一種高低溫可控的動力鋰離子電池裝置的製作方法
2023-10-22 01:13:33 2
本發明屬於鋰離子電池技術應用領域，涉及一種在低溫和高溫條件下高效率應用的動力鋰離子電池裝置。
背景技術：
目前，在二次鋰離子電池的應用技術行業，鋰離子電池電池組的構成通常是按照電池應用的技術需要，依照單個電芯的容量和電壓指標，對電芯進行串聯和並聯，以達到所需要的鋰離子電池電池組的容量和輸出電壓指標。
通常用於室外設備的鋰離子電池的電池組及其電池盒，具有為滿足搬運以及安裝要求而設置的部件和附件外，還具有一定程度的防雨功能。在眾多環境要素中，溫度對電池性能的影響最大。由於鋰離子電池的電芯溫度特點，通常電池生產廠商標稱的鋰離子電池充電環境溫度範圍在-10℃～55℃，放電環境溫度範圍在-20℃～60℃。實際的鋰離子電池產品的最佳工作溫度範圍是在20℃～40℃。鋰離子電池對0～40℃這個區間的溫度並不敏感，超過這個溫度區間，壽命和容量就會打折扣。然而，我國地域廣闊，南北緯度跨度大，尤其在冬季南北地域溫差大，現有的鋰離子電池產品在這樣的地域和溫差的使用條件下，存在以下電池的熱管理技術缺點：
1、在低溫環境條件下
在低於0℃的低溫環境中，由於鋰離子電池所用的電解液作為有機液體，如同油脂，會在低溫下變粘稠甚至凝結。此時，導電的鋰鹽在裡面的活動大大受到限制，這樣電池充電效率很低，從而會導致鋰離子電池在低溫下充電慢，也充不滿。
在低於0℃的低溫環境中，鋰離子電池放電，由於負極表面SEI膜對鋰離子傳遞過程的阻力作用，電池的放電性能比在常溫下顯著變差，電池放電容量有很大的衰減。
理論上鋰離子電池不能在環境溫度低於0℃的環境中對電池充電。在環境低溫0℃時充電，會增大聚合物鋰離子電池組內壓，並可能使電芯安全閥開啟。為了有效充電，環境溫度範圍應在5～30℃之間。
在常壓地區和地區的通常溼度時，環境溫度降到露點溫度時，電池凝露會造成短路。當鋰離子電池從溫暖的環境下被拿到低於0℃的環境下使用時，就會很容易在其電池內部的電路板上形成凝露現象，凝露會造成電池短路。當凝露現象較為嚴重，那麼就很有可能造成鋰離子電池的電路板短路，從而影響消費者的使用，更甚者會造成產品冒煙、著火、大電流放電等危害。。
長時間在低溫環境中使用，或者在-40℃超低溫環境中，鋰離子電池會被「凍壞」造成永久損害。
由於受到地域和氣候的自然環境溫度影響，使得鋰離子電池的使用溫度受到很大的限制。在野外使用時的氣溫溫度低於5℃時，鋰離子電池的電池放電效率就會下降，溫度再低就會下降更多。
在實際的應用中，鋰離子電池組在-10℃在放電效率接近70％，在-15℃在放電效率接近50％，在-20℃放電效率接近30％。在近幾年的公開有關北方冬季應用鋰離子電池的電動汽車報導中，出現北方大城市在-20℃氣溫因鋰離子電池放電率低不能上路，對鋰離子電池技術的推廣十分不利影響。
在我國南北地域在同一季節戶外溫度差異很大，同樣在冬季的12月到次年的2月份，在我國大部分北方地區戶外平均氣溫在0℃以下，按照通常技術組裝的鋰離子電池在戶外氣溫下電池的放電效率很低，甚至基本不能使用，這就嚴重阻礙了鋰離子電池技術產品的技術推廣應用。
2、在高溫環境條件下
在高於40℃的低溫環境中，按照通常技術組裝的鋰離子電池組，充電時間在6～8小時，充電時間過長，鋰離子電池的充電效率受到影響，不利於用戶使用鋰離子電池的積極性。
