CN104247144A - 一种锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设计方法，本发明提供的冷却系统的设计方法在于采用新型相变材料与风冷的配合来实现电芯组散热，具体方法包括：选择相变材料并设定温度点或温度区；填充导热材料至吸附剂中并改变吸附床金属壁的热交换面积；设计吸热板的设计尺寸及布局方式；整合相变材料吸热板与其他冷却系统。避免了采用普通液体冷却系统中的换热器，水泵和循环管线等，本系统还具有在低温环境下为电芯组保温的优点。

Description

一种鋰电池电芯模块及电池包冷却系统的设计方法 本申请要求于 2011 年 4 月 14 日提交中国专利局， 申请号为 201110092857.7, 发明名称为 "一种锂电池电芯模块及电池包冷却系 统的设计方法"的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合 在本申请中。 技术领域

本发明涉及电网技术领域， 尤其涉及一种新型固体相变材料， 及 其在电芯及电池包散热系统中的应用。 背景技术

1. 电芯寿命与温度的关系

电池热管理的目的是确保电池在一定的温度范围内运行使 用， 防止因电池温度过高而损坏电池或降低电池的使用寿命； 并且 保持各单体电池温度尽可能达到均衡， 提高电池的使用性能和寿命。 在电池的热管理系统中， 目前研究较为关注的是电芯组如何散热的 问题。 然而在环境温度较低情况下， 电池储能降低， 同样需要考虑如 何通过电池预热技术提升电池自身温度的问题， 从而保证电池在低 温下的使用性能。 电池一般预热方法有： 内部热电阻加热法、 电芯模 块外部加热、 模块内部每个电芯单体外部加热、 流体循环加热法等。 本发明虽然以电池冷却为主要目的，但也具有在低温环境下为电池保 温的功能， 所以在此特意指出。

2. 电池温度控制系统及冷却方式

电池冷却系统可利用空气和液体介质来通风、 冷却， 另外还可使 用绝缘材料的储热方式如使用相变材料。 因此， 其冷却方式按传热介 质来分主要有： 气体冷却、 液体冷却和相变材料冷却。

气体冷却可以分为自然对流冷却和强迫空气对流冷却。 自然对流 冷却法通常是指在不使用任何外部辅助能量直接利用自然风将电池 的使用过程产生的热量带走。 该方法简单易行， 成本低。 但是在电池 和外壳封装设计上需要较大的散热面积， 而且冷却效果较差。 强迫空 气对流冷却是通过在电池壳体内部合适的位置安装局部散热器或风 扇， 并可以根据电池温度和升温状况控制风扇的开关和转速进行电 池实时冷却。 该方法实用性强， 效率高， 但是对于大规模的锂电池来 说， 由于大量电芯紧密排列在一起， 大大减少了散热面积， 因此仅用 空气冷却是不够的。

液体冷却， 由于常用的冷却液其传热系数比空气高得多， 且液 体边界层更薄， 有更高的传导率。 实验证明， 液体冷却不仅能显著 降低电池过高的温度， 还可以使电池模温度分布更加均匀。

相变材料冷却，其方法主要是在全封闭的模块电池单体之间填充 相变材料， 利用相变材料冷却机理来工作。 制冷剂在低压、 低温下 的气化过程或固体在低温下熔化过程或升华过程， 向被冷却的物体 吸收热量， 以达到冷却的目的。 它还可以 ^巴放电时发出的热量以潜热 的形式储存起来， 在充电或很冷的环境下工作时进行释放。 目前这 一冷却方法只应用于圆柱型电芯， 但对于方型电芯上的应用却没有。

3. 相变材料

相变材料 (PCM - Phase Change Material)是可将一定形式的能量 在高于其相变温度时储存起来,而在低于其相变温度时释放出来加以 利用的储能材料。 它主要由主储热剂、 相变点调整剂、 防过热剂、 防 相分离剂、 相变促进剂等组分组成。

