一种自加热式电池模组快速充电内部预热装置的制作方法

本发明涉及电池充电预热装置领域，尤其涉及一种自加热式电池模组快速充电内部预热装置。

背景技术：

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

在环境危机与能源危机的双重压力下，新能源电动汽车越来越受到市场的欢迎。电池作为具有高能量密度和功率密度的储能元件，被广泛应用于电动汽车动力来源。然而相比于其他类型电池，锂离子电池具有高比能量、长循环使用寿命以及无环境污染等优势，因此锂离子电池经常被选为车载能源储存设备为电动车提供动力，以其优秀的稳定性和一致性在电动汽车领域得到广泛应用。不过，锂离子电池的充电过程一直是个矛盾的待优化问题。

电池中的离子从正极流向负极就会产生能量，这便是电池的充电过程，其充电速度受限于离子移动的速度。如果提高温度，离子移动速度就会加快，充电速度相应提升。然而长时间的高温充电会让电解液分解，缩短电池寿命。所以，选择一个适当的温度参数和时间参数尤为重要。相关研究人员经过反复测试，得到结论：电池在充电前迅速加热到60℃快充10min后迅速降温到环境温度，则不会形成电池的热衰减，也避免了严重的固体电解质界面膜(sei膜)增长，sei膜是电极材料与电解液在固液界面上发生反应形成的钝化层。在限定的时间内，高温充电所带来的减少析锂的收益，远大于副反应的负面损失。然而，本发明人研究发现：目前的研究主要是采用从电池外部进行恒温加热的方式实现充电前预热，但这种方式明显增加了锂电池组运行所需要的空间、重量以及经济成本，存在一定的局限性。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种自加热式电池模组快速充电内部预热装置；该装置不仅能够有效利用电池自身的热量，并根据电池的运行状态自动实现预热，而且高效环保，成本低，维护简单，扩展性好。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

一种自加热式电池模组快速充电内部预热装置，包括：底板、电池和自动预热装置。其中，所述电池固定在底板上，电池中心设置有中空的电池芯轴，所述电池芯轴中安装有自动预热装置，其包括卷帘式隔热管、热敏磁性环、磁体环和内部储放热装置；所述卷帘式隔热管是由若干段管体形成的能够伸缩的结构，且各段管体相互贯通，使卷帘式隔热管形成能够伸缩的内部腔室；卷帘式隔热管的上端为开口状。所述热敏磁性环由圆环柱体和附着于该圆环柱体的上、下表面上的热敏磁性材料组成，且上端表面的热敏磁性材料的居里温度高于下面上热敏磁性材料。所述卷帘式隔热管的上端紧密套着附着热敏磁性环的所述圆环柱体；所述磁体环至少为两个，一个固定在电池芯轴的上端，另一个固定在卷帘式隔热管的下端靠近其端面的位置，且热敏磁性环与磁体环的磁性相反，以便于两者之间具有相互吸引的磁性力。所述内部储放热装置包括管体和封装在该管体中的相变材料；内部储放热装置的一端穿过卷帘式隔热管上端口后固定在电池芯轴中，且内部储放热装置长度小于卷帘式隔热管伸展状态时的长度。以便于卷帘式隔热管包覆在内部储放热装置外表面，当卷帘式隔热管处于收缩状态时，内部储放热装置暴露在外，当卷帘式隔热管处于伸展状态时将内部储放热装置包覆在其中。

进一步地，所述电池芯轴选用高导热，高刚度，低密度的材料制成，如铜合金、铝合金、不锈钢等金属材料，以便于更快地实现热传递。

进一步地，所述内部储放热装置的管体选用高导热，高刚度，低密度的材料制成，如铜合金、铝合金、不锈钢等金属材料，以便于更快地实现热传递。

进一步地，所述卷帘式隔热管选用低导热，高刚度，低密度的材料制成，可选地，所述卷帘式隔热管的材质主要包括：(a)多孔隔热材料：聚氨酯泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、气凝胶毡(导热系数常温为0.018w/(km))等。(b)热反射材料：金、银、镍、铝箔或镀金属的聚酯，聚酰亚胺薄膜等；如：镀铝聚酯薄膜；镀铝聚酰亚胺薄膜等。优选多孔隔热材料，其更符合低密度，低导热的要求。

