相变控温的电池暖宝及其系统

1.本实用新型涉及电动汽车电池技术领域。更具体地说，本实用新型涉及一种相变控温的电池暖宝及其系统。


背景技术：

2.化石能源的日益枯竭和由此引起的温室气体和污染物排放已成为当今世界各国面临的共同挑战。进入到21世纪，能源与环境危机正在引发新一轮的产业革命和生活方式变革。节能减排和推广普及电动汽车已成为我国重要的产业政策，政府在给予企业经济政策上支持的同时，推出新能源汽车不限行，不限号，不纳税等一系列便民条例。新能源电动汽车在环境能源危机驱动与政策支持的双向作用力下快速发展。由2020年的全国电动汽车的累计销售量可以看出，位于销量最低的九个省市都位于中国北部，拥有全国一小半的人口，但是电动汽车的销售量共计不足2％，这是因为在北方寒冷的冬季，随着温度的降低，所有的新能源汽车的续航都会大幅度缩水，纯电动汽车在低温环境下表现为电池“不耐用”，在极寒的环境下电动汽车存在无法充放电，整车无法启动，空调耗能高的问题。甚至有些车主根本就发动不了电动汽车，“续航缩水”、“不敢开空调”、“夜间自动掉电”、“充电速度慢”等是车主们遇到最多的话题。
3.电动汽车的性能主要受动力电池的充放电特性和功率特性的影响，而低温条件下锂离子动力电池的充放电效率下降，电池正负极材料活性和内部电解液导电能力下降，内阻增大，在-20℃时电池内阻是25℃时的7-10倍之多且充电容量仅为常温充电容量的51.68％，工作电流变小，对外表现为动力放电容量和电池容量的衰减。当气温降至零下时，对能耗的影响约为10％以上，续航也同比缩水且电池的放电功率会直接减半，电动车冬季的加速性能会损失惨重，制约了纯电动汽车的推广和发展。


