一种热电偶电池热自动管理系统

摘要

本发明涉及一种热电偶电池热自动管理系统，属于电池管理技术领域。本电池组箱中的各单体电池外壁都接触有热电偶测量端，各热电偶测量端通过热电偶补偿线连接对应的热电偶电压输出端子，各单体电池对应的热电偶电压输出端子相互串联成一个总热电偶电源，总热电偶电源的负极接地，各单体电池的热电偶电压输出端子及单体电池的正极都接入对应的三极管放大电路且该放大电路的输出端为电池组的电源输出，总热电偶电源的正极接每个单体电池的热电偶电压输出端子负极。本发明电路简单，反应速度快，造价低廉，能够对单体电池集中堆放构成的蓄电池组实现对电池单体进行独立电流调节，实现智能独立降温，并能满足电池组长时间工作的需要。

权利要求

1.一种热电偶电池热自动管理系统，其特征是：电池组箱中的各单体电池外壁都接触有热电偶测量端，各热电偶测量端通过热电偶补偿线连接对应的热电偶电压输出端子，各单体电池对应的热电偶电压输出端子相互串联成一个总热电偶电源，总热电偶电源的负极接地，各单体电池的热电偶电压输出端子及单体电池的正极都接入对应的三极管放大电路且该放大电路的输出端为电池组的电源输出，总热电偶电源的正极接每个单体电池的热电偶电压输出端子负极。

2.按权利要求1所述的热电偶电池热自动管理系统，其特征是：电池组箱侧面为夹层结构，外层的箱体外壳为保温层，内层的箱体内壁为导体层，电池组箱夹层间的空气对流层顶端封闭，下端设有开放孔，箱体外壳的上部设置有换气窗口，在该换气窗口上装有与换气窗口尺寸相同的双金属调温片。

3.按权利要求2所述的热电偶电池热自动管理系统，其特征是：三极管放大电路为两级相连的三极管放大电路，三极管T2的基极接单体电池的热电偶电压输出端子正极，三极管T2的发射极接地，三极管T2的集电极与三极管T1的基极连接，三极管T1的集电极连接单体电池的正极，三极管T1的发射极接电池组的输出端正极，单体电池的负极并联接电池组的输出端负极。

4.按权利要求2所述的热电偶电池热自动管理系统，其特征是：电池组箱体外壳的换气窗口的截面为内小外大的梯形结构。

5.按权利要求2所述的热电偶电池热自动管理系统，其特征是：热电偶补偿线采用≤

0.2平方毫米的导线，热电偶采用使用温度为-200℃～350℃的铜—康铜T型热电偶。

说明书

一种热电偶电池热自动管理系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种热电偶电池热自动管理系统，属于电池管理技术领域。

背景技术

[0002] 目前在电池管理系统中，目前最新的技术主要有①锂电池相变潜热式保温套进行降温, 该保温套是一种低成本的高效被动式电池热能管理技术，锂电池相变潜热式保温套对电池起到热稳定和平衡保护的目的。所采用的锂电池降温散热套由42°相变材料和超导热材料混合而成，锂电池发热热量由相变材料进行吸收后通过超导热材料迅速把热量和环境温度进行热交换，由于相变材料趋于恒温的特性，锂电池始终处在42°左右的恒温环境中，确保锂电池的安全。相变材料是一种蓄能材料，当它从固体状态转换为液体状态的时候会吸收大量的热，从液体状态结晶成固体时则释放大量的热，通过相变材料的这种温度调节功能，能有效起到热缓冲的作用。锂电池降温散热套上的相变材料是封装在微米级的胶囊内，所以当相变材料发生固液转换的时候不会发生液体泄漏现象。②另一种是PCM降温，该方法不需要依赖电能来运转。当锂离子电池发出热量时，热能被石蜡吸收，其状态便从固态转变成液态，这便是PCM热量管理的原理。“即使所有的石蜡转化为液体，我们的PCM石墨基体依然保持着最初的形状。基本的物理张力可以将石蜡保存在石墨‘海绵’中，因为石蜡和石墨之间的表面张力大于液态石蜡流出来的冲力”，在电池放电过程中，部分热量会散发掉，部分会储存在PCM和电池单元内。电池单元停止工作时也会停止产生热量，储存在热电容器内的热量就会重新散发到电池单元和周围的环境中（参见http://www.newmaker.com/news_85283.html）。

