CN106450581B - 一种用于圆柱形电池模组的加热***及电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于圆柱形电池模组的加热***，包括与电池管理***连接的加热***，加热***包括至少具有一个容置孔的绝缘固定板；在容置孔内设有至少一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件，在PTC发热元件的两侧表面上分别设有金属电极板，每块金属电极板的左右两侧分别设有引脚，引脚上设有插接脚，插接脚设置在绝缘固定板的表面上；加热***通过插接脚经导线与电池管理***连接，在金属电极板的外侧表面上分别设有导热硅胶，导热硅胶的外侧面上分别设有两个以上的凹部。本发明还提供了一种电池模组，还包括所述的加热***。与现有技术相比，无需再使用其他温度传感器，减少了部件的设置，降低了生产成本。

Description

一种用于圆柱形电池模组的加热***及电池模组
技术领域
本发明涉及一种动力电池，尤其为一种用于纯电动车或混合动力车以及储存电能设备的圆柱形电池模组的加热***以及电池模组。
背景技术
目前纯电动及油电混合动力车在我们的生活中出现越来越多，现有及未来的纯电动及油电混合动力车大多采用锂离子动力电池作为动力来源，而锂离子电池在高、低温下的性能、可靠性及寿命较常温时有较大幅度的下降。当在低温环境下使用电池模组时，必须使用加热***给电池模组加热，使电池芯达到合适的温度再开始充放电工作。锂离子电池模组在使用一段时间后，各个电池芯会有不同程度的老化，其内阻会变大，个别电池芯内阻变化幅度远远超过平均值，在放电时会产生大量的热，尤其是高温环境下，热量更容易积聚，必须使其及时散热，使电池芯达到合适的温度。同样，电力储能设备的电池模组也存在以上问题。
目前市场上的电池加热方式一般为循环液体加热或暖风加热以及在电池周围布置PET加热膜、硅胶加热板、PTC加热板等，循环液体加热方式存在结构复杂、效率低、可靠性低、成本高等缺点，暖风加热存在升温速度慢、温度不均匀、容易产生热积聚、能耗高等缺点，这两种方式使用越来越少,更多是使用PET加热膜、硅胶加热板或PTC加热板等加热方式。
PET加热膜和硅胶加热板这两种方式有以下缺点：PET加热膜和硅胶加热板内部发热部件为电热合金丝，温度不易控制，局部温差大，易损坏绝缘层造成漏电，从而容易引发安全事故；
PTC加热板有以下缺点：(如申请号为201510634026.6的发明专利申请)。
1、升温速率慢，局部温差大
由于PTC加热板贴在电池组的外部，热量传递到电池组中心部位所需时间较长，使得电池组中心部位升温速率较慢；同时导致电池组各个电池芯温差较大，对电池的性能和寿命有较大影响。
2、加热效率低和耗能多
PTC加热板因其两面都发热的结构会把很大一部分热量传递到电池组外壳和空气中，致使加热效率低，消耗电能多。
3、安全性差
PTC加热板置于电池模组表面，即将电池组或电池芯正、负极延伸到外壳表面，加热板给正、负极加热，再将热量传导至模组内部，一个加热板一般同时接触多个电池组或电池芯的正、负极，若加热板长期使用在振动环境中，其绝缘外层会受损，则可能导致电池的正、负极短路，造成电池损坏，引发安全事故。
4、PTC加热板重量大，PTC加热板采用铝合金作为固定PTC发热元件以及散热的机构件，单位密度大，增加了电池模组的整体重量，降低了电池模组的比能量参数，影响车辆的续航里程。
对于圆柱形电池，以上各个缺点尤其明显，因其外壳呈圆柱形，与加热板的接触面积很小，热量传递的效率更差，为了提高到热效率，一般采用空隙处增加重量较大的硅胶垫的方式。但不能有效解决问题同时增加电池组的总重量。
