电池热管理系统、电池包、车辆及电池包的设计方法与流程

1.本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池热管理系统、电池包、车辆及电池包的设计方法。


背景技术：

2.电池是指能将化学能转化为电能的装置，电池通常是由很多个电芯按照一定的串联或并联方式组成相应额定电压、额定容量的总成，由于使用目的的不同，电池有各自形状，在安装电芯时，通常需要使用相应结构的安装台或者安装架对电芯进行固定，而电池作为电动汽车的核心部件，其结构安全和热管理性能非常重要，目前主流的电池总成方案是标准模组或者ctp构型，这两种方案结构复杂，支撑电池总成的安装台或者安装架只起到支撑作用，导致热管理性能差。
3.因此，亟需一种电池热管理系统、电池包、车辆及电池包的设计方法，以提高对电芯的热管理效率。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于：提供一种电池热管理系统、电池包、车辆及电池包的设计方法，以提高对电芯的热管理效率。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.第一方面，提供一种电池热管理系统，用于支撑电芯，所述电池热管理系统包括：
7.液冷箱体，所述液冷箱体内储存有相变流体；
8.导热管，穿设于所述液冷箱体，所述导热管内流通有导热流体；
9.保温管，穿设于所述液冷箱体且与所述导热管间隔设置，所述保温管内储存有保温流体。
10.作为一种可选的技术方案，所述导热管设置于所述保温管的下方。
11.作为一种可选的技术方案，所述液冷箱体的内部开设有储存腔，所述相变流体储存于所述储存腔中，所述导热管穿过所述储存腔的一段以及所述保温管穿过所述储存腔的一段均浸泡于所述相变流体中。
12.作为一种可选的技术方案，所述导热管包括延伸至所述液冷箱体外部的第一折弯段，所述保温管包括延伸至所述液冷箱体外部的第二折弯段。
13.作为一种可选的技术方案，所述导热管和所述保温管均设置为蛇形阵列式结构。
14.作为一种可选的技术方案，所述导热管和所述保温管均采用导热金属材料制成。
15.第一方面，提供一种电池包，包括电芯以及如上所述的电池热管理系统，所述电芯粘结固定于所述液冷箱体的顶部。
16.第一方面，提供一种车辆，包括冷却循环系统以及如上所述的电池包，所述冷却循环系统与所述电池包中的所述导热管接通，所述冷却循环系统用于向所述导热管通入所述导热流体。
17.作为一种可选的技术方案，所述保温管的端口设置有密封结构，所述密封结构用于将所述保温流体密封于所述保温管内。
18.第一方面，提供一种电池包的设计方法，用于设计如权利要求7所述的电池包，所述设计方法包括以下步骤：
19.所述电芯膨胀到最大状态时，获取所述电芯的底部尺寸cmr以及所述电芯的安装极限尺寸gcr，并根据所述底部尺寸cmr和所述安装极限尺寸gcr确定所述电池热管理系统的极限尺寸s1，所述电池热管理系统的所述极限尺寸s1＝cmr*cc*gcr*cosa*cosa*cosa，其中，cc为电芯体系相关结构系数，cc的取值范围为0.45至0.82，a为尺寸公差补充参数，12
°
＞a＞0
°
；
20.根据所述极限尺寸s1确定所述电池热管理系统的相变尺寸，所述电池热管理系统的相变尺寸包括材料相变厚度d和整体相变厚度h，所述材料相变厚度d＝s1÷
(gb*gb*e*e*0.85)，gb为设计高度极限尺寸，e为安全尺寸系数，e的取值范围为1.53至1.93，所述整体相变厚度h＝s1÷
0.55
÷
tanb，b为重量补充，45
°
＞b＞42
°
；
21.通过所述整体相变厚度h确定所述保温管的尺寸以及所述导热管的尺寸；
22.所述底部尺寸cmr、所述安装极限尺寸gcr、所述极限尺寸s1、所述材料相变厚度d以及所述整体相变厚度h根据仿真结果校正反馈。
23.本发明的有益效果在于：
