CN102386459A - 一种电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置 - Google Patents

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一种基于相变浆料循环的电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置。将相变材料进行微纳米胶囊封装后与液态溶剂制备成相变浆料，使相变浆料在电动汽车动力电池封装间和空调舱位间之间进行热交换闭式循环，利用相变材料在热交换固-液相变过程中发生吸热或放热现象，达到热量在电池封装间和空调舱位间之间的传递利流动。本发明是电动汽车动力电池的温度控制和热管理技术，可有效解决电动汽车动力电池在高温气候(环境温度大于40℃)条件下的冷却和低温气候条件(环境温度小于0℃)下的加热问题。

Description

一种电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置
所属技术领域：
本发明属于电动汽车动力电池的热管理技术领域，具体为电动汽车动力电池在高温气候(气温大于40℃)条件和低温气候(气温小于0℃)条件下的冷却与加热技术。
技术背景：
电动汽车动力电池的工作温度需要维持在一定的范围之内(如锂电池一般为10℃-50℃)，温度太高会降低电池的使用寿命，而且可能产生***等安全问题。温度太低则会降低电池的工作性能，低温还可能会破坏电池的电解质而导致电池的废弃[1，2]。目前，电动汽车动力电池的热管理一般是通过抽取周围环境的空气对电池进行冷却。但是，当周围环境温度大于40℃时，电池的冷却则不能通过抽取周围环境空气的方法来实现对电池的冷却效果。另外，当周围环境温度小于0℃时则需要对电池进行加热。因此当电动汽车运行在高温气候(气温大于40℃)或低温气候(气温小于0℃)条件下时，动力电池需要采取新的冷却或加热方法。
在汽车空调开启的情况下，汽车空调舱位间的温度一般为18℃-24℃，在上述高温或低温气候条件下，可通过抽取空调舱位间的空气对电池进行冷却或加热，如本田的Insight和丰田的Prius混合电动汽车[3]，但是这种方法有两个严重缺点，首先，如果抽取的空气经过电池组热交换后直接排放到环境中，则造成大量能量的浪费；如果抽取的空气经过电池组热交换后回流到空调舱位间，则大大降低了空调舱位间的空气质量。其次，该方法中空调舱位间和电池封装间之间由于采用了空气风道连通结构，这会大大增加空调舱位间乘客的安全风险(如火灾/***等)。
发明内容：
本发明为一种电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置，特别是可以解决电动汽车动力电池在高温气候(环境温度火于40℃)条件下的冷却问题和低温气候条件(环境温度小于0℃)下的加热问题。本发明提出的方法及装置说明如下：
相变材料在固-液相变过程中会发生吸热或放热现象，且材料本身温度一般保持不变，体积变化很小，基于此原理并考虑到电动汽车空调舱位间的温度一般为18℃-24℃，通过选择合适的固-液相变温度的相变材料，将其封装于微米或纳米级胶囊中，封装胶囊的直径一般在10-3μm-400μm之间，将封装了相变材料的微纳米胶囊与水或者其他类型液态溶剂混合制备成可以自由流动的浆料，在此称之为相变浆料。制造封装胶囊的材料不能是与相变浆料溶剂相溶或者发生化学反应的材料，且要求具有耐磨特性。在空调舱位间和电池封装间分别置一热交换器(液-气类型)，其中空调舱位间的热交换器可以以隐蔽方式安装，或者不安装在空调舱位间，但需要保证该热交换器空气侧空间与空调舱位间相连通。用管道将上述两热交换器及相应的控制阀门和循环泵连接构成中间热交换闭式循环***，中间热交换闭式循环***内充满相变浆料，这样启动循环泵便可以驱动相变浆料在汽车空调舱位间和动力电池封装间进行循环，相变浆料中的相变材料在热交换器内发生相变，相变过程中发生吸热或放热并与换热器空气侧空气进行热交换。