以上加热器要和外置的多个温度传感器同时使用，温度传感器将信号传输到电池管理***(即BMS)，电池管理***(即BMS)判断是否让加热器工作，使电池保持在合理的温度范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于圆柱形电池模组加热***及电池模组，要解决的技术问题是使得加热更加均匀快速，提高加热效率，缩短加热时间，减少能量消耗，使得电池模组更加安全可靠，电池管理***通过读取PTC加热元件的电阻值，从而实时获取电池模组中每个电池单元的当前工作温度，无需再使用其他温度传感器，减少了部件的设置，降低了生产成本。
为解决上述问题，本发明一方面提供了一种用于圆柱形电池模组的加热***，包括与电池管理***连接的加热***，所述加热***设有至少一个，加热***包括至少具有一个容置孔的绝缘固定板；在绝缘固定板的容置孔内设有至少一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件，PTC发热元件可平铺在绝缘固定板的容置孔中；在PTC发热元件的两侧表面上分别设有金属电极板，每块金属电极板的左右两侧分别设有引脚，引脚8上设有用于与导线或相邻加热***连接的插接脚，插接脚设置在绝缘固定板的表面上；在两块金属电极板的表面与PTC发热元件的两侧表面紧密贴合的同时，PTC发热元件的正极还与其中一块金属电极板表面接触，负极与另一块金属电极板的表面接触，加热***通过插接脚经导线与电池管理***连接，在金属电极板的外侧表面上分别设有导热硅胶，每个导热硅胶的外侧面上分别设有两个以上的凹部，凹部的截面为弧形。
进一步地，所述绝缘固定板为一个矩形板，绝缘固定板的高度与圆柱形电池的长度相等。
进一步地，所述绝缘固定板由塑料材料制成。
进一步地，所述PTC发热元件为PTC陶瓷热敏电阻元件；
进一步地，在相邻两个凹部之间设有绝缘板。
进一步地，所述加热***至少设有二个，相邻两个加热***之间通过插接脚相互串联。
进一步地，所述容置孔设有二个以上，两个容置孔间隔设置在绝缘固定板上，在相邻的两个容置孔之间均设有绝缘部，每个容置孔内设有一个PTC发热元件。
本发明另一方面提供了一种电池模组，包括矩形阵列排列的圆柱形电池，还包括所述的加热***，在相邻两个圆柱形电池之间均设有间隙，相邻两行圆柱形电池之间构成行间隙，相邻两列圆柱形电池之间构成列间隙；加热***设于行间隙或列间隙内，设置在与凹部位置相对应处的圆柱形电池设置在凹部内，该圆柱形电池的外壳与凹部紧密贴合。
进一步地，在行间隙或列间隙内还填充有导热材料。
进一步地，所述导热材料为导热硅胶。
本发明与现有技术相比，在圆柱形电池模组内的电池之间设置相互之间可插接的模块化的加热***，使得多个加热***之间无需使用传统的导线连接，使用数量灵活多变，而且导电可靠性高，加热***的外部设有与电池外壳贴合的导热材料，使得加热***能够将热量传递到每一个电池，不仅升温速率快，各电池之间的温差小，提高加热效率，减少能量消耗，在电池模组正常工作后，电池管理***通过读取PTC加热元件的电阻值，从而实时获取电池模组中每个电池单元的当前工作温度，无需再使用其他温度传感器，减少了部件的设置，降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明的加热***的内部结构示意图。
图2是本发明的电池模组加热***与电池模组之间的第一种连接结构示意图。
图3是本发明的电池模组加热***与电池模组之间的第二种连接结构示意图。
图4是本发明的电池模组加热***与电池模组之间的第三种连接结构示意图。
