一种耦合石墨烯与热泵的电池组热管理系统及控制方法

1.本发明属于电动汽车电池热管理领域，特别涉及动力电池低温预热及高温热安全管理技术。


背景技术：

2.近年来，越来越多的电动汽车被投入实际应用中。电动汽车的动力核心是动力电池组，一般是锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池等。这些电池因为自身结构以及电解液的原因，在低温下非常影响电池的自身性能，其容量、寿命、放电能力等均会随着温度的降低而有明显下降，这对车辆动力性和续航里程等都会带来非常不利的影响。此外，在低温充电时，电池石墨电极上的锂离子的嵌入和镀锂反应是同时存在的且相互竞争。低温条件下锂离子在石墨中的扩散被抑制，电解液的导电率下降，从而导致嵌入速率降低而在石墨表面上会使镀锂反应更容易产生。同时，当电池处于较高温度时，过高的温度也会影响电池性能以及安全性。
3.目前的预热方法从大体上来说分为内部加热与外部加热。内部加热是通过电池自身的充放电发热对电池进行预热，这种方法会对电池自身容量，寿命造成损坏。外部加热则一般通过布置加热器或者热泵系统，但一般的加热器温升速率不高，无法做到在短时间内预热，而热泵系统用于先对流体加热，热流体再对电池加热，预热效率不高。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本使用新型设计了一种动力电池预热与冷却系统，以解决寒冷时预热效率低，低温时预热的能源利用率低，以及高温时的冷却问题，以提高动力电池组寿命，增加电动汽车续航能力。
5.为实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种动力电池预热与冷却系统，其特征在于：石墨烯加热器预热系统和热泵/液冷系统耦合而成。石墨烯加热器预热系统，由辅助电池组，控制器，石墨烯元件组成，辅助电池组由导线与控制器相连，控制器通过导线与石墨烯元件相连。
6.热泵/液冷系统由压缩机、四通阀、冷凝器、膨胀阀、冷板和石墨烯元件组成，四通阀的一条管道依次连接四通阀的s口、压缩机和四通阀的d口；另一条管道依次连接四通阀的e口、冷板、膨胀阀、冷凝器和四通阀的c口。
7.辅助电池组是指低温性能较好，成本较低的电池，例如镍氢电池，他的作用是为作为加热器时的石墨烯元件提供电量。它独立于动力电池之外，不需要对它进行预热或降温。其有益效果是，低温为石墨烯加热器供电所产生的对电池的损伤由动力电池组转移到了辅助电池组，进一步保证了动力电池组的寿命。动力电池组是指为电动汽车行驶提供动力的，由方块状电池组成，每块电池均布有温控探头。
8.石墨烯元件在动力电池组里的每两个单体电池间均有布置，单体电池与石墨烯元件直接接触，每个石墨烯元件直接与控制器相连，其两侧的单体电池的温度反馈给控制器，
控制器根据反馈的温度对每个石墨烯元件进行通断电控制。石墨烯元件在石墨烯加热器预热系统中充当电加热器，在液冷系统中充当导热元件，采用3d打印技术制得。其有益效果是，石墨烯材料的加热器具有极快的速度上升和下降，最高可达～20000k/秒，可以大大缩短预热时间。与普通的加热器相比，石墨烯与金属电极接触界面的电接触特性得到改善，机械连接更加紧密，达到了有效降低接触电阻的目的。此外，石墨烯元件还有极高的导热性，当电池处于高温时，可以当做导热元件，在预热系统与冷却系统中都起到作用，与预热系统和冷却系统分开相比，减少了设备，实现了轻量化。
9.冷板放在动力电池组的下方，冷板直接与动力电池组接触，可与石墨烯元件与动力电池组直接换热；控制器接受动力电池组的温度反馈，同时将温度反馈给车载控制系统。
10.当处于高温环境时，液冷系统开启，车载控制系统将压缩机开启，四通阀的d口与c口相通，e口与s口相通，压缩机内冷却剂由四通阀d口进经c口到达冷凝器散热，低温的冷却剂经膨胀阀后到达冷板，吸收冷板上的热量后从四通阀e口经由s口回到压缩机。动力电池组单体电池间的热量石墨烯元件传达到冷板，另一方面，动力电池组的热量通过与冷板的直接接触传给冷板。
