一种具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统及其制备方法

1.本发明涉及液冷电池热管理系统技术领域，尤其涉及一种具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，由于传统化石能源不断消耗引起的能源短缺危机、大气污染以及温室效应等环境问题，发展可持续绿色能源成为可持续发展的重点。而通过推广电动汽车，能够有效减少化石能源的消耗及温室气体的排放。其中，动力电池作为电动汽车的核心部件及动力来源，其工作及安全性能直接影响着电动汽车的工作及安全性。在电动汽车的实际驾驶中，动力电池系统往往需要在不同的工况下运行，例如较高的气温、高倍率放电使用等极端条件，这些工况使得电池系统积累大量热量。而当电池产生的热量不能及时被散出，过高的温度会造成电池性能衰退，工作寿命下架甚至引发电池热失控。因此，动力电池系统需要一个有效的电池热管理系统，其不仅能够保证电池模组的安全性能，还可以提高电池的运行效率。
3.目前，主流的电池热管理方式有空气冷却、液体冷却及相变材料冷却，但是均存在工作温度高和温度分布不均匀的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统及其制备方法。本发明的微通道冷板电池热管理系统工作温度低，温度分布均匀。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统，包括：
7.电池模组4，所述电池模组4包括电池1、装载模具2和微通道冷板3，所述装载模具2设有电池1的装载孔、用于装载所述微通道冷板3的第一层贯穿孔和第二层贯穿孔，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔在所述装载模具2的横截面上交叉，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔的开口分别位于所述装载模具2的两个相邻侧面，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔的垂直高度不同；所述装载模具2的制备原料包括膨胀石墨、铝粉和硅胶；所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔分别由若干条管穿孔组成；
8.流量控制阀9，所述微通道冷板3通过所述流量控制阀9与水泵8连通；
9.与所述电池1通过热电偶5连接的温度采集系统6；
10.与所述温度采集系统6电连接的控制器7。
11.优选地，每两排所述装载孔之间具有一条管穿孔。
12.优选地，所述装载孔的间距为4～6mm，所述装载孔呈阵列排布，所述阵列排布的每排的数量为4～6个。
13.优选地，所述交叉形状的交叉角度为90
°
。
14.优选地，所述微通道冷板3的厚度独立地为2～3mm，高度独立地为20～25mm，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中相邻两条贯穿孔的间隔独立地为22～24mm。
15.优选地，所述微通道冷板3的数量为8～10个。
16.优选地，所述电池1与装载模具2的高度相同。
17.优选地，所述电池1的形状为圆柱形。
18.优选地，所述硅胶、膨胀石墨和铝粉的质量比为(96～97.5)：(1.5～2)：(1～2)。
19.本发明还提供了上述技术方案所述的微通道冷板电池热管理系统的制备方法，包括以下步骤：
20.将膨胀石墨、铝粉和硅胶混合后成型，得到预装载模具；
21.在所述预装载模具的表面打孔，形成电池装载孔、第一层贯穿孔和第二层贯穿孔，形成装载模具2，在所述电池装载孔中装载电池1，在所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中装载微通道冷板3，得到电池模组4；
22.将所述电池模组4、热电偶5、温度采集系统6、水泵8和流量控制阀9进行连接，得到所述具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统。
23.本发明提供了一种具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统，包括：电池模组4，所述电池模组4包括电池1、装载模具2和微通道冷板3，所述装载模具2设有电池1的装载孔、用于装载所述微通道冷板3的第一层贯穿孔和第二层贯穿孔，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔在所述装载模具2的横截面上交叉，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔的开口分别位于所述装载模具2的两个相邻侧面，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔的垂直高度不同；所述装载模具2的制备原料包括膨胀石墨、铝粉和硅胶；所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔分别由若干条管穿孔组成；流量控制阀9，所述微通道冷板3通过所述流量控制阀9与水泵8连通；与所述电池1通过热电偶5连接的温度采集系统6；与所述温度采集系统6电连接的控制器7。
