一种基于正极集流体传热的叠片式动力电池热管理系统

技术领域

本发明涉及动力锂离子电池热管理，具体是涉及一种基于正极集流体传热的叠片式动力电池热管理系统。

背景技术

相较于其他可充电电池，锂离子电池由于具有高能量密度、高功率密度、低自放电率、长寿命和环境友好性等优点，已成为手机、笔记本电脑、电动汽车和储能系统的供能核心部件。然而，在锂离子电池充放电过程中，由于电池内部不可避免的电化学反应和欧姆电阻会产生大量的热量，尤其是大容量的方形锂离子电池大倍率放电时，电池温度会大幅上升。锂离子电池的物理化学特性，如热安全性、充放电循环性能和使用寿命等，都会受到其工作温度的影响。若电池温度过高(大于60℃)或过低(低于0℃)，都会导致锂电池的可靠性和使用寿命恶化。目前建议的锂电池最佳工作温度为20℃～40℃，电池最大温差保持在5℃以内。因此，必须设计可靠、高效和安全的电池热管理系统，将锂电池的工作温度控制在最佳范围内。

当前，常规的热管理方法包括风冷、液冷、热管和相变材料冷却及其组合冷却方法。以上方法各有优劣，如果综合考虑到电池的热管理效率、热管理成本和空间利用率等因素，液冷热管理方案是最佳的选择。例如现有技术中申请号为CN201911206635.6和CN202010923480.4的中国专利均公开了在方形锂离子电池外部设置的液冷板和液冷管路冷却的技术方案。虽然均起到了一定散热的效果，但是，其仍然存在不足，以上关于锂离子电池的液冷热管理方法都是针对电池外部的热管理。然而，电池外部热管理的效率较低，这是由于电池外壳和电解液的阻隔，不能够很好地对电池内部电芯进行更高效地冷却和加热，会导致电池内部电芯和外部存在较大的温差，无法有效控制电池温度。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种对电池温度进行高效控制的基于正极集流体传热的叠片式动力电池热管理系统。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于正极集流体传热的叠片式动力电池热管理系统，包括引出集流体式叠片锂离子电池、导热板以及热交换系统，所述引出集流体式叠片锂离子电池包括电池外壳、正极柱、负极柱、正极集流体片，所述电池外壳上端设置正极柱和负极柱，所述电池外壳内设置正极集流体片，且正极集流体片延伸出电池外壳的左侧、右侧和下端，所述导热板与位于电池外壳外侧部分的正极集流体片贴合，导热板与正极集流体片进行热交换，所述导热板内嵌用于导热流体流动的嵌入式微流道，所述热交换系统用于改变导热流体温度并驱动导热流体在嵌入式微流道中循环。

进一步的，所述热交换系统包括外接导管、外接散热器、驱动水泵和外接加热器，所述外接导管连通导热板的嵌入式微流道、外接散热器、外接加热器和驱动水泵实现导热流体的循环，所述外接散热器用于导热流体的热交换，所述外接加热器用于加热导热流体，所述热交换系统设置控制阀，控制导热流体在外接散热器或外接加热器中的循环。

进一步的，所述引出集流体式叠片锂离子电池还包括叠片电芯活性物质和电解液，叠片电芯活性物质和电解液设置于电池外壳内，叠片电芯活性物质和正极集流体片依次叠加组成电芯，电解液覆盖叠片电芯活性物质和位于电池外壳内部的正极集流体片。

进一步的，所述导热板位于正极集流体片之间，且导热板厚度与叠片电芯活性物质厚度相同，所述导热板覆盖电池外壳外侧部分的正极集流体片成U型。

进一步的，所述导热板设置左右两组嵌入式微流道，两组嵌入式微流道的出口分别设置在两侧的上端，两组嵌入式微流道的入口均位于电池外壳下端的中间，并均与入口汇流通道连接。所述导热板和电池外壳均采用铝制材料。

进一步的，所述入口汇流通道通过外接导管分别连接外接散热器和外接加热器，外接散热器和外接加热器的进液口分别设置液冷控制阀和热流控制阀。

进一步的，所述外接导管与驱动水泵、导热板、外接散热器和外接加热器之间均通过胶封的形式进行密封连接。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是将电池内部电芯的正极集流体铝箔引出至电池外部，并与导热板紧密贴合，建立电池内外的直接传热通道，改善电池内外之间传热的电池外壳和电解液的低导热系数的缺点，使得叠片式电芯能够直接与导热流体进行高效的热交换，显著提高电池内外的导热效率和电池整体温度的均匀性，实现快速高效的热管理，可在较短时间将电池的最高温度和最大温差控制在最佳范围内，提高电池的运行循环性能，延长电池的循环寿命。

