本實(shí)用新型屬于一種電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)。具體涉及復(fù)合相變材料被動(dòng)散熱與車載空調(diào)制冷相耦合對(duì)動(dòng)力電池模塊進(jìn)行熱管理。

技術(shù)背景

近年來(lái)，石化能源緊缺和環(huán)境污染日益加劇，在這雙重壓力下，大力發(fā)展電動(dòng)汽車可有效緩解這種局勢(shì)。鋰離子電池是電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件之一，其溫度敏感性已成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸。其主要表現(xiàn)在：高溫下運(yùn)行加速電池的壽命衰減，惡化其安全性能，甚至發(fā)生著火、爆炸等安全事故。此外，電動(dòng)汽車電池模塊由大量的電池單體串并聯(lián)組成，各單體的溫度不一致性也會(huì)加速電池壽命的衰減。研究表明：鋰離子電池的最高工作溫度不得超過(guò)60 ℃，各電池單體的溫度之差應(yīng)控制在5 ℃以內(nèi)。

風(fēng)冷是一種最早用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的散熱方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但在較高的環(huán)境溫度下，散熱效率低、溫度均勻性差，Nelson等人研究表明，在較高環(huán)境溫度下，采用強(qiáng)制風(fēng)冷難以讓66 ℃的電池冷卻到52 ℃以下。與風(fēng)冷相比，液冷具有高的散熱效率和良好的溫度均勻性，通用Volt和特斯拉Model S采用液冷散熱，將電池的溫差控制在2 ℃以內(nèi)。但這種散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維護(hù)困難，并且耗能較高。

復(fù)合相變材料被動(dòng)熱管理是一種新型的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)，它利用相變材料相變時(shí)吸熱而溫度基本不變這一特征來(lái)控制電池的溫度過(guò)快上升。與強(qiáng)制風(fēng)冷和液冷相比，復(fù)合相變材料熱管理不需要風(fēng)扇、循環(huán)泵等耗能元件，也不需要復(fù)雜的風(fēng)道、液體循環(huán)管道等機(jī)械結(jié)構(gòu)。然而，在極高的環(huán)境溫度下（高于40 ℃），一旦相變材料全部融化，其控溫性能不但會(huì)失效，而且會(huì)阻礙電池向外散熱，因?yàn)橄嘧儾牧暇哂写蟮臒嶙?。隨著電池和電子技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池可采用快速充電技術(shù)，在1～2 h 內(nèi)，可使電池的電量充滿。在如此短的時(shí)間內(nèi)，融化（或部分融化）了的相變材料能否恢復(fù)到初始溫度（儲(chǔ)存的熱量全部散失到空氣中）直接影響到下一次的循環(huán)使用。采用復(fù)合相變材料被動(dòng)散熱和車載空調(diào)制冷相耦合對(duì)動(dòng)力電池模塊散熱可克服相變材料的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的針對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)不足，設(shè)計(jì)出一種基于復(fù)合相變材料散熱的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。本實(shí)用新型的熱管理系統(tǒng)是在相變材料被動(dòng)熱管理的基礎(chǔ)上增加了車載空調(diào)制冷。

本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本實(shí)用新型所述的一種基于復(fù)合相變材料散熱的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，包括管殼式電池模塊、溫度傳感器（8）、電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）（9）、通風(fēng)管道（2）、空調(diào)（1）。空調(diào)（1）出風(fēng)口通過(guò)通風(fēng)管道（2）與電池模塊進(jìn)風(fēng)口相連，溫度傳感器（8）貼在位于電池模塊中心位置的電池表面，溫度傳感器（8）通過(guò)信號(hào)線（10）與電子控制單元（9）相連，電子控制單元（9）再通過(guò)信號(hào)線（10）與空調(diào)（1）的控制電路相連。

本實(shí)用新型所述的管殼式電池模塊由電池、復(fù)合相變材料、鋁管、折流板、管殼組成；將復(fù)合相變材料套住電池，然后裝入到鋁管中，鋁管均勻分布在管殼中，考慮到既能方便散熱又不太占空間，鋁管間距可設(shè)置為4.5-5.5mm，在鋁管的軸向位置等間距地安裝折流板。

本實(shí)用新型所述的復(fù)合相變材料由石蠟和膨脹石墨組成，膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16-20%。復(fù)合相變材料的制備方法：把石蠟加熱到70℃，加入膨脹石墨熔融混合，攪拌吸附3 h得到石蠟/膨脹石墨粉末材料；再把制備的粉末材料壓制成內(nèi)徑與電池相適應(yīng)的圓筒。

本實(shí)用新型的工作過(guò)程是：電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)，通過(guò)溫度傳感器把監(jiān)測(cè)到的復(fù)合相變材料的溫度信號(hào)送入電子控制單元（ECU），一旦相變材料的溫度達(dá)到了其熔化溫度的上限，分以下三種情況進(jìn)行處理。

若電池處于繼續(xù)放電狀態(tài)，電子控制單元（ECU）發(fā)送指令利用車載電源啟動(dòng)空調(diào)制冷，空調(diào)冷風(fēng)通過(guò)送風(fēng)管道輸送到電池模塊中，加快相變材料的散熱。

若車輛停止運(yùn)行，電池處于快速充電狀態(tài)，電子控制單元（ECU）利用電網(wǎng)電能啟動(dòng)空調(diào)制冷，讓復(fù)合材料在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到初始溫度（相變材料凝固），以便下一次循環(huán)使用；

