一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统和方法
阅读说明：本技术 一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统和方法 (Phase change material and micro-channel coupled lithium battery thermal management system and method ) 是由 张莹 肖刚 李培生 徐猛 高焱 唐兆璇 卢杰 曾琦 刘遥 于 2021-04-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统和方法,包括电池箱、隔板、相变材料芯体、锂电池和盖板,所述电池箱内部设有隔板,电池箱与隔板纵向穿孔形成微通道,所述隔板将电池箱内部分隔成多个电池单元,每个电池单元内设有一块相变材料芯体；所述相变材料芯体上设有电池孔,所述相变材料芯体及其内部的多块锂电池共同构成一个电池组,多个电池组通过其顶部的盖板封闭在电池箱内。本发明锂电池热管理系统电池箱起到结构增强和维形作用,微通道内部的冷却液从环境吸收热量和向环境传导释放热量,并且能够解决因相变材料芯体高温变软不易固定的问题；微通道内液体可以实现温度控制的同时,有效保证电池组温度分布的一致性。(The invention discloses a phase change material and microchannel coupled lithium battery thermal management system and method, which comprises a battery box, a partition plate, a phase change material core body, a lithium battery and a cover plate, wherein the partition plate is arranged in the battery box; the phase-change material core body is provided with battery holes, the phase-change material core body and a plurality of lithium batteries in the phase-change material core body jointly form a battery pack, and the battery packs are sealed in the battery box through cover plates at the tops of the battery packs. The battery box of the lithium battery thermal management system has the functions of structure enhancement and dimensional shape maintenance, the cooling liquid in the micro-channel absorbs heat from the environment and conducts and releases heat to the environment, and the problem that the phase-change material core body is not easy to fix due to high temperature softening can be solved; the liquid in the micro-channel can realize temperature control, and simultaneously, the consistency of the temperature distribution of the battery pack is effectively ensured.)
技术领域
本发明涉及电池热管理技术领域，具体是一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统和方法。
背景技术
随着我国社会的发展、科技技术进步和人们消费水平的提高，环境污染和资源浪费变得越来越严重。如果照此趋势一直发展，资源问题必将危及国家安全，环境污染也会危及人类生存。随着我国国民经济的迅猛发展以及我国社会生产力的提升，我国民众整体消费水平以及生活质量有了进一步的提升，人们不仅局限于对食品的满足，对住行也有了进一步需求，在当今，距离的局限性已经不足以成为人们拒绝远行的理由，而汽车作为人们最便捷的交通工具，成为人们生活的必要需求，并且在人们生活中日益发挥出举足轻重的作用。但随着汽车数量的日益攀升，在为人们生活带来便捷的同时，汽车所带来的环境污染问题也日渐凸显，包括机车尾气的排放以及能源的消耗问题也随之而来。
