一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统的制作方法

本发明设计电池加热系统，特别涉及一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统。

背景技术：

当环境温度较低时，电解液导电率会因此降低，电荷转移活化能不足，导致比能量减少，电阻增大，锂离子电池的电解液导电能力降低，比功率降低，电池性能严重下降，而且阳极上锂离子扩散速率下降还可能产生锂镀、引起短路风险等，通常锂离子电池的最适宜工作温度为20-60℃。因此，对于在低温环境下的电池启动时需要对其进行加热处理。

目前对电池加热系统的研究较少，而研究的方向主要分为两大类：第一种是通过改善电池内部材料使其适应低温环境，或者直接对电池内部通交流电进行加热，但这些方法不仅复杂，而且仍有许多破坏电池内部结构的缺点；第二种方法是对电池外部进行加热，有在电池外部通热风或者热液体使其升温，这种方法虽然简单，但是结构复杂，也有一些研究者通过外部电加热的方法进行加热电池，例如在电池表面贴上电加热膜、金属膜等进行加热，但存在着加热膜耐热性差、结构适应性差并且成本较高等缺点。

电加热是一种利用焦耳热效应原理的加热方法，电流流经电阻后会将一部分的电能转化为热能，传统的电加热使用的电阻材料一般为金属等材料，金属具有耐高温、导电性好、导热性好等特点，适用于电加热方法。然而金属也有重量大，形状适应性差，并且不能控温等缺点，难以适用于一些形状特殊、重量控制严格等电加热场合。

现有的电池加热系统如cn103051026a和cn204011607u等分别公开了一种电加热的电池组加热系统和方法，cn104064836a公开了一种电池自加热的方法。但现有的电加热方法或自加热方法的加热速率都不快，大多低于5℃/min且系统结构复杂，因此亟需提出一种结构简单加热速率快的电池加热方法和系统。

技术实现要素：

本发明针对上述背景中指出的不足，利用复合相变材料应用在电加热上的优势，设计了一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统，通过将相变材料块串联的方式进行电加热，有效地增大了系统的电阻，从而增大加热功率，该加热复合相变材料在电池加热系统中的应用，既提高了加热速率，减轻系统重量，同时相变材料的相变点还起到一定的控温作用。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统，包括：

复合相变材料，具有导电性，包裹在规则排列的电池5外；

导热性绝缘隔板3，设置在所述电池5之间，用于将复合相变材料隔离成若干彼此隔离的相变材料块2，高热导率但不导电的材料，可减少每个单元之间的温差，保证温度均衡；

若干电极片1，分别设置于各所述相变材料块2两端，用于将各相变材料块2依次连接形成串联电路，串联可以增大加热电阻，降低加热所需电流，且尽可能保证各各相变材料块2温度均衡。

优选地，所述复合相变材料由导热导电的多孔材料及具有相应相变温度的相变材料复合而成，并通过压块成型。

优选地，所述复合相变材料的热导率为2-16w/m.k，电导率为1-100s/mm。

优选地，所述复合相变材料由如下质量分数的材料复合而成：

石蜡，10％-80％；其余为膨胀石墨；

或者，

石蜡，10％-80％；其余为泡沫金属。

优选地，所述石蜡的相变温度为30-50℃。

优选地，所述导热性绝缘隔板3的材料包括氮化铝隔板、氮化硼等导热性良好的绝缘材料。

这些材料均具有高热导率但不导电的特性，可减少每个单元之间的温差。

优选地，所述的电极片1与相变材料块2之间通过导电胶相粘合。

优选地，两相邻的所述电极片1之间涂有防止电极片1短路的绝缘胶。

优选地，所述复合相变材料外还包裹有外层保温层4。

优选地，所述的外层保温层4的热导率低于0.2w/(m·k)，由内至外包括隔热涂层、隔热填充剂。

本发明与现有技术比，具有以下优点：

1、本发明使用复合相变材料通电加热的方法，在低温环境下加热速率快并且还拥有控温的效果。

2、本发明结构紧凑，重量轻，形状适应性好，在低温环境快速加热及电加热的领域有重要意义。

3、本发明采用分单元串联的结构，在现有材料导电率不变的情况下增加整体电阻，在电流一定情况下增大加热功率。

4、本发明可以根据加热系统的要求选取和设计不同的复合相变材料及系统结构，适用范围广泛。

5、所述系统的加热速率可达到20-30k/min，并且随通电电流的增加而加快。

附图说明

图1是实施例一的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统的俯视图。

图2是实施例一的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统的俯视半剖图。

图3是实施例一的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统的正视半剖图。

图4是实施例一的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统通电时电流的走向图。

图5是图3中a处放大后显示的两相邻电极片之前的局部半剖图。

图6是实施例一的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统的剖面图。

图7和图8是实施例二的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统的电池组加热系统半剖图。

图9是实施实例三的一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统剖面示意图。

图中：1-电极片；2-相变材料块；3-导热性绝缘隔板；4-外层保温层；5-电池。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例一

本实施例以用于矩形复合相变材料块的电加热复合相变材料的快速加热为例，对本发明的工作原理进行如下说明：

如图1至6所示，一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统，包括：

复合相变材料，包裹在行列式排列的电池5外，其热导率为2-16w/m.k，电导率为1-100s/mm；

四块导热性绝缘隔板3，设置在各列电池5之间，用于将复合相变材料隔离成五块彼此隔离的相变材料块2，所述相变材料块2的尺寸为10mm×15mm×50mm，本实施例中每块所述相变材料块2包裹住一列电池5(每列4个电池)，所述导热性绝缘隔板3材料为氮化铝隔板，是一种高热导率但不导电的材料，可减少每个单元之间的温差，保证温度均衡；

