CN108448199A - 一种基于相变储热的动力电池低温辅助加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在低温条件下对动力电池进行加热的装置，该装置包括：动力电池冷却液板、固液相变储热器、温度控制模块、流量控制模块。该加热装置用于低温条件下对动力电池加热的部件包括：动力电池冷却液板、管路、三通阀、固液相变储热器、温度传感器、水泵。该发明可以在动力电池正常工作状态下利用相变材料的相变潜热回收动力电池散发出的部分余热，并存储在相变材料中。当动力电池在低温条件下需要预加热时，可将相变材料中储存的热量通过冷却液传递给动力电池，使其达到正常工作温度。该装置结构简单、安全可靠性能高，且易于在动力电池热管理***中实现。

Description

一种基于相变储热的动力电池低温辅助加热装置

技术领域

本发明设计了一种利用相变储热的动力电池低温辅助加热装置，可利用相变材料储热技术在动力电池在正常工作时回收部分余热，并在低温条件下利用所回收的余热对电池进行预加热，从而使其达到正常工作温度。

技术背景

随着能源问题及环境污染问题的日益加重，新能源汽车作为目前传统燃油汽车的一种替代品，正受到越来越多的关注，其中以锂离子电池为动力源的电动汽车已经成为各个汽车生产厂商及科研机构的研究热点。与传统发动机类似，锂离子动力电池在工作过程中会散发热量，如果没有合适的热管理解决方案，极易发生热失控，引起动力电池着火、燃烧甚至***，从而对司乘人员的人身安全产生严重威胁。目前在售的电动汽车车型中，动力电池的散热主要依靠空气对流方式及液体对流方式，而液体介质由于导热系数较高，可使电池模块达到更好的温度均匀性等优点，被认为是未来动力电池热管理***的发展方向。

然而，动力电池除正常工作中需要散热之外，在低温条件，尤其当环境温度低于0摄氏度时，需要对电池组进行预加热。有研究表明，当动力电池在低于0摄氏度条件下放电时，其内阻会急剧增加，从而影响电池寿命。目前，对于低温条件下动力电池加热的解决方案，主要依靠在电池表面布置电热丝、加热膜，通过主动加热方式进行加热，这种加热方式需要消耗一定的电能。对于电动汽车而言，车载动力电池是唯一的动力源，因此如果采用主动加热方式，需要车载电源或者备用电池组提供电能，势必引起电动汽车续驶里程缩减。

针对这一问题，本发明设计了一种基于相变储热的动力电池低温加热装置，该装置可以在动力电池正常工作时通过相变材料回收电池散发的热量，并在环境温度较低时，利用所回收的余热对电池进行预加热，对现有主动加热方式起到辅助作用，从而降低主动加热所消耗的电能，起到了余热回收利用并节约能耗的效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提出一种基于相变储热技术的动力电池低温辅助加热装置及其实施方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于固液相变的储热器为单通道储热器，包括储热单元、壳体及保温层，所述的储热单元为管壳式热交换器结构，其中管程为冷却液流动管道，壳程填充相变材料；壳体上设有冷却液入口及冷却液出口，冷却液入口及冷却液出口通过管程冷却液流动管道相连，所述壳体外部由保温层包裹。

优选的，所述壳程中填充的相变材料为熔点温度在30℃—60℃之间的常低温相变储热材料。

更优选的，所述的相变材料为正十九烷晶体，熔点为30℃、相变潜热为222 kJ/kg，也可选其他熔点在30℃~50℃之间的相变材料。

所述基于相变储热的动力电池低温辅助加热装置包括：

所述的固液相变储热器、中央控制单元、相变材料温度传感器、冷却液温度传感器、冷却液流量计、电池温度传感器、电子液体三通阀、电子水泵、电子风扇、散热器、动力电池冷却液板、PTC加热器；

动力电池冷却液板的出口处设有温度传感器，冷却液出口连接电子液体三通阀入口，电子液体三通阀的一端出口连接散热器，另一端则连接固液相变储热器，固液相变储热器的冷却液出口与另一个电子液体三通阀相连接，散热器的冷却液出口则与同一个电子液体三通阀相连接，两路流体汇流后连接PTC加热器，之后连接动力电池冷却液板。