若電池處于慢充狀態(tài)，不啟動(dòng)空調(diào)制冷，讓其自然冷卻。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了相變材料的散熱效率，縮短了相變材料凝固的時(shí)間；（2）在高的環(huán)境溫度下，提高了電池的熱安全性，防止熱失控的發(fā)生；（3）電池充電時(shí)，利用電網(wǎng)的電能啟動(dòng)空調(diào)制冷，使相變材料快速凝固。

附圖說(shuō)明

圖1 為本實(shí)用新型管理系統(tǒng)示意圖。其中，1為空調(diào)；2為通風(fēng)管道；3為折流板；4為鋁管；5為管殼；6為電池；7為出風(fēng)口；8為溫度傳感器；9為電子控制單元（ECU）；10為信號(hào)線。

圖2為管殼式電池模塊的實(shí)物圖。從左至右依次為裹有復(fù)合相變材料的電池組、裝有折流板的鋁管、管殼式電池模塊，其中，11為復(fù)合相變材料；6為電池；4為鋁管；3為折流板；5為管殼。

圖3 為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)啟動(dòng)空調(diào)制冷的控制策略。

圖4 初始溫度28 ℃，放電倍率5C，位于管殼軸線位置的5節(jié)電池（PiontA、PiontB、PiontC、PiontD、PiontE）表面溫度升溫曲線。

圖5 環(huán)境溫度為28 ℃，采用復(fù)合相變材料被動(dòng)散熱（未啟動(dòng)空調(diào)制冷），位于管殼中心位置的電池降溫曲線。

圖6采用空調(diào)風(fēng)強(qiáng)制制冷（冷風(fēng)的溫度為23 ℃），位于管殼中心位置的電池降溫曲線。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型將結(jié)合附圖通過(guò)以下實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1。

本實(shí)施例包括管殼式電池模塊、溫度傳感器8、電子控制單元9、通風(fēng)管道2、空調(diào)1?？照{(diào)1出風(fēng)口通過(guò)通風(fēng)管道2與電池模塊進(jìn)風(fēng)口相連，溫度傳感器8貼在位于電池模塊中心位置的電池表面，溫度傳感器8通過(guò)信號(hào)線10與電子控制單元9相連，電子控制單元9再通過(guò)信號(hào)線10與空調(diào)1的控制電路相連。

本實(shí)施例所述的管殼式電池模塊由26650磷酸鐵鋰電池、復(fù)合相變材料、鋁管、折流板、管殼組成；將復(fù)合相變材料套住26650磷酸鐵鋰電池，然后裝入到鋁管中，鋁管均勻分布在管殼中，鋁管間距設(shè)置為5mm，在鋁管的軸向位置等間距地安裝折流板。

本實(shí)施例所述的復(fù)合相變材料由石蠟和膨脹石墨組成，膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%。復(fù)合相變材料的制備方法：把石蠟加熱到70℃，加入膨脹石墨熔融混合，攪拌吸附3 h得到石蠟/膨脹石墨粉末材料；再把制備的粉末材料壓制成內(nèi)徑為26.1mm、高65mm、厚度4mm的圓筒。

本實(shí)施例的工作過(guò)程是：電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)，通過(guò)溫度傳感器把監(jiān)測(cè)到的復(fù)合相變材料的溫度信號(hào)送入電子控制單元，一旦相變材料的溫度達(dá)到了其熔化溫度(44 ℃)，分以下三種情況進(jìn)行處理：

若電池處于繼續(xù)放電狀態(tài)，電子控制單元發(fā)送指令利用車載電源啟動(dòng)空調(diào)制冷，空調(diào)冷風(fēng)通過(guò)送風(fēng)管道輸送到電池模塊中，加快相變材料的散熱；

若車輛停止運(yùn)行，電池處于快速充電狀態(tài)，電子控制單元利用電網(wǎng)電能啟動(dòng)空調(diào)制冷，讓復(fù)合材料在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到初始的環(huán)境溫度（相變材料凝固），以便下一次循環(huán)使用；

若電池處于慢充狀態(tài)，不啟動(dòng)空調(diào)制冷，讓其自然冷卻。

實(shí)施例2。

本實(shí)施例的熱管理系統(tǒng)在只采用復(fù)合相變材料對(duì)動(dòng)力電池被動(dòng)散熱的情況下，為節(jié)約車載動(dòng)力電池的電能，相變材料將電池的溫度控制在其相變溫度范圍內(nèi)。例如：對(duì)圖1所示的管殼式電池模塊進(jìn)行5C恒流放電，把T型熱電偶貼在位于管殼軸線位置的電池表面，用溫度采集儀AT4508監(jiān)測(cè)電池表面溫度的變化，如圖4所示。從圖中可知，相變材料發(fā)生相變時(shí)，電池的升溫速率明顯變慢，放電結(jié)束時(shí)，電池表面的最高溫度控制在44 ℃左右（相變材料的熔點(diǎn)：41-44℃），各電池單體的溫度之差在1-2 ℃之內(nèi)。

實(shí)施例3。

本實(shí)施例的熱管理系統(tǒng)在相變材料完全融化和快速充電的情況下，通過(guò)控制模塊啟動(dòng)空調(diào)制冷，加速相變材料的散熱。對(duì)圖1所示的管殼式電池模塊進(jìn)行5C恒流放電，放電結(jié)束后，分別采用自然風(fēng)冷和空調(diào)冷風(fēng)對(duì)電池模塊進(jìn)行散熱，電池表面的溫度變化如圖5和圖6所示；實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度為28℃，空調(diào)冷風(fēng)的溫度為23℃。讓電池模塊自然冷卻，在120分鐘內(nèi)相變材料的溫度仍未恢復(fù)到初始溫度；采用空調(diào)制冷，相變材料恢復(fù)到初始溫度只需要大約20分鐘。