多元复合相变材料和水冷协同作用的动力电池散热系统

1.本发明涉及动力电池散热系统,尤其涉及多元复合相变材料和水冷协同作用的动力电池散热系统。


背景技术：

2.目前，电动汽车的锂电池存在一些制约其发展的问题，如热失控引起的自燃、爆炸等，而电池充放电过程中引发的热量累积和温度不均衡被认为是导致这些问题的主要原因。
3.为了能使电池更高效、更均匀的散热，许多学者提出了很多解决方案，目前现有动力电池的冷却技术有空气冷却、液体冷却和相变材料冷却等。由于空气对流换热系数较低，且单一使用风冷普遍存在进风口侧电池温度低，出风口侧的电池温度高的缺点，不能均匀为电池降温，所以采取液体代替空气成为强化传热的手段之一。单一液冷模式虽然降温效果相对风冷较好，但是若电池大功率放电时，电池瞬间产生的热量也难以保证快速散去。
4.相变材料凭借其相变过程中可以吸收电池组在充放电过程中产生的热量，并保持电池组之间的温度均匀性，是替代传统电池热管理技术的最有前途的方法之一，但现有单一相变材料的导热性能较差，且在高温环境中二次储热能力有限，对电池的散热效果并不理想。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多元复合相变材料和水冷协同作用的动力电池散热系统，通过多元复合相变材料和水冷协同对动力电池进行散热降温，提高电池热管理效果，有效提高安全性。
6.本发明通过以下技术方案来实现发明目的：一种多元复合相变材料和水冷协同作用的动力电池散热系统,包括外壳和散热装置，外壳设有至少两个电池组槽，散热装置包括液冷单元和至少两个三元复合相变材料单元，各个三元复合相变材料单元分别置于外壳的电池组槽内，且外壁与电池组槽的槽壁之间具有间距；每个三元复合相变材料单元包括金属筒以及金属筒内的三元复合相变材料结构构成，三元复合相变材料结构内设有数个电池槽，用于放置电池从而构成电池组；液冷单元包括至少两个螺旋管、水泵以及至少一块液冷板，各螺旋管分别套设在各个三元复合相变材料单元的外壁且位于三元复合相变材料单元外壁与电池组槽的槽壁之间的间距内，液冷板设置在外壳顶部用于与三元复合相变材料单元接触，各螺旋管与水泵和液冷板连接并构成冷却液的循环回路。
7.由于动力电池在工作当中，电池发热部分不是均匀分布的，因此，本发明做以下改进：即液冷单元分设为上下液冷单元，其中，上液冷单元包括上液冷板、水泵和至少两个上螺旋管，所述至少的两个上螺旋管分别套设在至少两个三元复合相变材料单元的中上部，其中至少一个上螺旋管的进液端伸至外壳外与水泵连接，出液端则与外壳顶部与上液冷板连接，其余的上螺旋管的进液端与上液冷板出液口连接，出液端则伸至外壳外与水泵连接，
各上螺旋管与上液冷板和水泵之间形成冷却液的循环回路。
8.下液冷单元与上液冷单元结构相同：下液冷单元包括下液冷板、水泵和至少两个下螺旋管，所述至少的两个下螺旋管分别套设在至少两个三元复合相变材料单元的中下部，其中至少一个下螺旋管的进液端伸至外壳外与水泵连接，出液端则与外壳底部与下液冷板连接，其余的下螺旋管的进液端与下液冷板出液口连接，出液端则伸至外壳外与水泵连接，各下螺旋管与下液冷板和水泵之间形成冷却液的循环回路。
9.在本发明的一个实施例中，上液冷单元与下液冷单元共用一个水泵，减少系统的体积，降低其占用空间。
10.上液冷板和下液冷板与三元复合相变材料单元端部之间分别设置导热垫片，导热垫片大小至少可以覆盖两个三元复合相变材料单元的端面，用于导热的同时密封三元复合相变材料单元的端面，避免液冷板爆裂，冷却液泄漏进入电池组中。
11.液冷板包括一平板，朝向三元复合相变材料单元的一侧设置三个管道，中间管道为直管，另两个管道为异型管，以直管为中轴线对称分布，三个管道的进口汇聚成液冷板的进液口，出口汇聚成液冷板的出液口。进一步地，所述异型管具有数个膨大部，增加接触面积，提高散热效果。本发明的液冷板管道分布构成葫芦形结构，与直线形结构相比，采用葫芦形结构不仅契合电池组中锂电池的布局，还可以让冷却液不停改变方向，使冷却液充分扰动，强化了传热效果。两个异型管具有微结构,即膨大部位，使冷却液由层流状态转变为紊流状态,进一步强化传热效果。
12.进一步地,本发明的上液冷单元和下液冷单元的螺旋管与液冷板均为一体化结构,有效避免冷却液漏液。
13.外壳包括金属壳，为中空结构，内部填充二元复合相变材料。二元复合相变材料为石蜡和泡沫铝复合体。
14.本发明中，三元复合相变材料为由膨胀石墨、石蜡和低密度聚乙烯构成的复合体。石蜡为相变体，膨胀石墨为导热增强材料，低密度聚乙烯为定形材料，掺入低密度聚乙烯框架不仅可以提高机械成型性能，增强装置的结构稳定性，而且在很大程度上防止了液体石蜡泄漏。
15.外壳外壁对应于电池组槽的位置设有散热翅片和u型热管，用于电池组槽壁的散热；u型热管两端穿过外壳与第二金属圆筒连接，散热翅片固定在壳体外壁及u型热管之间。
16.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
17.1.本发明提供的动力电池散热系统的散热装置包括液冷单元和至少两个三元复合相变材料单元，通过多元复合相变材料结合液冷，协同对电池进行散热，从而快速冷却动力电池，达到减少动力电池热失控现象的发生。
