一种用于电池散热的液冷装置及其设计方法和电池与流程

本发明属于电池热管理，具体涉及一种用于电池散热的液冷装置及其设计方法和电池。

背景技术：

1、随着新能源汽车、大规模储能等领域的快速发展，锂离子电池的应用场景不断拓展，对其功率密度、能量密度的要求也持续提升。高倍率放电工况下，锂离子电池会快速产生大量热量，若热量无法及时散出，将导致电池包内部温度急剧升高，不仅会降低电池的充放电效率、循环寿命，还可能引发热失控，严重威胁设备运行安全。

2、现有液冷散热装置多采用直通道、蛇形通道等传统单层流道结构，存在换热面积有限、均温性差、流阻较大等问题。例如，直通道液冷装置易在通道末端形成热点，导致电池包内部温差过大；蛇形通道虽能提升换热均匀性，但大量弯折结构会增加流道阻力，消耗更多泵送功能耗，降低系统综合能效。

3、针对动力电池电芯大面热量积累问题，现有公开技术提出了一些解决方案。如公开号为cn118173946a的发明专利申请公开了一种仿生叶脉的波纹通道液冷板，包括相互连接的板体一和板体二，所述板体二中心部位设有一条入口主通道，两侧边缘处各设有一条与入口主通道连通的出口主通道；所述入口主通道的上游为工质总入口、下游为工质入口通道下游端部，从工质总入口至工质入口通道下游端部的方向上，入口主通道呈渐缩型结构。该发明是基于仿生叶脉结构的入口主通道、出口主通道与波纹分支通道的总体结构设计的液冷板，提高了换热能力，使动力电池的温度均匀性得到了显著的提升，并可实现较低的能耗。如公告号为cn120237335b的发明专利公开了一种具有仿生鲨鱼皮流道结构的动力电池液冷散热装置，包括盖板、基底和基底上设置的冷却液流道，盖板与基底相连接组成液冷板，冷却液流道为开设在基底上的凹槽。鲨鱼皮上布满盾鳞，单个鲨鱼盾鳞成菱形，其外表面分布设有凹槽与肋条，该装置中斜流道使冷却液流道分成数个菱形流道——单菱形区域，菱形流道仿生鲨鱼盾鳞的菱形，数个直流道贯穿菱形流道，直流道仿生盾鳞的凹槽结构，未被直流道贯穿的部位仿生盾鳞的肋条，肋条与凹槽交错分布，使冷却液流道仿生鲨鱼皮的盾鳞，能够有效地降低水流的阻力，提高流体的流动效率，进而提升散热性能。

4、但是，现有技术中普遍存在以下问题：

5、（1）常规单层流道冷板换热覆盖区域单一，板面存在大量实体无流道盲区，电芯底部局部热量难以导出，难以适配大面积极群、大容量长条形电池模组的散热需求，无法同时兼顾高均温散热、低流阻损耗与高空间利用率；

6、（2）流道结构不合理，均温性极差且局部热点风险高；主流直通道液冷板采用平行排布的矩形流道（常见截面尺寸2mm×5mm），冷却液从入口到出口沿程不断吸热升温，导致流道出口端对应的电池区域温度比入口端高12~18℃，形成明显的“进出口温差梯度”；同时，直通道仅能覆盖电池模组的局部区域，易形成散热盲区，热点温度可达45~55℃，远超锂离子电池35℃以下的理想工作温度；

7、（3）单层冷板仅能通过单一平面的流道与电池进行热交换，有效换热面积受冷板尺寸严格限制，通常仅为同尺寸双层冷板的45%~55%，其上下层模组之间易发生层间热串扰，进一步影响整体的换热效率；另外单层冷板为保证散热效果，需在电池模组单侧预留充足的安装空间，且流道布局固定，无法适配多层堆叠式电池模组的散热需求，尤其在大模组、高集成度电池包中，单一通道布局易出现散热盲区，或因结构冗余占用过多电池安装空间，制约电池包能量密度提升；

8、（4）散热效率与流阻难以平衡，为提升散热能力，现有方案常通过缩小流道截面、增加流道长度等方式扩大换热面积，但此举会显著增大流体沿程阻力与局部阻力，导致泵送功耗激增，违背新能源设备节能降耗的核心需求；

9、（5）缺少适配性的液冷装置设计方法，无法针对不同型号电池模组进行设计，仅采用单纯尺寸放大等方式进行液冷装置的改变，因此存在不同型号电池模组散热效果差异显著等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于电池散热的液冷装置及其设计方法和电池，采用一体式双层交错通道和仿生蛛网分流拓扑的协同设计，通过上下层流道错位互补实现电芯底部无死角换热，精准控制电池包最高温度与整包温差，结构紧凑合理，全域散热效率高，均温性能优异，流体流阻低，电芯适配范围广且适配超高倍率放电工况的锂离子电池。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、第一方面，提供一种用于电池散热的液冷装置，包括壳体以及设于壳体内的第一液冷层和第二液冷层；