在高温气候条件下(环境温度大于40℃)，这时电池需要进行冷却，可选择相变温度为28℃-32℃之间的相变材料来制备相变浆料，由于电池封装间温度大于相变材料的相变温度，相变材料在电池封装间的热交换器内由固态融化为液态并吸收热量，从而达到对电池的冷却效果，同时，由于空调舱位间温度(18℃-24℃)小于相变材料的相变温度，相变材料在空调舱位间的热交换器内由液态凝固为固态并将热量释放。在低温气候条件下(环境温度小于0℃)，需要对电池进行加热，可选择相变温度为8℃-12℃之间的相变材料来制备相变浆料，这时电池封装间温度低于相变材料的相变温度，相变材料在电池封装间的热交换器中由液态凝固为固态并释放热量，从而达到对电池进行加热的目的，同时，因为空调舱位间温度(18℃-24℃)大于相变材料的相变温度，所以相变浆料循环至空调舱位间的换热器时，相变材料吸收热量由固态融化为液态并继续循环。
为了保证相变浆料循环在高温或低温环境温度下对电池的冷却或加热效果/效率，电池封装间的外壳为保温结构。电池封装间外壳上安装有一个可开闭进风口和一个可开闭排风口，以确保当环境温度在0℃-40℃之间时，可以采用抽取周围空气对电池进行冷却。电池封装间电池冷却或加热的换热介质为空气，空气在经过电池封装间风道内热交换器的冷却或加热后，再由风机加压，之后经送风口送达电池表面。电池表面温度的控制可通过控制风机的流量实现，必要时可以通过控制中间热交换闭式循环***相变浆料的循环流量。
相变温度在-5℃-190℃之间的相变材料已经很多[4]，如有机材料石蜡，在电池冷却工作模式下(环境温度大于40℃)有十八烷(分子式为C18H38，固-液相变温度为28℃)可以作为相变材料，在加热工作模式下(环境温度小于0℃)有十五烷(分子式为C15H32，固-液相变温度为9.9℃)可以作为相变材料。无机材料中的结晶水合盐也可以满足本发明对相变材料相变温度的要求，在0℃-90℃温度范围内，可以通过结晶或脱水过程制备得到相应固-液相变温度的相变材料。
本发明可以有效解决电动汽车动力电池在高温气候(环境温度大于40℃)条件下的冷却问题和低温气候条件(环境温度小于0℃)下的加热问题，具有安全和高效等优点，可在大范围极端气候环境温度条件下的应用。
附图说明：
附图为采用本发明方法实施的基于相变浆料循环的电动汽车动力电池冷却/加热的装置结构示意图，其中1.空调舱位间外壳2.回风风道3.电池封装间外壳4.保温层5.风阀6.可开闭排风口7.电池模块8.送风口9.送风风机10.电池封装间热交换器11.可开闭进风口12.空调舱位间热交换器13.循环泵14.电动或电磁调节阀15.旁通阀16.手动控制阀17.送风风道。
附图中空调舱位间的虚线表示热交换器12隐蔽安装于空调舱位间中。
具体实施方式：
附图中带实心箭头粗线条构成的循环为中间热交换闭式循环***，循环介质为相变浆料，带空心箭头线条为冷却或加热空气循环，其中相变浆料由微纳米胶囊封装的相变材料与液态溶剂混合得到，微纳米胶囊封装的相变材料可以从市场上直接购买。附图中电池封装间外壳3为保温结构，电池组7置于电池封装间中，电池组7的布置数量根据总的功率设计及单个电池组的输出功率确定(图中6个电池组为实例之一)。另外，在此特别需要说明的是空调舱位间热交换器12的布置位置，热交换器12及循环的其他相关循环部件可以以隐蔽方式安装在空调舱位间，如果热交换器12不安装在空调舱位间内部，则需要保证热交换器12的空气侧空间与空调舱位间相连通。根据电动汽车周围环境温度的不同，附图装置的工作过程为：
(1)当环境温度在0℃-40℃时，中间热交换闭式循环***将不工作，图中可开闭进风口11和可开闭排风口6打开，回风风道2上的风阀5关闭，这时送风风机9抽取环境空气并通过送风口8对电池组7进行冷却，之后由可开闭排风口6排出。
