的传热管42穿过所述多个传热片41并与各传热片41固定传热连接。
所述传热管42与车载空调系统（图中未显示）热传递连接，车载空调系统与热管理系统（BMS）电连接并受其控制，BMS通过热敏传感器采集环境温度、固液相变储能体1以及气液相变导热通道2的温度，BMS根据上述三种温度来计算分析并控制车载空调系统工作、从而调节锂电芯3的温度。BMS与电动汽车的车载动力系统电连接，从而调节车载空调系统运行时的动力来源。
所述固液相变储能体1至少包含彼此隔离的三组，各组固液相变储能体1内设有由3种固液相变材料组成的固液相变混合物，3种固液相变材料的工作温度区间分别是：低温区材料为10~20℃（10℃以下为全固相、20℃以上为全液相），中温区材料为20~30℃（20℃以下为全固相、30℃以上为全液相），高温区材料为35~45℃（35℃以下为全固相、45℃以上为全液相），3种材料各自独立地在相应的温度区间内工作，互不干扰。一般情况下，3种材料在固液相变混合物中的质量比为：低温区材料占30%，中温区材料占40%，高温区材料占30%。三种材料的质量比不仅限于上述比例，可以根据锂电池长期所处的外部环境温度范围来进行选定。各固液相变材料都有各自的相变温度阀值，在阀值范围内具有明显吸收或释放热量的功效，超过设定阀值范围则不再明显吸收或释放热量。
上述3种固液相变材料可以采用上海焦耳蜡业有限公司生产的相变蜡储能板 ，或，采用中国航天科工集团、航天海鹰（镇江）特种材料有限公司等单位生产的复合相变材料储能板；或，采用常州海卡太阳能热泵有限公司生产的无机共晶相变储能板；或，采用中国科学院山西煤炭化学研究所生产的有机复合相变储能板（如专利文献CN103555282A公开的高导热石蜡与石墨相变复合材料）。固液相变材料还可参考专利文献CN103131395A、CN101982518A、CN104776743A等。
所述气液相变导热通道2内设有气液相变材料，如表1所示，该气液相变材料的传热效率是已知高导热金属银的数百至数千倍，含有气液相变材料的气液相变导热通道2可以更迅速地与锂电芯3进行热交换，保证锂电芯3不产生热失衡现象，并且可以弥补固液相变材料热导能力低下的不足，解决了常规空冷、水冷系统的结构复杂性和不经济性的问题。
本实用新型的多式相变热衡系统的工作过程包括以下步骤：
（1）当环境温度低于20℃
1）如果锂电芯3在充、放电过程中，锂电芯3产生的热量首先通过柱筒22传给气液相变导热通道2并由气液相变导热通道2导出外界发散，同时热量由气液相变导热通道2传递给四周的固液相变储能体1，固液相变储能体1在各相变材料工作温度区间内吸收热量，直到固液相变储能体1的温度达到30℃，此时低温区材料及中温区材料全都转变为液相，整个固液相变储能体1继续储存热量的能力减弱，BMS检测到固液相变储能体1的温度达到30℃时启动车载空调系统的制冷模式，车载空调系统通过车载冷热交换器4与气液相变导热通道2进行热交换，加快将锂电芯3产生的热量由气液相变导热通道2导出，从而防止锂电芯3的温度继续升高。
2）如果锂电芯3处于停用状态，锂电芯3的温度由工作状态时逐渐下降，所述固液相变储能体1在各相变材料工作温度区间内、将之前储存的热量通过气液相变导热通道2传递给锂电芯3，从而减缓锂电芯3的温度下降速度，固液相变储能体1的温度下降至达到10℃时，所有相变材料都转化为固相，储能板1不再释放热量，当BMS检测到固液相变储能体1的温度下降至达到10℃时，启动车载空调系统的制热模式，车载空调系统通过车载冷热交换器4与气液相变导热通道2进行热交换，将车载空调系统产生的热量由气液相变导热通道2传递给锂电芯3，从而防止锂电芯3的温度继续下降，以便下次锂电芯3工作时能够直接进入高效运行状态。
（2）当环境温度位于20-30℃