将引出的正极集流体片和内嵌液流微流道的热管理装置进行一体化贴合式设计，使整体结构更加紧凑，进一步提高空间利用率，使电池模组以及电池包的组装整合更加符合模块化的要求。

附图说明

图1为本发明管理系统示意图；

图2为本发明叠片式锂电池的三视图；

图3为本发明叠片式锂电池的分解图；

图4为本发明叠片式锂电池的整体结构示意图；

图5为本发明嵌入式微流道的结构示意图；

图6为本发明嵌入式微流道导热板集成装置的结构示意图；

图7为本发明嵌入式微流道尺寸结构图；

图8为本发明叠片式锂电池与集成装置装配结构的剖视图；

图9为本发明叠片式锂电池的冷却效果示意图；

图10为现有技术电池自然散热的冷却效果示意图；

图11为本发明叠片式锂电池与现有技术电池自然散热的最高温度对比图；

图12为本发明叠片式锂电池整体温度与内部电芯的温差对比图；

图13为本发明叠片式锂电池的温升效果示意图；

图14为叠片式锂电池外部设置微流道导热板集成装置但未引出正极集流体的电池温升效果示意图；

图15为引出集流体加热与未引出集流体的电池平均温度对比图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中一种基于正极集流体传热的叠片式动力电池热管理系统，包括引出集流体式叠片锂离子电池100、嵌入式微流道导热板集成装置200、外接水管300、驱动水泵400、外接散热器500、外接加热器600、液冷控制阀700和热流控制阀800。在嵌入式微流道导热板集成装置200左右两端设有外接出水口，通过外接水管300与驱动水泵400、外接散热器500和外接加热器600相连接。外接液流管路分为2路，其中液冷流管路包括外接散热器500和液冷控制阀700；另外，加热流管路包括外接加热器600和热流控制阀800。当电池处于高温状态需要散热时，关闭热流控制阀800，开启液冷控制阀700，流体通过外接散热器500制冷后流入嵌入式微流道导热板集成装置200，对引出集流体式叠片锂离子电池100进行冷却。而当电池处于低温环境需要预加热时，关闭液冷控制阀700，开启热流控制阀800，流体通过外接加热器500加热后流入嵌入式微流道导热板集成装置200，对引出集流体式叠片锂离子电池100进行加热。

上述热管理系统利用高导热性金属正极集流体的外延，建立起电池内部电芯和电池外部环境的高效换热通道，通过嵌入式微流道导热板集成装置200中的导热流体与位于电池外壳外侧部分的集流体进行均匀高效换热。另外，再由外接水管300、驱动水泵400、外接散热器500、外接加热器600、液冷控制阀700和热流控制阀800的配合，对导热流体进行循环加热和循环冷却。通过外部嵌入导热板的管道液流与外引集流体进行接触式热传导，实现对电池内部叠片式电芯的降温和升温，改善大功率电池在高倍率充放电工况时的温度特性，使得电池的使用性能和循环寿命得到显著提高。

在实际使用操作过程中，当引出集流体式叠片锂离子电池100高倍率放电工作时，可以增大驱动水泵400的功率，使进出口流量得到增大，保证电池温度能够处于最佳范围内；相反，当引出集流体式叠片锂离子电池100小倍率放电工作时，可以适当减小驱动水泵400的功率，以减小能耗。此外，可以通过调整外接散热器500和外接加热器600的输入功率来改变冷却速率和加热产热量，或者通过调节液冷控制阀700和热流控制阀800的开合度来调整冷却和加热流体的流量，以实现不同工况条件下的电池冷却散热和加热升温需求。

如图2至图4所示，在本实施例中，引出集流体式叠片方形锂电池100包括正极柱111、负极柱112、叠片电芯活性材料113、引出式正极集流体片114、电解液层115和铝制电池外壳116。在铝制电池外壳116的左右两侧和底部开槽使引出式正极集流体片114的一部分置于铝制电池外壳116外部，通过焊接将引出式正极集流体片114与铝制电池外壳116壳体的槽口接合，防止电解液泄漏。电池顶部左右两侧分别布置正极柱111和负极柱112，通过焊接与电池内部叠片式电芯116的正负极耳之间进行连接。电解液层115覆盖在叠片电芯活性材料113，对叠片电芯活性材料113进行浸润，作为电池电化学反应过程中锂离子传输的载体。铝制电池外壳116包裹在电解液层115的外部。

