一種動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)及動力鋰電池組的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及動力鋰電池組的溫度控制技術，具體是一種動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)及具有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力鋰電池組，其在由鋰電池單元串并聯(lián)組成的鋰電池模塊內(nèi)部充填相變儲能微膠囊及熱管組成了被動散熱調(diào)溫系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]動力鋰電池組能量密度高、環(huán)境污染少、組裝簡便、成本低廉，被稱作是電動車的未來“心臟”。然而，鋰離子電池組在實際工作中，充放電過程存在化學反應熱、焦耳熱，特別是大功率大電流放電時，單體電池溫度過高，會導致電池模塊內(nèi)溫度嚴重不均衡，使得電池模塊因熱失控而過早失效，甚至產(chǎn)生自燃和爆炸等嚴重后果。高性能鋰離子動力電池組只有配備有效的熱管控系統(tǒng)，使之確保適當?shù)碾姵毓ぷ鳒囟?，降低各個電池模塊之間的溫度差異，才能保證電源系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
[0003]傳統(tǒng)的熱管控系統(tǒng)主要采用強制通風、水冷和自然對流散熱三種，均存在一定應用缺陷:強制通風和水冷屬于主動散熱，此類系統(tǒng)由于需要風機、泵、管線以及其它附件而使結構龐大復雜，此外，風冷會影響鋰電池模塊封裝的密封性，水冷成本過高且需要對應絕緣處理，它們也消耗了電池能量，降低了電池的實際功率密度和能量密度，不適用于電動自行車及其他小型鋰電池動力裝置。自然對流散熱屬于被動散熱，是通過優(yōu)化電池組結構進行最大效率的空冷，在空氣對流狀況不佳的情況散熱效果非常有限。
[0004]新型的鋰電池組熱管控系統(tǒng)采用相變儲能材料(PCM)。相變儲能材料(PCM)具有相變潛熱高(即儲熱能力強)，循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保、價格低廉等優(yōu)勢，在電池熱管控系統(tǒng)中能夠縮小整個電池組體積，減少運動部件，主動對電池組中的熱量進行智能調(diào)控，并且不需要耗費電池額外能量，因此是一類具有廣闊應用前景的熱管控材料。但是，由于相變儲能材料導熱系數(shù)不高，儲熱速率偏低，在解決如炎熱的夏季(>35°C )、電池快速大電流放電或高功率工作(加速、爬坡等)的情況時，單一的相變儲能材料熱管控系統(tǒng)仍存在散熱不足、控溫滯后的問題。
[0005]目前，國內(nèi)市場十分缺乏利用相變材料的動力鋰電池熱管控系統(tǒng)，利用內(nèi)置小型熱管復合技術來進一步提升熱管控系統(tǒng)性能的方法更是鮮有耳聞，本發(fā)明將相變微膠囊材料、小型熱管及鋰電池組創(chuàng)新性結合，實現(xiàn)了動力鋰電池組的溫度自動調(diào)節(jié)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在提供一種動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)及具有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力鋰電池組，其在鋰電池內(nèi)設置相變儲能微膠囊和熱管構成溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，相變微膠囊填充在鋰電池組模塊內(nèi)部，小型熱管穿插在相變微膠囊之中，相變材料發(fā)揮吸熱作用，熱管進行快速傳熱，從而以被動散熱方式控制鋰電池組處于最佳工作溫度范圍，特別是大功率及大電流放電下，可以有效降低鋰電池組電池單元的最高溫度。
