一种改善磷酸铁锂电池低温性能的热管理系统的制作方法

1.本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及新能源汽车的动力电池的热管理技术领域，具体涉及一种改善磷酸铁锂电池低温性能的热管理系统。


背景技术：

2.汽车是人们生活、工作、出行最为常用的交通工具，随着碳排放的相关要求越来越高，针对汽车废气排放越来越严苛，新能源汽车逐步走进人们的生活，越来越多的家庭在进行汽车更换时都选择了更加经济的新能源电动车。现在国内外各大汽车制造商都陆续的发布停产停售燃油车的时间表，且新能源电动汽车占比逐年攀升，包括ev纯电动，phev插电式混合动力，以及增程式油电混合动力汽车等。然而，提及新能源汽车人们能够想到的优势有动力强、提速快、静谧性好、能耗低等优点，但是新能源电动汽车也存在致命的缺陷，那就是续航里程不及燃油车。燃油车满箱油通常能够开800km-1200km不等，然而当下续航里程最长的纯电新能源车的续航里程实际可能不足500km，大部分的实际续航里程在200km-300km之间，那么从这个里程上讲，似乎新能源车只能适用于短途作用，不便于跑长途。加之新能源充电桩的普及程度远远不及加油站密集，而且充电时间长，排队等待时间成本往往让人担忧，经研究，电池放电容量衰减与环境温度有非常大的关系，因此，做好电池热管理对于提升电池的有效续航具有非常重大的意义。另一方面，随着新能源汽车的普及，新能源汽车事故也是频频发生，绝大多数新能源车事故都是电池事故，由于电池的性能不稳定，在充放电过程中，或因为发热，或因为短路等导致电池爆燃而引发事故。


技术实现要素：

3.本发明旨在提供一种用于新能源汽车动力电池工作温度管理的技术，尤其针对以磷酸铁锂电池为动力电池的热管理系统。为了充分的说明本发明，充分掌握本发明的社会意义和显著效果，在介绍本发明之前，首先对当下新能源车采用的动力电池分类进行简要阐述，以充分的掌握当前动力电池的现状。
4.传统的蓄电池为铅酸电池，铅酸电池是历史最悠久，技术最成熟的，然而在锂电池横空出世后，铅酸电池的弊端就显现出来。由于当下新能源车的动力依赖于电池驱动，相较于传动的燃油车，铅酸电池只负责发动机的驱动，风扇和车载电子设备驱动而言，承担的负荷增加了数十倍之多，加之铅酸电池的能量密度小，充放电的寿命低等特性，加之铅酸电池质量大，相较于现有的锂电池品种而言已经不具备优势。现实情况中，新能源电动车中很少有采用铅酸电池作为动力电池。
5.然而，锂电池中又具有进一步的分类，主要是根据制作电池正极材料不同而具有不同特性的锂电池，作为广泛应用的代表具有三类，分别是，磷酸铁锂电池、三元锂电池和锰酸铁锂电池三种。
6.磷酸铁锂电池的能量密度容量约在100左右，安全性高，热稳定性好，循环寿命好，但是其具有缺点是能量密度低于锰酸铁锂电池和三元锂电池，同时最致命的缺点是低温性
能差，磷酸铁锂电池在严寒地区的放电容量将大打折扣，甚至不到常温下容量的一半，但基于其安全性，当前新能源车中仍然有大量汽车选择磷酸铁锂，尤其是电动车自然事件频发的环境下，安全性显得尤为重要。
7.锰酸铁锂电池的能量密度略高于磷酸铁锂，约在100-110左右，安全性略差于磷酸铁锂，同时与磷酸铁锂一样，能量密度交底，且循环寿命更差，热稳定性也不好，基于锰酸铁锂的综合性能，其弊端明显大于优势，因此，当下采用锰酸铁锂作为动力电池的应用场景并不多。
