基于相变材料的锂离子电池组热失控降温装置的制作方法

本实用新型基于相变材料的锂离子电池组热失控降温装置涉及的是一种基于复合相变材料的预防锂离子电池组高温热失控的安全装置。

背景技术：

随着人类对自身生存环境的重视，对现代文明带来的巨大副作用危机的理解加深，对将来人类社会工业文明及物质文明的重新定义和认识的改变，人们深刻意识到发展经济必须遵循两大原则：环境保护和不可再生资源的合理使用。电动自行车、电动工具、电动汽车等正是顺应这两大主题概念而产生和发展的社会产品,是人类对自身保护的使然，是人与自然关系正确处理的必然。锂离子电池具有工作电压高、循环寿命长、自放电低、可快速充放电、无记忆效应等优点，已经成为新能源汽车、数码产品、家用电器、电动工具等的理想电源。

然而由于动力电池使用环境的特殊性，电池暴露在特殊环境下（如高温、高倍率充放电等）的几率也越来越大。在高温或高倍率充放电环境下，电池内部存在大量放热反应，可能会导致电池“热失控”，引发泄漏、燃烧甚至爆炸等安全事故。因此急切需要能够预防锂离子电池组高温热失控的装置来保障使用的安全。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种基于相变材料的锂离子电池组热失控降温装置，能够保证电池组在较低的温度范围内工作，延缓电池组性能衰减，并避免电池发生热失控；而且还能通过减小电池组温度梯度，来减小电池组内电池状态差异，从而保障电池匹配成组下的性能与安全。

本实用新型是采取以下技术方案实现的：

基于相变材料的锂离子电池组热失控降温装置包括箱体，在箱体内设有两块内层载体铝蜂巢板和两块外层载体铝蜂巢板，两块外层载体率蜂巢板分别靠近箱体上、下两侧设置并紧贴箱体两侧，在两外层载体铝蜂巢板内侧设有两块内层载体铝蜂巢板；使用时锂离子电池组处于两块内层载体铝蜂巢板中间；在内层载体铝蜂巢板中的铝蜂巢孔内填充一级复合相变材料；在外层载体铝蜂巢板中的铝蜂巢孔内填充二级复合相变材料。

所述内层载体铝蜂巢板的内侧形状为波浪形，与待处理的锂离子电池组外形契合，增大与锂离子电池组的接触面积，增强锂离子电池组与内层载体铝蜂巢板之间的导热性能。

所述内层载体铝蜂巢板和外层载体铝蜂巢板的铝蜂巢孔口均设置朝上，所以一级复合相变材料和二级复合相变材料发生完全相变呈现液态状时也不会流动、泄露。

所述一级复合相变材料采用石蜡、活性炭和膨胀石墨的一定质量比例制作（在该装置中，所述比例可以是21:1:4），发生相变温度较低，熔点在50℃左右，适于填充在最接近锂离子电池组上、下两面的内层载体铝蜂巢板内。

所述一级复合相变材料的制作方法，包括将石蜡，膨胀石墨和活性炭按一定的比例称量出产品，首先将石蜡融化，再将石墨和活性炭与融化后的石蜡混合，快速搅拌均匀，加热相变成液态后再次快速搅拌均匀，冷却到室温后得到膨胀石墨-石蜡-活性炭复合相变材料。

所述二级复合相变材料采用聚乙二醇1500和甲基纤维素的一定质量比例制作（在该装置中，应用的比例是1.6:1），发生相变温度较高，熔点在100℃左右，适于填充在两个外层载体铝蜂巢板内。

所述二级复合相变材料的制作方法，包括将聚乙二醇1500与甲基纤维素按一定的比例称量药品，然后将两种产品混合，快速搅拌均匀，加热相变成液态后再次快速搅拌均匀，冷却到室温后得到聚乙二醇1500-甲基纤维素复合相变材料

所述内、外层载体铝蜂巢板采用市售的1006铝合金蜂巢板为原材料，通过简单的二次设计、加工，制作出契合锂离子电池组形状的特殊内层载体铝蜂巢板，即市售的1006铝合金蜂巢板通过被模具挤压、线切割等工序制作成单面呈特殊圆弧的形状。因为铝蜂巢是和底板严密结合的，且内、外层载体铝蜂巢板的铝蜂巢孔口皆朝上，所以一、二级复合相变材料发生完全相变呈现液态状时也不会流动、泄露，确保了复合相变材料的循环使用性。