相变材料种类很多，从所储能量的特点看， 分为储热材料和储冷 材料两类。 从储能材料储能的方式看， 可分为显热储能、 潜热储能和 化学反应储能 3类。 其中， 潜热储能是利用相变材料的相变潜热来储 热， 储能密度大， 储热装置简单、 体积小， 而且储热过程中储热材料 近似恒温， 可以较容易地实现室温的定温控制， 特别适用于建筑保温 节能领域。

从蓄热的温度范围看,可分为高温、 中温和低温 3 类。 高温相变 材料主要是一些熔融盐、 金属合金;中温相变材料主要是一些水合盐、 有机物和高分子材料； 低温相变材料主要是冰和水凝胶。

从材料的化学组成看， 可分为无机 (Inorganic)相变材料、 有机 ( Organic )相变材料和混合相变材料三类。 无机相变材料主要包括 结晶水合盐（Hydrated )、 熔融盐、 金属合金等无机物；有机相变材料 主要包括石蜡 (Paraffin Wax)、 羧酸、 酯、 多元醇等有机物； 混合相变 材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。

从蓄热过程中材料相态看， 可分为固液相变材料、 固固相变材 料、 固气相变材料和液气相变材料。 由于后两种相变方式在相变过程 中伴随有大量气体的存在，使材料体积变化较大， 因此尽管它们有很 大的相变焓，但在工程应用中很少被使用。 固液相变材料主要包括水 合盐和石蜡等，其在工程应用中多于固气相变材料和液气相变材料但 少于固固相变材料。 目前国际上对固液相变材料微胶嚢的开发使得固 液相变材料的应用领域不断扩大，本发明便是采用这一最新技术来实 现对电池的冷却。 固固相变材料相变时不发生相态的转变， 而是相变 材料的晶型发生了变化，在晶型变化过程中有热量的吸收和放出。 固 固相变材料主要包括高密度聚乙烯、多元醇和具有 "层状钙钛矿" 晶 体结构的金属有机化合物。 固固相变材料已被广泛用于工业与民用 建筑和空调的节能、 纺织品以及军事等领域。 发明内容

本发明实施例提供了一种鋰电池电芯模块及电池包冷却系统的 设计方法，本发明所设计的冷却系统特点在于采用新型相变材料与风 冷的配合来实现电芯组散热，避免了釆用普通液体冷却系统中的换热 器， 水泵和循环管线等。 与此同时， 本系统强化了同等风冷系统的冷 却能力并具有在低温环境下为电芯组保温的优点。

为达到上述目的，本发明实施例一方面提供了一种鋰电池电芯模 块及电池包冷却系统的设计方法， 具体为：

选择相变材料并设定温度点或温度区； 将辅助导热材料混入相变吸附剂中并改变吸附床金属壁的热交 换面积；

设计吸热板的设计尺寸及布局方式；

整合相变材料吸热板与其他冷却系统。

通过对本发明的实施，可以实现用相变材料的方法为方形电芯冷 却， 开发出大力改进传热特性的吸热板技术， 并将相变材料冷却技术 与气体冷却技术进行功能整合，从而使得在无能耗的情况下对电池进 行温度控制成为可能。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描 述中所需要使用的附图作简单的介绍， 显而易见的， 下面描述中的附 图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不 付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1 为本发明实施例一种锂电池电芯模块及电池包冷却系统的 设计方法流程图；

图 2 为本发明实施例相变材料选择及温度点或温度区设定方法 步骤图；

图 3为本发明实施例改进吸热板传热特性的方法示意图； 图 5为吸热板底板散热布局示意图；

图 6为吸热板单侧散热布局示意图；

图 7为吸热板双侧散热布局示意图；

图 8为吸热板箱式散热布局示意图。 具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、 完整的描述， 显然所描述的实施例仅是本发明的一部分 实施例， 不是全部的实施例， 基于本发明中的实施例， 本领域普通技 术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属 于本发明保护的范围。

本发明中吸热板槽状吸附床内填充的是微胶嚢相变材料。相变材 料 ^：月殳嚢 (microencapsulated phase change material, MEPCM)是指通过 微胶嚢制备技术将相变材料 (PCM)封装在质密且具有一定弹性的聚 合物外壳内， MEPCM颗粒的粒径为 1〜100 μ m. MEPCM的外壳能 够将固 /液态的芯材 (PCM)与外界物质分隔开， 并且它能承受芯材相 变引起的体积变化 (膨胀 /收缩)的新颖材料。