本发明中的卷帘式隔热管通过具有磁性相反的热敏磁性环与磁体环实现伸展或收缩，进而实现对内部储放热装置的包裹或不包裹，进而实现对电池运行过程中因自身电阻等因素产生的热量的储存、封存、解封与释放。

进一步的，所述热敏磁性环的居里温度高于60℃。可选地，热敏磁性环的材质包括：(a)镍基合金：ni-cr、ni-mn、ni-al、ni-mo、ni-zn、ni-cu等。(b)铁镍合金：fe-ni。(c)铁镍为基的合金：fe-ni-mn、fe-ni-mo、fe-ni-cr等。这些合金的居里温度点均可以调配到100℃以下，即可以满足本发明中居里温度点的要求。电池快速充电的优质先决条件是电池内部温度达到60℃时开始快充10min；因此本发明中选择热敏磁性环5的居里温度要高于60℃。

进一步地，所述磁体环为环形柱状体，其在电池芯轴的顶部、底部均有固定。可选地，所述电池芯轴顶部的磁体环的内外径之差为0.3-0.4mm；所述电池芯轴底部的磁体环的内外径之差为0.1-0.2mm。

进一步地，所述卷帘式隔热管的上端面的直径与电池芯轴顶部的环形柱状体结构的磁体环的内径相适应，即卷帘式隔热管的上端面能够进入所述磁体环中，且与磁体环的内壁紧密连接。

进一步地，所述卷帘式隔热管聚具有类似于伸缩杆的外形结构，其由开口的柱状管相扣而成，且由下至上半径平滑减小。即下部柱状管的上端面半径略小于中部柱状管的下端面半径；中部柱状管的上端面半径略小于上部柱状管的下端面半径。

进一步地，所述内部储放热装置中的相变材料是由石蜡、石墨粉、金属粉末依次按质量比为6-8：1-2：1组成的混合物；可选地，所述金属粉末为铁、铜、铝中的一种或几种混合物。上述相变材料能够充分滞留热量，通过调节组分含量变化使相变温度在45-65℃之间，这个温度与锂电池组快速充电所需的预热温度60℃相适应。

进一步地，所述电池是由多个电池成阵列式分布的电池组，各电池之间顺排错列，组内形成风道，有助于及时带走电池外部相变材料的热量，均匀散热。

进一步地，还包括散热管，所述散热管为环形柱状套管，所述环形柱状套管由为内部填充相变材料的金属壳，所述电池设置在套管中。

进一步地，所述套管中的相变材料是由石蜡、石墨粉、金属粉末依次按质量比为6-8：1-2：1组成的混合物；可选地，所述金属粉末为铁、铜、铝中的一种或几种混合物。上述相变材料能够分提高电池的散热效率，过调节组分含量变化使相变温度在30-45℃之间，这个温度与锂电池组的最适宜温度25-40℃相适应。

进一步地，还包括热管，所述电池组的边部电池和相邻的内部电池之间连接热管，所述热管分为直导热管和l型导热管。热管起到电池组内外部换热的作用，由于直导热管和l型导热管的形状不同，可以适应到不同的电池之间的距离。

进一步地，所述热管的两端嵌入电池的环形柱状套管内。进一步地，所述热管在环形柱状套管的外壁纵向排列。

进一步地，还包括箱体外壳、箱体固定装置，箱体外壳、箱体固定装置为形状相同的凹槽型结构，所述箱体外壳套在箱体固定装置的外面，所述箱体外壳、箱体固定装置的底部分别与底板固定连接，所述底板、箱体固定装置、箱体外壳之间形成两个两端开口的电池组空间，分别为进风口端和出风口端，电池的两端分别固定在底板、箱体固定装置的顶部。