图5是本发明的电池模组加热***与电池模组之间的第四种连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的用于圆柱形电池模组的加热***，包括与现有技术的电池管理***连接的加热***2，它包括至少具有一个容置孔10的绝缘固定板5，绝缘固定板5可以为一个矩形板，其高度与圆柱形电池的长度相等，绝缘固定板5可由塑料材料制成；在绝缘固定板5的容置孔10内设有至少一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件4，PTC发热元件4优选为PTC陶瓷热敏电阻元件；PTC发热元件4可平铺在绝缘固定板5的容置孔10中，绝缘固定板5用于固定PTC发热元件4，其具有一定的机械强度，具有比较高的耐温性，具有绝缘性；在PTC发热元件4的两侧表面上分别设有金属电极板6，每块金属电极板6的左右两侧分别设有引脚8，引脚8上设有插接脚13，插接脚13设于绝缘固定板5的表面上，相邻两个加热***2之间通过插接脚13相互串联；在绝缘固定板5两块金属电极板6的表面与PTC发热元件4的两侧表面紧密贴合的同时，PTC发热元件4的正极还与其中一块金属电极板6表面接触，负极与另一块金属电极板6的表面接触，加热***2通过插接脚13经导线与电池管理***连接，在金属电极板5的外侧表面上分别设有导热硅胶7，每个导热硅胶7的外侧面上分别设有两个以上的凹部9，凹部9的截面为弧形，凹部9用于与圆柱形电池的外壳表面其具有良好的导热性和绝缘性，热量可以迅速的传到出来，在相邻两个凹部9之间可设有绝缘板11，绝缘板11可用于控制热量的传播方向。
当电池模组的工作环境为低温(0摄氏度)状态下时，PTC发热元件4给电池模组加热；当电池模组处于工作状态时，电池管理***通过读取PTC发热元件4的电阻值来获取当前电池模组各电池单元的温度；当加热***处于不加热状态时，加热***2作为无源的电池热传导装置，互相传导电池单元内电池芯之间以及相邻两组电池单元的温度，使电池模组内的温度差缩小。通过PTC发热元件4替代温度传感器，减少了原设置温度传感器所必须的导线，降低电池模组的成本。
容置孔10优选设有二个以上，两个容置孔10间隔设置在绝缘固定板4上，在相邻的两个容置孔10之间均设有绝缘部12，每个容置孔10内设有一个PTC发热元件3。
如图3所示，电池模组包括若干个矩形阵列的圆柱形电池1，相邻两个圆柱形电池1之间均设有间隙，相邻两行圆柱形电池1之间构成行间隙，相邻两列圆柱形电池1之间构成列间隙；所述电池模组还包括至少一个加热***2，加热***2设于行间隙或列间隙内，设置在行间隙或列间隙中的相邻两个加热***2通过金属接插件13相互连接导通，加热***2优选设于位于电池模组中心位置的两行或两列的圆柱形电池1的行间隙或列间隙内，或均匀分布于圆柱形电池1之间的间隙内，导热硅胶7上的凹部9分别与圆柱形电池1的外壳紧密贴合，每个加热***2可加热至少四个相邻设置的圆柱形电池1，导热硅胶垫7具有良好的导热性和绝缘性，热量可以迅速的传到出来；在电池模组中除设有加热***2的行间隙或列间隙外，其余的行间隙或列间隙内填充有导热材料3，导热材料优选为导热硅胶。
将本发明的加热***2安装于电池模组内部的各个圆柱形电池1之间，加热***外形尺寸电池外壳尺寸一致，且其外层导热硅胶为柔性材料。导热硅胶可充分与电池芯外壳紧密接触，给加热***的金属接插件13施加电压后，PTC发热元件4通电，PTC发热元件4产生的热量首先传导到金属电极板6，由于金属良好的导热性能，热量会迅速通过金属电极板6传导至导热硅胶7，导热硅胶7再将热量均匀地传导至紧密接触的电池外壳，由于电池外壳为圆柱形，因此热量会迅速发散，并通过间隙内的导热材料3继续扩散，即可将热量迅速传导至所有电池内部，达到给圆柱形电池1的电池芯加热的目的，实现电池模组高效均匀地加热。
本发明以4行6列的电池模组为例进行说明，但不限于此。
如图2所示，为本发明电池模组的第一种排列方式，加热***2设于电池模组两侧的最外侧的行间隙内，每侧设有3个，加热***2加热与加热***2相邻的两行共12个圆柱形电池1，保证每个圆柱形电池1的外壳均能与加热***2的导热硅胶7紧密贴合，达到均匀加热的效果。
如图3所示，本发明电池模组的第二种排列方式，加热***2设于电池模组每行的行间隙内，每行均设有3个，加热***2加热与加热***2相邻的圆柱形电池1，保证每个圆柱形电池1的外壳均能与加热***2的导热硅胶7紧密贴合，达到均匀加热的效果。
