一种动力电池包的模块化散热装置的制作方法

1.本发明涉及动力电池冷却的技术领域，具体涉及一种动力电池包 的模块化散热装置。


背景技术：

2.对于圆柱形锂电池而言，达到动力汽车用的蓄电池包所需的电池 单体的数量是巨大的。特斯拉model-s的蓄电池包重量900kg，功率 85kwh，电压约400v，由16个电池模组串联而成，并且每个电池模 组包括444节18650型三元锂离子的电池单体，其又由6个电池组串 联而成，每个电池组由74节上述电池单体并联而成，因此，整个蓄 电池包由7104节18650型锂电池单体组成。
3.数千个性能最好的蓄电池单体，整合成很差的蓄电池包导致电池 包的整体性能降低。蓄电池包的热场均衡，要求数千个电池单体的每 一个的最高温度低于40℃，电池单体之间的温差低于5℃。蓄电池 包追求单体电池的紧密堆叠，通常通过电池包的单位体积的能量 kwh/mm3来表征蓄电池包的单体堆积的紧密程度，但堆叠越紧密，散 热越困难，二者是矛盾的。
4.已知的冷却方式中，热管冷却是能效比高的，因此选择热管冷却 是有前景的冷却方式。
5.奥地利公司miba于德国公开了一种圆柱体电池的电池包(公开 号：de102019114246a1,公开日：2019年12月12日)，电池之间设 置多个热管6，热管6顶部连接在一大块的散热岐片11中，热管6 插入竖直排列的电池单体之间，并通过螺栓紧固于电池模组的底板。 因热管6深埋于电池单体之间，获得圆柱体电池的良好冷却效果，因 热量快速移出至散热岐片11而流失于空气环境中，避免了电池单体 过热。但是，热管顶部带有厚度较大的散热岐片11，增加了电池模 组的高度同时，电池单体只能阵列布置一层，如果两层阵列布置叠置， 电池模组的高度尺寸会增加很多。
6.美国加州的电动汽车公司atieva于美国公开了一种电池包的冷 却装置(公开号：us2009208829a1，公开日：2009年8月20日)， 其图5显示，每个圆柱体的电池单体614周围紧贴设有至少2个热管 506，竖直的蒸发部506紧贴圆柱体的外圆弧面，热管上段弯折90度 形成水平的冷凝部512，该冷凝部512紧贴于液冷板910下方。该热 管506虽然对圆柱体电池单体进行了热管散热，但是热管的冷凝部是 弯折90度后获得的，该弯折大大降低了热管的散热效率。
7.综上，设计一种动力电池包的散热装置，既能有效利用热管的高 热导率，又不增加电池包尺寸是动力电池热管理领域亟待解决的关键 难题。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种动 力电池包的模块化散热装置，解决“既能有效利用热管的高热导率， 又不增加电池包尺寸”的技术问题。
9.本发明的目的是这样实现的，一种动力电池包的模块化散热装置，
10.电池模组，所述电池模组包括多个圆柱形的电池单体，所述多个 电池单体以一定行距列距形成阵列排布；至少两层阵列排布叠置形成 电池模组；电池模组阵列置于电池包壳体中；
11.对夹机构，所述对夹机构用于保持所述阵列排布并实现电池单体 的电连接；
12.第一散热，所述第一散热包括多个散热条带，所述散热条带连续 地延伸于所述阵列排布的行与行之间，用于带走电池单体两个相对的 第一侧表面的热量；
13.第二散热，所述第二散热包括多个阵列的蒸发柱，所述蒸发柱设 于所述阵列排布每行的列与列之间，用于带走电池单体两个相对的第 二侧表面的热量；
14.所述电池单体的两个第一侧表面和两个第二侧表面的面积总和大 于等于电池单体的圆柱体表面面积的80％。
15.进一步地，散热条带为柔性液冷膜，内设多个平行且间隔的液冷 通道，所述散热条带仅一个反方向的弯折,散热条带的宽度大体等于 电池单体暴露于对夹机构之间的长度。
16.进一步地，第二散热包括连通的蒸发部、冷凝部，所述蒸发部包 括馈液板和多个蒸发柱，蒸发柱垂直且阵列固定于馈液板上；馈液板 内设馈液腔，蒸发柱内设蒸发腔；馈液腔连通每个蒸发柱的蒸发腔。
17.进一步地，所述第一散热为回路热管，散热条带作为蒸发部通过 集汽管和回液管与冷凝部连通；散热条带内腔设有吸液芯带和泡沫金 属带。
18.进一步地，当电池单体轴线平行于电池模组的高度方向布置时， 馈液腔为覆盖所述阵列排布的面积的整体空腔；当电池单体轴线垂直 于电池模组的高度方向布置时，馈液板包括多行平行间隔的馈液腔， 馈液腔正对所述阵列排布中的行且能够同时连通该行的所有蒸发柱。
