一种航天动力锂离子电池的温度控制装置转让专利
申请号 : CN200810064472.8
文献号 : CN100595969C
文献日 : 2010-03-24
发明人 : 孙克宁 , 杨同勇 , 刘伶 , 王春生
申请人 : 哈尔滨工业大学
摘要 :
一种航天动力锂离子电池的温度控制装置，它涉及锂离子电池。它解决了相变材料中添加石墨以及金属粉末或削片来降低电池组温度时，尤其在航天器发射时剧烈的震荡，高达10倍的重力加速度，空间辐射，高速围绕星球旋转的情况下添加物在相变材料中难以保持均匀分布的问题，如添加物的沉降，聚集现象，影响导热性能，以致缩短电池的使用寿命。本发明的导热丝(3)纵向和横向交叉设在相变材料(2)内，导热丝(3)的端部固定在外壳(1)的内壁或单电池(4)的外壁上。本发明在考虑到重量因素的前提下，在相变材料内纵向和横向设置导热丝(3)，能快速的传递热量，有效的降低了电池的温度，减小各单体电池间的温差。
权利要求 :
1、一种航天动力锂离子电池的温度控制装置，它由外壳(1)、相变材料(2)、导热丝(3)和单电池(4)组成，其特征在于导热丝(3)纵向和横向交叉设在相变材料(2)内，导热丝(3)的端部固定在外壳(1)的内壁或单电池(4)的外壁上。
2、 根据权利要求1所述的一种航天动力锂离子电池的温度控制装置，其 特征在于在密封壳体（1)前以小密度的相将壳体（1)内的空隙填满。
3、 根据权利要求1所述的一种航天动力锂离子电池的温度控制装置，其 特征在于导热丝（3)采用铝丝。
4、 根据权利要求1所述的一种航天动力锂离子电池的温度控制装置，其 特征在于相变材料（2)采用石蜡，其相变温度为40〜55。C。
5、 根据权利要求1所述的一种航天动力锂离子电池的温度控制装置，其 特征在于外壳（1)采用铝材料。
说明书 :
一种航天动力锂离子电池的温度控制装置
技术领域
本发明涉及一种电池的温度控制装置。 背景技术
锂离子电池具有比能量大、电压高、重量轻、体积小、无记忆效应和工作 温度范围宽，自放电率低以及储存寿命长等优点，受到人们的青睐。而以锂离 子电池串并联作为动力电源已被应用于电子产品、电动自行车、电动汽车以及 航天领域。近年来，国内外一些公司和政府军事部门纷纷投巨资研究航天用动 力锂离子电池及电池组。锂离子电池的稳定性及安全性较其他蓄电池差，这就 要求其在使用过程中，需配备监控电池工作的电池管理系统，其中热管理是电
^k管理系统中重要的组成部分。温度对锂离子电池的电化学系统的运行、充放 电效率、电池可充性、容量和功率、电池的安全性以及电池的寿命影响很大。 例如当过充电时，温度升高使电解质分解，而使得电池内部的温度继续升高以 致引发其他不利反应，同时压力上升。锂离子电池压力与热量的大量增加，容 易产生火花、燃烧甚至爆炸，导致电池寿命縮短。此外，电池内部产生的热量 会使位于电池组内部的电池温度高于电池工作的最佳温度上限，而位于周边的 电池又接近环境温度，这就在电池组内部各个单体电池之间产生了非常严重的 温度分布不一致，从而造成单体电池之间的性能不匹配,导致电池组过早失效。
目前应用于动力电池组的冷却方式主要有空冷和液冷两种：空冷是让空气流过 电池组中各电池表面。其缺点在于其与电池壁面之间换热系数低，热量转移速 度慢。液冷分为直接接触（液体例如矿物油）和非直接接触（液体例如水或防
冻液）两种方式。其主要缺点有:存在漏液的可能;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。此两种冷却方式均不适合于航 天领域锂离子电池的冷却。专利200510073005. 8是采用相变材料对电池进行 温度控制，但是一般相变材料的导热性能不理想，电池产生的热量不能及时被 传递，电池组中温度的分布不能达到最优。有相关文献采用在相变材料中添加 石墨、金属粉末或削片的方法来提高热导率，此种方法在航天领域的应用存在 潜在的危险，尤其在航天器发射时剧烈的震荡，高达10倍的重力加速度、空 间辐射、高速围绕星球旋转等情况的影响下添加物难以保证均匀分布，如添加 物的沉淀、聚集等现象，影响导热性能的一致性。也有文献报道，把石磨或金属（以铝为主）制成多孔结构作为基体，而后在空隙中添加相变材料，以达到 吸热及快速传热的目的，但是整体质量较重，在航天中的应用受到约束。 发明内容
本发明为了解决在相变材料内添加石墨、金属粉末或削片来降低电池组温
