[发明专利]一种耦合石墨烯与热泵的电池组热管理系统及控制方法

权利要求书

1.一种耦合石墨烯与热泵的电池组热管理系统及控制方法，其特征在于：石墨烯电加热器预热系统和热泵液体冷却/预热系统耦合而成。

所述的石墨烯电加热器预热系统，由辅助电池组(1)、控制器(2)、石墨烯元件(4)组成，辅助电池组(1)由导线与控制器(2)相连，控制器(2)通过导线与石墨烯元件(4)相连。

所述的热泵液体冷却/预热系统由压缩机(9)、四通阀(8)、冷凝器(7)、膨胀阀(6)、冷板(5)和石墨烯元件(4)组成，其中四通阀的一条管道依次连接四通阀的S口、压缩机和四通阀的D口；另一条管道依次连接四通阀的E口、冷板、膨胀阀、冷凝器和四通阀的C口。

2.根据权利要求1，所述的辅助电池组(1)是由低温性能较好，成本较低的镍氢电池组成，其用来为石墨烯元件(4)加热提供电功率；所述的动力电池组(3)是由为电动汽车行驶提供动力的，由方块状锂电池组成，每块电池均布有温控传感器。

3.根据权利要求1，所述的石墨烯元件(4)，在动力电池组(3)里的每两个单体电池间均有布置，单体电池与石墨烯元件(4)直接接触，每个石墨烯元件(4)直接与控制器(2)相连，其两侧的单体电池的温度反馈给控制器(2)，控制器(2)根据反馈的温度对每个石墨烯元件(4)进行通断电控制。

4.根据权利要求1，所述的冷板(5)放在动力电池组(3)的下方直接与动力电池组(3)接触，与石墨烯元件(4)和动力电池组(3)直接换热；所述的控制器(2)接受动力电池组(3)的温度反馈，同时将温度反馈给车载控制系统。

5.一种耦合石墨烯与热泵的电池组热管理系统及控制方法，其特征在于：当处于高温环境时，液冷系统开启，车载控制系统将压缩机(9)开启，四通阀(8)的D口与C口相通，E口与S口相通，压缩机(9)内冷却剂由四通阀(8)D口进经C口到达冷凝器(7)散热，低温的冷却剂经膨胀阀(6)后到达冷板(5)，吸收冷板(5)上的热量后从四通阀(8)E口经由S口回到压缩机(9)。动力电池组(3)单体电池间的热量由石墨烯元件(4)传达到冷板(5)，另一方面，动力电池组(3)底部的热量通过与冷板(5)的直接接触传给冷板(5)。

6.一种耦合石墨烯与热泵的电池组热管理系统及控制方法，其特征在于：当处于寒冷环境(＝＜-10℃)时且汽车长时间处于驻车状态需要冷启动预热时，启动电加热器预热系统为动力电池组(3)预热。动力电池组(3)的温度反馈给控制器(2)，控制器(2)将动力电池温度反馈给车载控制系统，车载控制系统将压缩机(9)关闭，控制器(2)将石墨烯元件(4)与辅助电池组(1)接通，石墨烯元件(4)充当加热器为动力电池组(3)预热；当动力电池组(3)的单体电池温度高于预设值20℃时，控制器(2)接受到动力电池组(3)温度反馈，将与该单体电池直接接触的石墨烯元件(4)与辅助电池组(1)的连接断开；当动力电池组(3)的单体电池温度低于预设温度时，单体电池直接接触的石墨烯元件(4)与辅助电池组(1)的连接接通，以此保证电池组各个单体电池均处于预设值，避免电池温度不均匀的问题。

7.一种耦合石墨烯与热泵的电池组热管理系统及控制方法，其特征在于：当处于低温环境(-10℃-10℃)且汽车短时间处于驻车状态需要冷启动预热时，启动热泵系统为动力电池组(3)预热。车载控制系统将压缩机(9)开启，石墨烯元件(4)与辅助电池组(1)连接断开，四通阀(8)的D口与E口相通，C口与S口相通，压缩机(9)内冷却剂由四通阀(8)D口进经E口到达冷板(5)散热，低温的冷却剂经膨胀阀(6)后到达冷凝器(7)，吸收环境中的热量后从四通阀(8)C口经由S口回到压缩机(9)。冷板(5)将热量传给石墨烯元件(4)进而散热给动力电池组(3)，另一方面，冷板(5)通过直接与动力电池组(3)底部的接触给动力电池组(3)预热。

8.根据权利要求1，所述的石墨烯元件(4)加工工艺为：所采用的氧化石墨烯制备方法如下：以石墨为原料，采用改进的Hummer法，将1.5g的石墨加入到200ml的硫酸/H₃PO₄(体积比9∶1)溶液中。将9g kmno₄逐渐添加到上述溶液中，并在50℃下以250rpm搅拌12h。然后将该溶液冷却到室温并倒入400ml冰上，同时在搅拌的同时将3ml H₂O₂添加到该溶液中。用30毫升37％盐酸洗涤溶液，然后用蒸馏水以8000转/分的速度离心洗涤。将上部的澄清溶液倾倒并重新注入蒸馏水进行离心，直到通过添加AgNO₃在试验溶液中没有可见的AgCl沉淀。将所得GO溶液冷冻干燥(-50℃，0.6pa)以去除溶剂，然后控制地添加蒸馏水以形成高度浓缩的GO油墨。可打印Go墨水在水中的浓约为80mg/ml。石墨烯元件(4)所进行的打印过程如下：3D打印由3D打印机(Fisnarf4200n)执行，具有可编程的三维图形逐层构建能力。使用一个直径为300μm的3D打印喷嘴，压力控制在60psi，喷嘴的移动速度为1-5mm/s。3D打印的尺寸作为设计输入到系统中。三维加热器设计12层。印刷后，在-50℃的真空压力为0.6pa的条件下对印刷结构进行冷冻干燥，以去除水溶剂并保持3D结构。

石墨烯元件(4)所进行的焦耳热还原过程如下：焦耳加热是在有氩气保护气氛或真空的手套箱中进行的，以保护RGO加热器在高温下不在空气中燃烧。在氩流量(100ml/min)下，以10℃/min的升温速率在管式炉中，在600℃下首先将打印的GO加热器预热处理1h，以获得焦耳加热的合适导电率(kΩ)。通过银膏(SPI)将热还原的RGO纳米结构与铜电极连接，以改善RGO加热器与铜电极之间的电接触。将RGO加热器悬浮在陶瓷基板上，以避免基板受到高温损坏。Keithley 2400源表用作电流低于1A或功率低于20W的电力输入电源。高功率变压器(Volteq hy6020ex)用于高电流(高达10A)或高功率(高达60W)输入。