一种具有主动散热功能的动力电池系统的制作方法

1.本发明涉及化学电源技术领域，特别是涉及一种具有主动散热功能的动力电池系统。


背景技术：

2.evtol飞行器是一种具有垂直起降的电动飞行器，其采用动力电池作为主要能源供应系统。然而，在高功率使用阶段，例如悬停阶段，动力电池会导致电池系统过热，从而降低电池的电性能和使用寿命，甚至容易引发热失控等安全风险，因此，需要通过有效的热控制机制来保持电池系统在安全温度范围内运行。
3.在技术现状方面，目前在evtol应用中，高功率电池系统的热管理和热安全问题已经引起了广泛的关注。传统的电池系统热管理设计往往依赖于被动散热或辅助冷却系统，但是这些方法在处理高功率电池系统产生的大量热量时仍然会存在一定的局限性，散热效果较差，而随着热管理和热安全方面的需求的不断提高，也需要更高效、可靠的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种具有主动散热功能的动力电池系统，旨在解决现有技术中电池系统过热和热失控风险的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有主动散热功能的动力电池系统，其包括：1）控制系统：用于监测电池模块的状态，并控制充放电过程；2）电池组模块：包括圆柱形电池以及与电池连接导通的电池连接件；3）自支撑散热支架：由相变复合材料制成的支架本体，且所述支架本体上设置有用于放置和固定电池的安装限位腔；所述相变复合材料的组分包括微晶石蜡相变材料、纳米导热材料、阻燃材料和热塑性高分子聚合物，且各组分的质量份数分别是石蜡相变材料70-90份、纳米导热材料0.01-10份、阻燃材料0.01-10份和高分子聚合物0.1-10；所述相变复合材料的导热系数为0.2 w/(m
·
k)~15 w/(m
·
k)，融化潜热大于160kj/kg。
6.在本发明一个较佳实施例中，两个安装限位腔之间的支架本体的厚度为0.1mm~5mm。
7.在本发明一个较佳实施例中，所述微晶石蜡相变材料的熔点范围为45℃~97℃，所述微晶石蜡相变材料的分子通式为c
nh2n+2
，其中n=22～45。
8.在本发明一个较佳实施例中，所述纳米导热材料包括纳米炭黑、纳米石墨烯、纳米氧化石墨烯、纳米多壁碳纳米管、纳米单壁纳米管、纳米碳纤维、纳米铜粉、纳米银粉、纳米氮化硼、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米铜纤维中的一种或多种。
9.在本发明一个较佳实施例中，所述阻燃材料包括乙氧基五氟三聚磷腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、甲基膦酸二甲酯、纳米二氧化硅中的一种或多种。
10.在本发明一个较佳实施例中，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酸酯、聚苯胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种。
11.在本发明一个较佳实施例中，所述电池组采用锂离子电池组、锂硫电池组、钠离子电池组和锂空气电池组中的一种或多种。
12.本发明的有益效果是：将由相变材料制成的自支撑散热支架作为热管理元件，提高了电池和支架的热传导效率，从而有效的精准调节电池组的温度，提动力电池系统的热管理能力和热安全性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本发明的一种具有主动散热功能的动力电池系统一较佳实施例的结构示意图；图2是本发明的一种具有主动散热功能的动力电池系统一较佳实施例的安装后的局部结构示意图。
实施方式
14.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
15.请参阅图1-2，本发明实施例包括：一种具有主动散热功能的动力电池系统，针对evtol等高功率应用设计，能够有效应对高功率使用阶段对电池系统温度的要求，提高电池在这些场景下的性能和可靠性；通过设计相变复合材料的组分和结构来控制电池系统热扩散的能力的主动散热的储能系统，其结构包括：1）控制系统：用于监测电池模块的状态，并控制充放电过程；2）电池组模块：包括圆柱形电池1以及与电池连接导通的电池连接件2；3）自支撑散热支架3：由相变复合材料制成的支架本体，且所述支架本体上设置有用于放置和固定电池的圆柱形电池的安装限位腔。
16.安装限位腔呈蜂窝布设在支架本体上，相邻的两个安装限位腔之间的支架本体的厚度为0.1mm~5mm, 导热系数范围处于0.2 w/(m
·
k)~15 w/(m
·
k)，融化潜热大于160kj/kg。
17.所述相变复合材料的组分包括微晶石蜡相变材料、纳米导热材料、阻燃材料和高分子聚合物，使得支架具有层状或纤维状梯度结构，且各组分的质量份数分别是石蜡相变材料70-90份、纳米导热材料0.01-10份、阻燃材料0.01-10份和高分子聚合物0.1-10。
18.首先，引入石蜡相变材料和阻燃剂作为构成自支撑散热支架的材料成分，利用其高热焓或潜热特性，可以在电池组模块工作发热时，吸收大量热量并向外释放，有效的提高散热性能，从而有效调节电池组模块的温度，相比传统的被动冷却系统，相变材料制成的自支撑散热支架能够主动参与热量的吸收和释放过程，提高热管理的效率和精度。
19.其次，通过引入如石墨烯等具有高热传导系数的纳米导热材料，可以提高热能在支架内部的传导效率，以促进热量的快速传输，使得支架能够更有效地吸收和分散热量，降低电池系统温度的峰值和梯度，进一步增强热管理的能力。
20.此外，选择热塑性聚合物材料（如聚四氟乙烯）作为电池支架的材料成分之一，使得支架具有良好的热稳定性和机械强度，能够提供对电池的支撑和保护，以在满足电池系统热管理和热安全需求的同时，确保支架的结构稳定性和耐久性。
21.进一步优选的，所述石蜡相变材料的熔点范围为45℃~97℃，所述石蜡相变材料中主要成分为烷烃，分子式为c
nh2n+2
，其中n=22～45，该范围的烷烃的融化点范围在45℃~97℃，具有热熔大、宽温度范围、容易保持凝聚态的优点。