基于相变材料的锂离子电池组热失控降温装置的工作方法，包括如下步骤：

1）待处理锂离子电池组的表面温度通过导热性能比较良好的载体铝蜂巢板传递给一级、二级复合相变材料；

2）一级、二级复合相变材料通过相变吸收锂离子电池组产生的热量，同时二级复合相变材料吸收一级复合相变材料所携带的热量；

3）在一级、二级复合相变材料的共同作用下，锂离子电池组散热量得到大幅度的增加，从而锂离子电池组的温度处于一个较正常的范围内。

本实用新型具备如下优点：

1）采用材料相变吸热这一简单的物理变化，使材料能够反复使用，增大了材料的利用率，降低产品成本；

2）合理选择复合相变材料的载体原材料即1006铝蜂巢板，通过简单的二次设计、加工，得到带有弧度的内层载体铝蜂巢板不仅可以起到固定一、二级复合相变材料、锂离子电池组的作用，而且有导热效果好、质量轻、防腐蚀的优点，能够较好的做到减轻装置配重，从而使装置在实际应用过程中更为方便，让装置有实用的价值；

3）使用的一级复合相变材料和二级复合相变材料采用无毒无害、容易制备的常见普通材料，在一定质量比下混合加热制成，具有制作方法简单，制作时间短且材料价格低廉等优点，增强了实用价值；

4）本实用新型装置制作工艺难度低，组装简单，可以应用到多节电池组成的电池组工作、储存以及运输中，可以使锂离子电池组的使用安全系数大大提升。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型装置的内部结构示意图；

图2是本实用新型装置的工作原理框图；

图3是一级复合相变材料在恒高温环境下温度随时间变化函数图像；

图4是二级复合相变材料在恒高温环境下温度随时间变化函数图像；

图5表示在室温（30℃左右）条件下，本实用新型装置装有一、二级复合相变材料时，1C充放电循环5次的锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像；

图6表示在室温（30℃左右）条件下，设计该装置仅装有一级复合相变材料与未装复合相变材料的对照实验，将锂离子电池组直接短路，锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像；

图7表示在室温（30℃左右）条件下，设计该装置仅装有二级复合相变材料与未加复合相变材料的对照实验，将锂离子电池组直接短路，锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像；

图8为空白组与实验组锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像（其中温度较高为空白组）。

图中：1、外层铝蜂巢板，2、内层铝蜂巢板，3、锂离子电池组，4、内层铝蜂巢板；5、外层铝蜂巢板；6、对照实验中热电偶测温1号位置的截面位置；7、对照实验中热电偶测温3号位置的截面位置；8、对照实验中热电偶测温2号位置的截面位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

参照图1，本装置包括箱体，在箱体内设有两块内层载体铝蜂巢板和两块外层载体铝蜂巢板，两块外层载体率蜂巢板分别靠近箱体上、下两侧设置并紧贴箱体两侧，在两外层载体铝蜂巢板内侧设有两块内层载体铝蜂巢板；使用时锂离子电池组处于两块内层载体铝蜂巢板中间；在内层载体铝蜂巢板中的铝蜂巢孔内填充一级复合相变材料；在外层载体铝蜂巢板中的铝蜂巢孔内填充二级复合相变材料。从图中可以看到，18650锂离子电池组3处于最中间，与18650锂离子电池组3上下接触的为内层铝蜂巢板2、4，其中塞满一级复合相变材料，装置上、下最外层的是外层铝蜂巢板1、5，其中塞满二级复合相变材料。

在下面对照实验中采用热电偶测量电池温度，可以在图1中三个位置分别设置三个热电偶测温，其中标号6为对照实验中热电偶测温1号位置的截面位置，标号7为对照实验中热电偶测温3号位置的截面位置，标号8为对照实验中热电偶测温2号位置的截面位置。

相变材料(PCM - Phase Change Material)是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。

在发生相变时，有体积的变化同时有热量的吸收或释放，这类相变即称为“一级相变”。例如，在1个大气压0℃的情况下，1千克质量的冰转变成同温度的水，要吸收79.6千卡的热量，与此同时体积亦收缩。所以，冰与水之间的转换属一级相变。