相变储热器内部的相变材料中设有温度传感器，用于监测相变材料的温度。

电池表面用导热硅胶粘贴热电偶作为电池温度传感器，用于监测电池表面温度。

冷却液温度传感器、相变材料温度传感器以及电池温度传感器通过信号线与中央控制单元，中央控制单元通过控制线连接到电子水泵、电子风扇、电子液体三通阀以及PTC加热器。

所述的动力电池低温辅助加热方法为：

当动力电池正常工作时，冷却液经电子水泵驱动，流经电池冷却液板，通过对流换热方式将电池散发的热量带走。当冷却液温度较低时，中央控制单元控制电子液体三通阀开启相变储热器支路且关闭散热器支路，使冷却液在电池冷却液板及相变储热器之间流动，通过相变材料的相变过程，吸收并储存热量，此阶段为相变储热器热量储存阶段。相变材料温度传感器将相变材料温度信号传输至中央控制单元，当达到设定温度时，中央控制单元控制三通阀关闭相变储热器支路，同时开启散热器支路，冷却液在电池冷却液板及散热器之间流动，电池散发的热量通过散热器散至环境。

当动力电池停止工作时，中央控制单元控制关闭电子水泵、电子风扇以及电子液体三通阀，将相变储热器隔绝，防止相变储热器中储存的热量通过冷却液的对流散热损失，同时相变储热器外部包裹的保温层可保证相变材料中储存的热量不会通过储热器壳体散发至环境中，此阶段为相变储热器热量保存阶段。

当动力电池需要在低温条件下工作时，中央控制单元根据冷却液温度信号，开启电子水泵、控制电子液体三通阀开启相变储热器支路，同时关闭散热器支路，利用相变储热器中储存的热量对冷却液进行加热，被相变材料加热的冷却液通过动力电池冷板对动力电池进行预加热。中央控制单元根据相变材料温度传感器传递的信号对相变材料的状态进行判断，当相变材料温度下降至熔点温度时，判定相变材料中储存的热量耗尽，并控制电子液体三通阀关闭相变储热器支路，开启散热器支路，使动力电池进入工作状态。若当相变储热器储存的热量不足以使电池预热至设定温度，则中央控制单元将接通PTC加热器继续对动力电池进行预加热。

在预加热过程中，中央控制单元通过电池表面热电偶监测电池表面温度，当电池表面温度达到合适的工作温度时（一般为5℃以上），即关闭所有加热元件（相变储热器、PTC加热器），并使动力电池进入正常工作状态。

所述的相变储热器通过电子液体三通阀与动力电池冷却回路连接，在环境温度较高时（例如夏天），无需采用相变储热器回收热量，可使电子液体三通阀的相变储热器支路保持常闭，并将相变储热器支路拆卸，以降低动力***整备质量。

附图说明

图1是所述的基于相变储热的动力电池低温加热装置示意图；

图1中：1-电池温度传感器（表面热电偶）；2-电池冷却液板；3-动力电池；4-冷却液温度传感器；5-电子液体三通阀；6-电子风扇；7-散热器；8-电子液体三通阀；9-相变材料温度传感器；10-PTC加热器；11-冷却液温度传感器；12-中央控制单元；13-相变储热器；14-电子水泵。

图2是所述的相变储热器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明中所采用的相变储热器13为单通道储热器，其结构参见附图2，包括相变材料、冷却液流动管道、壳体及保温层。所述的相变储热器为管壳式换热器结构，其中管程作为冷却液流动管道，壳程填充相变材料。所述壳体上设有冷却液入口及冷却液出口，冷却液入口与冷却液出口通过冷却液流动管道相连接。所述的冷却液流动管道为金属材料，具有较高的导热系数。所述壳体与冷却液流动管道均具有一定弹性，可以满足相变材料在相变过程中由于体积变化产生的应力。所述相变储热器外层为保温材料，用于对壳体进行包裹，从而减少热量散失。

所述的相变储热器中的相变材料选用正十九烷晶体，熔点为30℃、相变潜热为222kJ/kg，也可选其他熔点在30℃~50℃之间的相变材料。

如图1所示，所述的基于相变储热的动力电池低温辅助加热装置包括：所述的固液相变储热器13、电池温度传感器1、电池冷却液板2、动力电池3、冷却液温度传感器4、电子液体三通阀5、电子风扇6、散热器7、电子液体三通阀8、相变材料温度传感器9、PTC加热器10、冷却液温度传感器11、中央控制单元12、电子水泵14。

动力电池3、电池冷却液板2、电子水泵14、冷却液温度传感器4、11、散热器7构成电池冷却回路，所述的固液相变换热器13通过电子液体三通阀5、8作为冷却液流动支路并联于电池冷却回路中。固液相变储热器13的冷却液入口连接到电子液体三通阀5、而冷却液出口则连接电子液体三通阀8。电子三通阀5的另两端分别连接温度传感器4及散热器7、而电子三通阀8的另两端则分别连接PTC加热器10及散热器7。

