CN220023092U - 一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，包括绝缘导片、电源线，电池包至少一侧设有感温保护单元，绝缘导片设于电池包外侧，所述绝缘导片包括用于导电发热的石墨烯涂层、用于导热且绝缘的绝缘导热薄片，石墨烯涂层两端设有金属电极片，所述金属电极片通过正负极接线端与电源线连接；所述加热系统通过感温保护单元实现温度的采集、反馈以及调节。与传统加热片相比本方案具有加热效率高、制作及回收无污染、加热面均匀、高可靠性、高安全、可定制等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种加热系统，更具体的涉及一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统。
背景技术
全球能源的零碳化转型大大推动了可再生能源的规模应用加速。由于可再生能源普遍具有波动性、间歇性等问题，因此需要储能技术进行平衡和消纳。电化学储能技术具有能量密度高、工作电压大、循环寿命长、充电速度快等特点，因此占据了主流地位，而锂电池凭借领先的安全性、高效率、长循环等优势，在新型储能领域装机容量增长最快，逐渐成为现代化低惯量电力系统的关键组成部分。
户用储能的需求主要集中在海外市场，尤其以欧、美、日、澳占据大头。欧洲多个国家处于冬季低温普遍在-20℃到-30℃之间、最低气温达到-40℃的高寒地区，对高寒地区电化学储能系统的储能电池、储能变流器都提出了严格要求。
在低温下，作为家庭、企业电力来源的锂离子电池的放电功率和容量等性能严重衰减，影响了储能设备在国内外极寒地区的发展和普及。因此，如何在低温下对锂离子电池进行可靠、高效、安全地低温加热显得尤为重要。
目前，锂离子电池的加热方法主要分为内部加热和外部加热，内部加热通常是利用电池在低温下的高阻抗在通电流时产生大量的电化学热，直接加热电池的电极和电解液，需要从电池结构入手，难度较大；外部加热通常是利用外部电源来产生用于电池加热的热量，使电池温度升高，一般采用传统发热片作为锂离子电池启动时的初始加温装置，等电池正常工作后进行自热。但传统的外部加热方式存在以下问题：
①传统发热片发热效率不高，提高了系统损耗，降低了电能转化效率；
②传统发热片通常由电热合金制成，采用软索式结构，外部有树脂或特种塑料防护，该外壳为有机材料，回收及环保性不佳；
③传统发热片，为保证均匀性，通过电热丝回旋来实现整体热量，但实际存在局部发热点过高，造成了电池模组间的温度不均匀；
④传统发热片采用串联方式，一旦有地方出现断裂或损坏，就会导致整个发热片无法工作；
⑤由于发热片需要回旋，尺寸上不够灵活，无法满足系列化产品不同尺寸的定制化要求；
⑥传统发热片，容易出现漏电、易燃等问题，因此安全性不高。
实用新型内容
为解决现有技术存在的问题，现提供一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，具体方案如下：
一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，包括绝缘导片、电源线，电池包至少一侧设有感温保护单元，绝缘导片设于电池包外侧，所述绝缘导片包括用于导电发热的石墨烯涂层、用于导热且绝缘的绝缘导热薄片，石墨烯涂层两端设有金属电极片，所述金属电极片通过正负极接线端与电源线连接，所述加热系统通过所述感温保护单元实现温度的采集、反馈以及调节。
进一步的，绝缘导热薄片设置为两层，石墨烯涂层、金属电极片置于两层绝缘导热薄片之间，利用绝缘导热薄片将石墨烯涂层、金属极片与外部隔离。
进一步的，感温保护单元包括绝缘导热薄片、温度传感器、热敏电阻，对每个电池包实时监测温度，通过温度传感器、热敏电阻将数据反馈至BMS，BMS将数据发送到EMS，EMS发送指令至对应的PCS，实现对每个电池包侧面的绝缘导热薄片控制其电流大小。
进一步的，绝缘导热薄片外部设置防水层，所述的防水层采用PET防水膜。
进一步的，电源线取电于直流母线或电网。
更进一步的，直流母线电压经过DC/DC降压电路转换后输出，并通过电源线供电给感温保护单元。
更进一步的，电网通过AC/DC降压转换电路转换为直流电压，并通过电源线供电给感温保护单元。
进一步的，所述的石墨烯涂层呈蜂窝状涂覆在绝缘导热薄片的一侧。
进一步的，石墨烯涂层采用物理接触或化学沉淀法与金属极片进行贴合。
进一步的，所述的绝缘导热薄片为云母薄片。
有益效果：
本实用新型提供了一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，与传统的发热片相比具有以下优势：
1、采用绝缘导热片对锂电池进行加热，绝缘导热片包括绝缘导热薄片以及石墨烯涂层，石墨烯两端设有金属电极片，金属电极片与电源线连接，电源线的通断信号源于EMS,EMS发送指令给PCS，PCS可以独立控制每组绝缘导热薄片的石墨烯涂层的通断电，因此达到了发热效率高，降低系统损耗，提高了电能转化效率的效果。
2、在加热系统中设置感温保护单元，包括绝缘导热薄片、温度传感器以及热敏电阻，通过温度传感器以及热敏电阻实时采集电池包外部或内部的温度，通过设置感温保护单元实现了温度的采集、反馈以及调节。
3、本方案还具有制作及回收无污染、加热面均匀、高可靠性、高安全、可定制等优点。
附图说明
图1是加热系统的外部结构示意图。
图2是加热系统结构的内部剖视图。
图3是PCS、EMS、BMS整体控制架构图。
图4是任意一个电池堆中的加热控制图。
图5是云母加热片取电示意图1。
图6是云母加热片取电示意图2。
附图标记：
1、石墨烯涂层；2、绝缘导热薄片；3、防水层；4、金属电极片；5、电源线。
具体实施方式
为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例和附图对本实用新型作进一步详述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。
实施例：
