本發(fā)明涉及一種基于鋰離子電池組分區(qū)域熱管理的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
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動(dòng)力電池作為新能源汽車的重要組成部分，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻。研究表明，溫度對(duì)鋰離子電池的使用性能和壽命有重要影響。由于自身化學(xué)反應(yīng)限制，鋰離子電池在環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，電池內(nèi)阻過大，放電功率較低且無法正常充電；鋰離子電池在充放電過程中產(chǎn)生大量的熱，方型鋰離子電池在低倍率充放電時(shí)各部分產(chǎn)熱量較為均衡，高倍率快速充放電時(shí)，靠近電池極耳的區(qū)域產(chǎn)熱率更大，受電池材料限制方型電池導(dǎo)熱率很低，極耳附近、電池中間等區(qū)域溫度較高，如不能對(duì)電池各區(qū)域及時(shí)有效的冷卻，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加速，會(huì)影響電池壽命，并存在起火、爆炸等安全問題。因此，為保證電池組正常輸出功率、延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命，需采用電池組熱管理系統(tǒng)將溫度控制在25～40℃之內(nèi)、模組間溫差小于5℃。

目前，已有許多國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)鋰離子電池組的散熱問題進(jìn)行了研究。散熱方法主要分為：空氣冷卻法、液體冷卻法、相變材料冷卻法、熱管冷卻法等。

其中，空氣冷卻法是指以低溫空氣為介質(zhì)降低電池溫度的一種散熱方式，利用自然風(fēng)或者風(fēng)機(jī)，配合汽車自帶的蒸發(fā)器為電池降溫，在電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛?？諝饫鋮s系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，但在較高的環(huán)境溫度、持續(xù)大負(fù)荷等條件下冷卻效果較差。

液體冷卻法通過液體對(duì)流換熱將電池產(chǎn)生的熱量帶走，降低電池溫度。液體介質(zhì)換熱系數(shù)高熱容量大、冷卻速度快，對(duì)于降低最高溫度、提升電池組溫度場(chǎng)一致性效果顯著，同時(shí)熱管理系統(tǒng)的體積也相對(duì)較小。但該方法需要增加額外的循環(huán)及散熱裝置，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，質(zhì)量較大。

相變材料是一類特殊的功能材料，能在恒溫或近似恒溫的情況下發(fā)生相變，同時(shí)吸收或釋放大量的熱。石蠟毒性低價(jià)格便宜，單位質(zhì)量相變潛熱較高，其相變溫度也落在電池安全運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，最適合作鋰離子電池組熱管理的相變材料。基于相變材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省空間；相變潛熱大，溫度均勻波動(dòng)較小。但相變材料冷卻法屬于被動(dòng)冷卻，如果不能有效的將熱量移除，電池組在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)充放電循環(huán)后，僅靠空氣自然對(duì)流無法保證熱量的有效排出，最終會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的失效。