本发明实施例提供了一种鋰电池电芯模块及电池包冷却系统的 设计方法，本发明采用的是新型固体相变材料来实现电芯组及电池包 温度控制的， 首先就是要选择相变材料并设定温度点或温度区， 对于 相变材料的选择及温度点或温度区的设定的方法， 如图 2 所示具体 为：

步骤 S1 : 才艮据电池动力和储能的需求选定电芯型号。 其中， 在 根据电池动力和储能的需求选定电芯型号后，要做大量实猃来搜集每 个电芯在不同工况和环境的条件下所产生的热量。

步骤 S2: 将数据输入电芯电热数模来计算相变材料的设定温度。 步骤 S3:设定相变温度区。将 2-3种型号微胶嚢相变材料按特定 比例混合，设定一个相变温度区，从而使相变材料吸热过程相对平稳。

步骤 S4: 选择微胶嚢相变材料并填充进吸热板槽状吸附床中。 胶嚢相变材料的芯材是固 /液态的， 固 /液态相变吸附剂被包裹在 型胶嚢里， 所以在相变后仍呈微颗粒状， 不会像液体一样流失。 由于 微胶嚢相变材料有很多种型号，所以当我们根据电热数模算出相变材 料的设定温度后，即可从厂家目录中选出相应型号然后填充进吸热板 槽状吸附床中。

其中， 温度点和温度区的设定并不是二者缺一不可的，根据需要 可以只设定任一也可以二者都设定。 颗粒状相变材料微胶嚢充填的槽状吸附床， 其传热过程緩慢， 使 循环周期拉长。 为了提高制冷循环速率， 在改善吸附床传热传质方面 本发明釆取了以下措施， 如图 3所示：

(A)、 将导热性好的铝粉或石墨加在吸附剂中， 充分混合， 然后 充填密封到槽状吸附床中。

(B)、 改变吸附床金属壁的热交换表面积。

理论上正方形截面空槽可以给出最大热交换表面积，但实际应用 中可根据散热能力、吸热板承重规范、及吸热板铸造或加工难度等需 求而采用矩形截面、 圆形截面等吸附床。 铝粉或石墨的添加比例也要 根据电池运行工况设定。断续使用的大功率电池会在短时间内产生大 量热能， 因此对吸热板传热特性要求较高， 但该电池运行工况长期积 累的总热能并不高，在这种情况下可以通过减少 胶嚢相变材料在混 合物中的比例、增加铝粉或石墨的添加量来改进吸热板传热特性， 同 时仍可满足电池长期冷却的需求。

由于不同品牌和规格的电芯具有不同的电热特征 ,因此在同样的 使用条件和环境下会产生不同的热量，同时这些电芯连接组合成模块 的方式也会对其生热、散热能力造成影响， 这就使得吸热板设计尺寸 及布局在整个温控系统的设计和优化过程中变得十分重要。对于吸热 板尺寸设计及布局方法如图 4所示， 具体为：

步骤 S1 : 选定了微胶嚢相变材料后， 根据散热能力的需求计算 出所需吸附剂混合物的总量。

步骤 S2: 推导出吸热板所需总散热面积。

步骤 S3: 根据散热面积的要求， 选择吸热板布局方式， 可选用 底板散热 （图 5 ), 单侧板散热 （图 6 )， 双侧板散热 （图 7 )， 或箱 式散热 （图 8 )等布局方式予以实施。 的说明， 当然并不引以为限。 首先， 确定相变设定温度为 23度并选 定 DS5008型号粉状材料。 假设电芯电热数模给出的电池正常运行工 况下平均散热需求为 100千焦耳， 我们可算出 DS5008的用量为 1公 斤。 混入 0.1公斤石墨再除以混合材料的密度每立方米 350公斤， 等 于 0.003立方米。 4艮定吸热板正方形截面空槽面积为 1平方厘米， 我 们需要大约 0.3平方米的吸热板， 由于电芯电热数模是根据某电池电 芯模块建立的， 而该模块底面积只有 0.15 平方米， 我们只好用箱式 散热布局 （图 8 )。

