[发明专利]锂离子动力电池组充放电过程中温度控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于电源管理技术领域，特别涉及锂离子动力电池组放电过程中温度控制系统及方法。

背景技术

纯电动汽车正常运行所需锂离子动力电池数目在100-130个左右，为了方便管理和后期维护，一般采用模块化设计，每个电池模块由10-13个电池串联组成；由于车辆上装载电池的空间有限，所以电池与电池之间是密堆积的。当电池组在充电时，或者车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下以不同倍率放电时，都会以不同的速率产生热量，加上空间狭窄，因而随着时间的累积将会聚集大量热量，从而导致电池组运行环境温度变化较大。而动力电池的性能对温度变化较敏感。当电池组在低温时，尤其是在-10℃以下时，电池活性明显降低，电池的欧姆内阻和极化内阻增加，电池组的放电能力下降，放电平台变低，且更加容易达到放电截止电压，使得电池的实际可用容量减小、能量利用效率下降。在低温充电时，由于电池的活性差，大电流充电情况下，容易在一瞬间产生大量热量，使电池发生热失控或爆炸，特别是容易使电池负极石墨的嵌入能力下降，这样电池正极反应放出的锂离子可能在电池负极沉积下来，造成锂枝晶的形成，使得可用的锂离子减少，严重的时候造成电池内部短路。当电池在充放电过程中，各种化学反应和电化学反应所放出的大量热容易在电池内部积聚，如果得不到及时通风散热，将导致电池组系统的温度过高或温度分布不均匀，其结果将降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性。再者，由于发热电池体的密集摆放，中间区域必然热量聚集较多，边缘区域较少则增加了电池组中各单体之间的温度不均衡，这将造成各电池模块、单体性能的不均衡，影响电池性能的一致性及电池荷电状态(SOC)估计的准确性，最终影响到电动车的系统控制。这就需要我们在电池组模块的结构设计中添加温度控制系统来保证电池单体的正常运行，使得电池组中每个电池都能发挥出最佳性能。

锂离子电池内部产生的热量主要是源自四部分：反应热、极化热、焦耳热和分解热。反应热是由于电池内部的各种化学反应而产生的热量，这部分热量在充电时为负值，在放电时为正值。极化热是电池在充放电过程中，由于电池的极化，电池的平均电压会与开路电压有所偏差，而导致产生的热量，这部分热量在充放电的时候都为正值。焦耳热这部分热量是由于电池内部存在电阻而产生的，在充放电的过程中这部分热量都为正值。分解热是电池的电极在自放电的存在下电极的分解而产生的热量，这部分热量在充放电的时候都很小，因而可以忽略不计。由于反应热在充电时为负值，在放电时为正值，因此电池在放电过程中的热生成率要大于充电过程中的热生成率，从而导致放电时电池温度要比充电时电池的温度高。对于一个完全充满电状态下的锂离子全电池，它在可逆放电过程中的总反应中呈现了放热效应。

锂离子电池组的散热主要有风冷、液冷和相变材料等模式：使用液体作为传热介质，池壁面之间换热系数高，冷却、加热速度快；不足之处在于：密封性要求高；重量相对较大；维修和保养复杂；需要水套、换热器等部件，结构相对复杂。相变材料(例如液体石蜡)的传热蓄热能力最强，且在达到相变温度时可以大量吸热或放热而不升温降温，通过选用合适的相变材料能够使电池单体有效地达到热平衡，很好的控制电池温度上下限，避免产生温度过高过低的现象，但这需要考虑到导电性，安全性，还有密封性，以及以后的维修方便性，还要考虑到电池模块整体的重量，研发制造成本高等问题。目前最有效且最常用的还是采用风冷模式，以空气作为散热介质。但目前的风冷模式，都由电池组提供电流，无法自动调整风冷装置的排风量来控制电池模块的温度。

锂离子电池组模块的加热方式主要有：流体加热、加热板加热、发热线缠绕加热、电热膜包覆加热等。流体加热是指空气或液体加热后引入到在电池模块中，然后将热量传递给电池，但是出于电池模块中流速及空间的限制，气态空气将热量传导到固态电池上效率较低，且各处流速不均，很难保证均匀传热。目前采用的加热板加热、发热线缠绕加热、电热膜包覆加热等方式，容易使电池组升温过快，加上加热丝靠近电池，容易造成短路等事故。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种锂离子动力电池组充放电过程中温度控制系统。该系统电路结构简单，便于后期维护，反映准确迅速，具有电池组温度实时监控、智能控制电池组温度、高低温报警等功能，能根据电池组的温度智能调节输出电流的大小，控制风扇的转速，同时根据充电或放电情况下选择外加电路或电池组对风扇和加热线圈提供电流，达到安全、节能、提高电池能量利用率的目的。