熱管是一種利用相變進(jìn)行高效傳熱的熱傳導(dǎo)器。封閉空心管內(nèi)的工質(zhì)在蒸發(fā)段吸收電池?zé)崃?，然后在冷凝端將熱量傳遞到環(huán)境空氣中，使電池溫度迅速降低。受限于形狀，熱管不適合直接與電池接觸換熱，常焊接在電池間的金屬板上。熱管形式多樣，易于和其他冷卻方法相結(jié)合提高熱管理的效果。但熱管冷卻系統(tǒng)較為復(fù)雜，且熱管單向傳熱的特性，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的加熱。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在進(jìn)行鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，將單體鋰離子電池看作均勻的發(fā)熱體，沒有考慮單體鋰離子電池不同區(qū)域產(chǎn)熱量的差別，采用相同的冷卻方法，效果有限同時(shí)增加了能耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種基于鋰離子電池組分區(qū)域熱管理的系統(tǒng)及方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，基于方型鋰離子電池發(fā)熱量不均勻、溫度差異較大的現(xiàn)象，采用分區(qū)域熱管理的方法，將相變材料和液體冷卻相結(jié)合，主被動(dòng)結(jié)合，同時(shí)具備散熱、加熱和保溫功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方型鋰離子電池組內(nèi)溫度的精確控制，能夠有效提高電池安全性、延長(zhǎng)電池使用壽命，解決了現(xiàn)有技術(shù)中沒有考慮單體鋰離子電池不同區(qū)域產(chǎn)熱量的差別，采用相同的冷卻方法冷卻效果有限且能耗高的問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種基于鋰離子電池組分區(qū)域熱管理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括箱體和箱體內(nèi)多個(gè)并排豎直放置的方型鋰離子電池單體組成的電池組，所述鋰離子電池單體設(shè)有正極極耳和負(fù)極極耳，所述電池組上方鋰離子電池單體正極極耳外側(cè)設(shè)有管截面呈扁平狀的液體入口管，電池組上方鋰離子電池單體負(fù)極極耳外側(cè)設(shè)有管截面呈扁平狀的液體出口管，所述箱體內(nèi)側(cè)密封有相變材料，相鄰鋰離子電池單體之間設(shè)有相變材料、U型液體支管和溫度傳感器，所述溫度傳感器設(shè)在鋰離子電池單體極耳附近，所述U型液體支管的兩端分別連接液體入口管和液體出口管，液體由液體入口管進(jìn)入，均勻分散流入相鄰鋰離子電池單體之間的每個(gè)U型液體支管對(duì)相變材料進(jìn)行冷卻或加熱，液體最后匯集在液體出口管，流出鋰離子電池組分區(qū)域熱管理系統(tǒng)；所述箱體外部設(shè)置有相互連接的控制器、水泵和加熱裝置，形成溫度閉環(huán)控制回路，所述控制器還連接溫度傳感器，接受溫度傳感器傳來的信號(hào)；所述水泵和加熱裝置還連通液體入口管。

所述U型液體支管包括依次連通的入口豎直短管、入口水平短管、入口豎直長(zhǎng)管、底部水平長(zhǎng)管、出口豎直長(zhǎng)管、出口水平短管、出口豎直短管，所述管路管截面呈圓形，管路表面設(shè)有四片沿管徑方向的翅片；所述入口豎直短管連接液體入口管，出口豎直短管連接液體出口管；所述入口豎直短管、入口水平短管靠近鋰離子電池單體的正極極耳，出口水平短管、出口豎直短管靠近鋰離子電池單體的負(fù)極極耳，入口豎直長(zhǎng)管和出口豎直長(zhǎng)管分別位于正極極耳和負(fù)極極耳下方，所述底部水平長(zhǎng)管位于鋰離子電池單體的表面中心位置的下方。電池組充放電過程中，方型鋰離子電池單體不同區(qū)域溫度不同，越靠近極耳溫度越高。在電池極耳附近增加裝有冷卻管路可以有效降低電池極耳附近區(qū)域的溫度，降低了電池組的最高溫度，減小最大溫差。

特別地，所述相變材料為相變溫度在35～45℃之間的石蠟。

所述液體入口管、液體出口管、U型液體支管以及翅片，均為高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁管或銅管。

U型液體支管采用翅片結(jié)構(gòu)能夠提高整體散熱面積，并通過翅片導(dǎo)熱解決了石蠟材料導(dǎo)熱率過低的問題。

本發(fā)明還保護(hù)基于鋰離子電池組分區(qū)域熱管理的方法，利用上述裝置，包括以下步驟：

1)在寒冷條件下，溫度傳感器監(jiān)測(cè)到電池組內(nèi)溫度低于10℃，控制器啟動(dòng)加熱裝置和水泵，將水泵來的液體加熱并經(jīng)液體入口管均勻分散流入相鄰鋰離子電池單體之間的每個(gè)U型液體支管對(duì)相變材料進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池單體組成的電池組的加熱，以保證鋰電池組的正常使用，液體最后匯集在液體出口管流出鋰離子電池組分區(qū)域熱管理系統(tǒng)；行駛過程中，相變材料吸收電池組發(fā)出的熱量對(duì)電池組進(jìn)行保溫，同時(shí)，調(diào)節(jié)水泵的流量將鋰離子電池組溫度控制在最佳溫度范圍25-40℃；

