一种锂电池低温启动系统及低温启动方法与流程

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种锂电池低温启动系统及低温启动方法。

背景技术：

锂离子电池以其长寿命、高比能量、自放电率低和无记忆效应等优点，在全球二次电池市场占据主导地位，在便携式电子设备、工业应用和电动汽车等领域得到了广泛应用。但是当锂离子电池处于低温环境时(温度为零下)，相对于常温下，电池出现放电容量衰减、放电电压下降，循环倍率性能下降、电极析锂等现象。一般锂离子电池在-40℃下放电容量只有室温容量的20％左右。锂电池低劣的低温性能，严重制约了电动汽车、电动大巴车、电动自行车等在北方高寒地区的推广使用，以及军用特种电池在极寒地区的作战需求。因此，无论从民用还是军用角度考虑，开发一种可以改善锂电池低温性能的方法意义重大。

目前提高电池低温性能主要有两种途径，第一是从电池内部各个组成材料入手研究解决方案，包括开发新的电极材料、新的电解液体系，以及优化电池的制备工艺等，但是目前这方面的进展十分缓慢。另一个解决思路是给电池外部加装预热系统，低温条件下在启动时给电池进行预热，等电池达到指定温度后停止运行。

cn203367437u提出使用低温性能优良的磷酸钒锂代替低温性能差的磷酸铁锂材料以改善锂电池的低温启动性能。cn104916848a公开了一种二次电池低温启动的方法，该方法用柔性石墨纸完全替代或者部分替代金属作为电极的集流体，或者将石墨纸直接置于正负极之间作为电热元件，通过给石墨纸施加外接电源，使其迅速加热，实现对电池的快速预热。但是上述措施低温启动时间较长，在超低温下启动更甚。

技术实现要素：

针对本领域技术的不足之处，本发明的旨在解决锂电池在低温条件运行时出现放电容量衰减、放电电压下降，循环倍率性能下降、电极析锂等现象，因此提出一种锂电池低温启动系统。

本发明的第二个目的是提出装载所述的锂电池低温启动系统的电动汽车。

本发明的第三个目的是提出一种锂电池低温启动方法。

为实现本发明上述目的技术方案为：

一种锂电池低温启动系统，用于给锂电池提供热量；包括水电解装置、氢气储罐、氧气储罐、催化燃烧装置和换热装置；

所述水电解装置包括阳极区和阴极区，所述阳极区连接所述氧气储罐，所述阴极区连接所述氢气储罐，所述氧气储罐和氢气储罐均连接所述催化燃烧装置，所述催化燃烧装置通过热传导介质连接所述换热装置。

其中，在阳极区内设置有阳极催化层，所述阳极催化层为pt/c、pd/c催化剂或pt/pd/c合金催化剂中的一种；所述阴极区内设置有阴极催化层，所述阴极催化层为ir/c催化剂、ir-ru/c或ir/rh/c合金催化剂中的一种。

其中，所述水电解装置内放置电解质，所述阳极区和阴极区以隔膜隔开，

所述隔膜为质子交换膜，所述电解质为水；或者

所述隔膜为碱性交换膜，所述电解质为naoh或koh溶液。

所述的阳极催化剂层或阴极催化剂层可直接涂布在隔膜上。也可在阳极区内设置阳极，在阳极上涂布阳极催化剂，在阴极区内设置阴极，在阴极上涂布阴极催化剂。

其中，在所述催化燃烧装置内设置有催化剂，所述催化剂为pt/c催化剂或pt-pd/c合金催化剂。

本发明的一种优选技术方案为，所述热传导介质为空气，所述换热装置为翅片散热器，所述催化燃烧装置置于翅片散热器的腔体内，翅片散热器的翅片与锂电池相对。

本发明的另一种优选技术方案为，所述热传导介质为空气或者液体，所述换热装置包括设置在所述锂电池底部的板式换热器；或者包括围绕在所述锂电池外部的盘管。

优选地，所述催化燃烧装置通过循环水管连接所述水电解装置。

其中，所述锂电池通过导线连接所述水电解装置。

一种电动汽车，装载有所述的锂电池低温启动系统，所述电动汽车内设置有制动能量回收系统，制动能量回收系统连接所述水电解装置。

锂电池和汽车制动回收能量都可以给水电解装置供电,以汽车制动回收能量优先给水电解供电。

一种锂电池低温启动方法，采用所述的锂电池低温启动系统，其包括操作：

用汽车回收能量为水电解装置提供电解的能量，随后水电解装置电解生成氢气和氧气分别储存于氢气储罐和氧气储罐内；在低温启动时，氢气和氧气进入催化燃烧装置发生反应放热，放出的热量通过换热装置传给锂电池供其快速升温，氢气氧气反应生成水回流至水电解装置。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的锂电池低温启动系统，1)可以实现超低温启动，可以在零下100℃启动；2)不会额外损失锂电池的能量，可以回收制动能量运用于水电解制氢；3)尤其针对重载气车，其电池容量大，优势明显，本锂电池低温启动方法相对于常规加热方法热恢复速度更快。

附图说明

图1为本发明的锂电池低温启动系统示意图。

图2为实施例1中直接热传导示意图。

图3为实施例2中换热介质加热示意图。

其中，1为锂电池，2为水电解装置，3为氢气储罐，4为氧气储罐，5为催化燃烧装置，6为换热装置。

具体实施方式

下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。

实施例1：

参见图1，一种锂离子低温启动系统，其组成结构包括：水电解装置2、氢气储罐3、氧气储罐4、催化燃烧装置5。所述水电解装置包括阳极区和阴极区，所述阳极区连接所述氧气储罐4，所述阴极区连接所述氢气储罐3，所述氧气储罐和氢气储罐均连接所述催化燃烧装置5，所述催化燃烧装置通过热传导介质连接换热装置。锂电池1通过导线连接所述水电解装置2。