温度传感器1、4、9、11通过信号线连接到中央控制单元12，中央控制单元12则通过控制线连接到电子水泵14、电子风扇6、PTC加热器10以及电子液体三通阀5、8。

本发明采用中央控制单元12控制电子液体三通阀5、8、固液相变储热器13，具体控制策略及实施方式如下：

当动力电池3正常工作时，中央控制单元12控制电子液体三通阀5、8开启相变储热器13支路，关闭散热器7支路及电子风扇6，使得冷却液在固液相变储热器13与电池冷却液板2之间循环流动，将电池散发的热量携带至相变储热器13。相变储热器在电池正常工作阶段保持储能状态，相变材料温度传感器9将相变材料温度信号传递至中央控制单元12。当相变材料完全熔化时，中央控制单元12控制电子液体三通阀5、8关闭相变储热器13支路，开启散热器7支路，此时动力电池3的热量由电子风扇6带走。

当动力电池3停止工作时，中央控制单元12保持相变储热器13支路关闭，防止冷却液对流将相变储热器13中的热量带走。

在低温环境下静置数小时后，当动力电池3需再次工作时，中央控制单元12控制电子水泵14开启，控制电子液体三通阀5、8开启相变储热器13支路、关闭散热器7支路，使冷却液在相变储热器13与电池冷却液板2之间流动，利用相变材料中储存的热量加热冷却液。

中央控制单元12根据相变材料温度传感器9传递的信号判断相变储热器13中相变材料的状态，并在相变材料凝固之后控制电子液体三通阀5、8关闭相变储热器13支路，开启散热器7支路，并保持电子风扇6处于关闭状态。

若相变储热器13中储存的热量不足以完成动力电池的预加热过程，中央控制单元12可根据冷却液温度传感器4、11传递的温度信号控制PTC加热器开启，继续对动力电池3进行预加热。

本发明在动力电池正常工作时，可以通过相变储热器吸收电池散发的热量并储存在相变材料中，当动力电池需要在低温条件下工作时，可将这部分储存的热量加以利用，用于辅助电池的预加热过程。本发明通过余热回收利用，可以起到减小电池预加热过程能耗的效果；此外，在电池正常工作时，通过相变储热器支路分担液冷***的负荷，也可以起到降低液冷***功耗部件能耗的作用。

Claims (5)

1.一种固液相变储热器，其特征在于，所述的储热器为单通道管壳式热交换器，包括储热单元、壳体与保温层，其中储热单元分为管程与壳程，管程为液体流动管路，壳程填充相变材料，壳体上设有冷却液流动入口及冷却液流动出口，冷却液流动入口经管程液体流动管路与出口相连接。

2.根据权利要求1所述的固液相变储热器，其特征在于所述的储热单元内部填充的相变材料为相变温度在30℃~50℃之间的低温相变材料。

3.根据权利要求2所述的固液相变储热器，其特征在于所述的相变材料为正十九烷晶体，其熔点为30℃，相变潜热为222 kJ/kg。

4.一种采用如权利要求1所述的固液相变储热器的动力电池低温辅助加热***，其特征在于包括：所述的固液相变储热器、中央控制单元、相变材料温度传感器、冷却液温度传感器、冷却液流量计、电池温度传感器、电子液体三通阀、电子水泵、电子风扇、散热器、动力电池冷却液板、PTC加热器；冷却液温度传感器、相变材料温度传感器以及电池温度传感器通过信号线与中央控制单元，中央控制单元通过控制线连接到电子水泵、电子风扇、电子液体三通阀以及PTC加热器。

5.一种用于权利要求4所述***的动力电池低温辅助加热控制方法，其特征在于；当动力电池正常工作时，中央控制单元通过控制电子液体三通阀动作，开启或关闭相变储热器支路或散热器支路，使冷却液在动力电池工作初期流经相变储热器，与相变材料发生热交换，将热量储存在相变材料中，当相变材料温度与冷却液相同时，储能阶段结束；当动力电池停止工作后，中央控制单元控制关闭电子水泵、电子风扇以及电子液体三通阀，将相变储热器隔绝，防止相变储热器中储存的热量通过冷却液的对流散热损失；当动力电池需要在低温条件下工作时，中央控制单元控制电子液体三通阀开启相变储热器支路、关闭散热器支路，同时开启电子水泵，使得冷却液在相变储热器与动力电池冷却液板之间流动，冷却液吸收相变材料中储存的热量用于电池预加热；中央控制单元通过电池温度传感器采集的温度信号判断动力电池是否可以启动，若达到启动温度，则关闭相变储热器支路，使电池进入工作状态；若电池温度仍然较低，则关闭相变储热器支路，开启PTC加热器继续对电池进行预加热。