19.进一步地，蒸发柱穿过层与层之间的所述对夹机构地穿设于每层 的所述阵列排布的每行的列与列之间，蒸发柱的高度与电池模组的高 度大致相等。
20.进一步地，当电池单体轴线平行于电池模组的高度方向布置时， 第二散热还包括垂直固定于馈液板上且与馈液腔连通的馈液罐，使得 馈液罐通过馈液腔与各蒸发柱形成u形连通器；馈液罐大于等于蒸发 柱高度的1/2。
21.进一步地，所述蒸发柱包括一体连接的定位块、蒸发主体部和聚 气部，馈液腔上壁对应电池单体阵列排布地阵列设有多个让孔，让孔 周围设有导能筋，馈液腔下壁设有定位柱，定位块底部设有与定位柱 紧配的定位孔，上部设有法兰，定位块穿过让孔使得定位柱紧配定位 于定位孔中的同时法兰与让孔超声焊接并藉此固定于馈液板。
22.进一步地，电池包壳体包括一体连接于底壁四周的侧壁形成顶部 敞口的壳体，壳体内部间隔设有n行m列阵列的多个容置室，冷凝部 包括至少两根冷凝管，所述冷凝管倾斜固定于电池包壳体的两较长的 相对的侧壁，底壁对应容置室位置设有多根冷凝歧管，容置室内垂直 于底壁设有冷凝管接口，冷凝歧管一端由底壁延伸至侧壁分别与冷凝 管连通，另一端连通冷凝管接口。
23.进一步地，所述对夹机构包括至少两个相对设置的定位孔板，所 述定位孔板对应所述阵列排布设有多个定位通孔，定位通孔套设紧压 套筒，电池单体的两端抵接紧压套筒
的底部法兰压入定位通孔以紧 固定位。
24.所述动力电池包的模块化散热装置，通过行与行之间设置散热条 带进行液冷散热，同行列与列之间设置蒸发柱，协同带走80％以上圆 柱体表面的热量，散热效率高，电池模组的堆积有效散热的前提下单 位体积能量达到最大化。
附图说明
25.图1为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一的俯剖视 图。
26.图2为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一图1的a-a 剖视图。
27.图3为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一图1的a-a 剖视图(变形例)。
28.图4为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一的导热接 触面局部视图。
29.图5为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一的第二散 热40的主剖视图及剖面图。
30.图6为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一电池包壳 体的俯视图。
31.图7为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例一电池包壳 体的主剖视图。
32.图8为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例二的主剖视 图。
33.图9为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例二的e-e剖 视图。
34.图10为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例三的散热 带(竖直布置)剖视图。
35.图11为本发明动力电池包的模块化散热装置的实施例三的散热 带(水平布置)剖视图。
36.上述图中的附图标记：
37.1电池包壳体,2侧壁，3底壁，4间隔筋，5容置室,
38.10电池模组，11电池单体,12第一侧表面，13第二侧表面，14第 三侧表面,
39.20对夹机构，21定位孔板,22定位通孔,23定位柱，24锁紧柱,
40.30第一散热，31散热条带，32进液管，33出液管，34接口， 35液冷通道，36吸液芯，37泡沫金属层,
41.40第二散热，41蒸发部，42冷凝部，43馈液板，44蒸发柱,45 定位块,46蒸发主体部,47聚气部,48集气管,
42.50馈液连通器，51馈液罐，52馈液腔,
43.42.1冷凝管，42.2冷凝歧管，42.3弧形槽，42.4冷凝管接口