22.进一步优选的，所述纳米导热材料包括纳米炭黑、纳米石墨烯、纳米氧化石墨烯、纳米多壁碳纳米管、纳米单壁纳米管、纳米碳纤维、纳米铜粉、纳米银粉、纳米氮化硼、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米铜纤维中的一种或一种以上。
23.进一步优选的，所述阻燃材料包括乙氧基五氟三聚磷腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、甲基膦酸二甲酯、纳米二氧化硅中的一种或一种以上。
24.进一步优选的，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酸酯、聚苯胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或一种以上。
25.进一步优选的，所述电池组为锂离子电池组、锂硫电池组、钠离子电池组和锂空气电池组中的一种或一种以上。
具体实施例
26.自支撑散热由相变复合材料制成，所述相变复合材料采用的组分及其质量份数为：90份58号石蜡、0.5份纳米石墨烯、1份纳米炭黑、1.5份导纳米多壁纳米管、1份乙氧基五氟三聚磷腈和6份纳米聚酰亚胺粉，利用高速分散机18000rpm分散5min, 然后高温加热注塑，冷却后得到安装限位腔呈蜂窝状分布自支撑散热支架。其中，安装限位腔之间的支架本体的璧厚度为1mm，支架本体的高度60mm。
27.将12x12个21700圆柱锂离子电池按照3p48s排布方式置于自支撑散热支架中，并且利用铜镍复合电极连接片串并联连接电池，并把相应的电池管理模块（bms）与3p48s电池组从正极到负极依次连接好电压数据采集线，得到3p48s电池组。
具体实施例
28.自支撑散热由相变复合材料制成，所述相变复合材料采用的组分及其质量份数为：65份微晶蜡、20份46号石蜡、0.5份纳米石墨烯、3份纳米炭黑、1份导纳米多壁碳纳米管、0.5份乙氧基五氟三聚磷腈和10份纳米聚苯胺，利用高速分散机18000rpm分散5min, 然后高温200℃加热5min以进行注塑，注塑冷却后得到安装限位腔呈蜂窝状分布自支撑散热支架。其中，安装限位腔之间的支架本体的璧厚度为2.5mm，支架本体的高度65mm。
29.将12x12个21700圆柱锂离子电池按照3p48s排布方式置于自支撑散热支架中，并且利用铜镍复合电极连接片串并联连接电池，并把相应的电池管理模块（bms）与3p48s电池组从正极到负极依次连接好电压数据采集线，得到3p48s电池组。
30.本发明一种具有主动散热功能的动力电池系统的有益效果是：1.将由相变材料制成的自支撑散热支架作为热管理元件，提高了电池和支架的热传导效率，从而有效的精准调节电池组的温度，提动力电池系统的热管理能力和热安全性；2.解决现有技术中高功率长续航的电池系统过热和热失控风险的问题，能够提高电动垂直起降飞行器类航空航天系统中动力电池系统的质量，具有较高的经济价值。
31.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，包括：1）控制系统：用于监测电池模块的状态，并控制充放电过程；2）电池组模块：包括圆柱形电池以及与电池连接导通的电池连接件；3）自支撑散热支架：由相变复合材料制成的支架本体，且所述支架本体上设置有用于放置和固定电池的安装限位腔；所述相变复合材料的组分包括微晶石蜡相变材料、纳米导热材料、阻燃材料和热塑性高分子聚合物，且各组分的质量份数分别是石蜡相变材料70-90份、纳米导热材料0.01-10份、阻燃材料0.01-10份和高分子聚合物0.1-10；所述相变复合材料的导热系数为0.2 w/(m
·
k)~15 w/(m
·
k)，融化潜热大于160kj/kg。2.根据权利要求1所述的一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，两个安装限位腔之间的支架本体的厚度为0.1mm~5mm。3.根据权利要求1所述的一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，所述微晶石蜡相变材料的熔点范围为45℃~97℃，所述微晶石蜡相变材料的分子通式为c
n
h
2n+2
，其中n=22～45。4.根据权利要求1所述的一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，所述纳米导热材料包括纳米炭黑、纳米石墨烯、纳米氧化石墨烯、纳米多壁碳纳米管、纳米单壁纳米管、纳米碳纤维、纳米铜粉、纳米银粉、纳米氮化硼、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米铜纤维中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，所述阻燃材料包括乙氧基五氟三聚磷腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、甲基膦酸二甲酯、纳米二氧化硅中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚苯醚、聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酸酯、聚苯胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的一种具有主动散热功能的动力电池系统，其特征在于，所述电池组采用锂离子电池组、锂硫电池组、钠离子电池组和锂空气电池组中的一种或多种。

技术总结
本发明公开了一种具有主动散热功能的动力电池系统，通过引入低熔点的微晶石蜡相变材料、热导材料、阻燃剂和热塑性聚合物材料制备相变复合材料，以增强热扩散和散热能力，实现了对电池系统热扩散的有效控制，具有高效的热控制能力、高安全性和高可靠性。高安全性和高可靠性。高安全性和高可靠性。


技术研发人员：苑克国 潘晓俊 孙敬尧
受保护的技术使用者：齐飞航空科技（苏州）有限责任公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15