8.三元锂电池是一款饱受争议的锂电池，其优点和缺点是同样突出；三元锂电池的有点是能量密度高，可以高达150-200，几乎能达到磷酸铁锂的两倍之多，这使得较多应用场景在三元锂电池优秀的能量密度上进行了其他方面的妥协，然而这种妥协有时候是致命的，由于三元锂电池内部管理复杂程度高，其在充放电过程中或者受到外界力量挤压、破坏时极易发生爆燃，甚至爆炸，因此，三元锂电池的安全性相较于前者磷酸铁锂电池而言就低了不少。
9.综上所述，从广泛应用的角度，选择磷酸铁锂电池作为动力电池是相对稳妥的，同时也符合市场的选择和预期；那么，面对这种情况，急需要解决的问题将是磷酸铁锂的热管理问题。由于磷酸铁锂的热稳定性非常好，因此，不存在高温环境使用会存在明显弊端或者不安全的问题。然而，磷酸铁锂的短板在于低温环境放电容量衰减大，因此，如何保证在低温用车环境下保证电池的温度使用处于标定放电容量的最佳温度范围成为了提高磷酸铁锂电池性能的关键所在，也是本发明的要点所在，目的所在。
10.为了解决现有磷酸铁锂电池在低温环境下放电容量衰减明显导致汽车续航里程达成率低的技术问题，本技术提供一种改善磷酸铁锂电池低温性能的热管理系统，能够在寒冷环境下始终保持磷酸铁锂电池温度始终处于标定容量较佳放电温度范围，使得放电容量达成率达90%以上，有效克服因环境低温造成的磷酸铁锂电池放电衰减的问题。然而，ev电动汽车在运行过程中，几乎没有明显的发热部件，因此，采用传统燃油车必不可少的会发出大量热量，从而利用热量进行其他应用的思路是不可行的。经过申请人研究，如果利用磷酸铁锂电池本身的电量，通过热泵发热的方式保证磷酸铁锂电池本身的温度处于利于放电的最佳温度范围的方案是可行的，但是基于能量守恒而言，尽管在事宜温度范围内放电，其放电容量能够接近标称容量，但是用于维持磷酸铁锂电池本身的温度会消耗自身一些电量，这使得最终用于驱动汽车的电量相较于在低温下的容量而言其优势并不明显。加之，任何热泵进行能量转换时会有必不可少的消耗或耗散，因此，这种方案无论是从理论上还是申请人实际实验中都不具有良好的效果，应用前景不高。
11.根据研究与发现e期刊2011第9期题为“温度对磷酸铁锂电池性能的影响”孙庆、杨秀金、代云飞、周寿斌等发布的研究文献可知磷酸铁锂电池在低温条件下对其性能影响显著，具体为：从放电容量来看，10℃-60℃几乎为97%-100%达成，0℃时为常温容量的80.2%，-10℃只有常温下的66.4%，-20℃时则仅仅只有44.1%，且当环境温度处于-20℃相对于-15℃容量衰减速率增加了50%。
12.25℃常温充电相对于在-20℃低温环境充电相比，其放电容量仅仅增加了10%，因此，保持常温下充电的方式来提升磷酸铁锂电池的放电容量效果是不明显的，也就是说，低温环境对于磷酸铁锂电池的影响主要体现在放电容量衰减上，对于充电过程中然而并没有
明显的影响。换句话说，就是电动车在低温环境中行驶时，应当保证磷酸铁锂电池的放电环境应当大于等于10℃较佳，而当电动车在充电时，即汽车处于静止状态所处的环境温度并不重要。
13.充分掌握了磷酸铁锂电池在不同工况下对温度的敏感性后，那么为了在无需大量耗散磷酸铁锂电池自身电力前提下达到提升磷酸铁锂电池放电容量，从而提升电动车续航里程的效果，本技术所采用的技术方案为：一种改善磷酸铁锂电池低温性能的热管理系统，包括用于接收信号，发送指令的主控器，以及分别与所述主控器电连接的整流逆变模块、至少一个蓄电池、以及包裹或者围绕设置在磷酸铁锂电池单元外侧用于监控、调节、保持温度的热管理单元，所述整流逆变模块电连接有至少一个通过空气流动驱动进行发电的风力发电装置。