44.43.1液冷板,43.2让孔，45.1馈液通道。
具体实施方式
45.以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发 明的范围。
46.实施例1
47.如图1-7所示，一种动力电池包的模块化散热装置，包括
48.电池模组10，所述电池模组10包括多个圆柱形的电池单体11， 所述多个电池单体11轴线平行于电池模组的高度方向布置且以一定 行距列距形成至少两层的阵列排布；多
个所述电池模组10阵列固定 于动力电池包壳体1内；
49.对夹机构20，所述对夹机构20用于保持所述电池模组的阵列排 布并实现电池单体11的电连接；
50.第一散热30，所述第一散热30包括多个散热条带31，所述散热 条带31连续地延伸于电池模组10的行与行之间，用于带走电池单体11两个相对的第一侧表面12的热量；
51.第二散热40，所述第二散热40包括多个阵列的蒸发柱43，所述 蒸发柱43设于电池模组10的每行的列与列之间，用于带走电池单体 11两个相对的第二侧表面13的热量；
52.所述电池单体11的两个第一侧表面12和两个第二侧表面13的面 积总和大于等于电池单体的圆柱体表面面积的80％。
53.当电池单体11轴线竖直地放置时，所述阵列排布为至少两层，电 池单体轴线方向的高度等于电池模组10的高度，阵列排布的长度、 宽度等于电池模组10的长度、宽度。
54.所述对夹机构20包括至少两个相对设置的定位孔板21，所述定 位孔板21对应所述阵列排布设有多个定位通孔22，电池单体11的 两端压入定位通孔22以紧固定位。
55.所述保持所述电池模组的阵列排布，是指电池单体保持在两定位 孔板21之间，所述两层的阵列排布需要3个定位孔板21。多个定位 孔板21通过四根锁紧柱24连接为长方体形。
56.对于444节圆柱形锂离子电池的轴线竖直的阵列排布，实际优选 两层的阵列排布，18650型锂离子电池，直径18mm，长度65mm，26650 型锂离子电池，直径26mm，长度65mm，两层阵列排布叠置的总高度 为130mm，加上对夹机构20的厚度，电池模组10的高度大致在 140-160mm。对于18650型锂离子电池来说，每层的阵列排布采用15 行15列布置即可布置225粒锂离子电池，电池模组的长度约354mm， 宽度约340mm。
57.第一散热30还包括进液管32、出液管33，进液管32和出液管33分别设有接口34，散 热条带31的进液端通过接口连通进液管32，散热条带31的出液端通过接口连通出液管33。 所述散热条带31包括仅一个反方向的弯折,散热条带31的宽度大体等于电池单体暴露于对 夹机构20之间的长度。散热条带31为柔性液冷膜，内设多个平行且间隔的液冷通道，液冷 通道35从进液端延伸至出液端。多个电池模组10的进液管32连通成为进液总管，出液管 33连通成为出液总管，进液总管和出液总管分别连通冷却介质源。所述散热条带31优选采 用一种定宽不定长连续挤出液冷板。最外侧的散热条带31外侧于两相邻电池单体11之间设 有定位柱23，使得散热条带31与电池单体11的第一侧表面12表面保持接触。
58.优选地，第一侧表面12和第二侧表面13的面积和大于等于占电 池单体的圆柱体表面面积的90％。第一侧表面12为占据第一圆心角 α的圆弧面，第一侧表面12的横截面圆弧中点与圆心的连线与y轴 重合；第二侧表面13为占据第二圆心角β的圆弧面，且第二侧表面 的横截面圆弧的中点与圆心连线与x轴重合；第一侧表面12和第二 侧表面13之间未热传导接触的第三侧表面14为占据第三圆心角γ的 圆弧面。当第一侧表面12和第二侧表面13的面积和等于占电池单体 的圆柱体表面面积的80％时，第三圆心角γ＝18
°
。当第一侧表面12 和第二侧表面13的面积和等于占电池单体的圆柱体表面面积的90％ 时，第三圆心角γ＝9
°
。
59.第二散热40包括通过集气管和回液管连通的蒸发部41、冷凝部 42，所述蒸发部41包括阵列布置的多个蒸发柱44，蒸发柱44垂直 且阵列布置地固定于馈液板43上。还包括为