一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，图1是加热系统的外部结构示意图，如图1所示，包括电源线5、感温保护单元、绝缘导片，所述的绝缘导片设于电池包的外侧面；图2是加热系统结构的内部剖视图，如图2所示，所述绝缘导片包含用于导电发热的石墨烯涂层1、用于导热且绝缘的绝缘导热薄片2，所述石墨烯涂层1可以以喷涂的方式布置在绝缘导热薄片2的表面，该石墨烯涂层1呈蜂窝网状分布，石墨烯涂层1两端为金属电极片4，金属极片4通过正负极接线端与电源线5连通。
图3是PCS、EMS、BMS整体控制架构图，图4是任意一个电池堆中的加热控制图，如图3、4所示，加热系统中的电源线5的通断信号源于EMS，EMS发送指令给到PCS指令，PCS独立控制每组绝缘导热薄片2的石墨烯涂层1的通断电；
石墨烯是目前发现的最薄的二维材料，由六边形晶格组成，构成一个二维空间无限延伸的基面，其C-C键键长大约为0.142nm。石墨烯中每个中心碳原子的σ键与周围的其他碳原子连接，石墨烯具有优良的结构刚性。每个碳原子都有一个未成键的π电子，π电子在与平面垂直方向上形成了π轨道，电子可以在晶格中自由移动，所以石墨烯涂层1具有良好的导电性，通电后能够实现加热的效果。
所述金属极片4与石墨烯涂层1的连接方式可以采用物理接触，或者采用化学沉淀的方式，在金属极片4和石墨烯涂层1的接触界面处沉淀金属层，实现石墨烯涂层1与金属极片4的紧密互连。
所述绝缘导热薄片2为云母薄片，所述绝缘导热薄片2设置为两层，将所述石墨烯涂层1、金属极片4包覆在两层绝缘导热薄片2之间，云母薄片厚度约为10mm、石墨烯涂层1厚度约为2-3mm，石墨烯涂层1具有良好的导电加热性能，具有良好的导热、绝缘性质，在石墨烯导电材料的外层，能够起到良好的传热效果，实现对电池包的加热。
所述绝缘导热薄片2的外部设置防水层3，所述防水层3采用PET防水透气膜，防水防尘，起到保护作用。
所述正、负极接线端分别与两个金属极片连接，可以采用焊接的方式实现接线端与金属极片的连接，所述正、负极接线端从所述绝缘导热薄片2、防水层3引出，为保证绝缘效果，正、负极接线端可以做成母接头的结构、与电源线5公接头连接，实现插拔式互连。
如图3、4所示，云母加热片、温度传感器/热敏电阻构成了感温保护单元，温度传感器/热敏电阻用于实时监测采集电池包外部或内部的温度，感温保护单元实现了温度的采集、反馈以及温度调节。
每个电池包至少一个侧面布置所述感温保护单元，通过胶贴、或者螺丝紧固等方式布置于电池包的外侧面，感温保护单元的工作原理如下：BMU(三级BMS架构中的电池包级BMS)接收电池PACK所对应的温度传感器/热敏电阻采集的温度数据，并将数据统一反馈数据至BCMU(三级BMS架构中的簇级BMS)以及BAU(三级BMS架构中的系统级BMS)，通过BAU上传至EMS，EMS发送控制指令给PCS，PCS控制电源线5的通断电、电流大小，直至温度传感器采集的数据符合已设定的阈值范围内，采用单独控制，适应每个电池包的实际情况。
图5是云母薄片取电示意图1，如图5所示，所述感温保护单元取电于直流母线，直流母线电压经过DC/DC降压电路转换后输出，并通过电源线5供电给所述感温保护单元；
作为上述云母薄片取电的替代方式，图6是云母薄片取电示意图2，如图6所示，所述感温保护单元取电于电网，电网提供交流电压，通过AC/DC降压转换电路转换为直流电压，并通过电源线5供电给所述感温保护单元，使所述石墨烯涂层1通电发热，对电池包加热。作为进一步改进，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，包括绝缘导片、电源线，电池包至少一侧设有感温保护单元，绝缘导片设于电池包外侧，所述绝缘导片包括用于导电发热的石墨烯涂层、用于导热且绝缘的绝缘导热薄片，石墨烯涂层两端设有金属电极片，所述金属电极片通过正负极接线端与电源线连接；所述加热系统通过感温保护单元实现温度的采集、反馈以及调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，绝缘导热薄片设置为两层，石墨烯涂层、金属电极片置于两层绝缘导热薄片之间，利用绝缘导热薄片将石墨烯涂层、金属极片与外部隔离。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，感温保护单元包括绝缘导热薄片、温度传感器以及热敏电阻，对每个电池包实时监测温度，通过温度传感器、热敏电阻将数据反馈至BMS，BMS将数据发送到EMS，EMS发送指令至对应的PCS，实现对每个电池包侧面的绝缘导热薄片控制其电流大小。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，绝缘导热薄片外部设置防水层，所述的防水层采用PET防水膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，电源线取电于直流母线或电网。
6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，直流母线电压经过DC/DC降压电路转换后输出，并通过电源线供电给感温保护单元。
7.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，电网通过AC/DC降压转换电路转换为直流电压，并通过电源线供电给感温保护单元。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，所述的石墨烯涂层呈蜂窝状涂覆在绝缘导热薄片的一侧。
9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，石墨烯涂层采用物理接触或化学沉淀法与金属极片进行贴合。
10.根据权利要求1～9任一所述的一种基于石墨烯导热薄片的户用储能设备加热系统，其特征在于，所述的绝缘导热薄片为云母薄片。
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