一種電池溫度調節方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于蓄電領域，具體涉及一種電池溫度調節方法。
【背景技術】
[0002]近年來電動車輛以省力、實惠、簡便等優點得到了用戶歡迎，銷量大的車型包括電動的自行車、摩托車、三輪車、代步車、觀光車、環衛車、巡邏車、高爾夫球車、叉車、轎車等一一電動車輛區別于燃油車輛最大的地方是作為動力源的電池，而且始終是核心問題；所用電池一般分為鉛酸和鋰離子電池兩大類；盡管電池技術不斷發展，但離高配置電動汽車的要求還有些差距，期望得到進一步突破解決。此外，手機、筆記本電腦等設備也大量使用鋰離子電池。
[0003]以電動車輛上的電池為例，電池在使用時的缺陷包括:
[0004]1.高溫情況下，鉛酸和鋰離子電池的壽命都大大縮短。錳酸鋰鋰離子電池的試驗數據表明，環境溫度為600C時的充放電循環壽命為環溫200C時的38 %，而60°C是電動車輛或筆記本電池芯工作升溫后周邊典型的工況溫度；鉛酸電池的試驗數據也表明，一般來講環溫每升高8°C電池壽命就要減半。
[0005]2.高溫情況下，鉛酸蓄電池充電時，失水率高、易過熱甚至產生熱失控，而失水越多，接下來越易過熱，之后越易熱失水，從而形成惡性循環；電池過熱后，大多表現為與同組其它電池的偏差越來越大甚至鼓脹和損壞，在電池組的使用后期起碼偏差的情況是普遍存在的，鼓脹的比例也很高，造成損壞和報廢率升高。
[0006]3.鋰離子電池充電時電池芯也容易過熱而形成鼓包膨脹，且其電解液更易爆燃，因此它的過熱就更加危險；筆記本、手機上電池的充電爆炸案例屢見不鮮。即使不出現故障和事故，各電池芯熱效應和充放電不一致的情形幾乎在組內配伍使用中都發生，可以說電池芯的壽命均衡是鋰離子電池成組應用的最大難題。
[0007]4.鋰離子電池放電時，在短路或者負荷較大的情況下，容易熱失控而正、負極通過隔膜短路，之后起火爆炸，這類事故在電動汽車以及手機行業也相當多。
[0008]5.此外，溫度對于電池的影響還表現在快速充電上，目前的電池快充技術都是建立在大電流充電卻使得電池產生高溫而對電池形成損害的基礎上；可以說是獲得了充電速度但縮短了電池壽命。
[0009]6.除了高溫外，低溫對電池的影響也很大。在我國的寒冷地區或者冬季，蓄電池的實際容量明顯降低，表現為充不進電、放不出電，電動車輛續行里程短，這是因為電池在低溫時內部化學物質的活性大大降低。數據表明，鉛酸蓄電池在環溫-20°C比25°C時的容量降低50%左右，-1O0C時降低30%左右。而有效容量降低使得電動車輛更容易頻繁虧電，并且在溫度降低時電池內的硫酸鉛更易析出，也就是說更易硫化，電池壽命更易縮短；且低溫下即使充電，也更不容易去硫化。
[0010]7.鋰離子電池，不僅低溫時與鉛酸電池一樣活性和容量降低，并且還容易出現充電故障，電池管理系統測量到低溫就不允許充電而報故障，車輛甚至不能運行，或者在低溫充電時造成極板上離子的永久鑲嵌而形成難以恢復的損壞；這種低溫故障與充放電循環壽命到期是不同的，是意味著電池芯不能再用。
[0011]8.低溫情況下，電池的充放電循環壽命也縮短很多。以錳酸鋰鋰離子電池為例，環溫O°C時充放電循環壽命為環溫為20°C的87%，而0°C是設備在冬天室外的-5到-10°C時，設備內電池芯放電升溫后周邊典型的工作溫度。
[0012]9.低溫情況下，電池內阻增大，電池需要更長的充電時間，而用戶著急使用時，短時間充進的電能根本就不夠用，所以低溫情況下更快速的充電非常需要。
[0013]上述缺陷中，容量、壽命、均衡、故障、快充，無疑都是用戶關注的核心利益，電池內部的這些情況用戶并不知情，只是電池車輛呈現出動力性能的嚴重下降或者無電量可供車輛行駛，比如冬天電池一充即滿，但是運行一會兒，很快就發現上坡或提速時動力不足，尤其是電池到了全壽命周期的后半段非常明顯。而有經驗的用戶都知道“電動車輛買的就是電池”;所以電池的這些問題和缺陷，解決得好與不好，直接關系到用戶購買的積極性。
