本发明涉及电池包技术领域，具体而言涉及一种电池包的散热和加热装置以及其控制方法。
背景技术：
由于现代社会的环境污染日益严重，汽车尾气是影响空气质量的一个较大因素，人们的环保意识不断增强。电池作为替代化石能源的清洁能源，在电动车辆上的应用效果逐渐被社会公众所认可，使得电动汽车也越来越普及。电动汽车的电池板上分布有多个电池包，电池包通常由多个电池组串联，为电动汽车提供动力供给，同时还不断储存能源。然而，电池包为封闭结构，其工作电流大，产生的热量大。若缺乏有效散热，可能导致电池的温度过高，影响电池的充放电能力和寿命，严重的还会引起电池自燃。
目前的电池包散热结构，通常采取单一散热方式，设置多个导热部件和通风通道，然后采用电扇进行风冷散热的方式，或者采用液冷或相变材料的散热结构。然而，电池包风冷散热的效果不均衡，内部的温差较大，难以维持电池的合适温度。另外，目前液冷散热的效率还有待提高。同时，我国南北方温度差异较大，特别是在冬天的北方地区，室外温度经常达到零下，电池的温度过低也会给电动汽车的启动造成很大困难。上述问题为电池包和电动汽车的推广带来阻碍，使人们不能放心使用电动汽车。
因此，电池包的散热管理尤为重要，需要提供一种更高效率的电池包的散热和加热装置以及控制方法。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术中的不足，提出了一种多种方式结合、换热效率高的电池包的散热和加热装置以及控制方法。该电池包的散热和加热装置以及控制方法主要是通过冷媒、相变材料、电磁加热件、液体冷却和加热的配合使用，实现电池包的二级温度调控，达到电动车电池散热均匀、效率高的效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电池包的散热和加热装置，其特征在于，所述装置包括多个单体电池、冷媒、散热器、分层密封板、槽型管道、密封盖板以及相变材料；其中，密封盖板包括上盖板和下盖板，分层密封板将所述装置的内部纵向分隔为多层空间，冷媒分布在接近电池正、负极柱的层空间内，所述分层密封板将所述电池的正、负极柱密封并与所述冷媒隔开，槽型管道分布于电池周围，液体填充在所述槽型管道内。
可选地，所述分层密封板的数量为4个，分别为第一分层密封板、第二分层密封板、第三分层密封板、第四分层密封板，所述分层密封板将单体电池壳体所在的空间纵向分隔为3层，分别为上层空间、中层空间、下层空间，上层空间和下层空间分别为接近电池正、负极柱的层空间，在上层空间和下层空间内填充有冷媒，在中层空间内填充有相变材料，第一分层密封板和第四分层密封板将电池的正、负极柱密封并与所述冷媒隔开。
可选地，在每个单体电池上设置有电磁加热件，所述电磁加热件为缠绕在电池壳体上的电磁加热线圈或包覆在电池壳体上的电磁加热膜。
可选地，所述槽型管道呈回字形分布于所述单体电池之间，槽型管道之间在对角线处连接，形成通路；所述槽型管道的高度与所述单体电池的高度相近。
可选地，所述上、下盖板具有将每个单体电池串联的电路接口，以及上盖板上均匀安装有连接热管的散热器。
可选地，热管包括管壳、吸液芯和端盖，热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，吸液芯位于管壳内壁，其由毛细多孔材料构成，所述热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，所述冷凝器的一端密封，与散热器连接。
可选地，还包括温度检测器，所述温度检测器包括第一温度检测器和/或第二温度检测器，第一温度检测器位于冷媒介质中，第二温度检测器位于中层空间的相变材料与槽型管道外壁之间一个或多个位置。
可选地，所述散热器为圆形翅片散热器。
可选地，所述热管包括长热管和短热管，所述短热管伸到上层空间，供上层空间内的冷媒蒸发散热，所述长热管伸到下层空间，供下层空间内的冷媒蒸发散热。
可选地，还包括控制器，设置为二级散热，当设置在第二温度检测器测得的温度大于第二阈值时，所述控制器控制启动槽型管道的液冷循环系统；当在低温环境下，车辆启动需要预加热时，启动电磁加热件和/或液体循环系统加热；当在车辆行驶过程中，第二温度检测器测得的温度小于第四阈值时，启动槽型管道的液体加热循环系统。
另外，本发明还提供一种控制上述电池包的散热和加热装置的方法，其特征在于，该方法包括执行散热过程和加热过程，所述执行散热过程时包括以下步骤：