蒸发柱补充工作介质的 馈液连通器50，馈液连通器50包括馈液罐51、馈液腔52，馈液板 43内设同时连通多个蒸发柱44内腔的馈液腔52，馈液罐51垂直固 定于馈液板43上且馈液罐51连通馈液腔52，使得馈液罐51通过馈 液腔52与各蒸发柱44内腔形成u形连通器，馈液罐51的液面水平 与蒸发柱44内的液面水平相同。馈液罐51大于等于蒸发柱44高度 的1/2。馈液罐51顶部设有入液接口，回液管连通所述入液接口。 第二散热40为回路热管，运行其内的低温段发生汽液相变的液体工 质，比如氟利昂、氨、无水乙醇、丙酮、乙烷或水，比如无水乙醇的 沸点为78.4℃。
60.馈液板43包括同时连通所述阵列排布中所有电池单体的馈液腔 52，馈液板43叠置设于电池模组10的最底侧的定位孔板21的下方。 蒸发柱44与顶层电池单体11的电极大致等高，即大致等于电池模组10的总高度。中间的定位孔板21设于供蒸发柱44穿过的孔位。
61.更为优选的是，为保护馈液板43内液体工质不提前吸热汽化，馈 液板43两侧通过加强筋形成空气间隔槽以隔热，或者馈液板43两侧 叠置液冷板43.1。馈液板43内设馈液腔52，散热柱41穿过液冷板 43.1垂直定位于馈液板43并与馈液腔52连通。
62.所述蒸发柱44包括一体连接的定位块45、蒸发主体部46和聚气 部47，蒸发主体部46为异型横截面，内设蒸发腔，蒸发腔内设吸液 芯，聚气部47为圆形横截面，内设与蒸发腔连通的聚气腔。聚气部 47侧面设有集气支管，集气支管连通集气管，集气管连通冷凝部42。 聚气部47高于电池模组10的电池单体11的圆柱体部分3-5mm。
63.馈液腔上壁对应电池单体阵列排布地阵列设有多个让孔43.2，让 孔顶面设有导能筋，馈液腔下壁设有定位柱53，定位块45底部设有 与定位柱53紧配的定位孔，定位块45设有法兰，定位块45穿过让 孔43.2使得定位柱紧配定位于定位孔中的同时法兰与让孔超声焊接 并藉此液密封地一体连接于馈液板43。定位块45设有多个连通蒸发 柱44的蒸发腔的馈液通道45.1，馈液通道45.1暴露于所述馈液腔 43.1。定位块45的横截面优选为多边形，如正方形、矩形。
64.电池包壳体1包括一体连接于底壁3四周的侧壁2形成顶部敞口 的壳体。壳体内部间隔设有多个间隔筋4形成n行m列容置电池模组 10的容置室5。优选地，所述电池包壳体1包括为2行8列共16个 容置室5，共装有16个电池模组10，n＝2,m＝8。对于18650型锂离子 电池来说，电池包壳体1排列2行8列的电池模组10，电池模组的 长度约354mm，宽度约340mm，使得电池包壳体1的长度约为2856mm， 宽度约为695mm。这样的电池包壳体1的厚度、长度和宽度，容易置 于电动车的底盘中。
65.冷凝部42包括至少两根冷凝管42.1，所述冷凝管42.1倾斜固定 于电池包壳体1的两较长的相对的侧壁2，冷凝管42.1的长度大约 在1500mm左右，是足够长的。底壁3对应容置室5位置设有多根冷 凝歧管42.2，容置室5内垂直于底壁设有冷凝管接口42.4，冷凝歧 管42.2一端由底壁延伸至侧壁2分别与冷凝管42.1连通，另一端连 通冷凝管接口42.4。为增大冷凝管42.1、冷凝歧管42.2与侧壁2、 底壁3的接触面积，侧壁2、底壁3分别设有弧形槽42.3，冷凝管 42.1、冷凝歧管42.2通过热界面材料紧贴地置于弧形槽42.3中。
66.电池包壳体1的底壁3对应各容置室5设有冷凝管接口42.4，冷 凝管接口42.4通过回液软管连通馈液罐45的入液接口。
67.电池包壳体1因为有碰撞安全性指标，是比较厚的有一定强度且 背面设有多个加强筋的强度部件，其本身就是一个大的散热体。冷凝 部42与电池包壳体1一体设计，并隐形
于电池包壳体1的侧壁和底 壁。
68.一冷凝部42对应多个电池模组10的蒸发部41，是典型的利用了 模块化的设计思想。
69.实施例2
70.电池单体轴线垂直于电池模块高度方向布置且多层阵列排布，第 二散热的整体馈液腔替换为平行多行的馈液腔，其他结构与实施例1 相同。
71.如图8,9所示，一种动力电池包的模块化散热装置，包括
72.电池模组10，所述电池模组10包括多个圆柱形的电池单体11， 所述多个电池单体11轴线垂直于电池模组高度方向布置且以一定行 距列距形成至少三层的阵列排布；多个所述电池模组10阵列固定于 动力电池包壳体1内；
73.当电池单体11轴线水平地放置时，所述阵列排布为至少3层，电 池单体轴线方向的高度等于电池模组10的长度，阵列排布的长度和 宽度等于电池模组10的宽度和高度。