进一步地，所述底板上设置有安装槽，所述套管、电池的下端固定在安装槽中。

进一步地，所述底板上开设有箱体外壳固定槽、箱体固定装置固定槽，所述箱体外壳的下端、箱体固定装置的下端分别固定在箱体外壳固定槽、箱体固定装置固定槽中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过利用电池中的电池芯轴提供的空间及其特点，在其中安装自动预热装置实现了对电池的自动预热，相对于现有的外部加热进行电池预热的方式，本发明的这种设计不仅不会影响电池的整体结构，而且可以省去大量的复杂线路的布置，使得采用本发明预热装置的电池不会额外增加运行所需要的空间，在经济性、实用性方面得到显著提升。

(2)本发明设计的自动预热装置不需要外部能量提供加热所需的额外能量，而是通过将电池运行过程中产生的能量收集后利用卷帘式隔热管可收缩的腔室将能量封存在内部储放热装置中，从而以自给自足的方式实现了对电池的快速预热。

(3)本发明巧妙地利用了热敏磁性材料能够根据电池的温度进行铁磁性、顺磁性转变的特点，并与磁体环配合实现卷帘式隔热管的收缩或伸展，进而实现了对收集在内部储放热装置中的能量的封存或释放，使本发明的预热装置具备智能化预热的功能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中自加热式电池模组快速充电内部预热装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中底板的结构示意图。

图3为本发明实施例中电池的结构示意图。

图4为本发明实施例中收缩(左图)、伸展状态(右图)的卷帘式隔热管的结构示意图。

图5为本发明实施例中卷帘式隔热管、热敏磁性材料、磁体环的安装示意图。

图6为本发明实施例中内部储放热装置的结构示意图。

图7为本发明实施例中箱体固定装置的结构示意图。

图8为本发明实施例中箱体外壳的结构示意图。

图9为本发明实施例中散热管的结构示意图。

图10为本发明实施例中直导热管(左图)、l型导热管(右图)的结构示意图。

上述附图中标记分别代表：1-底板、2-电池、3-电池芯轴、4-卷帘式隔热管、5-热敏磁性环、6-磁体环、7-内部储放热装置、8-散热管、9-导热管、10-直导热管、11-l型导热管、12-箱体外壳、13-箱体固定装置、14-安装槽、15-箱体外壳固定槽、16-箱体固定装置固定槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如前文所述，目前的研究主要是采用从电池外部进行恒温加热的方式实现充电前预热，但这种方式明显增加了锂电池组运行所需要的空间、重量以及经济成本，存在一定的局限性。因此，本发明提出了一种自加热式电池模组快速充电内部预热装置；现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参考图1-6，示例一种本发明设计的自加热式电池模组快速充电内部预热装置，包括：底板1、电池2和自动预热装置。所述电池2固定在底板1上，电池中心设置有中空的电池芯轴3(参考图2、图3)，所述电池芯轴3中安装有自动预热装置。

参考图4-6，所述自动预热装置包括卷帘式隔热管4、热敏磁性环5、磁体环6和内部储放热装置7。所述卷帘式隔热管4是由三段管体形成的能够伸缩的结构，其由开口的柱状管相扣而成，且由下至上半径平滑减小，且各段管体相互贯通。即下部柱状管的上端面半径略小于中部柱状管的下端面半径；中部柱状管的上端面半径略小于上部柱状管的下端面半径，使卷帘式隔热管4形成能够伸缩的内部腔室；卷帘式隔热管4的上端为开口状。

进一步地，所述卷帘式隔热管4的上端面的直径与电池芯轴顶部的环形柱状体结构的磁体环的内径相适应，即卷帘式隔热管4的上端面能够进入所述磁体环中，且与磁体环的内壁紧密连接。

所述热敏磁性环5由圆环柱体和附着于该圆环柱体的上、下表面上的热敏磁性材料组成，且上表面的热敏磁性材料的居里温度高于下面上热敏磁性材料。所述卷帘式隔热管4的上端紧密套着附着热敏磁性环5的所述圆环柱体。