4、所述第一液冷层包括第一仿生拓扑导流单元以及连接于第一仿生拓扑导流单元两侧的第一仿生蛛网液冷单元和第二仿生蛛网液冷单元；所述第一仿生蛛网液冷单元和第二仿生蛛网液冷单元的结构相同，包括第一中心框以及设于第一中心框外围的第一仿生蛛网流道；

5、所述第二液冷层包括第二仿生拓扑导流单元以及设于第二仿生拓扑导流单元两侧的第三仿生蛛网液冷单元和第四仿生蛛网液冷单元；

6、所述第一液冷层和第二液冷层以隔热板分隔，且所述第二液冷层的液体流道完全覆盖第一液冷层除第一中心框之外的非液体流道区域。

7、进一步的，所述第一仿生蛛网流道包括第一主流道和第一次流道，所述第一主流道对称分布于第一中心框的两侧且呈放射状延伸，所述第一中心框两侧的第一主流道之间设有相对第一中心框对称分布的仿蛛网状的多条第一次流道。

8、进一步的，所述第一主流道沿自第一中心框向外侧的方向宽度逐渐增大，所述第一主流道与第一次流道相接处的夹角为85°~110°。

9、进一步的，所述第一仿生拓扑导流单元包括导流主流道以及分别设于导流主流道两侧的导入流道和导出流道，所述导入流道与第一仿生蛛网液冷单元的第一次流道连接，所述导出流道与第二仿生蛛网液冷单元的第一次流道连接；

10、所述导入流道与第一仿生蛛网液冷单元的第一次流道相接处的夹角为75°~90°；

11、所述导出流道与第二仿生蛛网液冷单元的第一次流道相接处的夹角为95°~110°。

12、进一步的，所述第三仿生蛛网液冷单元和第四仿生蛛网液冷单元的结构相同，包括第二中心框以及设于第二中心框外围的第二仿生蛛网流道；

13、所述第二仿生蛛网流道包括第二主流道和第二次流道，所述第二主流道对称分布于第二中心框的两侧且呈放射状延伸，所述第二中心框两侧的第二主流道之间设有相对第二中心框对称分布的仿蛛网状的多条第二次流道；

14、所述第二主流道覆盖所述第一主流道，所述第二次流道与第一次流道交错分布，使第二次流道覆盖第一主流道两侧的非第一次流道区域；

15、和/或，所述第二仿生拓扑导流单元包括与导流主流道对应设置的导流板，使导流板两侧形成导流通道。

16、进一步的，所述壳体的两端分别设有总进水口和总出水口，所述第一仿生蛛网液冷单元和第三仿生蛛网液冷单元分别设有与总进水口连接的第一进水支口和第二进水支口，所述第二仿生蛛网液冷单元和第四仿生蛛网液冷单元分别设有与总出水口连接的第一出水支口和第二出水支口；

17、和/或，所述第一液冷层和第二液冷层的厚度为2.8~3.2mm，所述隔热板的厚度为1.8~2.2mm。

18、第二方面，提供一种第一方面所述用于电池散热的液冷装置的设计方法，包括：

19、获取电池模组的尺寸、持续放电倍率和液冷装置的最大允许安装厚度；

20、基于持续放电倍率确定散热工况；

21、根据散热工况和电池模组的尺寸确定第一液冷层中第一仿生蛛网液冷单元和第二仿生蛛网液冷单元的流道参数以及第一仿生拓扑导流单元的流道参数，得到第一液冷层；

22、根据第一液冷层，采用差异化拓扑参数得到第二液冷层，使第二液冷层的液体流道完全覆盖第一液冷层除第一中心框之外的非液体流道区域；

23、根据液冷装置的最大允许安装厚度确定第一液冷层、第二液冷层和隔热板的厚度，得到液冷装置。

24、进一步的，所述基于持续放电倍率确定散热工况，包括：

25、若持续放电倍率crate≤2c，则为低速储能工况，设计核心约束为低流阻和降低泵送能耗；

26、若2c＜crate≤3c，则为车载快充中倍率工况，设计核心约束为均温与流阻均衡；

27、若3c＜crate≤5c，则为高倍率大功率工况，设计核心约束为强化局部对流和缩小整包温差。

28、进一步的，所述根据散热工况和电池模组的尺寸确定第一液冷层中第一仿生蛛网液冷单元和第二仿生蛛网液冷单元的流道参数以及第一仿生拓扑导流单元的流道参数，包括：

29、根据电池模组的尺寸确定第一仿生蛛网液冷单元和第二仿生蛛网液冷单元的第一中心框的位置；

30、根据散热工况确定第一主流道入口宽度d1、第一次流道的宽度d2和第一仿生拓扑导流单元的流道尺寸d3：若为低速储能工况，则d1∈[3.5,4.0] mm，d2∈[12,15] mm，d3= d2；若为车载快充中倍率工况，则d1∈[3.0,3.5] mm，d2∈[10,12] mm，d3= d2；若为高倍率大功率工况，则d1∈[2.5,3.0] mm，d2∈[7,10] mm，d3= d2；