[0007]本發(fā)明動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括:內(nèi)置若干鋰電池單元的電池箱體；填充在電池箱體內(nèi)、所述鋰電池單元之間的相變儲能微膠囊；以及，插置于所述鋰電池單元之間的若干熱管，每一個熱管的周壁均與相變儲能微膠囊接觸，每一個熱管的兩端分別與電池箱體的上蓋、底板緊密接觸。
[0008]所述動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進一步在所有鋰電池單元的表面涂布導熱涂層，每一個鋰電池單元通過它表面的導熱涂層與所述相變儲能微膠囊接觸。在電池單元表面涂布加速傳熱的導熱涂層能夠減少熱阻，使得電池散發(fā)的熱量及時傳遞給相變儲能微膠費O
[0009]所述動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理是:當鋰電池單元充放電時溫度升高，熱量通過鋰電池單元表面的導熱涂層及熱管傳遞給相變儲能微膠囊，當內(nèi)部溫度達到相變儲能微膠囊內(nèi)相變材料的相變點時，相變材料發(fā)生固液相變，吸收大量熱量；當環(huán)境溫度低于相變儲能微膠囊內(nèi)相變材料的相變點時，相變材料放出相變潛熱，調(diào)控內(nèi)部溫度，借助相變材料相變時溫度不變的特性，使鋰電池組內(nèi)部溫度趨于一致。當鋰電池組工作在大功率及大電流下溫度持續(xù)升高，多余熱量還可通過熱管傳遞到電池箱體外殼，借助空氣對流釋放到外部環(huán)境。
[0010]所述動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具體裝配方案如下:將涂布了導熱涂層的鋰電池單元按串并聯(lián)組成鋰電池組，打開裝配鋰電池組的電池箱體上蓋，將鋰電池組裝入電池箱體內(nèi)部，固定位置，往電池箱體內(nèi)部的空隙位置填充相變儲能微膠囊，待相變儲能微膠囊填充完成，插入熱管，使熱管一端與電池箱體的底板接觸，蓋上電池箱體的上蓋，使電池箱體上蓋與熱管另一端接觸，擰緊螺釘固定電池箱體的上蓋，使每一個熱管的兩端分別與電池箱體的上蓋、底板緊密接觸。
[0011]在所述的熱管理系統(tǒng)中，所述的電池箱體采用鋁合金材料，上蓋可拆卸，螺釘固定，電池箱體尺寸根據(jù)電池單元尺寸可調(diào)。電池箱體壁材厚度小于5_，高度大于鋰電池單元高度2-4cm，電池箱體寬度及長度根據(jù)鋰電池組串并聯(lián)的數(shù)目可以調(diào)整，具體為寬度大于鋰電池組寬度2-8cm，長度大于鋰電池組長度2-8cm。
[0012]均勻涂布于鋰電池單元外殼表面的導熱涂層厚度為0.2-lmm。導熱涂層為加速傳熱的熱界面材料，具體為一種絕緣導熱硅脂，導熱硅脂導熱系數(shù)大于0.9ff/m*k,工作溫度為-60?300°C，電壓擊穿強度大于8KV/mm。
[0013]所述的相變儲能微膠囊尺度范圍為1-50 μπι?其中相變芯材部分采用相變溫度范圍為20-50°C的相變材料，具體為正十六烷、正十八烷、正二十烷、相變石蠟中的一種或幾種。膠囊殼材采用一種無腐蝕性的絕緣高分子材料，具體為密胺樹脂、脲醛樹脂、酚醛樹脂、聚脲樹脂、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、明膠、阿拉伯膠、硅玻璃等。
[0014]所述的熱管為常溫圓形截面熱管，熱管工作溫度在25_200°C。熱管殼材為銅、鋁、碳鋼中的一種或幾種，工作液為甲醇、水、丙酮中的一種或幾種。熱管外徑為6-10_，屬小型熱管，最大熱阻系數(shù)小于0.08°C /W，熱管長度與電池箱體高度一致，保證熱管兩端與電池箱體的上蓋、底板緊密接觸。裝配中，插入熱管的方式可選擇密排插入、錯位插入，插入熱管的數(shù)量與插入方式、鋰電池組串并聯(lián)數(shù)目相關。