充電時間長，主要原因是充電電流小，當充電快時就要用大電流充電，使得電池組溫度會升高，通常的電池組及電池盒本身的散熱性能差，不利於鋰離子電池組安全充電。
高溫環境對SEI膜產生不利影響。SEI膜在鋰離子電池中作用是隔離正負極，通過鋰離子，阻止電子通過。當電池溫度升高時，SEI膜發生放熱分解。在50℃以上時，電池的放電容量，放電能量下降，
高溫環境充電，以及在大電流充電時會引起電池溫度升高，在高溫時鋰離子電池充電，因充電時可能產生的氣體有使電池膨脹爆炸的風險。
在60℃時，鋰離子電池恆流充電所獲得的電量補充逐漸減少，而恆壓階段獲得的電量顯著增加。這是由於電池極化現象引起的。
60℃時容量衰減較快。鋰離子電池容量衰退都有電池極化的影響，即鋰離子擴散速度跟不上電子的轉移速度，使得電池正極容納的鋰離子越來越少。在溫度高於60℃的高溫下，這種極化過程很大程度地加劇，這是導致鋰離子電池容量衰減的根本原因。
(1)在現有技術的鋰離子電池結構中，多數鋰電池採用塑料和金屬作電池盒子，用於容納內部電芯和保護板，支撐電池的重量和電池的固定放置，以及電路連線，不能在北方地區的低溫季節給電池保溫，不能支持電池在低溫環境下的正常工作；
(2)在現有技術的鋰離子電池結構中，多數鋰電池盒子沒有散熱裝置，不能主動散熱，抑制電池溫度的升高。在高溫環境下，電池工作時溫度會持續升高，使得電池的充電效率降低。
(3)在現有技術的鋰離子電池結構中，鋰電池盒子沒有滅火裝置。在電池充電過熱時，以及在用電放電時，電池溫度升高造成的電池起火，不能自動進行消防滅火，有危害人身安全的風險。
(4)當電池由溫度較高的室內環境被帶出到低溫較低的室外環境時，由於電池盒體及電芯溫度在一定時間內溫度高於外部自然環境，出現電池盒的內外壁有較大溫度差，有時會導致在溫度較高的電池盒壁的內部一側出現凝露現象。凝露在電池內部出現，露珠會在電芯或電路板上會造成電路短路，嚴重的造成電池短路發熱起火，危害人員安全。
一現有技術，實用新型專利號CN 201717346 U，名稱是《一種動力鋰電池溫度控制裝置》，採用溫度控制裝置控制鋰電池的溫度，其採用了循環泵裝置，用高、低溫的熱水或冷水作為加溫或冷卻源，在電池盒壁內用水介質循環給鋰電池升溫或降溫。其存在缺點是，一其必須在電池體外部，要再製備作為熱源的熱水和作為冷源的冷水，另要再設置溫控單元控制循環泵裝置的工作狀態；二其用在電池外部的電池盒子作為盒內電池的加熱和冷卻的裝置，用給電池盒加熱或降溫的方法，來給電池盒裡邊的電池升溫或降溫；三其電池放在電池盒裡邊，在電池盒外散熱器附加風扇以散熱，設備結構複雜，且升降溫速度慢，存在安全隱患。
技術實現要素：
有鑑於此，在鋰離子動力電池的技術應用行業，本發明提供一種高低溫可控的動力鋰離子電池裝置，為電池提供適合的工作溫度環境，滿足在自然環境低溫條件下電池高效率放電，在充放電時能夠及時維持電芯在合適的溫度，保護電池的電芯，使電池能正常使用，增長鋰離子電池的使用期；在高溫環境下，滿足及時控制電芯溫度，抑制電池溫度升高，維持電池的適合溫度，解決了現有技術中存在的問題。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