1）如果锂电芯3在充、放电过程中，锂电芯3产生的热量首先通过柱筒22传给气液相变导热通道2并由气液相变导热通道2导出外界发散，同时热量由气液相变导热通道2传递给四周的固液相变储能体1，固液相变储能体1在各相变材料工作温度区间内吸收热量，直到固液相变储能体1的温度达到35℃，此时低温区材料及中温区材料全都转变为液相，整个固液相变储能体1继续储存热量的能力减弱，BMS检测到固液相变储能体1的温度达到35℃时启动车载空调系统的制冷模式，车载空调系统通过车载冷热交换器4与气液相变导热通道2进行热交换，加快将锂电芯3产生的热量由气液相变导热通道2导出，从而防止锂电芯3的温度继续升高。
2）如果锂电芯3处于停用状态，环境温度可以使锂电芯3的温度保持在20-30℃内，下次锂电芯3工作时能直接进入高效运行状态。
（3）当环境温度高于30℃
1）如果锂电芯2在充、放电过程中，锂电芯3产生的热量首先通过柱筒22传给气液相变导热通道2并由气液相变导热通道2导出外界发散，同时热量由气液相变导热通道2传递给四周的固液相变储能体1，固液相变储能体1在各相变材料工作温度区间内吸收热量，直到固液相变储能体1的温度达到40℃，此时低温区材料及中温区材料全都转变为液相、并且高温区材料中有一部分也已经转变为液相，整个固液相变储能体1继续储存热量的能力减弱，BMS检测到固液相变储能体1的温度达到40℃时启动车载空调系统的制冷模式，车载空调系统通过车载冷热交换器4与气液相变导热通道2进行热交换，加快将锂电芯3产生的热量由气液相变导热通道2导出，从而防止锂电芯3的温度继续升高。
2）如果锂电芯3处于停用状态，周边环境不断通过气液相变导热通道2向锂电芯3传递热量，与此同时所述固液相变储能体1在各相变材料工作温度区间内吸收热量，从而减缓锂电芯3升温的速度，直到固液相变储能体1的温度达到45℃，此时所有相变材料已经转变为液相，整个固液相变储能体1不能继续储存热量，BMS检测到固液相变储能体1的温度达到45℃时启动车载空调系统的制冷模式，车载空调系统通过车载冷热交换器4与气液相变导热通道2进行热交换，加快将锂电芯3中的热量由气液相变导热通道2导出，从而防止锂电芯3的温度继续升高并超过锂电芯的工作温度极限值45℃。
在所有状况中，当需要启动车载空调系统时，如果BMS检测到此时锂电芯3处于放电或停用状态，则控制车载空调系统由电动汽车的车载动力系统供电；如果BMS检测到此时锂电芯3处于充电状态，则控制车载空调系统由充电桩供电。
表1
物质 导热系数（w/mk)
白银 429
纯铜 390
水 0.58
空气 0.023
气液相变材料 3200000
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种电动汽车锂电包用多式相变热衡系统，包括：含有气液相变材料的气液相变导热通道（2），气液相变导热通道（2）包括至少一个延伸通道（21）及用于容纳锂电芯（3）的柱筒（22），所有柱筒（22）的中空壁体与延伸通道（21）相连通，锂电芯（3）的外侧壁适于和柱筒（22）的内壁进行热传递。
2.根据权利要求1所述的多式相变热衡系统，其特征在于：各柱筒（22）的周向外侧设有固液相变储能体（1），该固液相变储能体（1）至少包含三组。
3.根据权利要求1或2所述的多式相变热衡系统，其特征在于：延伸通道（21）的伸出端设有车载冷热交换器（4），车载冷热交换器（4）适于和车载空调系统进行热交换。
4.根据权利要求3所述的多式相变热衡系统，其特征在于：车载冷热交换器（4）包括多个传热片（41）及传热管（42），传热片（41）互相平行，延伸通道（21）穿过各传热片（41）并与各传热片（41）传热连接，传热管（42）穿过各传热片（41）并与各传热片（41）传热连接，传热管（42）同时与车载空调系统热传递连接。
5.根据权利要求1所述的多式相变热衡系统，其特征在于：该多式相变热衡系统还包括热平衡处理单元，热平衡处理单元包括：与电动汽车的ECU相连的控制器、与该控制器相连的多个温度传感器采；控制器适于通过温度传感器采集环境温度、气液相变材料的的温度、固液相变储能体（1）的温度，控制器通过ECU控制车载空调系统和电动汽车的车载动力系统。
6.一种电动汽车，包括锂电包，其特征在于，该锂电包采用权利要求1-3之一所述的多式相变热衡系统。
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