11.当处于寒冷环境(≤
‑
10℃)时且汽车长时间处于驻车状态时，启动石墨烯加热器预热系统为动力电池组预热。动力电池组的温度反馈给控制器，控制器将动力电池温度反馈给车载控制系统，车载控制系统将压缩机关闭，控制器将石墨烯元件与辅助电池组接通，石墨烯元件充当加热器为动力电池组预热，当动力电池组的单体电池温度高于预设值20℃时，控制器接受到动力电池组温度反馈，将与该单体电池直接接触的石墨烯元件与辅助电池组的连接断开；低于预设温度时，单体电池直接接触的石墨烯元件与辅助电池组的连接接通，以此保证电池组各个单体电池均处于预设值，避免电池温度不均匀的问题。
12.当处于低温环境(
‑
10℃～10℃)，车载控制系统将压缩机开启，石墨烯元件与辅助电池组连接断开，四通阀的d口与e口相通，c口与s口相通，压缩机内冷却剂由四通阀d口进经e口到达冷板散热，低温的冷却剂经膨胀阀后到达冷凝器，吸收环境中的热量后从四通阀c口经由s口回到压缩机。冷板将热量传给石墨烯元件进而散热给动力电池组，另一方面，冷板通过直接与动力电池组的接触给动力电池组预热。
附图说明
13.图1：系统整体构成图
14.图2：实施例一，热泵液体预热电池组流程图
15.图3：实施例二，热泵液体冷却电池组流程图
16.图4：实施例三，石墨烯电加热器预热电池组流程图
17.其中，实线箭头是液体流向图
具体实施方式
18.如图1所示，动力电池预热与冷却系统，其特征在于：石墨烯加热器预热系统和热泵/液冷系统耦合而成。石墨烯加热器预热系统，由辅助电池组，控制器，石墨烯元件组成，辅助电池组由导线与控制器相连，控制器通过导线与石墨烯元件相连。
19.本发明所采用的石墨烯元件以氧化石墨烯油墨为原材料，由3d打印机逐层打印出
所需要的形状，随后通过焦耳加热过程还原石墨烯。
20.石墨烯元件所采用的氧化石墨烯制备方法如下：以石墨为原料，采用改进的hummer法，将1.5g的石墨加入到200ml的硫酸/h3po4(体积比9∶1)溶液中。将9g kmno4逐渐添加到上述溶液中，并在50℃下以250rpm搅拌12h。然后将该溶液冷却到室温并倒入400ml冰上，同时在搅拌的同时将3ml h2o2添加到该溶液中。用30毫升37％盐酸洗涤溶液，然后用蒸馏水以8000转/分的速度离心洗涤。将上部的澄清溶液倾倒并重新注入蒸馏水进行离心，直到通过添加agno3在试验溶液中没有可见的agcl沉淀。将所得go溶液冷冻干燥(
‑
50℃，0.6pa)以去除溶剂，然后控制地添加蒸馏水以形成高度浓缩的go油墨。可打印go墨水在水中的浓约为80mg/ml。
21.石墨烯元件所进行的打印过程如下：3d打印由3d打印机(fisnarf4200n)执行，具有可编程的三维图形逐层构建能力。使用一个直径为300μm的3d打印喷嘴，压力控制在60psi，喷嘴的移动速度为1
‑
5m/s。3d打印的尺寸作为设计输入到系统中。三维石墨烯加热器设计12层。印刷后，在
‑
50℃的真空压力为0.6pa的条件下对印刷结构进行冷冻干燥，以去除水溶剂并保持3d结构。
22.石墨烯元件所进行的焦耳热还原过程如下：焦耳加热是在有氩气保护气氛或真空的手套箱中进行的，以保护rgo加热器在高温下不在空气中燃烧。在氩流量(100ml/min)下，以10℃/min的升温速率在管式炉中，在600℃下首先将打印的go加热器预热处理1h，以获得焦耳加热的合适导电率(kω)。通过银膏(spi)将热还原的rgo纳米结构与铜电极连接，以改善rgo加热器与铜电极之间的电接触。将rgo加热器悬浮在陶瓷基板上，以避免基板受到高温损坏。keithley 2400源表用作电流低于1a或功率低于20w的电力输入电源。高功率变压器(volteq hy6020ex)用于高电流(高达10a)或高功率(高达60w)输入。