一種高低溫可控的動力鋰離子電池裝置，包括電池盒，電池盒內放置有電池，電池盒內壁與所述電池外壁之間形成電池製冷劑儲存腔，所述電池製冷劑儲存腔內，在所述電池周圍設有加熱裝置，所述電池盒的頂蓋外側設有一蒸發散熱管路，所述蒸發散熱管路的進出口均與所述電池製冷劑儲存腔連通形成一電池製冷劑循環迴路，所述電池盒內還設有一溫控開關，所述溫控開關通過連接導線與所述加熱裝置和電池連接；所述電池盒上還設有與所述電池製冷劑儲存腔連通的放氣閥。
進一步的，所述蒸發散熱管路包括蒸發器和散熱器，其中所述蒸發器的一端與所述電池製冷劑儲存腔連通，另一端連接散熱器，所述散熱器的另一端通過導液管與所述電池製冷劑儲存腔連通形成電池製冷劑循環迴路。
進一步的，所述電池製冷劑儲存腔還與所述電池內部空間連通。
進一步的，所述溫控開關通過一溫控開關固定板設置於所述電池上部，且所述溫控開關固定板上開設有固定板過液孔。
進一步的，所述電池包括由若干個單體電芯經串或並聯形成的鋰電池組，所述鋰電池組外設有電池外包裝，電池外包裝與鋰電池組之間設有保護板，所述鋰電池組的正負電極通過連接導線與保護板連接，所述保護板通過連接導線與設置於電池盒上的充電插座和放電插座相連，所述保護板還通過連接導線與溫控開關相連。
進一步的，所述電池外包裝上設有電池外包裝過液孔，所述電池製冷劑儲存腔還通過所述電池外包裝過液孔與所述電池內部空間連通。
進一步的，所述電池盒由上端開口的電池盒體和電池盒蓋拼接而成，所述電池盒採用絕緣保溫電絕緣材質製成。
進一步的，所述電池製冷劑儲存腔用於灌裝電池製冷劑，用於吸收電池電芯工作時的發熱，所述電池製冷劑為液體。
進一步優選的，所述電池製冷劑為氟利昂。
更近一步的，所述加熱裝置為加熱器，所述加熱器設置於所述電池底部，所述加熱器的連接導線通過設置於所述溫控開關固定板上的固定板過線孔直接與所述溫控開關相連接。
相對於現有技術，本發明所述的高低溫可控的動力鋰離子電池裝置具有以下優勢：
本發明採用的鋰離子電池的熱管理技術，採用低溫下的加熱技術，解決了現有技術中不能支持電池在低溫環境和高溫環境下的正常安全工作的問題；同時本裝置中採用的製冷劑，有滅火功能，解決了現有技術中電池結構中沒有滅火裝置，不能自動進行消防滅火、危害人身安全的問題；
除此以外，本發明對電池的加溫和降溫過程均在電池盒內部進行，不需在電池盒外附加電池製冷劑的循環動力裝置，結構簡潔，方便操作、安全係數較高。
附圖說明
構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發明實例中所述結構的電池盒頂部俯視圖；
圖2為本發明實例中所述整體結構的剖面主視圖。
附圖標記說明：
1-電池盒；2-電池；3-電池製冷劑；4-散熱器；5-蒸發器；6-導液管；7-加熱器；8-溫控開關；11-電池盒體；12-電池盒蓋；13-充電插座；14-放電插座；15-放氣閥；21-電芯；22-連接導線；23-保護板；24-電池外包裝；25-電池外包裝過液孔；26-溫控開關固定板；27-固定板過液孔；28-固定板過線孔。
具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」等的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。
實施例1