当相变材料吸热板设计好之后，就需要将相变材料吸热板与气体 冷却系统的功能整合， 进行全系统优化设计。 在进行全系统优化设计 时， 采用以下实施方式： 将 40-50%的运行时间设计成相变材料吸热 板的散热工况， 30-40%的运行时间处于相变材料加自然风散热工况， 10-20%的运行时间处于相变材料加空调冷却风散热工况。

由于相变材料吸热板具有无能耗散热的特性，理所当然成为本冷 却系统的主散热方式。 当吸热板温度达到或进入设定温度区时， 其吸 附床中的相变材料即会由固态转为液态，并在相变过程中吸收大量热 量，这样可在不耗用任何能量的条件下将电池包温度保持在设定温度 以内。一旦遇到电池在某时间段内产生的热能超过相变材料吸热板设 计散热能力的情况， 便可启动自然风系统， 通过空气的快速流动带走 热量， 将电池包温度降到设定温度以下。 如果自然风冷却仍不能满足 散热要求， 再开启空调系统来降低冷却风的温度， 带走更多热量。

通过对本发明的实施，可以实现用相变材料的方法为方形电芯冷 却， 开发出大力改进传热特性的吸热板技术， 并将相变材料冷却技术 与气体冷却技术进行功能整合，从而使得在无能耗的情况下对电池进 行部分时间的温度控制成为可能。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例， 但是， 本发明并非局 限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护 范围。

Claims (13)

1. 权利要求

   1、 一种锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设计方法， 其特征 在于， 包括：

   选择相变材料并设定温度点或温度区；

   将辅助导热材料混入相变吸附剂中并改变吸附床金属壁的热交 换面积；

   设计吸热板的设计尺寸及布局方式；

   整合相变材料吸热板与其他冷却系统。
2. 2、 如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述选择的相变材料是微胶嚢相变材料。
3. 3、 如权利要求 2所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述微胶嚢相变材料是填充进吸热板槽状吸附 床中的。
4. 4、 如权利要求 2所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述 ^敖胶嚢相变材料的芯材在相变后仍呈敖颗 粒状。
5. 5、 如权利要求 1所述的鋰电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述设定温度点的方法具体为：

   将数据输入电芯电热数模来计算相变材料的设定温度。
6. 6、 如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述设定温度区的方法具体为：

   将 2-3种型号微胶嚢相变材料按特定比例混合， 设定一个相变温 度区。
7. 7、 如权利要求 1所述的鋰电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述设定温度点或温度区， 根据需要可以只设 定其中任一也可以二者都设定。
8. 8、 如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述辅助导热材料为导热性好的铝粉或石墨。 9、 如权利要求 8所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 铝粉或石墨的添加比例是根据电池运行工况设 定的。
9. 10、如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法，其特征在于，所述改变吸附床金属壁的热交换表面积具体为： 根据散热能力、吸热板承重规范、及吸热板铸造或加工难度等需 求而采用吸附床的形状包括： 矩形截面、 圓形截面、 正方形截面。
10. 11、如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述设计吸热板的设计尺寸具体为：

    选定了微胶嚢相变材料后，根据散热能力的需求计算出所需吸附 剂混合物的总量， 推导出吸热板所需总散热面积。
11. 12、如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述吸热板的布局方式包括： 底板散热， 单侧 板散热， 双侧板散热， 或箱式散热。
12. 13、如权利要求 1所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设 计方法， 其特征在于， 所述整合相变材料吸热板与其他冷却系统具体 为：

    将 40-50%的运行时间设计成相变材料吸热板的散热工况, 30-40%的运行时间处于相变材料加自然风散热工况， 10-20%的运行 时间处于相变材料加空调冷却风散热工况。
13. 14、 如权利要求 13所述的锂电池电芯模块及电池包冷却系统的设计 方法， 其特征在于， 所述相变材料加自然风散热工况是在遇到电池在 某时间段内产生的热能超过相变材料吸热板设计散热能力的情况时 启动自然风系统并通过空气的快速流动带走热量。