所述磁体环6为环形柱状体，其在电池芯轴的顶部、底部均有固定。所述电池芯轴顶部的磁体环的内外径之差(厚度)为0.4mm；所述电池芯轴底部的磁体环的内外径之差(厚度)为0.2mm。所述磁体环6为两个，一个固定在电池芯轴3的上端，另一个固定在卷帘式隔热管4的下端靠近其端面的位置，且热敏磁性环5与磁体环6的磁性相反，以便于两者之间具有相互吸引的磁性力。

所述内部储放热装置7包括管体和封装在该管体中的相变材料；内部储放热装置7的一端穿过卷帘式隔热管4上端口后固定在电池芯轴3中，且内部储放热装置7长度小于卷帘式隔热管4伸展状态时的长度。以便于卷帘式隔热管4包覆在内部储放热装置7外表面，当卷帘式隔热管4处于收缩状态时，内部储放热装置7暴露在外，当卷帘式隔热管4处于伸展状态时将内部储放热装置7包覆在其中。

进一步地，所述电池芯轴3选用铝合金制成，其具有高导热，高刚度，低密度的特点，以便于更快地实现热传递。电池芯轴3主要作为电池的支撑部件，一般而言，电池芯轴3的材质为中空结构的柱状金属管，其既能满足支撑电池所需的刚度，又能达到轻量化的目的，而这类金属材质的电池芯轴3往往具有良好的导热性。本发明利用中空的电池芯轴3提供的空间及其特点，在其中安装自动预热装置，不仅不会额外增加电池组运行所需要的空间，而且也不会影响电池的整体结构。

进一步地，所述内部储放热装置7的管体选用铝合金制成，其具有高导热，高刚度，低密度的特点，以便于更快地实现热传递。

进一步地，所述卷帘式隔热管4的采用聚氨酯泡沫塑料制成；其具有低导热，高刚度，低密度的特点。所述卷帘式隔热管4通过具有磁性相反的热敏磁性环5与磁体环6实现伸展或收缩，进而实现对内部储放热装置7的包裹或不包裹，当卷帘式隔热管4处在收缩状态，即内部储放热装置7暴露在外时，便于使电池运行过程中释放的热量收集到内部储放热装置7中存储起来，当卷帘式隔热管4处在伸展状态，即内部储放热装置7被包覆在卷帘式隔热管4中时，卷帘式隔热管4的低导热特性可以对存储的能量起到良好的封存作用，以便于需要预热时再释放出来。

所述热敏磁性环5的居里温度高于60℃，热敏磁性环5的材质为铁镍合金。电池快速充电的优质先决条件是电池内部温度达到60℃时开始快充10min；因此本发明中选择热敏磁性环5的居里温度要高于60℃。这是因为在电池运行过程中会由于自身电阻等因素产热，而热敏磁性材料的饱和磁感应强度随着温度变化而变化，电池运行产生的热量还没有使电池温度升至居里温度之前，圆环柱体下表面上的热敏磁性环5由于磁性与电池芯轴底部的磁体环6之间相互吸引，再加上卷帘式隔热管4的自身重力作用，使卷帘式隔热管4处于收缩状态，而内部储放热装置7暴露在外，电池产生的部分热量可以在此过程中存储在内部储放热装置7中。当温度达到居里温度时，圆环柱体下表面上的热敏磁性材料由铁磁性转变为顺磁性，磁导率骤降，失去了与电池芯轴3底部的磁体环6之间的吸引力。

此时，由于电池内部温度高于60℃，所述圆环柱体上表面上的热敏磁性材料的磁感应强度大幅增大，该热敏磁性材料与电池芯轴顶部的磁体环间的磁性力超过卷帘式隔热管中间段和上部段以及圆环柱体的重力之和，卷帘式隔热管被向上拉起呈伸展状态，热敏磁性材料与上端磁体环实现紧密吸合。从而将内部储放热装置7包裹起来以便于对存储的热量进行封存，这样可使存储的热量能够使电池预热至60℃左右，正好处在电池快速充电的适宜温度，而低导热的卷帘式隔热管4可以对其余热量进入内部储放热装置7中起到很好的阻滞作用。

