[实用新型]一种基于复合相变材料散热的动力电池热管理系统

说明书

技术领域

本实用新型属于一种电动汽车动力电池热管理技术。具体涉及复合相变材料被动散热与车载空调制冷相耦合对动力电池模块进行热管理。

技术背景

近年来，石化能源紧缺和环境污染日益加剧，在这双重压力下，大力发展电动汽车可有效缓解这种局势。锂离子电池是电动汽车关键零部件之一，其温度敏感性已成为制约电动汽车发展的瓶颈。其主要表现在：高温下运行加速电池的寿命衰减，恶化其安全性能，甚至发生着火、爆炸等安全事故。此外，电动汽车电池模块由大量的电池单体串并联组成，各单体的温度不一致性也会加速电池寿命的衰减。研究表明：锂离子电池的最高工作温度不得超过60 ℃，各电池单体的温度之差应控制在5 ℃以内。

风冷是一种最早用于电动汽车动力电池的散热方式，具有结构简单、成本低廉等优点，但在较高的环境温度下，散热效率低、温度均匀性差，Nelson等人研究表明，在较高环境温度下，采用强制风冷难以让66 ℃的电池冷却到52 ℃以下。与风冷相比，液冷具有高的散热效率和良好的温度均匀性，通用Volt和特斯拉Model S采用液冷散热，将电池的温差控制在2 ℃以内。但这种散热系统的结构复杂、成本高、维护困难，并且耗能较高。

复合相变材料被动热管理是一种新型的动力电池热管理技术，它利用相变材料相变时吸热而温度基本不变这一特征来控制电池的温度过快上升。与强制风冷和液冷相比，复合相变材料热管理不需要风扇、循环泵等耗能元件，也不需要复杂的风道、液体循环管道等机械结构。然而，在极高的环境温度下（高于40 ℃），一旦相变材料全部融化，其控温性能不但会失效，而且会阻碍电池向外散热，因为相变材料具有大的热阻。随着电池和电子技术的发展，锂离子电池可采用快速充电技术，在1～2 h 内，可使电池的电量充满。在如此短的时间内，融化（或部分融化）了的相变材料能否恢复到初始温度（储存的热量全部散失到空气中）直接影响到下一次的循环使用。采用复合相变材料被动散热和车载空调制冷相耦合对动力电池模块散热可克服相变材料的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的针对现有电动汽车动力电池热管理技术不足，设计出一种基于复合相变材料散热的动力电池热管理系统。本实用新型的热管理系统是在相变材料被动热管理的基础上增加了车载空调制冷。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

本实用新型所述的一种基于复合相变材料散热的动力电池热管理系统，包括管壳式电池模块、温度传感器（8）、电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）（9）、通风管道（2）、空调（1）。空调（1）出风口通过通风管道（2）与电池模块进风口相连，温度传感器（8）贴在位于电池模块中心位置的电池表面，温度传感器（8）通过信号线（10）与电子控制单元（9）相连，电子控制单元（9）再通过信号线（10）与空调（1）的控制电路相连。

本实用新型所述的管壳式电池模块由电池、复合相变材料、铝管、折流板、管壳组成；将复合相变材料套住电池，然后装入到铝管中，铝管均匀分布在管壳中，考虑到既能方便散热又不太占空间，铝管间距可设置为4.5-5.5mm，在铝管的轴向位置等间距地安装折流板。

本实用新型所述的复合相变材料由石蜡和膨胀石墨组成，膨胀石墨的质量分数为16-20%。复合相变材料的制备方法：把石蜡加热到70℃，加入膨胀石墨熔融混合，搅拌吸附3 h得到石蜡/膨胀石墨粉末材料；再把制备的粉末材料压制成内径与电池相适应的圆筒。

本实用新型的工作过程是：电动汽车运行时，通过温度传感器把监测到的复合相变材料的温度信号送入电子控制单元（ECU），一旦相变材料的温度达到了其熔化温度的上限，分以下三种情况进行处理。

若电池处于继续放电状态，电子控制单元（ECU）发送指令利用车载电源启动空调制冷，空调冷风通过送风管道输送到电池模块中，加快相变材料的散热。

若车辆停止运行，电池处于快速充电状态，电子控制单元（ECU）利用电网电能启动空调制冷，让复合材料在较短的时间内恢复到初始温度（相变材料凝固），以便下一次循环使用；

若电池处于慢充状态，不启动空调制冷，让其自然冷却。

本实用新型的优点：（1）提高了相变材料的散热效率，缩短了相变材料凝固的时间；（2）在高的环境温度下，提高了电池的热安全性，防止热失控的发生；（3）电池充电时，利用电网的电能启动空调制冷，使相变材料快速凝固。

附图说明