若干电极片1，分别通过导电胶粘合设置于各所述相变材料块2两端，即所述相变材料块2的10mm×15mm的面，用于将各相变材料块2依次连接形成串联电路，两相邻的所述电极片1之间涂有防止电极片1短路的绝缘胶。串联可以增大加热电阻，降低加热所需电流，且尽可能保证各各相变材料块2温度均衡；

外层保温层4，包裹在所述复合相变材料外，所述的外层保温层4的热导率低于0.2w/(m·k)，由内至外包括隔热涂层、隔热填充剂。

本实施例中，所述复合相变材料由导热导电的多孔材料及具有相应相变温度的相变材料复合而成，并通过压块成型。

具体地，本实施例的所述复合相变材料由如下质量分数的材料复合而成：

膨胀石墨，60％；石蜡，40％；所述石蜡的相变温度为50℃。

为获得本实施例的温度数据，在相变材料块2上设置测温点：在相变材料块2侧面的中点和靠近端点的两个点安装热电偶，用来采集该相变材料块2的温度。

制作完成后，对各相变材料块2分别通以5a和10a的恒定电流，电流的走向如图4所示，电池的温升速率分别可达到8℃/min和30℃/min。

实施例二

本实施例以用于电动汽车电池组的电加热为例，对本发明的结构和工作原理进行如下说明：

如图8和图9所示，一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统，包括：

复合相变材料，包裹在行列式排列的电池5外，其热导率为2-16w/m.k，电导率为1-100s/mm，电池组为一个4并8串的电池组；

八块导热性绝缘隔板3，设置在各列电池5之间，用于将复合相变材料隔离成五块彼此隔离的相变材料块2，所述相变材料块2的尺寸为25mm×100mm×60mm，本实施例中每块所述相变材料块2包裹住一列电池5(每列4个电池)，所述导热性绝缘隔板3材料为氮化铝隔板，是一种高热导率但不导电的材料，可减少每个单元之间的温差，保证温度均衡；

若干电极片1，材料为黄铜片，分别通过铜导电胶粘合设置于各所述相变材料块2两端，即所述相变材料块2的25mm×100mm的面，用于将各相变材料块2依次连接形成串联电路，两相邻的所述电极片1之间涂有防止电极片1短路的绝缘胶。串联可以增大加热电阻，降低加热所需电流，且尽可能保证各各相变材料块2温度均衡；

外层保温层4，包裹在所述复合相变材料外，所述的外层保温层4为厚度15mm的塑料保温层，热导率低于0.2w/(m·k)。

本实施例中，所述复合相变材料由导热导电的多孔材料及具有相应相变温度的相变材料复合而成，并通过压块成型。

具体地，本实施例的所述复合相变材料由如下质量分数的材料复合而成：

膨胀石墨，70％；石蜡，30％；所述石蜡的相变温度为30℃。

为获得本实施例的温度数据，在相变材料块2上设置测温点：本案例测量电池外表面温度，将热电偶贴于电池的外表面后装进该电池加热系统的电池孔中。根据锂离子电池运行条件，电池需在温度高于20℃时启动才不会对电池造成损害。

制作完成后，将其放入温度为-20℃的冰箱中，接通恒定电流20a，使系统温度升高到20℃，当通电电流达到60a时，温升速率可达到15℃/min。

实施例三

本实施例以用于航天飞行器的矩形电池的电加热为例，对本发明的结构和工作原理进行如下说明：

如图9所示，一种基于电加热复合相变材料的串联结构电池加热系统，包括：

复合相变材料，包裹在依次排列的五个矩形的电池5外，其热导率为2-16w/m.k，电导率为1-100s/mm；

四块导热性绝缘隔板3，设置在各列电池5之间，用于将复合相变材料隔离成五块彼此隔离的相变材料块2，所述相变材料块2的尺寸为18mm×80mm×124mm，本实施例中每块所述相变材料块2包裹住一个矩形的电池5，所述导热性绝缘隔板3材料为氮化铝隔板，是一种高热导率但不导电的材料，可减少每个单元之间的温差，保证温度均衡；

若干电极片1，分别通过导电胶粘合设置于各所述相变材料块2两端，即所述相变材料块2的18mm×80mm的面，用于将各相变材料块2依次连接形成串联电路，两相邻的所述电极片1之间涂有防止电极片1短路的绝缘胶。串联可以增大加热电阻，降低加热所需电流，且尽可能保证各各相变材料块2温度均衡；

外层保温层4，包裹在所述复合相变材料外，所述的外层保温层4的热导率低于0.2w/(m·k)，由内至外包括隔热涂层、隔热填充剂。

本实施例中，所述复合相变材料由导热导电的多孔材料及具有相应相变温度的相变材料复合而成，并通过压块成型。

具体地，本实施例的所述复合相变材料由如下质量分数的材料复合而成：

膨胀石墨，90％；石蜡，10％；所述石蜡的相变温度为50℃。

电池加热系统制作完成后，将其放入温度为-40℃的冰箱中，接通恒定电流20a，使系统温度升高到20℃，当通电电流达到20a时，温升速率可达到15℃/min。

上述实施例中，复合相变材料块是由导电多孔材料及不导电的相变材料石蜡复合而成的导电相变材料，石蜡被吸附在多孔材料空隙中，复合后的材料具有高热导率、高导电率、并且相变融化后不发生液漏溢出等优点，通过设计模具进行压块可适用于各种形状，电加热方法可使材料快速升温，从而加热包裹在里面的电池5，当温度接近相变温度时，相变材料潜热大的特点可以吸收大量的热量但不升温，起到控温的作用。该结构通过将整个电池组分成多个小单元，将多个小单元的相变材料块2进行串联后通电，可增大整体电阻从而增大加热功率。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。凡依本发明的内容所作的均等变化与修饰，均为本发明权利要求所要求保护的范围。