[0015]本發(fā)明還提供一種具有上述溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力鋰電池組。該動力鋰電池組包括:電池箱體，設置于該箱體內(nèi)的若干鋰電池單元，在電池箱體內(nèi)還設置有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；該溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含:填充在電池箱體內(nèi)、所述鋰電池單元之間的相變儲能微膠囊；以及，插置于所述鋰電池單元之間的若干熱管，每一個熱管的周壁均與相變儲能微膠囊接觸，每一個熱管的兩端分別與鋰電池組箱體的上蓋、底板緊密接觸。
[0016]所述動力鋰電池組進一步包括涂布于所有鋰電池單元表面的導熱涂層，每一個鋰電池單元通過其表面的導熱涂層與所述相變儲能微膠囊接觸。
[0017]本發(fā)明將儲熱密度高、化學穩(wěn)定性好且成本較低的相變儲能材料與熱管技術整合，不僅能充分發(fā)揮相變材料的吸熱性能，而且能彌補相變材料導熱系數(shù)不高、儲能速率偏低的缺陷，在動力鋰電池組大功率、大電流放電下也能快速響應，控制鋰電池組安全工作在最佳溫度范圍內(nèi)。
[0018]現(xiàn)有的相變材料熱管理系統(tǒng)，為解決相變材料從固態(tài)到液態(tài)的定形問題，多采用隔板、漕道、單獨空間設計，或?qū)⑾嘧儾牧咸畛湓诠羌苤С植牧现?，這樣結構復雜，成本高，不利于系統(tǒng)裝配。本發(fā)明采用的相變儲能材料使用微膠囊封裝，尺寸為1-50 um，內(nèi)含相變材料50%以上，這個尺度可防止相變材料泄露，也增加其導熱能力。相變材料的固-液相變過程均在囊殼內(nèi)發(fā)生，液化吸熱時不會產(chǎn)生液體四溢的問題，并且本發(fā)明采用的微膠囊絕緣、無腐蝕性，可以直接填充。相變微膠囊工作過程中始終保持定形，在鋰電池箱體內(nèi)不會發(fā)生坍縮、塌陷，形狀穩(wěn)定。
[0019]現(xiàn)有的相變材料熱管理系統(tǒng)，由于相變材料與鋰電池單元無法充分接觸，工作效率低，吸熱和控溫存在滯后現(xiàn)象。本發(fā)明相變微膠囊尺寸在微米級，具體尺寸為1-50 um,相變微膠囊在電池箱體中以粉末狀填充，比表面積大，能充分吸收熱量，儲熱效率高；同時采用電池單元表面涂覆加速傳熱的熱界面材料來減少熱阻，使得電池散發(fā)的熱量及時傳遞給相變微膠囊。
[0020]現(xiàn)有的相變材料熱管理系統(tǒng)，對于大功率、大電流下(超額定功率、超正常倍率放電情況)的鋰電池組放電情況考慮不多，或只是進行了短時間的放電測試。本發(fā)明將小型熱管與相變微膠囊復合，熱管增加了熱傳導能力，增強散熱，有利于減少局部溫度過高。引入的熱管熱阻系數(shù)低于0.08°C /W，不僅提高了熱管理系統(tǒng)整體的傳熱速率，而且在大功率、大電流下也能及時將大量熱量傳到電池箱體外殼，真正以被動散熱方式使熱管理系統(tǒng)快速響應，有效控溫。
[0021]本發(fā)明裝配簡單、原料易得、成本可控，既可用于小型電動自行車用動力鋰電池組，也可作為輔助熱管理系統(tǒng)應用于電動汽車、工作站等大型動力鋰電池組。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例一動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)俯視示意圖，其中上蓋去除，熱管密排插入；
圖2為實施例二動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)俯視示意圖，其中上蓋去除，熱管錯位插入；
圖3為48V動力鋰電池組不同電流下放電的最高溫升圖；
圖4為48V動力鋰電池組不同功率下放電的最高溫升圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024]實施例一
如圖1，實施例一動力鋰電池組的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用內(nèi)置相變微膠囊與熱管復合實現(xiàn)動力鋰電池組智能調(diào)溫。該系統(tǒng)包括:電池箱