在电池大功率放电或充电时，电池壳体接近正、负极柱的位置将热量传给冷媒，冷媒在受热后的温度达到第一阈值时，开始蒸发散热，汽化冷媒沿着散热孔的热管一直到翅片散热器进行降温；
降温后的汽化冷媒再次凝结形成液体又通过热管回流到电池密封层内；
当设置在第二温度检测器，其测得的温度大于第二阈值时，所述控制器控制启动槽型管道的液冷循环系统；
所述执行加热过程时包括以下步骤：
当车辆电源被开启时，若第二温度器检测的温度小于第三阈值且大于第四阈值时，启动电磁加热件加热；若第二温度器检测温度小于第四阈值时，同时启动电磁加热件加热和液体循环系统；若所述第二温度检测器检测温度大于第五阈值时，关闭电磁加热件和/或液体循环系统；
当车辆行驶过程中，若第二温度检测器测得的温度小于第四阈值时，启动槽型管道的液体加热循环系统；若所述第二温度检测器检测温度大于第五阈值时，关闭液体循环系统。
其中，第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第五阈值。
本发明提供的电池包的散热和加热装置，通过设置多个密封分层板将电池壳体所在的空间分隔成三层空间，在上、下层空间对电池的主要发热部位即接近正、负极柱的位置填充冷媒进行高效散热，中层空间填充相变材料既有效导热，又在低温时具有保温作用，充分利用电池的自身结构，实现空间的合理配置。另外，在单体电池之间设置呈回字形分布的槽型管道，槽型管道之间在对角线处连接，形成通路，使冷却液体可以充分地在管道内流动，换热效率高，还简化了液体入口与出口的结构。同时，本发明的电池包的散热和管理装置和方法既能够同时启动冷媒、散热器、液体冷却循环的散热管理系统，或同时启动电池加热件和液体循环加热的加热管理系统，配合使用实现电池板的高效温度调控；还可以通过控制器根据温度传感器检测到的实际温度，再控制启动相应的散热或加热系统，能够实现灵活控制电池包的智能温度调控，从而保证了整个电池包的安全性和耐用性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1示意性地示出了一实施例中电池包的散热和加热装置的结构示意图。
图2示意性地示出了图1装置省略上盖板部分的俯视示意图。
图3示意性地示出了图2中槽型管道的立体示意图。
图4示意性地示出了图2在b处的剖面示意图。
图5示意性地示出了一实施例中分层密封板的示意图。
图6示意性地示出了一实施例中电磁加热线圈的示意图。
图7示意性地示出了一实施例中上盖板的结构示意图。
图8示意性地示出了一实施例中热管和散热器的示意图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。
在一实施例中，如图1和2所示，本发明提供了一种电池包的散热和加热装置，该装置包括多个单体电池2、冷媒、分层密封板3、槽型管道4、散热器10、密封盖板以及相变材料；其中，密封盖板包括将电池包封装的上盖板8和下盖板，分层密封板3将该装置的内部纵向分隔为多层空间，冷媒分布在接近电池正、负极柱的层空间内，分层密封板3将电池2的正、负极柱密封并与冷媒隔开，槽型管道4分布于电池2的周围，液体填充在槽型管道4内。密封时，回字形分布的槽型管道单独密封，相变材料由密封膜密封起来，然后分层密封板3分别对电池的正、负极柱及中间部分密封隔开。多个电池包串联组成电池板，为电动汽车提供动能并储存能量。
为了保持电池包内均匀和高效的散热效果，如图1-3，槽型管道4呈回字形分布于单体电池2之间，槽型管道4之间在对角线处连接，形成通路。槽型管道4的高度与单体电池2的高度相近。从图3的槽型管道立体图可以看出，槽型管道4在电池之间纵向形成管道壁，类似于各排电池之间的插槽。槽型管道4内填充有液体介质，优选为加有少量乙二醇的水溶液。水溶液从槽型管道位于电池包底部的入口进入后分多个方向流动，在管道内充分流动后从位于电池包上方的出口6流出，实现换热效果。由于该槽型管道呈回字形分布，并在对角线处连接，形成了多个通路，使得液体从入口进入管道内之后，可以沿两侧管道和对角线管道流通，即沿多通路递进流通，直到出口，减少了循环液冷时液体入口与出口的设置。另外，该冷却液体以自下而上的方向流动，可以充分、均匀地接触管道的整体内表面，换热效率更高。