在催化燃烧装置5内设置催化剂，所述催化剂为pt/c催化剂。催化燃烧装置5通过循环水管连接所述水电解装置。

参见图2，本实施例中，热传导介质为空气，换热装置6为翅片散热器，催化燃烧装置置于翅片散热器的腔体内，翅片散热器的翅片与锂电池相对。

本实施例中，水电解装置所用的电解质为水，阳极区和阴极区以nafion质子交换膜隔开，隔膜的阳极区一面涂布的阳极催化剂为pt/c催化剂，隔膜的阴极区一面涂布的阴极催化剂为ir/ru/c合金催化剂。

由水电解产生的氢气和氧气分别进入氢气和氧气储罐存储。

所述的锂电池低温启动系统运行方式为：

在锂电池需要低温启动时，将氢气和氧气传输入催化燃烧装置在pt金属催化下反应产生热量和水，反应生成的水会再次进入到水电解池中从而达到水循环。而反应产生的热量通过热传导的方式将热量直接传递给锂电池。

使用本系统，锂电池在30s可以从-100℃升温到0℃，110s可以从-100℃升温到25℃。

实施例2

一种锂离子低温启动系统，其组成结构包括：水电解装置2、氢气储罐3、氧气储罐4、催化燃烧装置5。所述水电解装置包括阳极区和阴极区，所述阳极区连接所述氧气储罐，所述阴极区连接所述氢气储罐，所述氧气储罐和氢气储罐均连接所述催化燃烧装置，所述催化燃烧装置通过热传导介质连接换热装置6。锂电池1通过导线连接所述水电解装置2。

在催化燃烧装置5内设置催化剂，所述催化剂为pt/pd/c催化剂。催化燃烧装置5通过循环水管连接所述水电解装置。

其中水电解装置所用的电解质为0.2mol/l的naoh碱液，阳极催化剂为pt/pd/c，涂布在碳阳极上，阴极催化剂为ir/rh/c合金催化剂，涂布在碳阴极上。由水电解产生的氢气和氧气分别进入氢气和氧气储罐存储。在锂电池需要低温启动时，将氢气和氧气传输入催化燃烧装置在pt和pd合金催化下反应产生热量和水，反应生成的水会再次进入到水电解池中从而达到水循环。而反应产生的热量通过换热器将热量传递给锂电池，换热方式见图3。

催化燃烧装置和换热装置6相连，所述换热装置为盘管，盘管围绕在锂电池外部。催化燃烧反应生成热进入换热器将换热介质加热，其中的换热介质为液体，随后换热介质进入换热装置对电池进行加热。使用该低温启动系统，锂电池在45s可以从-100℃升温到0℃，163s可以从-100℃升温到25℃。

实施例3

一种锂离子低温启动系统，其组成结构包括：水电解装置、氢气储罐、氧气储罐、催化燃烧装置。其中水电解装置所用的电解质为naoh碱液，阳极催化剂为pt/c金属，阴极催化剂为ir/ru/c合金。其他设置同实施例2。

由水电解产生的氢气和氧气分别进入氢气和氧气储罐存储，其中氢气由储氢材料吸收存储，氧气以气体形式高压存储。在锂电池需要低温启动时，将氢气和氧气导入催化燃烧装置，在pt/c金属催化下反应产生热量和水，反应生成的水会再次进入到水电解池中从而达到水循环。而反应产生的热量通过热传导的方式将热量直接传递给锂电池。使用该系统，锂电池在50s可以从-100℃升温到0℃，170s可以从-100℃升温到25℃。

实施例4

一种锂离子低温启动系统，其组成结构包括：水电解装置、氢气储罐、氧气储罐、催化燃烧装置。其中水电解装置所用的电解质为naoh碱液，阳极催化剂为pt/c金属，阴极催化剂为ir/ru/c合金。

催化燃烧装置和换热装置相连。本实施例中，换热装置为板式换热器，以空气为换热介质。板式换热器置于锂电池的下方，通过对流的方式将催化燃烧装置产生的热量传递给锂电池。

其他设置同实施例2。

对比例1：

一种锂电池系统，该系统包括80kwh模组，但未设置电池加热装置。将该系统在-40℃下低温启动，运行容量仅为常温下容量22％，而置于-100℃条件下该系统无法运行。

对比例2：

一种传统锂电池低温启动系统，该系统包括80kwh锂电池模组，模组电加热片。将该系统置于-40℃下，电加热片开始工作对系统进行预热。

对实施例和对比例系统中的锂电池进行测试，测量-40℃的容量保持率(容量保持率＝-40℃容量/25℃容量)。在催化燃烧装置或电加热片运行时检测系统升温时间，测试温度点位于锂电池模组中部，结果见下表。

表1：性能测试结果

实施例5

一种电动汽车，安装有实施例1的低温启动系统。所述电动汽车内设置有制动能量回收系统，制动能量回收系统连接所述水电解装置。

汽车运行时，制动能量回收系统回收的能量为水电解装置提供能量，水电解装置电解生成氢气和氧气分别储存于氢气储罐和氧气储罐内；在低温启动时，氢气和氧气进入催化燃烧装置发生反应放热，放出的热量通过换热装置传给锂电池供其快速升温，氢气氧气反应生成水可回流至水电解装置。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。