动力系统是节能与新能源汽车的主要创新点，在改进传统动力的基础上又发展了新能源动力。作为混合动力和电动汽车的核心动力部件，动力电池对新能源汽车的整车性能起着至关重要的作用。目前，影响动力电池技术发展的因素有：电池循环寿命低、利用率低、散热能力不足和安全性不高。电池技术本身带有一定的局限性，面对此困境，如何能够控制电池的温度在安全范围内和如何提高电池的利用率显得十分重要。化学反应与温度有关，因此电池温度是一个重要参数，它应保持在最佳温度范围内。过高的工作温度，电池本身会产生有害物质，损坏电池，降低它的寿命，当工作温度过低，电池的容量会减小。一些研究发现，当锂电池的温度高于45℃时，它使用寿命将降低到原来的60％。在长时间的运行条件下，动力电池组的整体性能和一致性会被电池不均匀的内部温度破坏，甚至会引起爆炸、起火等现象。为了保证电动汽车的安全性，使电池得能量能够更高效的利用，所以设计一种电池包热管理系统是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统和方法，以及该热管理系统所用的电池箱。
一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统，包括电池箱、隔板、相变材料芯体、锂电池和盖板，所述电池箱内部设有两块及以上的隔板，电池箱与隔板纵向穿孔形成微通道，所述隔板将电池箱内部分隔成多个电池单元，每个电池单元内设有一块相变材料芯体；所述相变材料芯体上设有一个及以上的电池孔，每个电池孔内安放有一块锂电池，所述相变材料芯体及其内部的多块锂电池共同构成一个电池组，多个电池组通过其顶部的盖板封闭在电池箱内。
还包括水泵、加热制冷装置、控制器和温度传感器，所述水泵一端通过管路与微通道相连，另一端连接至控制器，所述控制器与水泵之间设置有加热制冷装置，所述加热制冷装置通过导线与控制器相连，所述温度传感器有若干个，通过导线与控制器相连，所述若干个温度传感器设置在微通道进、出液口附近的锂电池表面。
所述微通道是通过在电池箱及隔板对应位置纵向穿孔后，并在孔内插入散热铝管得到，所述散热铝管的直径为1-3mm。
所述盖板与电池箱底部在电池孔对应位置设有显位孔，所述显位孔开孔尺寸小于电池孔。
所述锂电池为圆柱形锂电池。
所述相变材料芯体上设有至少一个的电池孔，所述电池孔的孔中心距L与孔直径D满足关系：H=D+T，其中T的取值为1-5mm。
所述电池组外部包有绝缘膜，所述电池箱内铺设有电加热膜，所述电加热膜设置在锂电池底部。
所述微通道、水泵及其中间管路内流通有冷却液，所述冷却液为水或水和乙二醇的混合物。
所述电池箱箱体由强导热性能材料制成，且箱体具有一定的硬度。
优选的，所述电池箱使用导热性塑料制成，用于制成电池箱的导热性工程塑料可以通过向常规的工程塑料中添加导热性材料来制得。
本发明锂电池热管理系统的控制策略如下：
策略1：温度传感器实时采集电池组温度，锂电池在充放电过程中所产生的热量首先被相变材料芯体吸收，当温度传感器反馈给控制器的锂电池温度大于25℃且小于35℃时，控制器开启底部微通道冷却水泵对电池组进行冷却；当温度传感器反馈给控制器的锂电池温度大于35℃且小于55℃时，控制器开启底部微通道冷却和侧板微通道冷却水泵对电池组进行冷却；当微通道进、出口附近锂电池的温差小于5℃，则属于正常范围；若温差大于5℃且温差在持续上升，由控制器将CAN信息发送给充电机，停止充电，并报警提示。
策略2：若充电前微通道进、出口附近锂电池的温差小于5℃且电池温度小于10℃，控制器将信息反馈给电池管理系统BMS，电池管理系统BMS控制锂电池底部的电加热膜对电池进行预热；
策略3：若微通道进、出口附近锂电池的温差小于5℃且电池温度大于10℃小于25℃，控制器关闭水泵，停止液体冷却；若微通道出液口附近锂电池温度大于55℃，电池管理系统BMS立即停止充电并报警提醒。
本发明的有益效果：
1）当锂电池处于低温状态时，可以通过电池箱底部的加热膜对电池进行预热；
2）微通道内的循环冷却液能够有效防止相变材料完全融化失效，失去控温的作用；
3）结构简单，易于安装，成本低。
附图说明
图1是本发明实施例中一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统的结构示意图；
图2是图1中电池箱的结构示意图；
图3是本发明相变材料模芯的结构示意图；
图4是本发明顶盖的结构示意图；
图5是图2中所示电池箱的俯视图；
图6是图5中A-A截面的剖视图；
图7是本发明实施例中一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统的控制策略流程图；
图中：10、电池箱；11、顶盖；12、显位孔；13、隔板；20、散热铝管；21、微通道；30、相变材料芯体；31、电池孔；40、电池；50、控制器；60、水泵；70、加热制冷装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：参见图1-图7。