14.优选地，所述热管理单元包括包裹或者围绕设置在磷酸铁锂电池单元外侧用于与被包裹或者接触的磷酸铁锂电池单元进行热交换的循环管路，所述循环管路的一端连接有水泵的出水端，水泵的进口端连接有防冻液罐，所述防冻液罐还与所述水泵的另一端连通，所述防冻液罐内还设置有用于对防冻液加热的电热丝，所述循环管路内安装有与所述主控器电连接的第一温度传感器。
15.再进一步优选地，还包括防冻液壶，所述防冻液壶的底部通过管路与所述防冻液罐连通，所述防冻液壶顶部设置有双向泄压阀。
16.优选地，所述风力发电装置的数量为两个，并联与所述整流逆变模块连接。
17.优选地，所述蓄电池包括并联连接于主控器电连接的第一蓄电池和第二蓄电池。
18.再进一步优选，还包括动能回收发电装置，所述动能回收发电装置通过电连接所述主控器向所述第一蓄电池和第二蓄电池充电。
19.为了充分的将电能转换为热能且减少不必要的耗散损失，优选地，所述循环管路为一体成型或者焊接的箱体结构，包括主箱体和单元箱体，所述单元箱体的数量为多个，以阵列排布的方式设置于所述主箱体内，相邻两个 单元箱体之间存在供防冻液流动的通道，所述主箱体靠近顶部位置设置有连通所述水泵出口的进液口，所述主箱体底部或者侧壁靠近底部的位置设置有连通所述防冻液罐的出液口。
20.为了保证温度控制的精准性，优选地，所述循环管路内还安装有与所述主控器电连接的第二温度传感器。
21.有益效果：本发明通过汽车行驶过程中的风能进行发电，且将风力发电装置安装于车头内，充分利用纯电动车的车头空旷的特点，使得利用车头进气的高效率进行发电，不会破坏汽车的空气动力学外观，利用行驶过程中发的点进行能量转换为作为动力电池的磷酸铁锂电池加热，不耗散何动力电量达到提升磷酸铁锂电池放电容量的目的。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明应用在新能源车上的汽车主视图。
24.图2是图1的右视图。
25.图3是图2的俯视图。
26.图4是本发明热管理系统的原理框图。
27.图5是采用箱体式循环管路结构的示意图。
28.图中：1-风力发电装置；2-整流逆变模块；3-主控器；4-动能回收发电装置；5-第一蓄电池；6-第二蓄电池；7-防冻液壶；8-防冻液罐；9-水泵；10-循环管路；11-电热丝；12-第一温度传感器；13-第二温度传感器；14-铅酸锂电池。
具体实施方式
29.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.在本技术的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，本技术的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.此外，本技术的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
34.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.实施例1：结合说明书附图1-图4所示的一种改善磷酸铁锂电池低温性能的热管理系统，包括用于接收信号，发送指令的主控器3，以及分别与所述主控器3电连接的整流逆变模块2、至少一个蓄电池、以及包裹或者围绕设置在磷酸铁锂电池单元外侧用于监控、调节、保持温度的热管理单元，所述整流逆变模块2电连接有至少一个通过空气流动驱动进行发电的风
力发电装置1。
36.本实施例中，所述热管理单元包括包裹或者围绕设置在磷酸铁锂电池单元外侧用于与被包裹或者接触的磷酸铁锂电池单元进行热交换的循环管路10，所述循环管路10的一端连接有水泵9的出水端，水泵9的进口端连接有防冻液罐8，所述防冻液罐8还与所述水泵9的另一端连通，所述防冻液罐8内还设置有用于对防冻液加热的电热丝11，所述循环管路10内安装有与所述主控器3电连接的第一温度传感器12。