74.因馈液板竖直放置，馈液板43包括多行平行间隔的馈液腔52， 馈液腔52正对所述阵列排布中的行且能够同时连通该行的所有蒸发 柱44。馈液腔52的入液接口分别连通回液软管，回液软管连通冷凝 管接口42.3。第二散热40不设馈液罐51。
75.实施例3
76.第一散热由液冷改为回路热管，其他结构与实施例1、2相同。
77.如图10、11所示，一种动力电池包的模块化散热装置，所述第一 散热30为回路热管，散热条带31作为蒸发部通过蒸汽管和回液管与 冷凝部42连通。散热条带31内腔设有吸液芯36和泡沫金属37，当 电池单体11轴线平行于电池模块高度方向布置而阵列排布时，吸液 芯带和泡沫金属带在散热条带的宽度方向上下紧邻设置于其内腔,二 者均在其内腔中沿散热条带整个长度方向延伸地设置。当电池单体 11轴线垂直于电池模块高度方向布置而阵列排布时，带状的吸液芯 36和带状的泡沫金属37在厚度方向上下叠置于内腔。
78.关于进液和集气，散热条带31的进液端设于散热条带的一端，该 进液端通过连接接口连通进液管32，进液管32通过回液软管连通冷 凝管接口42.3。散热条带31的另一端设有与内腔泡沫金属37连通 的扁形的条带集气管33，所述条带集气管33通过连接接口连通第二 散热的集气管48。
79.本发明的所述动力电池包的模块化散热装置，利用如下手段解决
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既能有效利用热管的高热导率，又不增加电池包尺寸”的技术问题：
80.(1)液冷协同回路热管冷却电池单体的圆柱体表面，带走绝大部 分的热量
81.第一散热30是通过散热条带31冷却阵列布置的一行电池单体的 液冷散热，每4行电池单体使用两条散热条带31即可，并不会明显 增加电池单体的叠置体积；藉由散热条带仅能反向弯折一次，而该行 中每列电池单体之间是空气间隙，这是仅使用第一散热30的缺点。 散热条带31带走约50％圆柱体表面的热量；与第一散热协同地，该 空气间隙采用第二散热40来散热，第二散热40是多蒸发器的回路热 管，多个蒸发柱44阵列置于同行的电池单体11之间，不增加电池模 组的体积，而且蒸发柱44带走剩余50％圆柱体表面的热量。
82.第一散热30协同第二散热40，带走约100％圆柱体表面的热量， 同时不明显增加阵列布置的电池模组的体积。
83.(2)对于圆柱体电池的阵列布置，散热条带配合蒸发柱44形成 的堆积体获得最大
单位体积能量(kwh/mm3)
84.相比全用蒸发柱44间隔散热的上下行正对列地阵列布置，本技术 圆柱体电池的上下行错列的阵列布置,缩短了行与行之间的间距。但 是，因为两第一侧表面的面积总和不可能达到90％以上，也就是说不 可能实现散热条带包住所有圆柱体面积，所以同行中相邻列之间必须 有间隙。对于行与行之间缩小了间距的阵列布置，散热条带散热最为 合适。
85.相较于相邻的上下行正对列地布置，对于相邻的上下行错列布置， 增加了与散热条带31接触的第一侧表面12的面积。对于上下行错列 布置，每行中相邻列之间设置蒸发柱44散热是最佳选择。因此，结 合电池模组的散热，行与行之间设置散热条带，同行中列与列之间设 置蒸发柱的堆积方式，所获得的有效散热的堆积的单位体积能量为最 大。
86.隐形设于壳体的冷凝部，更是利用电池包壳体散热，同时为电池 模组节约了冷凝部的体积，也是为有效散热的堆积的单位体积能量最 大做出了一方面的贡献。
87.(3)散热条带和蒸发柱同时为一回路热管的多个蒸发部，消除了 第一侧表面和第二侧表面温度差的问题
88.实施例1、2采用对第一侧表面12的液冷散热，对第二侧表面13 的回路热管散热，由于液冷散热的热导率小于热管散热的热导率，使 得第一侧表面温度高于第二侧表面温度，二者有温差，该温差对于电 池单体的运行是不利的，必须增加散热条带12的冷却介质流速来缩 小该温差。实施例3对第一侧表面12和第二侧表面13均采用回路热 管散热，热导率相近，所以二者的温差小于0.5℃，可以忽略不计， 可以认为消除了第一侧表面和第二侧表面的温差。
89.所述动力电池包的模块化散热装置，通过行与行之间设置散热条 带31进行液冷散热，同行列与列之间设置蒸发柱44，协同带走90％ 以上圆柱体表面的热量，散热效率高，电池模组的堆积有效散热的前 提下单位体积能量达到最大化。