如图1所示，本发明一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统，包括电池箱10、隔板13、相变材料芯体30、锂电池40和盖板11，所述电池箱10内部设有两块及以上的隔板13，电池箱10与隔板13纵向穿孔形成微通道21，所述隔板13将电池箱10内部分隔成多个电池单元，每个电池单元内设有一块相变材料芯体30；所述相变材料芯体30上设有一个及以上的电池孔31，每个电池孔31内安放有一块锂电池40，所述相变材料芯体30及其内部的多块锂电池40共同构成一个电池组，多个电池组通过其顶部的盖板11封闭在电池箱10内。
还包括水泵60、加热制冷装置70、控制器50和温度传感器，所述水泵60一端通过管路与微通道21相连，另一端连接至控制器50，所述控制器50与水泵60之间设置有加热制冷装置70，所述加热制冷装置70通过导线与控制器50相连，所述温度传感器有若干个，通过导线与控制器50相连，所述若干个温度传感器设置在微通道21进、出液口附近的锂电池表面。
如图2、图6所示，本实施例中，所述电池箱10底部均匀分布着4个微通道21，电池箱10及其内部的5块隔板13上各设有2个微通道21；微通道21的孔径大小在1～3mm；所述相变材料芯体30容纳在所述电池箱10中，每个锂电池40底部都安装有电加热膜；所述温度传感器有4个，分别设置于微通道21进液口和出液口附近电池表面，温度传感器将温度信号反馈给控制器50；控制器50分别与水泵60、加热制冷装置70连接，控制器50根据采集的信息做出判断，通过驱动加热制冷装置70来调节微通道21内的流体温度，通过驱动水泵60将流体输送至各个进液口，从而循环流动。
优选的，所述控制器50可以通过驱动电磁阀来调整散热铝管20内冷却液的通断，配合水泵60连接的不同进液口形成交叉流动，交叉流动温度分布均匀性更好，电池组温差更小。
所述微通道21是通过在电池箱10及隔板13对应位置纵向穿孔后，并在孔内插入散热铝管20得到，所述散热铝管20的直径为1-3mm，本实施例中，所述散热铝管20为圆管、方管或椭圆管。
如图3所示，所述相变材料芯体30上设有至少一个的电池孔31。
优选的，本实施例中相变材料芯体由石蜡、膨胀石墨和碳纳米管组成；锂电池40形状为方形或圆柱形。
如图4所示，所述盖板11与电池箱10底部在电池孔31对应位置设有显位孔12，所述显位孔12开孔尺寸小于电池孔31，本实施例中，显位孔12的开孔尺寸被设置成容纳于电池孔31中的锂电池40不能从所述显位孔12中掉落，通过显位孔12可以向外显示电池箱10内部锂电池40的位置和排列方式。
如图5所示，所述电池孔31的孔中心距L与孔直径D满足关系：H=D+T，其中T的取值为1-5mm。
所述电池组外部包有绝缘膜，所述电池箱10内铺设有电加热膜，所述电加热膜设置在锂电池40底部；所述绝缘膜用于隔绝锂电池40与微通道21内的冷却液，所述电加热膜用于低温工作时对电池组进行预热。
优选的，本实施例中，所述微通道21、水泵60及其中间管路内流通有冷却液，所述冷却液为水或水和乙二醇的混合物。
所述电池箱10箱体由强导热性能材料制成，且箱体具有一定的硬度。
所述电池孔31为贯穿所述相变材料芯体30的贯通电池孔31，并且在所述电池箱10底部与电池孔31相对应的位置处设置有用于容纳锂电池40底部的限位孔，使得电池被固定在预定的位置上而不发生位移。
本实施例中，所述电池箱10和相变材料芯体30均呈矩形形状；当然，可以根据使用位置或者其他可能的需要，对所述电池箱10和相变材料芯体30的形状进行改变。
如图7所示，对于上述的一种相变材料和微通道耦合的锂电池热管理系统，其热管理方法采用自适应温度控制策略，具体包括以下内容：
策略1：温度传感器实时采集电池组温度，锂电池40在充放电过程中所产生的热量首先被相变材料芯体30吸收，当温度传感器反馈给控制器50的锂电池40温度大于25℃时，控制器50开启水泵60对电池组进行冷却；当微通道21进、出口附近锂电池40的温差小于5℃，则属于正常范围；若温差大于5℃且温差在持续上升，由控制器50将CAN信息发送给充电机，停止充电，并报警提示。
策略2：若充电前微通道进、出口附近锂电池40的温差小于5℃且电池温度小于10℃，控制器50将信息反馈给电池管理系统BMS，电池管理系统BMS控制锂电池40底部的电加热膜对电池进行预热。
策略3：若微通道21进、出口附近锂电池40的温差小于5℃且电池温度大于10℃小于25℃，控制器50关闭水泵60，停止液体冷却；若微通道21出液口附近锂电池温度大于55℃，电池管理系统BMS立即停止充电并报警提醒。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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