[0014]綜合以上原因，以我國電動自行車為代表的第二次電動車輛熱潮中，業內對電池的加熱、冷卻以及保溫做了很多嘗試，一般采用各種給電池倉或電池加熱的方法來試圖使電池周遭的環溫升高；且加強通風并嚴格留出電池單體間的安裝間隙，保證電池可以被自然風冷，但效果卻并不理想，實際上前者加熱的方法沒有得到大量應用，后者風冷的方法雖然被大量使用，但效果極其一般，未從根本上解決電池散熱的問題，但也證明了電池溫度控制確實為行業和用戶所需。而在新能源汽車行業，一些高級的純電動轎車，對鋰離子電池的過熱防護以及散熱、冷卻也做了一些更高級的嘗試，比如特斯拉電動汽車里大量的鋰離子電池芯就附加了以乙二醇為介質的鋁管散熱及熱均衡系統，但價高、復雜、效率還低，且只是被動散熱而沒有進行主動制冷，在低溫情況下目前也不具有加熱電池的功能。
[0015]最后再看實際的市場上，各種電池的高、低溫特性缺陷依然大大限制著電動車輛在世界上各種氣候條件下的推廣使用。如果有一種方法和技術，突破了電池溫控這一技術難點，電動車輛在各地使用都能達到或超過我國山東省低速電動汽車的環境溫度水平，那么電動車輛的銷售數量無疑會有幾倍地增長。但是在市場上、展會上卻仍未見到使電池高、低溫性能都很好、能更快充、更均衡的高水平技術方法，即使是國外的研宄者也未深度糾正一些錯誤偏見；經大量檢索也沒有更好的相關專利、論文和報道。甚至不僅在電動車輛領域，在筆記本電池、手機電池領域也未見到更好的為電池進行溫度控制的更先進方法。
【發明內容】
[0016]本發明針對現有技術電池高溫時壽命短、充電易熱失控、不能更快速充電、放電過熱和低溫時容量低、充電損壞、充電慢以及單體間不均衡的問題，提供了一套能使電池高、低溫和快充性能更佳且單體間更均衡的溫度調節方法。
[0017]基本技術方案是:電池具有正極、負極、電解液，還設置有調溫部件，其創新之處在于，所述調溫部件機械連接并且加熱或冷卻所述正、負極。本發明第一次把所述電池的所述正、負極作為熱傳遞的通道，所述正、負極不僅利用其良好的導電性用于傳送電流，而且發揮其良好的導熱性用于傳遞熱量，這在業內是第一次使用。并且其最大好處是直接通過所述正、負極去控制所述正、負極與電解液交界面上的電化學反應溫度，所以控制最及時、最高效，且精度比較高，比現有技術通過控制所述電池外部電池倉溫度的方法前進了一大步，優勢很明顯。在實際應用中所述正、負極的上端部一般為銅類材質，其導電性和導熱性優良；且所述正、負極在所述電池內部的部分一般也是鉛或鋰類的金屬或金屬化合物，導熱性也很好；此外基于所述電池自身電化學反應的需要，所述正、負極在所述電池內部具有很大的表面積，與所述電解液的接觸非常廣泛緊密，所以所述正、負極在瞬間就能與所述電解液進行高效的熱交換，參加反應的所述電解液薄層的溫度也馬上跟隨變化，直接影響電化學反應。
[0018]所述電池為鋰離子電池單體、鉛酸蓄電池單體或者是所述正、負極引出的連體鉛酸蓄電池。所述電池連體時，所述電池的單體之間的所述正、負極串聯，但與一般連體電池有區別，其所述正、負極沒有隱藏在所述電池的外殼內，而是引出到所述電池外，以與所述調溫部件連接進行熱交換，甚至兩個相鄰所述正、負極可共用一個所述調溫部件。所述正、負極的引出為本發明實施的一個條件，尤其是對于串聯成連體的鉛酸電池是一個需改動的條件，單體間連壁焊部位的兩個電極須引出到所述電池外部一些，甚至取消連壁焊而直接引出所述正、負極，增加的成本不是很多。對于鋰離子電池，由于各所述電池的單體本來就獨立，所述正、負極是本來就在外部的，無需過多改動。
[0019]一個或多個所述調溫部件連接充電器，統一或由單獨所述充電器提供電能。這是本發明第二個創新點，調節所述電池溫度意味著給所述正、負極冷卻或者加熱，這一能量如果來自所述電池會很不合理，因為使用所述電池的移動設備大都對所述電池的續航時間有很高要求，如果所述電池內的能量被消耗過多，勢必大大影響所述電池所在設備的使用；因此這部分能量我們盡可能地直接經由所述充電器從電網獲取，以節約所述電池自身的能量；而所述充電器內本來就具有設計好的電源電路可合并其充電功能一起使用，所以這一部分成本可以省去，所述充電器在給所述電池供電的同時另有線路連接所述調溫部件兼而起到為所述調溫部件供電的作用，并且控制可獨立。
[0020]所述正、負極或電池、電解液的溫度在充電、放電或靜置時低于或高于各自的溫度下、上限時，所述調溫部件加熱或冷卻。實際上我們總結所述電池的溫控要求，可以簡單地歸結為一點，就是所述電池與人體一樣需要一個舒適的最好不高不低的溫度環境來生活。充電、放電、靜置時都是如此，對應人體的類似情形就是吃睡、干活、休息；