一種動力模塊化電池的溫控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動汽車的動力電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種動力模塊化電池 的溫控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 自上世紀90年代以來，隨著環(huán)境污染、不可再生能源危機成為世界性難題，汽車 工業(yè)一直在尋找新的突破，以減小對環(huán)境污染和能源消耗的壓力。而電動汽車憑借其能量 利用效率高、對環(huán)境好等優(yōu)點，得到了較多的研宄和關(guān)注。近年來，電動汽車無論在技術(shù)還 是市場方面更是取得了極大的進步。作為電動汽車的動力源，電池組對電動汽車的重要性 不言而喻。對于純電動汽車而言，電池的成本占整車成本的1/3左右，且電池的性能、壽命 和安全性直接決定著整車的動力性、經(jīng)濟性和安全性。
[0003] 目前，市場上主流的電動汽車均采用鋰離子電池作為其動力源。鋰離子電池具有 比能量和比功率密度大、放電電壓高、無記憶效應(yīng)、自放電率低和對環(huán)境污染小等優(yōu)點。但 鋰離子電池在充放電過程中的產(chǎn)熱量較大，且電池的性能和壽命等與溫度的相關(guān)性較大。 近年來，車載電池包起火、甚至發(fā)生爆炸的報道也較為多見。因此，對電池進行冷卻和加熱， 使電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)工作，對于提高電池性能、使用壽命以及運行安全性都是十 分必要的。
[0004] 采用空氣和換熱流體對電池進行加熱和冷卻的方式屬于傳統(tǒng)的電池控溫方式。目 前已經(jīng)商業(yè)化的電動汽車均采用這兩種方式為電池降溫和加熱。其中，以空氣為換熱介質(zhì) 的控溫方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維護，有害氣體產(chǎn)生時能夠進行有效通風(fēng)；但是空氣和 電池之間的換熱系數(shù)較低，且空氣的比熱容較小，因此電池控溫系統(tǒng)的加熱和冷卻速度慢， 電池溫度均勻性不好。尤其是在極端工況（例如汽車加速、爬坡以及環(huán)境溫度較高時）下 運行以及對于大型動力電池而言，空氣冷卻很難滿足電池控溫的要求。以換熱流體作為媒 介的控溫方式，其換熱流體和電池之間的導(dǎo)熱系數(shù)高，換熱流體的比熱容大，因此電池散熱 和加熱快，且電池的溫度均勻性好。但是分布于各個電池模塊內(nèi)部的換熱流體管路的結(jié)構(gòu) 十分復(fù)雜。且上述傳統(tǒng)的控溫方式中，由于風(fēng)扇、水泵等耗能部件會損失掉電池內(nèi)部存儲的 部分容量，因而會縮短電動汽車的續(xù)駛里程。
[0005] 近年來，以相變材料或者以熱管作為換熱媒介的控溫方式得到了較多的關(guān)注。尤 其是以相變材料作為媒介的控溫方式，已經(jīng)被證明是一種極具應(yīng)用前景的解決方案。相變 材料依靠融化或者凝固過程的相變潛熱工作，目前已經(jīng)在航天、建筑節(jié)能、電力區(qū)域調(diào)配、 電子裝置、太陽能利用等領(lǐng)取得到了較為成熟的應(yīng)用。
[0006] 相變材料分為有機和無機兩類。其中無機類相變材料相變潛熱高、導(dǎo)熱性能好， 但腐蝕性較大，且在相變過程中存在過冷和相分離現(xiàn)象，因此應(yīng)用受到局限。有機相變材 料熱穩(wěn)定性好，腐蝕性小，且價格低廉。其存在的導(dǎo)熱系數(shù)較小的缺點，目前通過添加鋁翅 片、石墨泡沫、膨脹石墨以及碳纖維等強化傳熱材料得到克服。例如，Princemin等測試了 幾種不同的高溫復(fù)合相變材料的熱物性參數(shù)，并且討論的膨脹石墨的導(dǎo)熱各向異性。結(jié)果 表明，通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料中膨脹石墨的比例以及壓緊時的力，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以提 高到 10 ~30 倍。"S. Pincemin, et al. , Elaboration of conductive thermal storage composites made of phase change materials and graphite for solar plant, J. Sol. Energy Eng. 130(011005) (2008) 1 - 5. "中科院山西煤炭化學(xué)研宄所的仲亞娟等以石墨泡 沫（GF)、炭氈（CF)和壓縮膨脹石墨（CENG)作為石蠟的強化傳熱載體，制備了不同結(jié)構(gòu)炭材 料-石蠟相變儲能材料體系。采用激光導(dǎo)熱儀測定其導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明：三種儲能材料體 系的熱導(dǎo)率分別比純石蠟的熱導(dǎo)率提高了 437倍、14倍和25倍。"仲亞娟，李四中，魏興 海，高曉晴，史景利，郭全貴，劉朗.不同孔隙結(jié)構(gòu)的炭材料作為石蠟相變儲能材料強化 傳熱載體[J].