技术实现要素：

4.本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
5.本实用新型还有一个目的是提供一种基于相变控温技术的电池暖宝，基于此，本产品利用相变材料，能有效代替现有电池加热系统中的ptc加热方式，解决ptc加热在风机故障时遇到的功率急剧下降问题，更好地满足新能源汽车动力电池热管理市场的需求，且采用热电协同管理技术使供热散热协同进行。通过不同系统模块之间共享冷却和加热，应用于所需的系统中使电动汽车在冬季夏季不同的工作环境中可以切换不同的工作状态。
6.为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种基于相变控温技术的电池暖宝，包括：
7.箱体；
8.若干储料层，若干储料层上下间隔设置在所述箱体内，所述储料层内部容纳相变储热材料；
9.若干出水口，若干出水口设置在所述箱体的侧壁上，若干出水口上下间隔设置。
10.优选的是，所述箱体顶部设置有提手、底部设置有四个底座。
11.优选的是，所述储料层呈波浪形结构。
12.优选的是，所述相变储热材料为月桂酸、石墨-石蜡、na2hpo4·
12h2o、na2so4·
10h2o中的一种。
13.本实用新型提供一种基于相变控温技术的电池暖宝系统，包括：基于相变控温技术的电池暖宝、电池模块、风冷冷水机组、水箱、泵、控制器，所述风冷冷水机组连接所述水箱用于冷却所述水箱内的水，所述水箱连接所述泵通过循环水管依次与所述暖宝、所述电池模块连通形成循环的水路，所述控制器分别与所述电池模块和所述暖宝连接，用于控制所述电池模块和所述暖宝的状态。
14.优选的是，所述电池暖宝还包括加热模块，所述加热模块加热最高温度不超过60℃。
15.本实用新型至少包括以下有益效果：
16.本实用新型在于选择相变潜热大、相变时体积变化小的相变材料应用到现有电池加热系统，利用相变储热方式取代现有ptc加热方式，冬天为电池供热，夏天快速导出电池热量，获得电池运行稳定的热环境；
17.本实用新型在于采用热电协同管理技术，将电、热都作为主要控制量，构建冬夏热电控制双模式，通过模式切换完成冬夏季电池热环境的管理。
18.本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
19.图1为本实用新型暖宝的内部结构示意图一；
20.图2为本实用新型暖宝的外部结构示意图；
21.图3为本实用新型暖宝的实体结构示意图；
22.图4为本实用新型暖宝的原理结构示意图。
23.附图标记：箱体1、储料层2、出水口3、提手4、底座5
具体实施方式
24.下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
25.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“一侧”、“之间”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.本实用新型提供一种基于相变控温技术的电池暖宝，如图1和图2所示，包括：
27.箱体1，用于固定容纳相变储热材料的储料层2，以及每个储料层2之间的空间充满的传热介质水，这些空间充满水，这样可以增大相变材料与传热介质的换热面积，保证换热的充分进行；
28.若干储料层2，若干储料层2上下间隔设置在所述箱体1内，所述储料层2内部容纳
相变储热材料；相变储热材料选择相变潜热大、相变时体积变化小的相变材料(pcm)应用到暖宝中；
29.若干出水口3，若干出水口3设置在所述箱体1的侧壁上，所述出水口3设置在相邻两个储料层2，便于传热介质水的流入和流出。
30.为方便暖宝的安装，所述箱体1顶部设置有提手4。为方便暖宝的存储，所述箱体1的底部设置有四个底座5。
31.为使传热介质与水换热高效，如图1所示，所述储料层2呈波浪形结构，增大传热介质水与储料层2的接触面积。
32.所述相变储热材料为月桂酸、石墨-石蜡、na2hpo4·
12h2o、na2so4·
10h2o中的一种。
33.本实用新型还提供一种基于相变控温技术的电池暖宝系统的实施例。如图3和图4所示，包括：基于相变控温技术的电池暖宝、电池模块、风冷冷水机组、水箱、泵、控制器，所述风冷冷水机组连接所述水箱用于冷却所述水箱内的水，所述水箱连接所述泵通过循环水管依次与所述暖宝、所述电池模块连通形成循环的水路，所述控制器分别与所述电池模块和所述暖宝连接，用于控制所述电池模块和所述暖宝的状态。所述控制器包括电池模块管理模块和储热管理模块。所述电池暖宝还包括加热模块。
34.冬天使用时，电池模块的温度较低，性能较差，暖宝自身通过储热给与电池模块热量，使电池模块温度升高。在电池模块充电的同时通过给加热模块充电产热，暖宝可以同时获得充热，在电池模块温度低于适宜温度时，控制器获取电池模块的电池温度信息，控制暖宝通过传热线路和传热介质持续给电池模块提供热量以保持其处于适宜温度区间。
35.而夏天使用时，电池模块使用时产生的热量同样通过传热线路和传热介质导入暖宝暂时储存，而暖宝则可通过导出热线路将储存的热量导出用以其他方面，避免热能浪费。
36.在冬天气温低下的时候，利用暖宝本身充能后储存的能量迅速为电池模块加热，使电池模块在较短时间内达到高效工作的温度。而在夏天的高温环境下，相变材以潜热的形式吸收储存电池的大量热量来辅助散热。
37.需要说明的是，传热线路即形成循环水路的水管线路。
38.本实用新型还提供一种基于相变控温技术的电池暖宝系统的控制系统，包括：电池模块管理模块，其用于监控和驱动电池模块；
39.储热管理模块，其与所述电池模块管理模块信息共享，用于管理暖宝的储热或放热。