如图4和5所示，分层密封板3的数量为2个以上，优选为4个，分别为第一分层密封板31、第二分层密封板32、第三分层密封板33、第四分层密封板34，将单体电池壳体所在的空间纵向分隔为三层，分别为上层空间301、中层空间302、下层空间303，上层空间301和下层空间303分别为接近电池正、负极柱的层空间，在上层空间301和下层空间303内填充有冷媒，在中层空间302内填充有相变材料，上、下两个分层密封板即第一分层密封板31和第四分层密封板34将电池的正、负极柱密封并与所述冷媒隔开，避免与冷媒直接接触造成短路。分层密封板3上对应有容纳电池和槽型管道穿过的孔。以18650电池为例，电池包内电池壳体所在的内部空间被分层密封板3分为三层，上层空间的高度为20mm，中间空间的高度为25mm，下层空间的高度为20mm，上层和下层空间在正、负极柱完全密封后以冷媒填充，冷媒优选为不会破坏臭氧层的氟氯碳化物；电池中层空间以相变材料填充固定，相变材料优选为加有一定量石墨的石蜡。
在一实施例中，如图6所示，在每个单体电池2上设置有电磁加热件，该电磁加热件优选为电磁加热线圈5，用以在温度过低时对每一块单体电池2加热。电磁加热线圈5为薄片状的螺旋金属线圈，在单体电池2上螺旋布置，利用电磁加热线圈5上流通的电流，使电池2不锈钢壳体产热，能够为具有不锈钢电池壳体的动力电池加热。同时，在温度过高时电磁加热线圈5为电池的散热留出了一定空隙。单体电池中间部分用电磁加热线圈螺旋缠绕后，电池壳体所在的中间层与相变材料紧密接触。另外，为了加强电池加热效果，电磁加热件还可以选用电磁加热膜，电磁加热膜为金属膜，将电磁加热膜整个包覆在电池壳体周围进行加热，利用电磁加热膜上流通的电流，使电池不锈钢壳体产热，实现对电池的电磁加热效果。
在一实施例中，如图7和8所示，该装置的上、下盖板具有将每个单体电池串联的电路接口，以及上盖板8上均匀安装有连接热管9的散热器10。散热器10优选为圆形翅片散热器。热管9位于上盖板上的散热孔内，热管9包括管壳、吸液芯和端盖，热管9内部被抽成负压状态，充入适当的液体，液体优选为不会破坏臭氧层的氟氯碳化物，这种液体沸点低，容易挥发。吸液芯位于管壳的内壁，其由多孔材料的毛细管构成。热管9一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，所述冷凝器的一端密封，与散热器连接。当热管9的蒸发端的一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端即冷凝端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料毛细管，靠毛细力的作用流回蒸发端。如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，由另外一端连接的圆形翅片散热器进行散热。散热器10由外部的自然风或风扇降温，通常在电动汽车行驶的过程中使用自然风散热，在大功率充电时使用风扇辅助降温。
为了保证电池散热量大的正负极柱所在的分层空间都进行有效散热，热管9包括长热管和短热管，短热管伸到上层空间301，供上层空间301内的冷媒蒸发散热，长热管伸到下层空间303，供下层空间303内的冷媒蒸发散热。
另外，在一实施例中，在冬季极寒地区的电动车启动前需要对电池进行预加热，此时启动电磁加热线圈5或电磁加热膜，电磁加热线圈5或电磁加热膜产生的磁感线切割动力电池表面的不锈钢壳体，壳体产生的热量对电池内部进行快速加热，同时相变材料也受到部分热量。在达到车辆行驶温度后关闭电加热系统，相变材料的温度会继续为电池传递温度，保持电池温度不会快速下降。车辆在行驶过后电池本身会继续产热，此时单体电池外填充的相变材料就起到了很好的保温作用。为降低电池包内的热量流失，在低温天气下可以关闭整个电池板的进风口，以免通过散热片造成电池板的热量流失。如果在行驶过程中电池产热依然达不到动力电池的正常工作要求，再开启液体加热循环系统为电池包加热。
本发明提供了电动汽车电池板散热与加热的两种热管理方式，通过冷媒、相变材料、电磁加热件、液体冷却和加热的配合使用实现电池板的温度调控。对每节单体电池的中部分三层密封管理，上层空间和下层空间主要发挥散热功能，中层空间主要发挥加热功能。
在电池包的散热过程中，可以同时开启冷媒、相变材料、液体冷却系统的作用，共同达到散热效果。电池的主要热源在接近正负两极柱的位置，两极柱部分分别分层密封，接近正负两极柱的位置直接用冷媒填充空隙，整个密封上盖板安装有带热管的散热器，利用风冷技术将热量排出。同时，外围是导热的槽型管道作为内部液冷系统，槽型管道内液体自下向上流动，对整个电池包装置进行二次降温，具有快速降温的效果。