31、根据电池模组的尺寸和第一次流道的宽度d2确定第一次流道的数量n1。

32、第三方面，提供一种电池，包括电池箱、设于电池箱内的若干层电池模组以及设于各层电池模组之间的如第一方面所述的用于电池散热的液冷装置。

33、进一步的，所述模组与仿生蛛网双层复合液冷装置的接触面涂覆有导热材料或设有导热垫。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、（1）本发明提供的液冷装置包括第一液冷层和第二液冷层，第二液冷层的液体流道完全覆盖第一液冷层除第一中心框之外的非液体流道区域，通过双层差异化交错流道结构创新，打破传统直通道、蛇形通道、单层仿生蛛网流道的设计局限，利用上下层流道互补覆盖消除电池模组换热盲区与局部热点，显著提升高倍率放电工况下电池整包温度均匀性，在3c~5c高倍率持续放电工况下可将整包最大温差控制在3.5~5℃以内，从根源规避局部过热诱发的电芯老化不一致与热失控风险；

36、（2）本发明提供的液冷装置采用双层液冷层交错流道设计，能够同时对上下两侧的电池模组进行散热，同等外形尺寸下有效换热面积相较传统单层冷板提升80%~100%，无需额外增设多层散热板材，充分利用电池包底部有限安装空间，减少热管理系统占用体积，为电芯排布预留更多空间，助力电池包能量密度提升，同时，能够有效降低单层流道内介质流速与沿程压力损失，相比常规蛇形冷板整体流阻显著下降，减小冷却水泵运行功率消耗，提升整车与储能系统综合能效；

37、（3）本发明提供的液冷装置中，第一液冷层和第二液冷层之间通过隔热板相隔，一方面能够实现双层液冷层的紧凑排布，使液冷装置的整体厚度控制在12mm以内，液冷层的厚度占液冷装置总厚度的50%以上，显著提高散热效率；另一方面，隔热板的存在可抑制上下层电池模组的层间热串扰，强化整体换热效率和复杂工况下的散热稳定性，尤其适合长条形或大面积极群的散热；

38、（4）本发明提供的液冷装置中，第一液冷层包括第一仿生蛛网液冷单元和第二仿生蛛网液冷单元以及连通二者的第一仿生拓扑导流单元，进一步的，第一仿生蛛网液冷单元包括第一中心框、第一主流道和第一次流道，形成了仿蛛网的“中心节点+放射主流道+辐射次流道+导流分支”的拓扑结构，散热效率高、流阻低，使冷却液在流道内实现均匀分流，均温性好，彻底打破传统直通道“入口冷、出口热”的温度梯度困境，同时可有效消除电池模组边缘、角落等散热盲区，满足电池模组的散热需求；

39、（5）本发明提供的液冷装置的设计方法，充分考虑了电池模组的尺寸、持续放电倍率和液冷装置的最大允许安装厚度等因素，针对不同尺寸、型号的电池模组自适应调节中心框位置、主通道宽度及次级分支疏密等参数，从而提升液冷装置对方形、圆柱、软包等不同形态电池、大面积极群及紧凑型高集成电池包的适配性，在保证全域散热效果的前提下压缩冷板整体厚度与安装空间，助力电池包系统能量密度提升；此外，上下两层流道相互独立，可通入同种冷却介质同步换热，也可根据工况需求分别通入不同换热介质，结构改动量小；既可采用cnc铣削钎焊实现批量量产，也可采用金属3d打印成型复杂交错流道，能够适配乘用车动力电池、工程机械电源、大型储能电站模组等多元应用场景，技术衍生与工程落地价值更高；

40、（6）本发明提供的液冷装置及其设计方法，深度融合仿生蛛网分流结构与双层交错互补通道布局，充分发挥二者协同换热增效潜力，弥补单层流道换热覆盖不全的固有短板，强化大功率持续放电复杂工况下的散热稳定性；大幅提升液冷装置对3c~5c高倍率充放电工况的温控适配能力，快速导出电芯集中产热，将电池最高温度与最大温差稳定控制在安全阈值区间，从源头规避局部过热引发的热失控安全风险，提升了装置的工程化应用价值，为新能源汽车动力电池包、储能电站大容量电池模组等场景提供可靠的热管理解决方案，推动锂离子电池在高功率、高集成度领域的安全应用。