度时，尤其在航天器发射时剧烈的震荡，高达io倍的重力加速度，空间辐射、
高速围绕星球旋转等情况下添加物在相变材料中分布的均匀性受到破坏，如添 加物的沉淀、聚集现象，影响电池的电化学性能及电池使用寿命，电池体重的 问题，本发明提供了一种航天动力锂离子电池的温度控制装置解决上述问题的
具体技术方案如下：
本发明由外壳、相变材料、导热丝和单电池组成，导热丝纵向和横向交叉 设在相变材料内，导热丝的端部固定在外壳的内壁或单电池的外壁上。
本发明采用在相变材料内纵向和横向设置导热丝，能快速的传递热量，有 效的降低了电池的温度，减小各单体电池间的温差，提高电池的电化学性能、 充放电效率、可充性、容量、功率及电池组的可靠性、安全性和使用寿命。是 目前航天用锂离子电池的理想结构。
锂离子电池具有比能量大、电压高、重量轻、体积小、无记忆效应和工作 温度范围宽，自放电率低以及储存寿命长等优点，受到人们的青睐。而以锂离 子电池串并联作为动力电源已被应用于电子产品、电动自行车、电动汽车以及 航天领域。近年来，国内外一些公司和政府军事部门纷纷投巨资研究航天用动 力锂离子电池及电池组。锂离子电池的稳定性及安全性较其他蓄电池差，这就 要求其在使用过程中，需配备监控电池工作的电池管理系统，其中热管理是电
^k管理系统中重要的组成部分。温度对锂离子电池的电化学系统的运行、充放 电效率、电池可充性、容量和功率、电池的安全性以及电池的寿命影响很大。 例如当过充电时，温度升高使电解质分解，而使得电池内部的温度继续升高以 致引发其他不利反应，同时压力上升。锂离子电池压力与热量的大量增加，容 易产生火花、燃烧甚至爆炸，导致电池寿命縮短。此外，电池内部产生的热量 会使位于电池组内部的电池温度高于电池工作的最佳温度上限，而位于周边的 电池又接近环境温度，这就在电池组内部各个单体电池之间产生了非常严重的 温度分布不一致，从而造成单体电池之间的性能不匹配,导致电池组过早失效。
目前应用于动力电池组的冷却方式主要有空冷和液冷两种：空冷是让空气流过 电池组中各电池表面。其缺点在于其与电池壁面之间换热系数低，热量转移速 度慢。液冷分为直接接触（液体例如矿物油）和非直接接触（液体例如水或防
冻液）两种方式。其主要缺点有:存在漏液的可能;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。此两种冷却方式均不适合于航 天领域锂离子电池的冷却。专利200510073005. 8是采用相变材料对电池进行 温度控制，但是一般相变材料的导热性能不理想，电池产生的热量不能及时被 传递，电池组中温度的分布不能达到最优。有相关文献采用在相变材料中添加 石墨、金属粉末或削片的方法来提高热导率，此种方法在航天领域的应用存在 潜在的危险，尤其在航天器发射时剧烈的震荡，高达10倍的重力加速度、空 间辐射、高速围绕星球旋转等情况的影响下添加物难以保证均匀分布，如添加 物的沉淀、聚集等现象，影响导热性能的一致性。也有文献报道，把石磨或金属（以铝为主）制成多孔结构作为基体，而后在空隙中添加相变材料，以达到 吸热及快速传热的目的，但是整体质量较重，在航天中的应用受到约束。 发明内容
本发明为了解决在相变材料内添加石墨、金属粉末或削片来降低电池组温
度时，尤其在航天器发射时剧烈的震荡，高达io倍的重力加速度，空间辐射、
高速围绕星球旋转等情况下添加物在相变材料中分布的均匀性受到破坏，如添 加物的沉淀、聚集现象，影响电池的电化学性能及电池使用寿命，电池体重的 问题，本发明提供了一种航天动力锂离子电池的温度控制装置解决上述问题的
具体技术方案如下：
本发明由外壳、相变材料、导热丝和单电池组成，导热丝纵向和横向交叉 设在相变材料内，导热丝的端部固定在外壳的内壁或单电池的外壁上。
本发明采用在相变材料内纵向和横向设置导热丝，能快速的传递热量，有 效的降低了电池的温度，减小各单体电池间的温差，提高电池的电化学性能、 充放电效率、可充性、容量、功率及电池组的可靠性、安全性和使用寿命。是 目前航天用锂离子电池的理想结构。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是图1的侧 视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图l描述本实施方式。本实施方式由外壳l、相变 材料2、导热丝3和单电池4组成，若干根导热丝3纵向和横向交叉设在相变 材料2内，导热丝3的端部固定在外壳1 (外壳l采用金属铝）的内壁或单电 池4的外壁上。
