一种液冷相变金属支架电池热管理系统

本发明涉及锂离子电池热管理与安全防护，具体涉及一种利用水冷、相变材料和金属支架协同散热的电池热管理及防火系统。

背景技术：

1、锂离子电池在高倍率充放电过程中产生大量热量。电池温度过高或电池组内温度分布不均，会加速性能衰减并增加热失控风险。电池热管理系统通常需要将电池最高温度控制在合理范围内，同时减小电池单体之间的温差。

2、现有相变材料冷却结构能够利用潜热被动吸热，但相变材料导热系数较低，熔融后还容易在浮力作用下向上迁移，导致上部积热和相变能力分布不均。单独增加金属导热构件虽可缩短导热路径，但在持续高热流密度工况下，热量仍可能在相变材料内累积。常规水冷系统通常仅用于正常充放电工况下的温度控制，当电池出现异常升温、热失控或自燃时，难以及时切换至专用灭火介质进行应急处置。因此，需要一种结构紧凑、导热路径连续，并兼具日常温控和自燃防护功能的复合热管理结构。

技术实现思路

1、一、要解决的技术问题

2、本发明旨在解决相变材料导热能力有限、熔融相变材料易发生轴向迁移、高倍率工况下持续散热能力不足，以及现有液冷结构难以在电池热失控或自燃时及时通入灭火介质的问题。

3、二、技术方案

4、为解决上述问题，本发明提供一种可通入灭火介质的液冷-相变材料-金属支架协同热管理系统。该系统包括壳体、多个平行且阵列排布的圆柱形锂离子电池、填充并包覆电池的相变材料、与电池导热接触的金属支架以及设置在电池间隙中的多个介质流通通道。

5、金属支架包括横向分隔板和多个纵向导热肋。横向分隔板将相变材料所在空间分为上层相变区和下层相变区，以限制熔融相变材料在两个区域之间的整体迁移；纵向导热肋在电池、横向分隔板和介质流通通道之间建立连续导热路径。介质流通通道平行于电池轴线布置并贯穿横向分隔板，用于选择性地输送水或灭火介质。

6、优选地，系统包括16个18650锂离子电池，电池按照4行4列排布；9条介质流通通道按照3行3列设置在相邻电池形成的间隙中。金属支架采用铝或铝合金，相变材料采用熔点为304 k的石蜡基相变材料；正常工况下的冷却介质采用水。

7、介质流通通道设有介质入口和介质出口，介质入口能够选择性地接收水或灭火介质。正常工况下由介质入口通入水进行循环冷却；在确定电池发生异常升温、存在热失控风险或发生自燃时，停止或减少通入水并改为通入灭火介质。介质的选择和更换可通过人工操作或外部供给设备完成。灭火介质可采用水系灭火剂、惰性气体、二氧化碳或其他适用于锂离子电池的灭火介质。

8、三、有益效果

9、金属支架缩短电池至相变材料和介质流通通道的传热路径，提高相变材料的有效利用程度；

10、横向分隔板将相变材料分层，限制熔融相变材料整体上移，改善电池组轴向温度均匀性；

11、水持续带走相变材料和金属支架中的热量，延缓相变材料达到完全熔化状态，从而提高高倍率工况下的持续散热能力；

12、液冷、相变吸热和金属导热相互配合，可在温控性能与泵送功耗之间获得较好的平衡。

13、同一组介质流通通道能够分别用于正常水冷和异常工况下的灭火介质输送，无需改变电池模块内部的通道结构，可对异常电池进行应急降温，延缓热失控发展并降低相邻电池的热蔓延风险。

1.一种液冷相变金属支架电池热管理系统，包括壳体、多个圆柱形锂离子电池、相变材料、金属支架以及多个介质流通通道，其特征在于：多个所述圆柱形锂离子电池呈阵列排布；所述相变材料填充于所述壳体内并包覆所述圆柱形锂离子电池；所述金属支架与所述圆柱形锂离子电池导热接触，并包括将所述相变材料分隔为上层相变区和下层相变区的横向分隔板以及与所述横向分隔板连接的多个纵向导热肋；多个所述介质流通通道平行于所述圆柱形锂离子电池的轴向设置于相邻圆柱形锂离子电池之间，并贯穿所述横向分隔板；所述介质流通通道设有介质入口和介质出口，所述介质入口能够选择性地接收水或灭火介质，以在正常工况下通入水进行冷却，并在所述圆柱形锂离子电池发生异常升温、存在热失控风险或发生自燃时通入灭火介质进行应急降温。

2.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于：所述圆柱形锂离子电池为按照4行4列排布的16个18650锂离子电池；所述介质流通通道为按照3行3列设置于相邻圆柱形锂离子电池之间的9条通道，每条所述介质流通通道的内径为4 mm。

3.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于：所述金属支架由铝或铝合金制成，所述横向分隔板位于所述圆柱形锂离子电池的轴向中部且厚度为1 mm；所述相变材料为熔点为304 k、相变潜热为240800 j/kg的石蜡基相变材料。

4.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于：正常工况下通入所述介质流通通道的水的入口温度为298.15 k、入口流速为0.02 m/s至0.10 m/s，且水在所述介质流通通道内处于层流状态。

5.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于：正常工况下，水从所述介质入口进入所述介质流通通道并从所述介质出口流出；当所述圆柱形锂离子电池发生异常升温、存在热失控风险或发生自燃时，停止或减少通入水并改为向所述介质流通通道通入灭火介质，以降低异常电池的温度并抑制热失控发展及热蔓延。

6.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于：所述灭火介质包括水系灭火剂、惰性气体、二氧化碳或全氟己酮中的至少一种。

7.根据权利要求2所述的电池热管理系统，其特征在于：所述壳体的外形尺寸为91 mm×91 mm×65 mm，所述圆柱形锂离子电池的直径为18 mm、高度为65 mm，相邻圆柱形锂离子电池之间的最小间距为3 mm。

8.一种电池热管理及防火方法，其特征在于，包括：正常工况下向多个介质流通通道通入水，通过金属支架导热、相变材料相变吸热和水的强制对流共同移除圆柱形锂离子电池产生的热量；在确定所述圆柱形锂离子电池发生异常升温、存在热失控风险或发生自燃时，停止或减少向所述介质流通通道通入水，并改为向所述介质流通通道通入灭火介质，以对异常电池进行应急降温，并抑制热失控发展及热蔓延。