24.本发明提供一种电池热管理系统、电池包、车辆及电池包的设计方法，以提高对电芯的热管理效率。本发明的车辆包括电池包，电池包采用设计方法设计，电池包包括电池热管理系统和电芯，电芯设置于电池热管理系统上，电池热管理系统包括液冷箱体、导热管以及保温管，在液冷箱体内储存相变流体，当某个电芯高负荷运行或者异常运行导致产生过多热量时，过多的热量能够通过液冷箱体转移到另外的低负荷运行或者异常运行的电芯，能够提高电芯与电芯之间的温度一致性，而相变流体能够提高热量的转移效率，提高均匀热传导的效果，且相变流体能够将热量传递至导热管和保温管，使得导热管内的导热流体升温并通过导热流体将热量转移到外界，保温管内的保温流体升温，保温流体能够实现保温作用；当电芯停止运行之后，保温流体能够将热量通过保温管传递至相变流体和液冷箱体，通过液冷箱体将热量传递给电芯，使得设置于液冷箱体上的电芯能够保证温度一致性，能够在低温环境中同步启动。
附图说明
25.下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明；
26.图1为实施例所述的电池包的结构示意图；
27.图2为实施例所述的电池包的结构爆炸图；
28.图3为实施例所述的电池包的结构剖视图；
29.图4为实施例所述的电池包的设计方法的流程图。
30.图中：
31.1、电池热管理系统；2、电芯；
32.11、液冷箱体；12、相变流体；13、导热管；131、第一折弯段；14、导热流体；15、保温管；151、第二折弯段；16、保温流体。
具体实施方式
33.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
38.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
39.实施例一：
40.如图1至图3所示，本实施例提供一种电池热管理系统1，用于支撑电芯2，电池热管理系统1包括液冷箱体11、导热管13以及保温管15，液冷箱体11内储存有相变流体12；导热管13穿设于液冷箱体11，导热管13内流通有导热流体14；保温管15穿设于液冷箱体11且与导热管13间隔设置，保温管15内储存有保温流体16。
41.具体的，本实施例在液冷箱体11内储存相变流体12，当某个电芯2高负荷运行或者异常运行导致产生过多热量时，即该电芯2产生的热量高压预期，过多的热量能够通过液冷箱体11转移到另外的低负荷运行或者异常运行的电芯2，即该电芯2产生的热量低于预期，通过对热量进行转移调节，能够提高电芯2与电芯2之间的温度一致性，而相变流体12能够提高热量的转移效率，提高均匀热传导的效果，且相变流体12能够将热量传递至导热管13和保温管15，使得导热管13内的导热流体14升温并通过导热流体14将热量转移到外界，保温管15内的保温流体16升温，保温流体16能够实现保温作用；当电芯2停止运行之后，保温流体16能够将热量通过保温管15传递至相变流体12和液冷箱体11，通过液冷箱体11将热量传递给电芯2，使得设置于液冷箱体11上的电芯2能够保证温度一致性，能够在低温环境中同步启动，例如在冬天时，由于保温流体16能够保存热量，使得设置于液冷箱体11上的电芯
2能够保证温度一致性。
42.可选的，导热管13设置于保温管15的下方，即保温管15设置在导热管13的上方，保温管15靠近于电芯2，在低温环境中，更有利于将热量传递至电芯2，使得设置于液冷箱体11上的电芯2能够保证温度一致性。
43.可选的，液冷箱体11的内部开设有储存腔，相变流体12储存于储存腔中，导热管13穿过储存腔的一段以及保温管15穿过储存腔的一段均浸泡于相变流体12中。相变流体12与导热管13和保温管15直接接触，能够提高热量的转移效率。
44.可选的，导热管13包括延伸至液冷箱体11外部的第一折弯段131，保温管15包括延伸至液冷箱体11外部的第二折弯段151，便于在第一折弯段131和第二折弯段151设置温度检测元件，例如温度传感器，以检测导热管13和保温管15的温度。
45.可选的，导热管13和保温管15均设置为蛇形阵列式结构，能够增加导热管13和保温管15与相变流体12的接触面积，且能够提高热量传递的均匀性。