2)常溫及夏季高溫情況下，當(dāng)電池組小倍率充放電時(shí)，鋰離子電池單體各部分發(fā)熱量比較均勻，產(chǎn)熱量較小，冷卻液呈靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)高導(dǎo)熱率金屬材料制成的液體管路及其翅片起到了導(dǎo)熱作用，提高了液體管路附近相變材料的導(dǎo)熱率，電池產(chǎn)生的熱量被相變材料吸收，電池組內(nèi)各部分溫度適宜；當(dāng)電池組大倍率充放電時(shí)，鋰離子電池單體各部分發(fā)熱量差異較大，靠近極耳處電池發(fā)熱量大溫度較高，極耳附近的相變材料吸收大量的熱開始融化；遠(yuǎn)離極耳處電池發(fā)熱量較小溫度較低，該區(qū)域的相變材料吸熱量較小仍處于固態(tài)；此時(shí)極耳附近的溫度傳感器監(jiān)測(cè)到電池組內(nèi)溫度高于40℃，控制器啟動(dòng)水泵，開啟冷卻液循環(huán)，通過調(diào)節(jié)冷卻液的流量對(duì)電池高溫區(qū)域進(jìn)行冷卻，同時(shí)帶走相變材料中儲(chǔ)存的熱量，保障極耳附近的相變材料能夠持續(xù)工作，從而降低電池組的最高溫度、最大溫差，將電池組溫度維持在最佳范圍25-40℃之內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，基于方型鋰離子電池發(fā)熱量不均勻、溫度差異較大的現(xiàn)象，采用分區(qū)域熱管理的方法，將相變材料和液體冷卻相結(jié)合，主被動(dòng)結(jié)合，同時(shí)具備散熱、加熱和保溫功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方型鋰離子電池組內(nèi)溫度的精確控制，在低溫條件下對(duì)電池有效加熱，使電池組工作在適宜的溫度下，保證電池組正常工作；低負(fù)荷條件下有效的利用相變材料吸收鋰離子電池組充放電過程中產(chǎn)生的熱量，維持電池組的溫度；高負(fù)荷條件下利用液體冷卻鋰離子電池極耳附近、電池中間區(qū)域等產(chǎn)熱速率高的高溫區(qū)域，最大限度的降低電池高溫區(qū)域的溫度，減小單體電池的最大溫差，提升電池組內(nèi)溫度場(chǎng)的一致性，又可以移除相變材料中吸收的熱量，從而達(dá)到更好的散熱效果，保證電池組的熱安全；能夠有效提高電池安全性、延長(zhǎng)電池使用壽命；保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)長(zhǎng)期高效的運(yùn)行，同時(shí)提高了熱管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3為圖2中A-A面的截面視圖；

圖4為液體管路；

圖5為U型液體支管；

圖6為圖5中U型液體支管B-B面的截面視圖；

其中，1、控制器，2、溫度傳感器，3、加熱裝置，4、水泵，5、箱體，6、鋰離子電池單體，7、相變材料，8、液體入口管，9、液體出口管，10、U型液體支管，11、正極極耳，12、負(fù)極極耳，13、入口豎直短管，14、入口水平短管，15、入口豎直長(zhǎng)管，16、底部水平長(zhǎng)管，17、出口豎直長(zhǎng)管，18、出口水平短管，19、出口豎直短管。

圖7為本發(fā)明的控制原理示意圖。

具體實(shí)施方式：

以下是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1-7所示的基于鋰離子電池組分區(qū)域熱管理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括箱體5和箱體5內(nèi)多個(gè)并排豎直放置的方型鋰離子電池單體6組成的電池組，所述鋰離子電池單體6設(shè)有正極極耳11和負(fù)極極耳12，所述電池組上方鋰離子電池單體6正極極耳11外側(cè)設(shè)有管截面呈扁平狀的液體入口管8，電池組上方鋰離子電池單體6負(fù)極極耳12外側(cè)設(shè)有管截面呈扁平狀的液體出口管9，所述箱體5內(nèi)側(cè)密封有相變材料7，相鄰鋰離子電池單體之間設(shè)有相變材料7、U型液體支管10和溫度傳感器2，所述溫度傳感器2設(shè)在鋰離子電池單體極耳附近，所述U型液體支管10的兩端分別連接液體入口管8和液體出口管9，液體由液體入口管8進(jìn)入，均勻分散流入相鄰鋰離子電池單體6之間的每個(gè)U型液體支管10對(duì)相變材料進(jìn)行冷卻或加熱，液體最后匯集在液體出口管9，流出鋰離子電池組分區(qū)域熱管理系統(tǒng)；所述箱體5外部設(shè)置有相互連接的控制器1、水泵4和加熱裝置3，形成溫度閉環(huán)控制回路，所述控制器1還連接溫度傳感器2，接受溫度傳感器2傳來的信號(hào)；所述水泵4和加熱裝置3還連通液體入口管8。