[0003] 上述两种现有技术的电池降温方案均属于采用相变潜热技术对电池进行降温，该技术可以实现对电池单体的降温，但如果这个电池单体的工作时间过长，保温套吸热达到极限，由于每一个电池单体被集中堆放在一起，与周围环境进行热交换则无法实现，因此这一方案只适用于电池组处于短期工作的环境。

[0004] 对于电池组的电池单体进行智能独立降温，目前是通过电源管理系统进行热管理，但是对电池包的电源热管理对企业技术要求过高，其计算模式复杂，管理效果并不理想，无法实现单体（cell）电池的精确管理，目前还没有可行的技术，该问题亟待解决。

发明内容

[0005] 基于上述电源热管理存在的问题，本发明的目的是提供一种热电偶电池热自动管理系统，能够对单体电池集中堆放构成的蓄电池组实现对电池单体进行独立电流调节，实现智能独立降温，并能满足电池组长时间工作的需要。

[0006] 实现本发明上述目的所采取的技术方案是：电池组箱中的各单体电池外壁都接触有热电偶测量端，各热电偶测量端通过热电偶补偿线连接对应的热电偶电压输出端子，各单体电池对应的热电偶电压输出端子相互串联成一个总热电偶电源，总热电偶电源的负极接地，各单体电池的热电偶电压输出端子及单体电池的正极都接入对应的三极管放大电路且该放大电路的输出端为电池组的电源输出，总热电偶电源的正极接每个单体电池的热电偶电压输出端子负极。

[0007] 电池组箱侧面为夹层结构，外层的箱体外壳为保温层，内层的箱体内壁为导体层，电池组箱夹层间的空气对流层顶端封闭，下端设有开放孔，箱体外壳的上部设置有换气窗口，在该换气窗口上装有与换气窗口尺寸相同的双金属调温片。

[0008] 三极管放大电路为两级相连的三极管放大电路，三极管T2的基极接单体电池的热电偶电压输出端子正极，三极管T2的发射极接地，三极管T2的集电极与三极管T1的基极连接，三极管T1的集电极连接单体电池的正极，三极管T1的发射极接电池组的输出端正极，单体电池的负极并联接电池组的输出端负极。

[0009] 电池组箱体外壳的换气窗口的截面为内小外大的梯形结构。

[0010] 热电偶补偿线采用≤0.2平方毫米的导线，热电偶采用使用温度为-200℃～350℃的铜—康铜T型热电偶。

[0011] 热电偶是由两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，就是所谓的塞贝克效应。在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。本发明中所采用的热电偶就是利用了上述原理。然而，热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），为了节省热电偶材料，降低成本，本发明采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的电压输出端子上。热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。本发明采用了成本较低的铜－铜镍热电偶（IEC国际标准生产分度号为Ｔ）T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；
它的使用温度是-200℃～350℃，它们灵敏度比较高，铜—康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。

[0012] 当电池发热量较小的时候，电池内部的温度与电池箱体底部的温差很小，热电偶累加起来的电压值较低，这个时候三极管T2的基极电压过低，该三极管处于截止状态，而对于另一只三极管T1而言，三极管T1的集极电压值等于单体电池正极电压值，为高电平，三极管T1处于导通态，单体电池的正极输出通过T1的集电极到发射极，单体电池电流正常输出；当电池箱体温度升高的时候，电池内部的温度与电池箱体底部的温差变大，热电偶累加起来的电压值较高，这个时候三极管T2的基极电压达到了工作电压状态，三极管T2的基极电压决定了其电流输出的大小，此时对于三极管T1而言，三极管T1的集极电压值也就不再等于单体电池正极电压值，而处于放大工作电压状态，这时的单体电池电流输出大小反比于三极管T2的基极电压，换言之，单体电池温度越高，该单体电池的输入电流就越小，起到了自动调节降温的作用。另一方面，整个电池箱的温差决定了电池箱体是否处于电流调节状态，如果电池箱体的整体温度较低，低于规定值，那么单体电池必须温度极高，才能实现单体电池电流的调节。

[0013] 对于电池组工作而言，处于一个适当的温度（一般而言，控制在25度）电池组的电流输出效率处于最佳状态，如果温度过低，例如低于10度以下，电池的额定容量就会减小。在本发明中，整个电池组箱体的四周采用了夹层结构，如果电池组箱体的温度过高，换气窗口位置的双金属调温片就发生弯曲，使得换气窗口被打开，热气流在空气对流层夹层中上升，当气流流过夹层的时候，箱体内壁的温度被降低，双金属片的弯曲程度与电池箱体的温度成正比，温度越高，换气窗口开度越大，当发热和散热到平衡态之后，电池组被控制在最佳温度范围之内；如果环境温度过低，双金属片恢复平直状态，把换气窗口进行严密封堵，夹层具有保温的作用，利用电池自身的发热，使得箱体温度慢慢升高，使得电池处于适合的温度范围内。因此采用双金属片敏感性，可以不通过任何电路调节，自动实现整个电池组箱体的温度控制。