在电池包的加热过程中，启动电磁加热线圈5或电磁加热膜对电池加热，还开启液体加热循环系统为电池包加热，相变材料具有传递温度和保温的作用。
在一实施例中，为了便于根据当前的实际温度，进行有效散热和加热管理，该装置还包括温度检测器和控制器，温度检测器包括第一温度检测器和/或第二温度检测器，第一温度检测器位于冷媒介质中，第二温度检测器位于中层空间的相变材料与槽型管道外壁之间一个或多个位置。控制器设置为二级散热，当设置在第二温度检测器的测得的温度大于第二阈值时，所述控制器控制启动槽型管道的液冷循环系统；当在低温环境下，车辆启动需要预加热时，启动电磁加热件和/或液体循环系统加热；当车辆行驶过程中，第二温度检测器测得的温度小于第四阈值时，启动槽型管道的液体加热循环系统。
本发明还提供了一种控制上述电池包的散热和加热装置的方法，该方法包括执行散热过程和加热过程，所述执行散热过程时包括以下步骤：
在电池大功率放电或充电时，电池壳体接近正、负极柱的位置将热量传给冷媒，冷媒在受热后的温度达到第一阈值时，开始蒸发散热，汽化冷媒沿着散热孔的热管一直到翅片散热器进行降温；
降温后的汽化冷媒再次凝结形成液体又通过热管回流到电池密封层内；
当设置第二温度检测器，其测得的温度大于第二阈值时，所述控制器控制启动槽型管道的液冷循环系统；
所述执行加热过程时包括以下步骤：
当车辆电源被开启时，若第二温度器检测温度小于第三阈值且大于第四阈值时，启动电磁加热件加热；若第二温度器检测温度小于第四阈值时，同时启动电磁加热件加热和液体循环系统；若所述第二温度检测器检测温度大于第五阈值时，关闭电磁加热件和/或液体循环系统。
当车辆行驶过程中，第二温度检测器测得的温度小于第四阈值时，启动槽型管道的液体加热循环系统，防止电磁加热在车辆行驶过程中影响电池内部的电子流动，影响电池的性能；
若所述第二温度检测器检测温度大于第五阈值时，关闭液体循环系统。
其中，第四阈值小于第三阈值，第三阈值小于第五阈值。设定第三阈值为10摄氏度左右，第四阈值为0摄氏度左右，第五阈值为15摄氏度左右。电池包的上下层填充的液体为冷媒，优选为不会破坏臭氧层的氟氯碳化物，设定的第一阈值即蒸发温度为40摄氏度。
设定槽型管道的外壁的温度即第二阈值为40摄氏度，此时相变材料内的电池温度已经大幅高于该第二阈值温度，需要启动菱形槽管的液冷循环系统，循环的液体介质为加有少量乙二醇的水溶液，水从电池包的底部入口进入后分多个方向流动，在电池包内充分流动后自电池包上方的出口流出。槽管内的液体不仅对上下层冷媒降温，中层部分电池产生的热量也可通过高导热的相变材料传到槽管的管壁通过液体将热量带走。
本发明通过设置分层密封板将电池包装置的内部纵向分隔为多层空间，冷媒分布在接近电池正、负极柱的层空间内，所述分层密封板将所述电池的正、负极柱密封并与所述冷媒隔开，中层空间填充有相变材料，实现电池温度升高时，汽化冷媒沿着上盖板上分布的热管将热量传导至外侧的翅片散热器进行风冷降温。另外，还在单体电池之间设置呈回字形分布的槽型管道，槽型管道之间在对角线处连接，形成多条通路，液体填充在所述槽型管道内，实现多种方式结合、均匀和高效的散热效果。另外，通过设置温度检测器和控制器，本发明还可根据电池包装置内的实际温度启动多级散热和加热系统：先采用冷媒蒸发吸热，并结合散热器进行风冷的一级散热系统；达不到理想散热效果时，即当设置在第二温度检测器测得的温度大于第二阈值时，所述控制器控制启动槽型管道的液冷循环系统，以实现液冷降温的二级散热。此外，根据当前的实际温度，当设置在第二温度检测器测得的温度小于第三阈值且大于第四阈值时，控制器启动电磁加热件实现一级加热；当设置在第二温度检测器测得的温度小于第四阈值时，启动槽型管道的液体加热循环系统，实现二级加热。
总体而言，本发明的电池包的散热和管理装置和方法既能够同时启动冷媒、散热器、液体冷却循环的散热管理系统，或同时启动电池加热线圈和液体循环加热的加热管理系统，配合使用实现电池板的温度调控。另外，该装置还可以根据电池箱内部的实际温度，控制启动相对应的散热和加热管理系统，即在冷媒和风冷散热效果不佳时，启动液冷散热系统，无需同时启动多个散热系统；在车辆行驶过程中电池自产热温度不足时，启动液体循环加热系统，也无需同时启动多个散热或加热系统。本发明的电池包的散热和管理装置和方法解决了电动车电池热管理单一，电池换热效率慢且不均匀，加热功率损耗大且速度慢等问题。
虽然上述具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。