具体实施方式二:本实施方式在壳体1密封前以小密度的相将壳体1内的 空隙填满。
具体实施方式三：本实施方式导热丝3采用铝丝。导热丝3的数量、直径 及分布根据实际情况而定。
具体实施方式四：本实施方式的相变材料2采用石蜡(其质量轻、潜热大）， 其相变温度为40〜55°C。
具体实施方式五：本实施方式的电池组由多个单电池4 成。
相变材料在特定温度下其物理性能发生改变，此过程中其会吸收或放出热 量。相变发生时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。应用中，热量以相 变热的形式储存在相变储能材料中，从而吸收电池放出的热量而使电池温度迅 速降低。相变储能材料在热传输系统中的作用是吸收和储存电池产生的热量, 同时减少电池组中的温度变化，具有降低整个电池系统体积、减小运动部件、 不需要耗费电池额外能量,用于电池组的热传输系统中可以有效地吸收充放电 过程中释放出的热量，降低电池组内部各几何位置间的温度差，保证电池在正 常工作温度下工作。
采用石蜡为相变材料，外壳及导热丝采用金属铝，按照一定间距在外壳体 内对面连接导热丝，石蜡以固态形式填满于密封的铝外壳内壳体与电池组的空 隙。当电池组随着充放电时间及程度的深入，电池的温度不断上升，在达到石 蜡相变温度之前，固态石蜡及导热丝起到传热的作用，热量被传递到铝外壳； 当电池温度急剧上升，达到了石蜡的相变温度，石蜡以潜热的形式吸收热量， 并与导热丝一起传递热量到外壳。由于采用导热丝的连接，且连接的导热丝会 穿插在各单体电池间，可以快速的传递热量，更有效的降低电池的温度，保证 各单体电池间温度一致。按照所需传热的速度，及载重等具体因素，综合考虑
连接的导热丝的数量、直径及分布。此外，由于采用铝丝，热量的传递是连续 的，速度快，同时有固定的承力点，保证了性能的稳定。总之由于铝丝的立体 交错，使壳内的温度较快的被传递出去，温度均匀，有效的降低了电池的温度， 确保电池在最佳温度范围内工作，保证电池组的性能及寿命。
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具体实施方式二:本实施方式在壳体1密封前以小密度的相将壳体1内的 空隙填满。
具体实施方式三：本实施方式导热丝3采用铝丝。导热丝3的数量、直径 及分布根据实际情况而定。
具体实施方式四：本实施方式的相变材料2采用石蜡(其质量轻、潜热大）， 其相变温度为40〜55°C。
具体实施方式五：本实施方式的电池组由多个单电池4 成。
相变材料在特定温度下其物理性能发生改变，此过程中其会吸收或放出热 量。相变发生时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。应用中，热量以相 变热的形式储存在相变储能材料中，从而吸收电池放出的热量而使电池温度迅 速降低。相变储能材料在热传输系统中的作用是吸收和储存电池产生的热量, 同时减少电池组中的温度变化，具有降低整个电池系统体积、减小运动部件、 不需要耗费电池额外能量,用于电池组的热传输系统中可以有效地吸收充放电 过程中释放出的热量，降低电池组内部各几何位置间的温度差，保证电池在正 常工作温度下工作。
采用石蜡为相变材料，外壳及导热丝采用金属铝，按照一定间距在外壳体 内对面连接导热丝，石蜡以固态形式填满于密封的铝外壳内壳体与电池组的空 隙。当电池组随着充放电时间及程度的深入，电池的温度不断上升，在达到石 蜡相变温度之前，固态石蜡及导热丝起到传热的作用，热量被传递到铝外壳； 当电池温度急剧上升，达到了石蜡的相变温度，石蜡以潜热的形式吸收热量， 并与导热丝一起传递热量到外壳。由于采用导热丝的连接，且连接的导热丝会 穿插在各单体电池间，可以快速的传递热量，更有效的降低电池的温度，保证 各单体电池间温度一致。按照所需传热的速度，及载重等具体因素，综合考虑
连接的导热丝的数量、直径及分布。此外，由于采用铝丝，热量的传递是连续 的，速度快，同时有固定的承力点，保证了性能的稳定。总之由于铝丝的立体 交错，使壳内的温度较快的被传递出去，温度均匀，有效的降低了电池的温度， 确保电池在最佳温度范围内工作，保证电池组的性能及寿命。
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