46.可选的，导热管13和保温管15均采用导热金属材料制成，例如铝合金，或者铁合金，或者钛合金。本实施例的导热管13和保温管15采用铝合金制成。
47.实施例二：
48.如图1至图3所示，本实施例提供一种电池包，该电池包包括电芯2以及如实施例一的电池热管理系统1，电芯2粘结固定于液冷箱体11的顶部。
49.具体的，本实施例采用胶水将电芯2粘结于液冷箱体11的顶部，减少电偶腐蚀带来的影响，实现集成化设计；且电芯2间隔设置有多个，对电芯2进行热量调节，例如将电芯2产生的热量转移或者将热量传递到电芯2，能够提高电芯2与电芯2之间的温度一致性。
50.实施例三：
51.如图1至图3所示，本实施例提供一种车辆，该车辆包括冷却循环系统以及如实施例二的电池包，冷却循环系统与电池包中的导热管13接通，冷却循环系统用于向导热管13通入导热流体14。冷却循环系统能够向导热管13提供新的低温的导热流体14，使得导热管13保持低温，且导热管13内经过升温后的导热流体14能够循环回流至冷却循环系统内，进行循环使用。本实施例的冷却循环系统可参考现有的冷却设备，例如空调，具体冷却原理不再一一赘述。本实施例的冷却循环系统未在附图中展示。
52.可选的，保温管15的端口设置有密封结构，密封结构用于将保温流体16密封于保温管15内。
53.实施例四：
54.如图4所示，本实施例提供一种电池包的设计方法，用于设计如实施例二的电池包，设计方法包括以下步骤：
55.s100、电芯2膨胀到最大状态时，获取电芯2的底部尺寸cmr以及电芯2的安装极限尺寸gcr，并根据底部尺寸cmr和安装极限尺寸gcr确定电池热管理系统1的极限尺寸s1，电池热管理系统1的极限尺寸s1＝cmr*cc*gcr*cosa*cosa*cosa，其中，cc为电芯2体系相关结构系数，cc的取值范围为0.45至0.82，a为尺寸公差补充参数，12
°
＞a＞0
°
。
56.在步骤s100中，电芯2进行充电放电循环，若电芯2为ev电芯，则充电放电循环次数为2000次，以使得电芯2膨胀到最大状态，若电芯2为hev电芯或者phev电芯，则充电放电循环次数为3000次，以使得电芯2膨胀到最大状态；cosa是指a的余弦值。cc可选为0.45,0.46，
0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.80,0.82，a可选为1
°
，1.5
°
，2
°
,2.5
°
，3
°
，4
°
,5
°
,6
°
,7
°
,8
°
,9
°
,10
°
,11
°
。
57.s200、根据极限尺寸s1确定电池热管理系统1的相变尺寸，电池热管理系统1的相变尺寸包括材料相变厚度d和整体相变厚度h，材料相变厚度d＝s1÷
(gb*gb*e*e*0.85)，gb为设计高度极限尺寸，e为安全尺寸系数，e的取值范围为1.53至1.93，整体相变厚度h＝s1÷
0.55
÷
tanb，b为重量补充，45
°
＞b＞42
°
。
58.在步骤s200中，e可选为1.53,1.55,1.60,1.65,1.70，1.75，1.80,1.93；b可选为42.1
°
,42.3
°
,42.5
°
,43
°
，43.5
°
,44
°
,44.5
°
,44.9
°
。
59.s300、通过整体相变厚度h确定保温管15的尺寸以及导热管13的尺寸。
60.在步骤s300中，整体相变厚度h大于保温管15的直径与导热管13的直径之和的三倍。
61.s400、底部尺寸cmr、安装极限尺寸gcr、极限尺寸s1、材料相变厚度d以及整体相变厚度h根据仿真结果校正反馈。
62.在步骤s400中，底部尺寸cmr、安装极限尺寸gcr、极限尺寸s1、材料相变厚度d以及整体相变厚度h根据cae软件或者cfd软件的仿真结果校正反馈。
63.通过本实施例的设计方法制得的电池包的集成化程度更高。
64.此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。