(2)当环境温度大于40℃时，这时启动中间热交换闭式循环***对电池进行冷却，称之为冷却工作模式。在冷却工作模式下，采用相变温度为28℃-32℃之间的相变材料制备循环相变浆料，如十八烷，其固-液相变温度为28℃。在冷却工作模式下，附图中可开闭进风口11和可开闭排风口6均关闭，风阀5为打开状态。相变浆料中相变材料在热交换器10中吸收热量由固态融化为液态，被冷却的空气由风机9加压后，通过送风口8送达电池组7表面对电池进行冷却，吸热后的空气由风阀5进入回风风道，到达热交换器10继续新一轮热交换循环。由热交换器10出来的相变浆料中相变材料为液态或部分液态(封闭于微纳米胶囊中)，相变浆料进入热交换器12后，由于空调舱位间温度低于其相变温度，液态相变材料凝固为固态并释放热量，释放的热量经过汽车空调***排出，相变浆料继续进行下一轮循环。
(3)当环境温度小于0℃时，该条件下中间热交换闭式循环***对电池进行加热，称之为加热工作模式。在加热工作模式下，采用相变温度为8℃-12℃之间的相变材料制备循环相变浆料，如十五烷，其固-液相变温度为9.9℃。在加热工作模式下，附图中可开闭进风口11和可开闭排风口6均关闭，风阀5为打开状态。在循环过程中，由于电池封装间温度低于相变材料的相变温度，相变浆料中液态或部分液态的相变材料因此在热交换器10中凝固为固态，凝固过程中释放热量，释放的热量被热交换器10空气侧空气吸收后，由风机9加压，再通过送风口8送达电池表面，之后空气经过风阀5进入回风风道重新回到热交换器10进行新一轮循环。由热交换器10出来的相变浆料进入空调舱位间热交换器12后，由于空调舱位间温度高于相变材料的相变温度，固态相变材料会吸收热量而融化为液态，重新恢复到含有液态相变材料的相变浆料由循环泵再次被送到电池封装间换热器10进行新一轮循环。
附图中送风风口8的布置为示例，送风口8的布置数量和位置可根据电池组的冷却/加热需要进行设计。在附图装置中，通过控制冷却或加热的空气流量和相变浆料的流量可以达到控制电池表面温度，空气流量的控制可通过控制送风机9实现，相变浆料流量的控制可通过循环泵13或控制阀14实现，也可通过调节相变浆料的旁通流量实现。
参考文献：
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[4]S.Gschwander，P.Schossig，H.-M.Henning，Solar Energy Materials&Solar Cells，89(2005)：307-315。

Claims (4)

1.一种电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置，动力电池组置于密闭的电池封装间，通过管道将热交换器、循环泵、阀门和管路元件相互连接构成中间热交换闭式循环***，其特征是：中间热交换闭式循环***中包括两个热交换器，分别安装于电动汽车空调舱位间和动力电池封装间，循环管路内部的循环介质为相变浆料。
2.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置，其特征是：电池封装间外壳为保温结构，外壳上有可开闭进风口和可开闭排风口，电池封装间内部有送风风道和回风风道，热交换器安装在送风风道和回风风道之间，送风风道上安装有送风口，同风风道内部安装有风阀，可开闭进风口安装在回风风道上。
3.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置，其特征是：相变浆料是微纳米胶囊封装的相变材料和液体溶剂混合物，电池在冷却工作模式下，中间热交换循环***循环固-液相变温度为28℃-32℃之间相变材料的相变浆料，电池在加热工作模式下，中间热交换循环***循环固-液相变温度为8℃-12℃之间相变材料的相变浆料。
4.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池的冷却与加热方法及装置，其特征是：汽车空调舱位间的热交换器为隐蔽安装，该热交换器空气侧空间与汽车空调舱位间连通。
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