如图5和图6所示，嵌入式微流道导热板集成装置200包括导热板211、嵌入式微流道212、左侧出口汇流通道213、右侧出口汇流通道214和入口汇流通道215。在每两片引出式正极集流体片114之间都设置有导热板211，在本实施例中，一共有设置10块导热板211。集流体与导热板通过具有粘性的高导热性导热材料(如导热硅脂，包括但不仅限于导热硅脂)紧密贴合以达到最佳的导热性能。同时，集流体片与导热板的一体式的高度贴合也进一步提高了整个热管理系统的整合度。单进双出的嵌入式微流道212嵌入在导热板211之内，单块导热板211之内均嵌有依次并列排布的3条嵌入式微流道212。如图7和图8所示，嵌入式微流道212的内径截面尺寸为1.5mm×2.0mm，共60条微流道212中的导热流体由电池底部中间的入口汇流通道215进入，各30条微流道212向左右两侧分流，再由下往上流经电池的左右两侧的导热板211之内的微流道212，最后汇流至左右两侧的出口左侧出口汇流通道213和右侧出口汇流通道214。

在实际设计生产制造中，导热板211和嵌入式微流道212的尺寸可以根据叠片电芯活性材料113和引出式正极集流体片114大小尺寸的改变而做出调整，保证引出式正极集流体片114始终能够与导热板211进行全面贴合式的高效热交换。导热板211的厚度和嵌入式微流道212的尺寸可以根据引出集流体式叠片锂离子电池100实际体积以及实际运行功率的大小而相应调整。当引出集流体式叠片锂离子电池100的体积和运行功率较大时，可以将导热板211的厚度和嵌入式微流道212的内径尺寸按相应比例增大；当引出集流体式叠片锂离子电池100体积和运行功率较小时，导热板211的厚度和内嵌微流道212的内径尺寸应按相应比例缩小。同理，嵌入式微流道212内置流道的个数应与引出集流体式叠片锂离子电池100的体积以及运行功率设计相匹配，当引出集流体式叠片锂离子电池100设计为高功率大倍率工况时，由于运行产热量较大时，内置流道数可按比例相应增加。导热板211制造材质可以选择与铝制电池外壳116相同的铝材质，也可以选择与铝制电池外壳116不同的材质，具体材料选择应根据实际选用的加工工艺、导热性能以及生成成本等综合考虑而定。

通过计算机数值仿真模拟的方法对基于正极集流体传热的新型叠片式方形锂离子电池热管理的液流冷却方案进行可行性验证，设置仿真模型的参数条件如下：电池放电倍率为1C、1.5C、2C；引出集流体式叠片锂离子电池100整体初始温度为298.15K；液冷流体设置为水，液冷流体的初始入口温度为298.15K；嵌入式微流道212内的液冷流体入口体积流量为3×10-4m3/s。

模型仿真模拟结果如图9和如10所示，在298.15K初始温度下，引出集流体式叠片锂离子电池100在2C放电倍率工况下，经298.15K液流水循环冷却1800s后的整体温度云图，对比自然散热电池的整体温度分布看出，引出集流体式叠片锂离子电池100冷却相同时间后的温度要低23K左右。

如图11所示，通过该冷却方案对不同放电倍率(1C、1.5C、2C)工况下电池进行冷却，电池的最高温度Tmax分别为200.58K、303.25K和303.82K，相较于自然散热方式分别下降了10.57K、17.23K和19.13K；如图12所示，电池整体和内芯的温差ΔT分别为0.63K、3.88K和4.89K，均控制在5K以内。

通过计算机数值仿真模拟的方法对基于正极集流体传热的新型叠片式方形锂离子电池热管理的液流加热方案进行可行性验证，设置仿真模型的参数条件如下：外界初始环境温度设置为273.15K；电池设为静置状态；引出集流体式叠片锂离子电池100整体初始温度为273.15K；液冷流体设置为水，液冷流体的初始入口温度为313.15K；嵌入式微流道212内的液冷流体入口体积流量为3×10-4m3/s。

模型仿真模拟结果如图13和图14所示，在273.15K初始温度下，引出集流体式叠片锂离子电池100经313.15K高温水循环加热100s后的整体温度云图，对比不引出集流体加热的电池的整体温度分布看出，引出集流体式叠片锂离子电池100加热相同时间后的温度高出3K，且引出集流体式叠片锂离子电池100的整体受热的均匀性更好。

如图15所示，对比引出集流体加热方案与不引出集流体加热的电池平均温度变化可以发现，引出集流体式叠片锂离子电池100在313.15K高温水循环持续加热58s后，电池整体平均温度可以达到目标温度298.15K；该方案相较于常规的不引出集流体电池的侧面加热方案需要89s，加热达到目标温度298.15K的时间缩短了31s,加热速率提高了34.83％。