24.本发明中，装载模具2中硅胶通过与膨胀石墨和铝粉混合，增强导热，通过添加导热介质膨胀石墨和铝粉可以在保障硅胶的导热系数的同时降低其粘度，降低后期成型灌封难度，且所述装载模具2填充在电池1与微通道冷板3之间以降低传热热阻，冷却介质由水泵8驱动，并通过流量控制阀9调节流量后流入微通道冷板3，微通道冷板3穿过电池模组4各个电池1之间的间隙，上下两层交叉排布，换热效率高，快速吸收电池产生的热量，提高了电池模组4的温度一致性。
25.同时，装载模具2能够提高电池模组4的抗冲击能力。
26.本发明还提供了上述技术方案所述的微通道冷板电池热管理系统的制备方法，本发明的制备方法操作简单，成本低，简便快捷。
附图说明
27.图1为本发明实施例1以及对比例1～4制得装载模具的导热系数结果图；
28.图2为本发明不同膨胀石墨添加比例下装载模具的制备原料的示意图，其中(a)～(f)分别为无任何添加的纯硅胶、膨胀石墨添加质量分数为1、2、2.5、3wt％和膨胀石墨与金属铝粉添加质量分数为1.5和1wt％在凝固前的实物图；
29.图3为本发明的微通道冷板电池热管理系统的结构示意图，其中1为圆柱形电池，2
为装载模具，3为微通道冷板，4为电池模组，5为热电偶，6为温度采集系统，7为控制器，8为水泵，9为流量控制阀；
30.图4为本发明中电池模组的结构示意图；
31.图5为本发明进行制冷控制逻辑图；
32.图6为实施例1电池模组在6次3c放电循环时，最高温度、最低温度以及最大温差随时间变化的曲线图。
具体实施方式
33.本发明提供了一种具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统，包括：
34.电池模组4，所述电池模组4包括电池1、装载模具2和微通道冷板3，所述装载模具2设有电池1的装载孔、用于装载所述微通道冷板3的第一层贯穿孔和第二层贯穿孔，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔在所述装载模具2的横截面上交叉，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔的开口分别位于所述装载模具2的两个相邻侧面，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔的垂直高度不同；所述装载模具2的制备原料包括膨胀石墨、铝粉和硅胶；所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔分别由若干条管穿孔组成；
35.流量控制阀9，所述微通道冷板3通过所述流量控制阀9与水泵8连通；
36.与所述电池1通过热电偶5连接的温度采集系统6；
37.与所述温度采集系统6电连接的控制器7。
38.图4为本发明中电池模组的结构示意图，图3为本发明的微通道冷板电池热管理系统的结构示意图，其中1为圆柱形电池，2为装载模具，3为微通道冷板，4为电池模组，5为热电偶，6为温度采集系统，7为控制器，8为水泵，9为流量控制阀，结合图3～4对本发明的微通道冷板电池热管理系统进行说明。
39.在本发明中，所述装载孔之间具有一条管穿孔。
40.在本发明中，所述装载孔的间距为优选4～6mm，所述装载孔优选呈阵列排布，所述阵列排布的每排的数量优选为4～6个。
41.在本发明中，所述电池1的形状优选为圆柱形，本发明对所述圆柱形的具体尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的圆柱形电池即可。
42.在本发明中，所述交叉形状的交叉角度优选为90
°
，即所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中的微通道冷板3相互交叉呈现十字状。在本发明中，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔在垂直方向上的高度不同。
43.在本发明中，所述微通道冷板3的厚度独立地优选为2～3mm，高度独立地优选为20～25mm，所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中相邻两条贯穿孔的间隔独立地优选为22～24mm。。
