[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

说明书

本发明公开了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/液冷系统耦合而成。电加热器预热系统由辅助电池组、控制器、石墨烯元件组成，辅助电池组由导线与控制器相连，控制器通过导线与石墨烯元件相连。热泵/液冷系统由压缩机、四通阀、冷凝器、膨胀阀、冷板和石墨烯元件组成，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。本发明将环境温度分为三种情况，分别采用石墨烯加热器、热泵系统和液冷系统对寒冷、低温和高温环境工况下的动力电池进行热管理。其中，热泵系统和液冷系统通过四通阀进行转换。

技术领域

本发明属于电动汽车电池热管理领域，特别涉及动力电池低温预热及高温热安全管理技术。

背景技术

近年来，越来越多的电动汽车被投入实际应用中。电动汽车的动力核心是动力电池组，一般是锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池等。这些电池因为自身结构以及电解液的原因，在低温下非常影响电池的自身性能，其容量、寿命、放电能力等均会随着温度的降低而有明显下降，这对车辆动力性和续航里程等都会带来非常不利的影响。此外，在低温充电时，电池石墨电极上的锂离子的嵌入和镀锂反应是同时存在的且相互竞争。低温条件下锂离子在石墨中的扩散被抑制，电解液的导电率下降，从而导致嵌入速率降低而在石墨表面上会使镀锂反应更容易产生。同时，当电池处于较高温度时，过高的温度也会影响电池性能以及安全性。

目前的预热方法从大体上来说分为内部加热与外部加热。内部加热是通过电池自身的充放电发热对电池进行预热，这种方法会对电池自身容量，寿命造成损坏。外部加热则一般通过布置加热器或者热泵系统，但一般的加热器温升速率不高，无法做到在短时间内预热，而热泵系统用于先对流体加热，热流体再对电池加热，预热效率不高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本使用新型设计了一种动力电池预热与冷却系统，以解决寒冷时预热效率低，低温时预热的能源利用率低，以及高温时的冷却问题，以提高动力电池组寿命，增加电动汽车续航能力。

为实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种动力电池预热与冷却系统，其特征在于：石墨烯加热器预热系统和热泵/液冷系统耦合而成。石墨烯加热器预热系统，由辅助电池组，控制器，石墨烯元件组成，辅助电池组由导线与控制器相连，控制器通过导线与石墨烯元件相连。

热泵/液冷系统由压缩机、四通阀、冷凝器、膨胀阀、冷板和石墨烯元件组成，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。

辅助电池组是指低温性能较好，成本较低的电池，例如镍氢电池，他的作用是为作为加热器时的石墨烯元件提供电量。它独立于动力电池之外，不需要对它进行预热或降温。其有益效果是，低温为石墨烯加热器供电所产生的对电池的损伤由动力电池组转移到了辅助电池组，进一步保证了动力电池组的寿命。动力电池组是指为电动汽车行驶提供动力的，由方块状电池组成，每块电池均布有温控探头。

石墨烯元件在动力电池组里的每两个单体电池间均有布置，单体电池与石墨烯元件直接接触，每个石墨烯元件直接与控制器相连，其两侧的单体电池的温度反馈给控制器，控制器根据反馈的温度对每个石墨烯元件进行通断电控制。石墨烯元件在石墨烯加热器预热系统中充当电加热器，在液冷系统中充当导热元件，采用3D打印技术制得。其有益效果是，石墨烯材料的加热器具有极快的速度上升和下降，最高可达～20000K/秒，可以大大缩短预热时间。与普通的加热器相比，石墨烯与金属电极接触界面的电接触特性得到改善，机械连接更加紧密，达到了有效降低接触电阻的目的。此外，石墨烯元件还有极高的导热性，当电池处于高温时，可以当做导热元件，在预热系统与冷却系统中都起到作用，与预热系统和冷却系统分开相比，减少了设备，实现了轻量化。

冷板放在动力电池组的下方，冷板直接与动力电池组接触，可与石墨烯元件与动力电池组直接换热；控制器接受动力电池组的温度反馈，同时将温度反馈给车载控制系统。