40.基于对共享信息的判断来进行暖宝工作模式的切换，当电池模块管理模块监控电池模块的温度超出第一预设温度时，储热管理模块接收到电池模块管理模块的温度过高信号，电池模块使用时将热量传递给暖宝进行储存；
41.当电池模块管理模块监控电池模块的温度低于第二预设温度时，储热管理模块接收到电池模块管理模块温度过低的信息，暖宝将自身储存的热量传递给电池模块。
42.当电池模块温度高于第一预设温度且暖宝内的相变储热材料储热已满时，启动泵和风冷冷水机组利用循环水给电池模块和暖宝降温，待车停之后，利用外界冷却水将车内热量导出。
43.在冬天模式下，在电池模块充电的同时通过给加热模块充电产热，使暖宝获得热
量；
44.在夏天模式下，不使用加热模块充电产热；
45.暖宝在储热管理模块的控制下储存热量并实时传递所储存热量信息给显示器显示。
46.需要说明的是，第一预设温度和第二预设温度形成的温度区间为电池模块适宜工作的适宜温度区间。
47.当电池温度偏高时，pcm起到了吸热的作用，当环境温度过低时，pcm有缓冲保温的作用。其节能环保性是ptc加热及柴油加热等传统加热方式所无法比拟的。基于pcm温控技术设计出一款主要用于稳定热环境的“暖宝”，在充电状态，充电桩可以充电、充热协同进行，暖宝储存能量。在冬天气温低下的时候，利用本身充能后储存的能量迅速为电池模块加热，使电池模块在较短时间内达到高效工作的温度。而在夏天的高温环境下，相变材以潜热的形式吸收储存电池的大量热量来辅助散热。
48.电池热管理系统的具体功能主要包括以下几点：避免电池因热失控而出现爆炸或者失效的危险，在电池温度过低的情况下能够起到良好的保温作用并具有快速加热功能，维持电池温度平衡。目前电池系统管理现状主要是以电为主热为辅的热管理技术，电动车大多以电动压缩机调节温度，大多采用ptc加热器实现制热，结构复杂，成品昂贵。为了优化电动车的热效率，本产品引入的热电协同管理控制方法，电和热都是主要控制量，供热散热协同进行。通过不同模块之间共享冷却和加热，可以在实现热效率最大化的同时降低成本，并回收利用预热，应用于所需的系统中。不同工作环境可以切换不同工作状态，在冬天，通过对电池温度的检测来相应调整供热功率，从而使电池温度稳定在合适范围内。在夏天，通过相变材料的吸收潜热来辅助电池系统散热，吸收潜热收集起来还可以进行二次利用。
49.以下为使用该暖宝节能减排的理论分析过程和结果。
50.1、冬季热需求量：
51.q＝cm(t
2-t1)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0052][0053]
q表示电池模块从低温加热到工作温度需要的热量，t2、t1分别表示工作温度和环境温度，φ表示电池箱散热热流量。依据高寒地区平均低温温度在t1＝-15℃，根据公式(1)和(2)和表1电池模块及电池箱参数计算得到电池模块加热到正常工作温度需要热量q1＝14593.19kj，及电池箱散热热流量φ＝81.40j，并按照加热续航7天时间，7天散热量q2＝49229.55kj。7天需要总热量q＝63822.74kj
[0054]
表1电池模块及电池箱参数
[0055][0056]
2、相变材料选择：
[0057][0058][0059]
m代表相变材料的质量，lf表示相变材料潜热，根据上式公式(3)(4)，计算出所需要一些常用相变材料在提供所需热量时所需要的质量和体积，计算数据如表2，对比发现na2hpo4·
12h2o的所需质量和体积都比较小，并且经济效益高，故选择na2hpo4·
12h2o作为相变材料，其物性参数如表3。
[0060]
表2相变材料参数
[0061][0062][0063]
表3相变材料(na2hpo4·
12h2o)参数
[0064][0065]
3、暖宝体积
[0066]
v＝abh
ꢀꢀ
(5)，根据上述相变材料体积的预算，设计如表4尺寸的储热箱，其体积为v＝0.153m3[0067]
表4储热器体积
[0068][0069]
夏季吸热量：q表示储热器存储的热量，根据公式(6)和表5参数，及上述储热器能存储的热量，计算得到夏季储热箱吸收电池热量所能维持的时间t＝13382s≈3.7h。
[0070]
表5电池箱产热量
[0071][0072]
4、成本分析
[0073]
根据初步计算，在我国北部的高寒地区，本装置只需在车后的储物箱占用不到三分之一的空间，即可保证车在零下30℃的低温天气下，将电池内部维持在最佳温度25℃长达3-4天，且在炎热的夏天，或者在是电动汽车行使电池内部产生大量的热时，也能利用该装置，起到给电池降温的作用，并把多余的热储存起来供居民使用。对于我国电动汽车在北方的市场有巨大意义与帮助。
[0074]
表6成本明细表
[0075][0076]
6、减排分析
[0077]
大多数的纯电动车电池都是锂离子电池，低温状态下，电池正负极材料活性和内部电解液导电能力下降，内阻增大，工作电流就变小，于是对外表现为动力放电容量和电池容量的衰减。在-20℃时电池内阻是25℃时的7-10倍之多，当气温降至零下时，对能耗的影响约为10％以上，续航也同比缩水。气温从25℃下降到-20℃，汽车动力电池所能释放的电
量会大幅降低，同时充电所需的时间也会增加。随着环境温度的降低，恒流充电容量大幅度降低。当环境温度达到-20℃时，充电容量仅为常温充电容量的51.68％，在-25℃的环境下充电时，会瞬间达到电池的充电截止电压，无法对电池进行有效充电。因此利用该装置可以有效地降低甚至避免以上问题的出现，使电池长时间的维持在合适温度，仅需在一段时间内为该装置充一次能量。彻底解决电动汽车充电慢，掉电快，续航缩水等一系列问题，使能量利用率显著提高。
[0078]
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。