如图4所示，本发明的电池模组的第三种排列方式，加热***2设于电池模组位于中心处的行间隙内，该行间隙内设有3个加热***2，加热***2加热与加热***2相邻的两行圆柱形电池1，在电池模组两侧的最外侧的行间隙内填充有导热材料3，在保证位于中心的两行圆柱形电池1的外壳均能与加热***2的导热硅胶7紧密贴合，并通过导热材料3将热量传递到最外侧的两行圆柱形电池1的外壳上，达到均匀加热的效果。
如图5所示，本发明的电池模组的第四种排列方式，加热***2设于电池模组位于中心处的行间隙内，该行间隙内设有2个加热***2，2个加热***2之间通过导线与插接件13连接，分别对称设置在该行间隙内，两个加热***2之间间隔两列圆柱形电池1，加热***2加热与加热***2相邻的四个圆柱形电池1，在电池模组的除设有加热***2的行间隙外，其余行间隙和列间隙内均填充有导热材料3，在保证与加热***2相邻的圆柱形电池1的外壳均能与加热***2的导热硅胶7紧密贴合，并通过导热材料3将热量传递到最外侧的两行圆柱形电池1的外壳上，达到均匀加热的效果。
在本发明的加热***在不通电发热时，由于加热***和电池单元处于同一个环境下，而且其具有良好的横向和纵向导热性，这种结构使热量可以有效的在电池单元中的每个电池相互快速传导，因此PTC发热元件的温度与电池的温度基本相同。电池管理***(即BMS)可通过检测PTC发热元件的电阻数值计算出每个电池单元中的电池的实时温度，及时调控整个电池组的工作状态，无需再使用其他温度传感器。
本发明的加热***结构和安装位置不同于现有的PTC加热板，其内置于电池模组内部相邻的圆柱形电池1之间，加热***直接和圆柱形电池1的外壳接触，给每个电池芯加热，热量直接传导给各个电池芯，因而电池芯升温速率快，各个电池芯之间的温差小，同时内置的结构让其产生的热量几乎全部传递给电池芯，加热效率高，能量消耗少。以下为本发明与PTC加热板加热效果的试验对比数据：表一为现有技术的PTC加热板的加热升温时间，表二为本发明的加热***的加热升温时间，两者在相同环境温度下，升温速度有明显的区别。
表1(环境温度-20℃)
序号 0min 30min 60min 90min 120min 升温速率
1 -20.1℃ -14.2℃ 2.3℃ 14.9℃ 20.6℃ 0.34℃/min
2 -19.8℃ -15.2℃ -8.3℃ 1.1℃ 8.6℃ 0.24℃/min
3 -20℃ -14.3℃ 7.4℃ 19.6℃ 25.4℃ 0.378℃/min
4 -20.2℃ -15.8℃ -5.9℃ 3.5℃ 11.2℃ 0.26℃/min
最大温差 0.4℃ 1.6℃ 15.7℃ 18.5℃ 16.8℃
表2(环境温度-20℃)
序号 0min 30min 60min 90min 120min 升温速率
1 -20.0℃ -0.8℃ 17.2℃ 32.1℃ 42.3℃ 0.52℃/min
2 -19.9℃ -2.2℃ 14.5℃ 29.5℃ 39.8℃ 0.50℃/min
3 -20.2℃ -0.4℃ 18.2℃ 32.6℃ 42.8℃ 0.53℃/min
4 -20.1℃ -2.9℃ 15.1℃ 30.4℃ 40.6℃ 0.51℃/min
最大温差 0.3℃ 1.5℃ 3.7℃ 3.1℃ 3.0℃
从表中可知，本发明的升温速度要快于传统的PTC加热板的升温速度。
绝缘安全性好，本发明的加热***采用导热硅胶将PTC加热元件和金属电极板灌封在加热***中心位置的绝缘结构内，，确保PTC加热元件与电池外壳良好的绝缘性能，内置于电池组内部相邻的圆柱形电池之间，相邻的圆柱形电池接触加热***的两个弧面是等电势差，即电势差为零，加热元件内置其中不存在使电池组单元短路的缺陷，无短路风险，区别于申请号为201510634026.6的发明专利申请的加热器结构，本发明的产品结构设计更加安全。