44.在本发明中，所述微通道冷板3的数量优选为8～10个。
45.在本发明中，所述微通道冷板3的材质优选为铝。
46.在本发明中，所述微通道冷板3均优选与所述流量控制阀9连接，冷却介质通过所述水泵，流经所述流量控制阀9调节流量后流入所述微通道冷板3。
47.本发明对所述冷却介质的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的种类即可。在本发明中的具体实施例中，所述冷却介质优选为水，所述水位于水箱中，所述水箱
优选与所述水泵8连通。
48.在本发明中，所述水泵8的扬程优选为8～10m。
49.在本发明中，所述水箱的出水口优选设置有网状滤芯，本发明对所述网状滤芯的孔径、材质没有特殊的限定。
50.在本发明中，所述硅胶、膨胀石墨和铝粉的质量比优选为(96～97.5)：(1.5～2)：(1～2)。
51.在本发明中，所述膨胀石墨的膨胀率优选为300。
52.在本发明中，所述铝粉的粒径优选为10μm。
53.在本发明中，所述硅胶优选包括a胶和固化剂b胶，本发明对所述a胶和固化剂b胶的用量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可。
54.在本发明中，所述装载模具2的制备原料优选还包括导热添加剂，所述导热添加剂优选包括氮化铝和/或碳化硅，当所述导热添加剂优选为氮化铝和碳化硅的混合物时，所述混合物中氮化铝和/碳化硅的质量比优选为(1.5～2.5)：(1～2.5)。
55.在本发明中，所述硅胶与导热添加剂的质量比优选为(96～97.5)：(2.5～4)。
56.本发明还提供了上述技术方案所述的微通道冷板电池热管理系统的制备方法，包括以下步骤：
57.将膨胀石墨、铝粉和硅胶混合后成型，得到预装载模具；
58.在所述预装载模具的表面打孔，形成电池装载孔、第一层贯穿孔和第二层贯穿孔，形成装载模具2，在所述电池装载孔中装载电池1，在所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中装载微通道冷板3，得到电池模组4；
59.将所述电池模组4、热电偶5、温度采集系统6、水泵8和流量控制阀9进行连接，得到所述具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统。
60.本发明将膨胀石墨、铝粉和硅胶混合后成型，得到预装载模具。
61.在本发明的具体实施例中，优选将所述膨胀石墨和铝粉的混合物等质量分为两份，一份与硅胶中的a胶进行第一混合，得到第一混合物，另一方与硅胶中的固化剂b胶进行第二混合，得到第二混合物，再将所述第一混合物和第二混合物进行第三混合，得到所述待成型物料。
62.在本发明中，所述第一混合、第一混合和第三混合的优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的速度独立地优选为300～500rad/min。
63.在本发明中，所述成型优选在模具中进行，本发明对所述模具的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的材质即可。
64.在本发明中，所述成型的温度优选为20～40℃，时间优选为16h。
65.所述成型后，本发明进行脱模，得到所述预装载模具。
66.得到预装载模具后，本发明在所述预装载模具的表面打孔，形成电池装载孔、第一层微通道冷板贯穿孔和第二层微通道冷板贯穿孔，形成装载模具2，在所述电池装载孔中装载电池1，在所述第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中装载微通道冷板3，形成电池模组4。
67.本发明对所述打孔、装载的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
68.得到电池模组4后，本发明将所述电池模组4、热电偶5、温度采集系统6、水泵8和流
量控制阀9进行连接，得到所述具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统。
69.本发明对所述连接的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
70.本发明还提供了上述技术方案所述具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统的具体应用。
71.在本发明中，所述温度采集系统6接收所述电池模组4的温度，判断电池制冷需求，控制水泵8、流量控制阀9工作，将电池温度控制在20～50℃，优选通过控制所述流量控制阀9的开度，调节不同电池冷却支路的冷却液流量，将电池温差控制在5℃以内，确保电池模组4的温度一致性。