当电池停止运行且电池内部温度达到环境温度时，圆环柱体下表面上的热敏磁性材料恢复磁性，圆环柱体上表面上的热敏磁性材料磁性显著减弱；所述圆环柱状体下表面的热敏磁性材料与电池芯轴底部的磁体环间磁性力与卷帘式隔热管、圆环柱体的重力之和超过圆环柱体上表面的热敏磁性材料与电池芯轴顶部的磁体环的磁力，卷帘式隔热管逐渐被向下拉升，随着圆环柱体与电池芯轴顶部的磁体环之间的距离增大，圆环柱体上表面上的热敏磁性材料与电池芯轴顶部磁体脱离且磁性力骤减；由于圆环柱体与电池芯轴底部的磁体环之间的距离减小，圆环柱体下表面上的热敏磁性材料与电池芯轴底部磁体之间磁性力大增，卷帘式隔热管被向下拉呈收缩状态，内部储放热装置7被暴露在外，热量由相变材料内向外扩散，锂电池组完成自发式加热，能够使锂电池组在充电前快速达到60℃，达到快速充电条件。

进一步地，参考图1、图7和图8，上述的自加热式电池模组快速充电内部预热装置还包括箱体外壳12、箱体固定装置13，箱体外壳12、箱体固定装置13为形状相同的凹槽型结构，所述箱体外壳12套在箱体固定装置13的外面，所述箱体外壳12、箱体固定装置13的底部分别与底板1固定连接，所述底板、箱体固定装置、箱体外壳之间形成两个两端开口的电池组空间，分别为进风口端和出风口端，电池的两端分别固定在底板、箱体固定装置的顶部。

进一步地，在一些实现中，参考图2，所述底板1上设置有安装槽14，所述套管8、电池的下端固定在安装槽14中。所述底板1上开设有箱体外壳固定槽15、箱体固定装置固定槽16，所述箱体外壳12的下端、箱体固定装置13的下端分别固定在箱体外壳固定槽15、箱体固定装置固定槽16中，以便于增加箱体外壳12、箱体固定装置13的稳固性。

在另一些实现中，所述内部储放热装置7中的相变材料是由石蜡、石墨粉、金属粉末依次按质量比为7.2：1.7：1组成的混合物；所述金属粉末为铁粉。上述相变材料能够充分滞留热量，其相变温度大约为60℃，这个温度与锂电池组快速充电所需的预热温度60℃相适应。

除此之外，在本发明的其他一些实现中，所述金属粉末还选择了铜、铝中的一种或铁、铜、铝中的几种混合物，包括铁和铜，铁和铝或者铜和铝。

在另一些实现中，参考图1和2，所述电池是由多个电池成阵列式分布的电池组，所述阵列成菱形结构，且阵列中各电池之间顺排错列，以便于组内形成风道，有助于及时带走电池外部相变材料的热量，均匀散热。

另外，在一些实现中，参考图9，上述的自加热式电池模组快速充电内部预热装置还包括散热管8，所述散热管为环形柱状套管，所述环形柱状套管由为内部填充相变材料的金属壳，所述电池设置在套管中。所述套管中的相变材料是由石蜡、石墨粉、金属粉末依次按质量比为6.2：1.4：1组成的混合物，所述金属粉末为铜粉。上述相变材料能够分提高电池的散热效率，其相变温度在大约为35℃，这个温度与锂电池组的最适宜温度25-40℃相适应。

进一步地，在一些实现中，上述的自加热式电池模组快速充电内部预热装置还包括导热管9，所述电池组的边部电池和相邻的内部电池之间连接热管。

进一步地，参考图10，所述导热管分为直导热管10和l型导热管11，所述热管的两端嵌入电池的环形柱状套管内，且所述热管在环形柱状套管的外壁纵向排列。导热管起到电池组内外部换热的作用，由于直导热管和l型导热管的形状不同，可以适应到不同的电池之间的距离。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。