如圖3-6所示，所述U型液體支管10包括依次連通的入口豎直短管13、入口水平短管14、入口豎直長(zhǎng)管15、底部水平長(zhǎng)管16、出口豎直長(zhǎng)管17、出口水平短管18、出口豎直短管19，所述管路管截面呈圓形，管路表面設(shè)有四片沿管徑方向的翅片；所述入口豎直短管13連接液體入口管8，出口豎直短管19連接液體出口管9；所述入口豎直短管13、入口水平短管14靠近鋰離子電池單體6的正極極耳11，出口水平短管18、出口豎直短管19靠近鋰離子電池單體6的負(fù)極極耳12，入口豎直長(zhǎng)管15和出口豎直長(zhǎng)管17分別位于正極極耳11和負(fù)極極耳12下方，所述底部水平長(zhǎng)管16位于鋰離子電池單體6的表面中心位置的下方。電池組充放電過程中，方型鋰離子電池單體6不同區(qū)域溫度不同，越靠近極耳溫度越高。在電池極耳附近增加裝有冷卻液的液體管路可以有效降低電池極耳附近區(qū)域的溫度，降低了電池組的最高溫度，減小最大溫差。

特別地，所述相變材料7為相變溫度在35～45℃之間的石蠟。

所述液體入口管8、液體出口管9、U型液體支管10以及翅片，均為高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁管或銅管。

U型液體支管10采用翅片結(jié)構(gòu)能夠提高整體散熱面積，并通過翅片導(dǎo)熱解決了石蠟材料導(dǎo)熱率過低的問題。

本發(fā)明基于鋰離子電池組分區(qū)域熱管理的方法，利用上述裝置，包括以下步驟：

1)在寒冷條件下，溫度傳感器2監(jiān)測(cè)到電池組內(nèi)溫度低于10℃，控制器1啟動(dòng)加熱裝置3和水泵4，將水泵4來的液體加熱并經(jīng)液體入口管8均勻分散流入相鄰鋰離子電池單體6之間的每個(gè)U型液體支管10對(duì)相變材料7進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池單體6組成的電池組的加熱，以保證鋰電池組的正常使用，液體最后匯集在液體出口管9流出鋰離子電池組分區(qū)域熱管理系統(tǒng)；行駛過程中，相變材料7吸收電池組發(fā)出的熱量對(duì)電池組進(jìn)行保溫，同時(shí)，調(diào)節(jié)水泵4的流量將鋰離子電池組溫度控制在最佳溫度范圍25-40℃；

2)常溫及夏季高溫情況下，當(dāng)電池組小倍率充放電時(shí)，鋰離子電池單體6各部分發(fā)熱量比較均勻，產(chǎn)熱量較小，冷卻液呈靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)高導(dǎo)熱率金屬材料制成的液體管路及其翅片起到了導(dǎo)熱作用，提高了液體管路附近相變材料7的導(dǎo)熱率，電池產(chǎn)生的熱量被相變材料7吸收，電池組內(nèi)各部分溫度適宜；當(dāng)電池組大倍率充放電時(shí)，鋰離子電池單體6各部分發(fā)熱量差異較大，靠近極耳處電池發(fā)熱量大溫度較高，極耳附近的相變材料7吸收大量的熱開始融化；遠(yuǎn)離極耳處電池發(fā)熱量較小溫度較低，該區(qū)域的相變材料7吸熱量較小仍處于固態(tài)；此時(shí)極耳附近的溫度傳感器2監(jiān)測(cè)到電池組內(nèi)溫度高于40℃，控制器1啟動(dòng)水泵4，開啟冷卻液循環(huán)，通過調(diào)節(jié)冷卻液的流量對(duì)電池高溫區(qū)域進(jìn)行冷卻，同時(shí)帶走相變材料中儲(chǔ)存的熱量，保障極耳附近的相變材料7能夠持續(xù)工作，從而降低電池組的最高溫度、最大溫差，將電池組溫度維持在最佳范圍25-40℃之內(nèi)。