新型炭材料，2009, 04:349-353. "可見，將導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料與有機相變 復(fù)合，所制備的新材料在具備高相變潛熱值的同時，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，因而適合在以相 變材料作為媒介的動力電池溫度控制領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0007] 考慮到單獨依靠相變材料進行控溫的局限，尤其運行環(huán)境溫度較高，以及汽車在 加速、爬坡等惡劣工況下運行時，相變材料完全融化后，控溫系統(tǒng)失去對電池繼續(xù)冷卻的能 力，因而需要與其他控溫方式結(jié)合，以使相變材料中儲存的相變潛熱及時排到周圍大氣中。 其他控溫方式可選空調(diào)冷卻和液體冷卻。通過合理的系統(tǒng)設(shè)計，可以使組合系統(tǒng)在克服其 中單一系統(tǒng)缺點的同時，獲得良好的控溫能力以及其他有益效果。
[0008] 美國陶氏環(huán)球技術(shù)有限責(zé)任公司在中國的發(fā)明專利申請CN 102714336 A公開了 一種通過傳熱流體與相變材料的組合對電化學(xué)電池進行控溫的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中流體介質(zhì)在 倉室中與圓柱形電池直接接觸，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的加熱和冷卻功能；而相變材料作為輔助控 溫手段，密封在傳熱介質(zhì)流道（倉室）與裝置之間的熱能儲存材料倉室中。該專利將液體 冷卻與相變材料冷卻結(jié)合，但仍未有效克服液體冷卻所帶來的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，且該 專利中申請保護的對象為圓柱形電化學(xué)電池的控溫系統(tǒng)，并未針對應(yīng)用于方形電池的液冷 結(jié)合相變材料冷卻的解決方案提出專利保護申請。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種動力模塊化電 池的溫控系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0011] 一種動力模塊化電池的溫控系統(tǒng)，用以在電動汽車中通過相變材料和傳熱流體對 電池進行溫度控制，其特征在于，該系統(tǒng)包括電池箱體以及設(shè)置在電池箱體內(nèi)的電池集成 模塊，所述的電池箱體包括底板、與底板兩端垂直連接的翼板、與底板連接的流體溫控裝置 以及設(shè)置在翼板內(nèi)側(cè)的相變溫控裝置，所述的電池集成模塊底部與底板接觸，側(cè)面與相變 溫控裝置連接；
[0012] 當電池集成模塊的溫度高于流體溫控裝置設(shè)定的啟動溫度時，系統(tǒng)采用相變材料 和換熱流體相結(jié)合的控溫模式進行控溫，當電池集成模塊的溫度低于溫控裝置設(shè)定的停止 溫度時，關(guān)閉流體溫控裝置，僅通過相變溫控裝置對電池模塊進行控溫。
[0013] 所述的流體溫控裝置包括水泵、散熱器以及設(shè)置在底板內(nèi)部的換熱流體管路，所 述的水泵、散熱器和換熱流體管路形成換熱流體回路。
[0014] 所述的相變溫控裝置包括多個相變溫控板，所述的相變溫控板由復(fù)合相變材料制 成，所述的復(fù)合相變材料通過鋁翅片、高導(dǎo)熱材料與相變材料復(fù)合而成，其中相變材料用以 儲熱，高導(dǎo)熱材料作為相變材料載體以及導(dǎo)熱通道，該復(fù)合材料具有同時取得導(dǎo)熱系數(shù)較 高和相變儲熱能力較好的有益效果。
[0015] 所述的高導(dǎo)熱材料包括壓縮膨脹石墨和碳纖維，所述的相變材料包括工業(yè)石蠟、 聚乙二醇和脂肪酸，所述的壓縮膨脹石墨通過石墨鱗片進行熱處理后壓縮制成，工業(yè)石蠟 具有價格低廉，容易獲取、儲能密度大、熱穩(wěn)定性好、腐蝕性小等優(yōu)點，壓縮膨脹石墨具有孔 隙率高、導(dǎo)熱性能好、化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定、密度小等的特點。
[0016] 所述的復(fù)合相變材料的用量由電池的生熱量、復(fù)合相變材料的比熱容和相變潛熱 決定，計算式為：
[0017]
[0018] 其中，Q為電池放出的熱量，mp"為相變材料的質(zhì)量，C5為相變材料的比熱容，T凡 分別為相變材料的熔點溫度以及初始溫度，X為相變材料的相變潛熱。
[0019] 所述的換熱流體回路中的介質(zhì)包括純水、乙二醇或水和乙二醇的混合液。
[0020] 所述的電池集成模塊包括多個電池單體，每個電池單體上設(shè)有電極，相鄰電池單 體的電極通過金屬連接片連接。
[0021] 所述的電池單體為方形鋰離子電池。
[0022] 所述的換熱流體管路的表層涂有硅膠層，并且采用蛇形結(jié)構(gòu)和并行流道結(jié)構(gòu)。
[0023] 所述的相鄰相變溫控板的間隙內(nèi)設(shè)有高導(dǎo)熱石墨片。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0025] 一、能量利用效率高：當電動汽車在低溫環(huán)境?？繒r，相變材料中儲存的潛熱也用 于為電池保溫，系統(tǒng)中無需加裝加熱元件，當電動汽車在低溫環(huán)境及短距離行駛時，采用相 變材料對電池的溫度進行控制，高溫及長距離行駛時，采用相變材料和換熱流體結(jié)合的方 式對電池進行溫度管