在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化，这一类变化称为二级相变。正常液态氦（氦Ⅰ）与超流氦（氦Ⅱ）之间的转变，正常导体与超导体之间的转变，顺磁体与铁磁体之间的转变，合金的有序态与无序态之间的转变等都是典型的二级相变。

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

参照附图2，使用时，先假设锂离子电池组温度逐渐升高，预防锂离子电池组高温热失控的安全装置的工作步骤如下：

（1）锂离子电池组的温度通过导热性良好的铝蜂巢板传递给一、二级复合相变材料，由于选取的复合相变材料自身属性，随着锂离子电池组温度的升高，一、二级复合相变材料的吸热量也在逐渐增大，锂离子电池组产生的温度及时得到了散发，从而锂离子电池组不易出现热积累效应，温度将稳定在不损耗锂离子电池组性能的范围内；

（2）如果锂离子电池组的工况或状态比较恶劣，锂离子电池组的温度仍在缓慢上升，同时一、二级复合相变材料通过吸收热量减缓锂离子电池组温度的上升速率，当锂离子电池组表面温度达到50℃左右时，该温度值为一级复合相变材料的熔点，此时一级复合相变材料发生固态到液态的相变，吸收大量的热，从而抑制了锂离子电池组温度的继续上升；

（3）如果锂离子电池组的工况或状态特别恶劣，锂离子电池组的表面温度高于50℃且仍在缓慢上升，同时一、二级相变材料通过吸收热量减缓锂离子电池组温度的上升速率，当锂离子电池组表面温度达到100℃左右时，该温度值为二级复合相变材料的熔点，此时二级复合相变材料发生固态到液态的相变，吸收大量的热，从而抑制了锂离子电池组温度的继续上升；

在步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中，整个安全装置自身也在向空气进行热传递，这样使得一、二级复合相变材料能及时由液态转化为固态；除此之外，在锂离子电池组的工况或状态回归正常时，一、二级复合相变材料也会及时的由液态转化为固态，为下次的使用准备好状态。在整个过程中该安全装置避免了锂离子电池组因高温热失控导致一系列安全事故的发生。

图3是一级复合相变材料在恒高温环境下温度随时间变化函数图像，验证了一级复合相变材料的熔点在50℃左右。

图4是二级复合相变材料在恒高温环境下温度随时间变化函数图像，验证了二级复合相变材料的熔点在100℃左右。

图5表示在室温（30℃左右）条件下，本实用新型装置装有一、二级复合相变材料时，得到1C充放电循环5次的锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像。在该图中一、二级复合相变材料在五次充放电循环中均发挥了相同的功效，所以一、二级复合相变材料具有很好的循环使用性。

图6表示在室温（30℃左右）条件下，在本实用新型装置中仅装有一级复合相变材料与未装复合相变材料两种情况进行对照实验，将锂离子电池组直接短路，得到图6中锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像。从图中可以看到，装有一级复合相变材料装置的实验组中锂离子电池组表面温度在50℃左右升温速率降低，且放有一级复合相变材料装置的实验组温度明显低于未加装有复合相变材料装置的空白对照组，证明一级复合相变材料具有抑制锂离子电池组温度上升作用。

图7表示在室温（30℃左右）条件下，在本实用新型装置中仅装有二级复合相变材料与未加复合相变材料两种情况进行对照实验，将锂离子电池组直接短路，得到图7中锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像。从图中可以看到，装有二级复合相变材料装置的实验组中锂离子电池组表面升温速率明显低于未加复合相变材料装置的空白对照组，且装有二级复合相变材料装置的实验组中电池表面温度保持在80℃之下，证明二级复合相变材料同样具有抑制锂离子电池组温度上升作用。

图8为空白组与实验组锂离子电池组表面温度随时间变化函数图像（温度较高为空白组），空白组中应用未装一、二级复合相变材料的安全装置，实验组中应用装有一、二级复合相变材料的安全装置。控制环境温度为40℃，为了通过多次对照实验进行验证该安全装置的效果，将两组性能相同的锂离子电池组同时进行短路处理，实验结果证明装有一、二级复合相变材料安全装置的实验组中锂离子电池组表面温度上升速率低于空白对照组，且对照组和实验组最高温度相差56.2℃。

上述对比试验证明了本实用新型装置在预防锂离子电池组高温热失控上是切实有效的，制作方便、结构简单，大大提高了锂离子电池组的使用安全系数。