37.再进一步优选地，还包括防冻液壶7，所述防冻液壶7的底部通过管路与所述防冻液罐8连通，所述防冻液壶7顶部设置有双向泄压阀。所述风力发电装置1的数量为两个，并联与所述整流逆变模块1连接。所述蓄电池包括并联连接于主控器3电连接的第一蓄电池5和第二蓄电池6。
38.本实施例中，还包括动能回收发电装置4，所述动能回收发电装置4通过电连接所述主控器3向所述第一蓄电池5和第二蓄电池6充电。为了保证温度控制的精准性，优选地，所述循环管路10内还安装有与所述主控器3电连接的第二温度传感器13。
39.工作原理：当汽车行驶时，位于车头内的两个风力发电装置1在流入车头的空气作用下会发生旋转，从而带动发电机工作，开始发电，由于发电机的自身阻力很小，扇叶非常容易的能够带动发电机旋转，尤其是汽车在较高速度下行驶时，发电效率会更高。汽车行驶时，空气流动的方向如图1-图3所示。值得说明的是，现有的纯电动汽车由于车头部件不需要散热，其外观并没有诸如燃油汽车一样具有进气口设计，然而，搭载本发明技术的新能源纯电汽车则需要保留如燃油汽车一样的进气口，且需要保持进气口处于常开状态，对于气流的阻挡也是越小越好，以更好的利用汽车行驶过程中产生的风能。
40.由于匹配不同的风力发电装置1获得的电能是不同的，因此需要整流逆变模块将电流进行整流后通过主控器3进行包括升压、降压在内的处理后输送到第一蓄电池5和/或第二蓄电池6进行储存。第一温度传感器12和第二温度传感器13实时采集位于循环管路10内的防冻液的温度并发送至主控器3，主控器3通过对比循环管路10中的实时温度与预设温度如10℃-15℃，若当前温度属于或者高于预设范围，则系统保持充电储能状态；反之，若当前实时温度低于预设温度后，则主控器3想水泵9发出控制指令，驱动防冻液进行循环，同时，第一蓄电池5和/或第二蓄电池6向电热丝11进行供电，利用电热丝11对防冻液进行加热，在水泵9的驱动作用下，温度升高的防冻液不断的循环，并在循环过程中与磷酸铁锂电池单元进行热交换，使得磷酸铁锂电池的温度适中处于系统预设的事宜温度范围。值得说明的是，由于用于对磷酸铁锂电池加热的第一蓄电池5和/或第二蓄电池6专用于热管理，其容量与作为动力电池的磷酸铁锂电池是没法比的，故而为了节能考虑，并不需要将预设温度设定的过高，如25℃，这样磷酸铁锂电池的放电容量并不会增加，但是第一蓄电池5和/或第二蓄电池6的耗电量将会明显增加，对于持续的热管理是不利的，尤其是期间汽车处于低速行驶状态时。为了保证热管理的不间断性，在风力发电装置1不能及时有效的提供持续的电能供给时，则可通过与汽车轮轴驱动连接的动能回收发电装置4对第一蓄电池5和/或第二蓄电池6充电。如此，只要汽车在行驶，那么始终都能进行有效的热管理，当第一蓄电池5和/或第二蓄电池6处于饱和状态时，则动能回收发电装置4的电量将按照汽车原本系统设定向作为动力电池的磷酸铁锂电池14供电。
41.为了充分的将电能转换为热能且减少不必要的耗散损失，优选地，所述循环管路10为一体成型或者焊接的箱体结构，包括主箱体和单元箱体，所述单元箱体的数量为多个，以阵列排布的方式设置于所述主箱体内，相邻两个 单元箱体之间存在供防冻液流动的通道，所述主箱体靠近顶部位置设置有连通所述水泵9出口的进液口，所述主箱体底部或者侧壁靠近底部的位置设置有连通所述防冻液罐8的出液口。
42.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。