72.图5为本发明的具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统进行制冷控制逻辑图，包括以下步骤：
73.所述温度采集系统6实时接收所述电池模组4中电池1的温度信息，最高温度计为t
max
，当tmax≥30℃时，所述微通道冷板电池热管理系统开始运行，通过控制器7控制流量控制阀9全部打开，且流量控制阀9的开度优选设置为60％，当tmax＜30℃时，所述微通道冷板电池热管理系统关闭，所述水泵8关闭。
74.在本发明中，若所述tmax≥40℃时，所述控制器7调节流量控制阀9开度优选为100％，将电池1的最高温度控制在50℃以内。
75.为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
76.实施例1
77.具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统的结构图如图3所示，电池模组的示意图如图4。
78.(1)将膨胀石墨(膨胀率为300)与金属铝粉(粒径为10μm)等质量分为两份，分别加入硅胶a胶与固化剂b胶，膨胀石墨与金属铝粉添加量分别为硅胶a胶与固化剂b胶总质量的1.5％和1％；
79.(2)将两份混合物分别以300rad/min的速度进行搅拌；
80.(3)将两份混合物混合并以500rad/min的速度进行搅拌；
81.(4)将最后得到的混合物于20℃的空气中，等待16h后凝固成型，得到预装载模具。
82.得到预装载模具后，在预装载模具2的表面打孔，形成电池装载孔、第一层贯穿孔和第二层贯穿孔，在电池装载孔中装载圆柱形电池1，在第一层贯穿孔和第二层贯穿孔中装载微通道冷板，形成电池模组4，每两排电池之间具有一个微通道冷板，电池的间距为4mm，串联数量为4个，第一层微通道冷板贯穿孔和第二层微通道冷板贯穿孔中的微通道冷板3相互交叉呈现十字状，交叉角度为90
°
，微通道冷板3的厚度为2mm，高度为20mm，每两个微通道冷板3的间隔为22mm，微通道冷板3的数量为8个，微通道冷板3的材质为铝，微通道冷板3均与流量控制阀9连接，冷却介质通过水泵8，流经流量控制阀9调节流量后流入微通道冷板3，水箱与水泵8连通，水泵8的扬程为8m，水箱的出水口有网状滤芯，将电池模组4、热电偶5、温度采集系统6、水泵8和流量控制阀9进行连接，得到具有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统。
83.将得到的有交叉结构的微通道冷板电池热管理系统进行制冷控制，逻辑图如图5，包括以下步骤：
84.温度采集系统6实时接收电池模组4中电池1的温度信息，最高温度为t
max
，当tmax≥30℃时，微通道冷板电池热管理系统开始运行，通过控制器7控制流量控制阀9全部打开，且流量控制阀9的开度设置为60％，当tmax＜30℃时，微通道冷板电池热管理系统关闭，水泵关闭；
85.电池模组4温度的tmax≥40℃时，控制器7调节流量控制阀9开度为100％，将电池1的最高温度控制在50℃以内。
86.图6显示的是实施例1电池模组在6次3c放电循环时，最高温度、最低温度以及最大温差随时间变化的曲线图。图中显示，在6次3c放电循环后，电池模组的最高温度低于45℃，最大温差低于2.5℃。这说明在实施例1电池模组中，不仅能实现电池在安全工作温度区间内运行，也能实现电池模组内的均温性，保证电池模组的高工作性能。
87.对比例1
88.(1)将膨胀石墨(膨胀率为300)等质量分为两份，分别加入a胶与固化剂b胶，膨胀石墨添加量为a胶与固化剂b胶总质量的1％；
89.(2)将两份混合物分别以300rad/min的速度进行搅拌；
90.(3)将两份混合物混合并以500rad/min的速度进行搅拌；
91.(4)将最后得到的混合物于20℃的空气中，等待16h后凝固。
92.对比例2
93.与对比例1相同，区别仅在于膨胀石墨添加量为a胶与固化剂b胶总质量的2％。
94.对比例3
95.与对比例1相同，区别仅在于膨胀石墨添加量为a胶与固化剂b胶总质量的2.5％。
96.对比例4
97.与对比例1相同，区别仅在于膨胀石墨添加量为a胶与固化剂b胶总质量的3％。
98.图1为本发明实施例1以及对比例1～4制得装载模具的导热系数结果图，由图1可知，导热增强硅胶的导热系数与添加膨胀石墨的质量百分比呈正相关；
99.图2为本发明不同膨胀石墨添加比例下装载模具的制备原料的示意图，其中(a)～(f)分别为无任何添加的纯硅胶、膨胀石墨添加质量分数为1、2、2.5、3wt％和膨胀石墨与金属铝粉添加质量分数为1.5和1wt％在凝固前的实物图，由图2可知，导热增强硅胶的粘度随着添加膨胀石墨的质量百分比上升而上升。
100.以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。