23.由此方法制成石墨烯元件充当加热器时具有加热速率快，导热性好，加热器与金属电极接触电阻低的特点，适合在寒冷环境对电池组进行快速加热，可以大大缩短预热时间。配合3d打印机逐层打印，可以根据需要打印形状提高预热效率。石墨烯元件主平面用于对动力电池正面直接接触，而垂直于主平面的部分与动力电池侧面直接接触，这样的形状保证了每块动力电池都至少有两个面同时被加热，缩减了电池的预热时间；当石墨烯元件在液冷系统中充当导热元件时，这样的形状也保证了电池温度的均匀性。
24.热泵/液冷系统由压缩机、四通阀、冷凝器、膨胀阀、冷板和石墨烯元件组成，四通阀的一条管道依次连接四通阀的s口、压缩机和四通阀的d口；另一条管道依次连接四通阀的e口、冷板、膨胀阀、冷凝器和四通阀的c口。
25.辅助电池组是指低温性能较好，成本较低的电池，例如镍氢电池，他的作用是为作为加热器时的石墨烯元件提供电量。它独立于动力电池之外，不需要对它进行预热或降温。其有益效果是，低温为石墨烯加热器供电所产生的对电池的损伤由动力电池组转移到了辅助电池组，进一步保证了动力电池组的寿命。动力电池组是指为电动汽车行驶提供动力的，由方块状电池组成，每块电池均布有温控探头。
26.石墨烯元件在动力电池组里的每两个单体电池间均有布置，单体电池与石墨烯元件直接接触，每个石墨烯元件直接与控制器相连，其两侧的单体电池的温度反馈给控制器，控制器根据反馈的温度对每个石墨烯元件进行通断电控制。石墨烯元件在石墨烯加热器预热系统中充当电加热器，在液冷系统中充当导热元件，采用3d打印技术制得。其有益效果
是，石墨烯材料的加热器具有极快的速度上升和下降，最高可达～20000k/秒，可以大大缩短预热时间。与普通的加热器相比，石墨烯与金属电极接触界面的电接触特性得到改善，机械连接更加紧密，达到了有效降低接触电阻的目的。此外，石墨烯元件还有极高的导热性，当电池处于高温时，可以当做导热元件，在预热系统与冷却系统中都起到作用，与预热系统和冷却系统分开相比，减少了设备，实现了轻量化。
27.冷板放在动力电池组的下方，冷板直接与动力电池组接触，可与石墨烯元件与动力电池组直接换热；控制器接受动力电池组的温度反馈，同时将温度反馈给车载控制系统。
28.实施例一：
29.如图2所示，当处于低温环境(
‑
10℃～10℃)，车载控制系统将压缩机开启，石墨烯元件与辅助电池组连接断开，四通阀的d口与e口相通，c口与s口相通，压缩机内冷却剂由四通阀d口进经e口到达冷板散热，低温的冷却剂经膨胀阀后到达冷凝器，吸收环境中的热量后从四通阀c口经由s口回到压缩机。冷板将热量传给石墨烯元件进而散热给动力电池组，另一方面，冷板通过直接与动力电池组的接触给动力电池组预热。
30.实施例二：
31.如图2所示，当处于高温环境时，液冷系统开启，车载控制系统将压缩机开启，四通阀的d口与c口相通，e口与s口相通，压缩机内冷却剂由四通阀d口进经c口到达冷凝器散热，低温的冷却剂经膨胀阀后到达冷板，吸收冷板上的热量后从四通阀e口经由s口回到压缩机。动力电池组单体电池间的热量石墨烯元件传达到冷板，另一方面，动力电池组的热量通过与冷板的直接接触传给冷板。
32.实施例三：
33.当处于寒冷环境(≤
‑
10℃)时且汽车长时间处于驻车状态时，启动石墨烯加热器预热系统为动力电池组预热。动力电池组的温度反馈给控制器，控制器将动力电池温度反馈给车载控制系统，车载控制系统将压缩机关闭，控制器将石墨烯元件与辅助电池组接通，石墨烯元件充当加热器为动力电池组预热，当动力电池组的单体电池温度高于预设值20℃时，控制器接受到动力电池组温度反馈，将与该单体电池直接接触的石墨烯元件与辅助电池组的连接断开，单体电池温度不再升高，如果电池对环境放热低于预设温度时，单体电池直接接触的石墨烯元件与辅助电池组的连接接通，单体电池重新被加热，以此保证电池组各个单体电池均处于预设值，避免电池温度不均匀的问题。