一種高低溫可控的動力鋰離子電池裝置，如圖1和2所示，包括電池盒1(為長方立體盒子)，作為鋰離子電池裝置的外部結構，可實現保護固定內部結構，隔絕外部空間，密封內部空間，並承受一定的內外部氣壓差；電池盒1內放置有電池2，電池盒1內壁與所述電池外壁之間形成電池製冷劑儲存腔，電池製冷劑3盛裝在電池盒1內壁與所述電池外壁之間形成電池製冷劑儲存腔中，浸泡著電池2，電池製冷劑3為液體(盒內當溫度高於40℃時，電池製冷劑3就會蒸發出氣體吸熱，用於給升溫的電池吸熱降溫；電池製冷劑3中可以添加石墨烯，使得其導熱性良好，以吸收鋰電池芯工作時產生的熱量，可以防止鋰電池過熱，選作電池製冷劑的液體無閃點不燃，並可做電路滅火劑，優選氟利昂)；
所述電池製冷劑儲存腔內在所述電池2周圍設有加熱裝置，所述電池盒1的外側設有一蒸發散熱管路，所述蒸發散熱管路的進出口均與所述電池製冷劑儲存腔連通形成一電池製冷劑循環迴路，所述電池盒1內還設有一溫控開關8，所述溫控開關8通過連接導線22與所述加熱裝置和電池2連接；所述電池盒1上還設有與所述電池製冷劑儲存腔連通的放氣閥15，放氣閥15用於在電池盒體1的內部氣體壓力到一定閾值時自動方氣減壓，保護裝置和環境安全，防止裝置變形。
具體的，所述蒸發散熱管路包括蒸發器5和散熱器4，散熱器4位於電池盒體1的頂部，是導熱良好的銅管，用於管內氣液體熱量向管壁外傳熱，使得電池盒體1外部散發從內部吸收的熱量，降低電池盒體1內部的溫度；蒸發器5也是導熱良好的銅管，管徑較散熱器4的管徑粗；其中所述蒸發器5的一端與所述電池製冷劑儲存腔連通，另一端連接散熱器4，用於從電池盒體1的內部吸收和導引蒸發的電池製冷劑的氣體到散熱器4；導液管6位於電池盒體1的內部，是導熱良好的銅管，上端接散熱器4，導液管6下端與所述電池製冷劑儲存腔連通形成電池製冷劑循環迴路，用於導引散熱器4散熱後凝結的電池製冷劑3，流回電池盒體1的內部；
所述加熱裝置為加熱器，由電池供電，是一個加熱膜，用於鋰電池長時間在室外低溫放置或使用時，給電池加熱升溫，保護電池電芯，使得鋰離子電池有常溫下的正常放電率，避免低溫對電池的不良影響和危害；所述加熱器設置於電池盒1底部，上邊是電池2，所述加熱器的連接導線通過設置於所述溫控開關固定板上的固定板過線孔直接與所述溫控開關相連接，溫控開關8用於控制加熱器7，在溫度低於5℃時啟動加熱器7給電池加熱升溫，在溫度高於15℃時停止加熱。
電池2內部是依據電池的電壓和電流設計要求用鎳片焊接成的被並聯和串聯的多個電芯21(即鋰電池組)，串聯和並聯的電芯21外接正極和負極用連接導線連接到電池2的保護板23，電池外包裝24包裹和固定著內部的電芯21、保護板23等；保護板23用連接導線過穿過電池外包裝24外邊連接溫控開關8、充電插座13、放電插座14等。
為了保證冷卻效果，所述電池製冷劑儲存腔還與所述電池內部空間連通，具體的，所述電池外包裝上設有電池外包裝過液孔，所述電池製冷劑儲存腔還通過所述電池外包裝過液孔與所述電池內部空間連通；所述溫控開關固定板上也開設有固定板過液孔。
進一步的，所述電池包括由若干個單體電芯經串或並聯形成的鋰電池組，所述鋰電池組外設有電池外包裝，電池外包裝與鋰電池組之間設有保護板，所述鋰電池組的正負電極通過連接導線與保護板連接，所述保護板通過連接導線與設置於電池盒上的充電插座和放電插座相連，所述保護板還通過連接導線與溫控開關相連。