加热均匀，本发明的加热***最外层的导热硅胶大部分面积接触电池模组中的每个圆柱形电池的外壳，导热硅胶内部正中心位置为PTC发热元件，每个发热元件可灵活给2-16个圆柱电池加热，温度均匀度好，而不与加热***接触的圆柱形电池还可通过填充在间隙内的导热材料将被加热的圆柱形电池的外壳热量进行传递，使所有的圆柱形电池均可被加热。
本发明的加热***可在不发热工作的情况下替代传统的温度传感器，并无需再使用其他温度传感器。即加热***的PTC发热元件为正温度系数热敏电阻元件，可以将温度数值转化为电阻数值反馈给电池管理***(即BMS)，除了可以判断是否让加热***通电工作以及加热后电池是否达到合适的工作温度，同时在电池已正常工作时可实时监测电池的温度，防止温度过高而引起安全事故。并且减少了原温度传感器所必需的导线，减少了电池组的重量。
本加热***设计为单元结构，可根据电池包内具体的圆柱形电池数量灵活组合使用，各个加热单元可以紧密、整齐地配合组装，并在连接处设计有导电可靠性很高的金属接插件，各个加热单元无需导线连接即可供电。

Claims (10)

1.一种用于圆柱形电池模组的加热***，包括与电池管理***连接的加热***(2)，其特征在于：所述加热***(2)设有至少一个，加热***(2)包括至少具有一个容置孔(10)的绝缘固定板(5)；在绝缘固定板(5)的容置孔(10)内设有至少一个或多个并联的具有加热以及检测电池模组温度的PTC发热元件(4)，PTC发热元件(4)可平铺在绝缘固定板(5)的容置孔(10)中；在PTC发热元件(4)的两侧表面上分别设有金属电极板(6)，每块金属电极板(6)的左右两侧分别设有引脚(8)，引脚(8)上设有用于与导线或相邻加热***(2)连接的插接脚(13)，插接脚(13)设置在绝缘固定板(5)的表面上；在两块金属电极板(6)的表面与PTC发热元件(4)的两侧表面紧密贴合的同时，PTC发热元件(4)的正极还与其中一块金属电极板(6)表面接触，负极与另一块金属电极板(6)的表面接触，加热***(2)通过插接脚(13)经导线与电池管理***连接，在金属电极板(6)的外侧表面上分别设有导热硅胶(7)，每个导热硅胶(7)的外侧面上分别设有两个以上的凹部(9)，凹部(9)的截面为弧形。
2.根据权利要求1所述的用于圆柱形电池模组的加热***，其特征在于：所述绝缘固定板(5)为一个矩形板，绝缘固定板(5)的高度与圆柱形电池的长度相等。
3.根据权利要求2所述的用于圆柱形电池模组的加热***，其特征在于：所述绝缘固定板(5)由塑料材料制成。
4.根据权利要求3所述的用于圆柱形电池模组的加热***，其特征在于：所述PTC发热元件(4)为PTC陶瓷热敏电阻元件。
5.根据权利要求4所述的用于圆柱形电池模组的加热***，其特征在于：在相邻两个凹部(9)之间设有绝缘板(11)。
6.根据权利要求5所述的用于圆柱形电池模组的加热***，其特征在于：所述加热***(2)至少设有二个，相邻两个加热***(2)之间通过插接脚(13)相互串联。
7.根据权利要求6所述的用于圆柱形电池模组的加热***，其特征在于：所述容置孔(10)设有二个以上，两个容置孔(10)间隔设置在绝缘固定板(5)上，在相邻的两个容置孔(10)之间设有绝缘部(12)，每个容置孔(10)内设有一个PTC发热元件(4)。
8.一种电池模组，包括矩形阵列排布的圆柱形电池(1)，其特征在于：还包括如权利要求1至7任意一项所述的加热***，在相邻两个圆柱形电池(1)之间均设有间隙，相邻两行圆柱形电池(1)之间构成行间隙，相邻两列圆柱形电池(1)之间构成列间隙；加热***(2)设于行间隙或列间隙内，设置在与凹部(9)位置相对应处的圆柱形电池(1)设置在凹部(9)内，该圆柱形电池(1)的外壳与凹部(9)紧密贴合。
9.根据权利要求8所述的电池模组，其特征在于：在行间隙或列间隙内还填充有导热材料(3)。
10.根据权利要求9所述的电池模组，其特征在于：所述导热材料(3)为导热硅胶。
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