[发明专利]一种动力模块化电池的温控系统

说明书

技术领域

本发明涉及电动汽车的动力电池管理系统领域，尤其是涉及一种动力模块化电池的温控系统。

背景技术

自上世纪90年代以来，随着环境污染、不可再生能源危机成为世界性难题，汽车工业一直在寻找新的突破，以减小对环境污染和能源消耗的压力。而电动汽车凭借其能量利用效率高、对环境好等优点，得到了较多的研究和关注。近年来，电动汽车无论在技术还是市场方面更是取得了极大的进步。作为电动汽车的动力源，电池组对电动汽车的重要性不言而喻。对于纯电动汽车而言，电池的成本占整车成本的1/3左右，且电池的性能、寿命和安全性直接决定着整车的动力性、经济性和安全性。

目前，市场上主流的电动汽车均采用锂离子电池作为其动力源。锂离子电池具有比能量和比功率密度大、放电电压高、无记忆效应、自放电率低和对环境污染小等优点。但锂离子电池在充放电过程中的产热量较大，且电池的性能和寿命等与温度的相关性较大。近年来，车载电池包起火、甚至发生爆炸的报道也较为多见。因此，对电池进行冷却和加热，使电池在最佳工作温度范围内工作，对于提高电池性能、使用寿命以及运行安全性都是十分必要的。

采用空气和换热流体对电池进行加热和冷却的方式属于传统的电池控温方式。目前已经商业化的电动汽车均采用这两种方式为电池降温和加热。其中，以空气为换热介质的控温方式结构简单，成本低，容易维护，有害气体产生时能够进行有效通风；但是空气和电池之间的换热系数较低，且空气的比热容较小，因此电池控温系统的加热和冷却速度慢，电池温度均匀性不好。尤其是在极端工况(例如汽车加速、爬坡以及环境温度较高时)下运行以及对于大型动力电池而言，空气冷却很难满足电池控温的要求。以换热流体作为媒介的控温方式，其换热流体和电池之间的导热系数高，换热流体的比热容大，因此电池散热和加热快，且电池的温度均匀性好。但是分布于各个电池模块内部的换热流体管路的结构十分复杂。且上述传统的控温方式中，由于风扇、水泵等耗能部件会损失掉电池内部存储的部分容量，因而会缩短电动汽车的续驶里程。

近年来，以相变材料或者以热管作为换热媒介的控温方式得到了较多的关注。尤其是以相变材料作为媒介的控温方式，已经被证明是一种极具应用前景的解决方案。相变材料依靠融化或者凝固过程的相变潜热工作，目前已经在航天、建筑节能、电力区域调配、电子装置、太阳能利用等领取得到了较为成熟的应用。

相变材料分为有机和无机两类。其中无机类相变材料相变潜热高、导热性能好，但腐蚀性较大，且在相变过程中存在过冷和相分离现象，因此应用受到局限。有机相变材料热稳定性好，腐蚀性小，且价格低廉。其存在的导热系数较小的缺点，目前通过添加铝翅片、石墨泡沫、膨胀石墨以及碳纤维等强化传热材料得到克服。例如，Princemin等测试了几种不同的高温复合相变材料的热物性参数，并且讨论的膨胀石墨的导热各向异性。结果表明，通过调节复合材料中膨胀石墨的比例以及压紧时的力，复合材料的导热系数可以提高到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.”中科院山西煤炭化学研究所的仲亚娟等以石墨泡沫(GF)、炭毡(CF)和压缩膨胀石墨(CENG)作为石蜡的强化传热载体，制备了不同结构炭材料-石蜡相变储能材料体系。采用激光导热仪测定其导热系数，结果表明：三种储能材料体系的热导率分别比纯石蜡的热导率提高了437倍、14倍和25倍。“仲亚娟,李四中,魏兴海,高晓晴,史景利,郭全贵,刘朗.不同孔隙结构的炭材料作为石蜡相变储能材料强化传热载体[J].新型炭材料,2009,04:349-353.”可见，将导热系数较高的材料与有机相变复合，所制备的新材料在具备高相变潜热值的同时，具有较高的导热系数，因而适合在以相变材料作为媒介的动力电池温度控制领域的应用。

考虑到单独依靠相变材料进行控温的局限，尤其运行环境温度较高，以及汽车在加速、爬坡等恶劣工况下运行时，相变材料完全融化后，控温系统失去对电池继续冷却的能力，因而需要与其他控温方式结合，以使相变材料中储存的相变潜热及时排到周围大气中。其他控温方式可选空调冷却和液体冷却。通过合理的系统设计，可以使组合系统在克服其中单一系统缺点的同时，获得良好的控温能力以及其他有益效果。