[0014] 本发明的有益效果：本发明中，每一节电池的外表面紧贴有热电偶测量端，当该电池单体温度升高的时候，使得半导体三极管的基极电压发生改变，自动调节输出电流，实现对该电池单体的保护和降温，另一方面，电池组箱体采用双金属调温片封闭换气窗口，实现箱体温度自动调节，不对环境产生任何影响，所使用的是模拟电路，反应速度快，造价低廉，可以实现对电池单体的独立降温以及整个箱体的温度自动调节，并且能够长期工作，具有广阔的应用前景。

附图说明

[0015] 图1为本发明结构主视示意图。

[0016] 图中：1.箱体内壁，2.空气对流层，3.箱体外壳，4.夹层开放孔，5.热电偶电压输出端子，6.箱体底层，7.单体电池，8.单体电池正极，9.热电偶测量端，10. 换气窗口，11.双金属调温片。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

[0018] 本发明由电池组箱体内壁1与箱体外壳3构成四周侧面带有夹层的电池组箱体组合，一系列单体电池7设置在箱体内壁的空间中，箱体外壳3的上部设置有换气窗口10，双金属调温片11装在换气窗口10处与之匹配。电池组箱体的夹层的空气对流层2顶端封闭，下端设有.夹层开放孔4。换气窗口10的横截面呈内小外大的梯形结构，双金属调温片11的尺寸与换气窗口10的相等。电池组箱体底层6嵌入热电偶电压输出端子5，该端子焊接有两根相同的热电偶补偿线，热电偶的补偿线连接铜－铜镍热电偶T型热电偶测量端9，而热电偶测量端9则紧贴在单体电池7的外壁上。每一个单体电池7都对应一对热电偶电压输出端子5，构成一个微小的电源体，获得一个总的串联电压，整体构成一个总热电偶电源，总热电偶电源的负极接地，正极接每个单体电池7的热电偶电压输出端子5的负极，各单体电池7的热电偶电压输出端子5及单体电池正极8都接入了对应的一套三极管放大电路中，该三极管放大电路的输出端即为电池组的电源输出，连接负载。每个单体电池7配置的三极管放大电路为两级相连的三极管放大电路，热电偶电压输出端子5的正极接于三极管T2的基极，总热电偶电源的正极与单个三极管T2的基极之间配置有限流电阻R2，三极管T2的发射极接地，其集电极与另一三极管T1的集电极之间接入了限流电阻R1并同时连接单体电池7的正极，三极管T1的基极直接连接三极管T2的集电极，三极管T1的发射极连接电池组的电源正极。当电池发热量较小的时候，电池内部的温度与电池箱体底部的温差很小，热电偶累加起来的电压值较低，这个时候三极管T2的基极电压过低，该三极管处于截止状态，而对于另一只三极管T1而言，三极管T1的集极电压值等于单体电池正极电压值，为高电平，三极管T1处于导通态，单体电池的正极输出通过T1的集电极到发射极，单体电池电流正常输出；当电池箱体温度升高的时候，电池内部的温度与电池箱体底部的温差变大，热电偶累加起来的电压值较高，这个时候三极管T2的基极电压达到了工作电压状态，三极管T2的基极电压决定了其电流输出的大小，此时对于三极管T1而言，三极管T1的集极电压值也就不再等于单体电池正极电压值，而处于放大工作电压状态，这时的单体电池电流输出大小反比于三极管T2的基极电压，换言之，单体电池温度越高，该单体电池的输入电流就越小，起到了自动调节降温的作用。当电池组箱体的温度过高时，换气窗口位置的双金属调温片就发生弯曲，使得换气窗口被打开，热气流在空气对流层夹层中上升，当气流流过夹层的时候，箱体内壁的温度被降低，双金属片的弯曲程度与电池箱体的温度成正比，温度越高，换气窗口开度越大，当发热和散热到平衡态之后，电池组被控制在最佳温度范围之内；如果环境温度过低，双金属片恢复平直状态，把换气窗口进行严密封堵，夹层具有保温的作用，利用电池自身的发热，使得箱体温度慢慢升高，使得电池处于适合的温度范围内。