優選的，所述電池盒由上端開口的電池盒體和電池盒蓋拼接而成，所述電池盒採用絕緣保溫電絕緣材質製成；電池製冷劑3是一種電絕緣液體，同時也是一種滅火劑，能起到阻止電池起火危害的作用。
本發明的工作過程為：
在室外，當鋰離子電池在5℃的溫度及更低溫環境下時，電池的溫控開關8啟動，接通加熱器7到保護板23的電路，加熱器發熱，熱量經電池製冷劑3傳遞給電池，電池溫度就逐步升高，使得電池即使在室外低溫環境下，也能正常工作，當電池2的溫度升高到15時溫控開關8自動斷開加熱器7的電源，停止加熱，依靠電池工作自身發熱維持在較高溫度；當鋰離子電池在高於40℃的溫度環境中時，電池2工作時的溫度會更高，這時電池製冷劑3揮發出氣體，電池製冷劑3氣化吸收熱量使得電池2溫度不再上升，電池2正常工作。電池製冷劑3氣化的氣體，經過蒸發器5後進入散熱器4，氣體在散熱器4中向盒體外的空氣散失熱量後，在散熱器4內重新凝結回低溫的液體，再進導液管6流回電池盒內部，再重新加入上述的液體蒸發向電池盒外散熱的循環。本電池製冷劑3的循環氣化再液化的過程，不需外加動力和動力裝置，當電池盒內電池芯產生的熱量使得電池盒內溫度上升接近到電池製冷劑3的沸點溫度40℃時，電池製冷劑3氣化加劇，依靠蒸發器5管直徑比散熱器4直徑大形成的壓力差，氣化再液化的過程自動循環進行，不需要外加循環動力和動力裝置。放氣閥15用於在電池製冷劑氣化和再液化的循環建立時，調節液化氣體的壓力，以調節電池製冷劑的沸點，控制電池製冷劑3的沸點，達到與電池盒1內的溫度與電池盒1外的環境溫度相匹配，使得盒內熱量能及時散發出去。放氣閥還有防止電池盒1內壓力過大，盒內壓力超過設定安全值就自動放氣，放氣閥15有安全防爆的功能。
電池製冷劑3是一種電絕緣液體，同時也是一種滅火劑，能起到阻止電池起火危害的作用。
本發明採用的鋰離子電池的熱管理技術，採用低溫下的加熱技術，解決了現有技術中存在的問題1中不能在北方地區的低溫季節給電池保溫，不能支持電池在低溫環境下的正常工作的問題。
採用散熱裝置和技術，解決了現有技術中存在的問題2的，電池盒子沒有散熱裝置，不能散熱，抑制電池溫度的升高，在高溫環境下，電池工作時溫度會持續升高，使得電池的充電效率降低的問題；採用的電池液，有滅火功能，解決了現有技術中存在的問題3的，電池結構中沒有滅火裝置,在電池充電過熱時，以及在用電放電時，電池溫度升高造成的電池起火，不能自動進行消防滅火，有危害人身安全的風險的問題；採用電池合體放置液體且密封的結構，解決了現有技術中存在的問題4的，當電池由高溫的環境被帶進低溫的環境時，由於電池盒體內部及電芯溫度在一定時間內溫度高於外部自然環境，有時會導致電池內部出現凝露現象的問題，凝露的存在會造成電池電路短路發熱，嚴重的造成電池短路起火，危害人員安全。
本發明的技術實施方式，比較現有技術，更好地實現了當室外是低溫或高溫環境時，保護了SEI膜的安全；防止了電池高溫環境充電，易產生氣體使電池膨脹爆炸的風險；防止電池在高溫下，極化過程很大程度地加劇，導致鋰離子電池容量衰減；本發明的技術使得鋰離子電池高效安全工作，延長了電池高效率使用期。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。