18.2.本发明设置分设上下液冷单元，热管理系统可以根据电池上下部分的温度差异，分别启动上下液冷单元对电池组进行散热，使得电池组上下部分的温度分布均匀。同时由于上下液冷单元都设置为冷却液的循环回路，当动力电池工作时，不同工况下的动力电池局部温度上升较快，导致温度分布不均，本发明可加快水泵工作，达到快速换热，大幅度优化了电池组局部温差。
19.3.本发明的外壳内填充二元复合相变材料，进一步增强散热效果。
20.4.本发明的外壳设置散热翅片和u型热管，用于电池组槽壁的散热，与外壳的二元
复合相变材料构成外层散热结构，配合散热装置，可以使动力电池在工作中产生的热量快速与复合相变材料、液冷单元中的冷却液、热管、翅片进行换热，从而更快速冷却动力电池，达到减少动力电池热失控现象的发生。
21.5.本发明液冷单元采用螺旋管道－液冷板一体化结构，有效避免漏液问题。
附图说明
22.图1为本发明动力电池散热系统的立体图；
23.图2为本发明动力电池散热系统的分解图；
24.图3为本发明动力电池散热系统的主箱体的立体图；
25.图4为本发明动力电池散热系统的盖板的立体图；
26.图5为本发明动力电池散热系统的液冷板的立体图；
27.图6为本发明动力电池散热系统的三元复合相变材料的立体图；
28.图7为本发明动力电池散热系统的液冷装置的结构图。
具体实施方式
29.下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应当说明的是，下文所描述的实施例仅为本发明实施例之一，而并非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下对本发明的技术方案所作出的任何变形和改进，均属于本发明保护的范围。
30.如图1-7所示的多元复合相变材料和水冷协同作用的动力电池散热系统,其呈现的是具有两个电池单元的散热系统，每个电池单元由两个电池组构成。
31.动力电池散热系统包括外壳和散热装置。外壳包括壳体1以及与壳体1上下两端密封连接的盖板11。盖板11上开设数个通孔，在本实施例中为四个通孔。外壳内填充常温下呈固态的二元复合相变材料2，作为第一散热单元。对应于盖板11通孔的位置，二元复合相变材料2设有四个电池组槽3，用于放置电池组。电池组槽3的中轴线与外壳的中轴线平行。电池组槽3内壁设置第二金属圆柱筒10，其两端与盖板11的通孔边缘密封连接。
32.散热装置的数量根据电池单元的数量进行配置，即每一个电池单元配一套散热装置。散热装置包括液冷单元和两个三元复合相变材料单元。两个三元复合相变材料单元分别位于两个电池组槽3内，且外径分别小于第二金属圆柱10内径，使得两者之间具有间距。
33.三元复合相变材料单元包括直径小于第二金属圆筒10的第一金属圆筒9，其内部填充常温下呈固态的三元复合相变材料8。三元复合相变材料8设有数个用于放置电池的圆柱槽7，本实施例中为七个圆柱槽7，放置七个圆柱电池，即7个圆柱电池构成一个电池组。液冷单元包括两套液冷装置和一个水泵17，两套液冷装置分别为上液冷装置和下液冷装置，分别对电池组的上部和下部进行冷却。由于在使用过程中，电池的发热部位不是均匀分布的，设置上液冷装置和下液冷装置，根据具体情况启动上液冷装置或下液冷装置，也可同时启动加强对电池组的冷却。如电池组的上部温度高于下部温度时，先启动上液冷装置加强对电池组上部的冷却，在电池组下部温度升高时，再启动下液冷装置对电池组下部进行冷却。上部温度和下部温度均升高时，启动上液冷装置和下液冷装置同时对电池组进行冷却。
34.上液冷装置包括两个上螺旋管23、一块上液冷板18、一块导热垫片6和设置在外壳
外壁上的水泵17。两个上螺旋管23分别套设在两个三元复合相变材料单元的第一金属圆筒9的中上部外，并位于第一金属圆筒9和第二金属圆筒10之间间距内，管壁与第一、二金属圆筒外壁相接触，利于热量传导。其中一个上螺旋管23的进液端13穿过第二金属圆柱10、二元复合相变材料2以及外壳于壳体1中部伸出与进液管和水泵17出液端连接，其出液端14则位于上方，与上液冷板18进液口20连接；另一个上螺旋管23的进液端15位于上方，与上液冷板18出液口21连接，其出液端穿过第二金属圆柱10、二元复合相变材料2以及外壳于壳体1中部伸出经管道与水泵17进液端连接。导热垫片6覆盖在三元复合相变材料单元的端面，上液冷板18覆盖在导热垫片6上。导热垫片6的设置，一方面可以加强热传导，另一方面密封三元复合相变材料单元的端面，保护电池组，避免上液冷板18爆裂冷却液流入电池组中，造成安全隐患。
35.下液冷装置包括两个下螺旋管12、一块下液冷板18＇、一块导热垫片6＇和设置在外壳外壁上的水泵17。两个下螺旋管12分别套设在两个三元复合相变材料单元的第一金属圆筒9中下部外，即位于第一金属圆筒9和第二金属圆筒10之间间距内，管壁与第一、二金属圆筒外壁相接触，利于热量传导。其中一个下螺旋管12的进液端穿过第二金属圆柱10、二元复合相变材料2以及外壳于壳体1中部伸出经管道与水泵17出液端连接，其出液端则位于上方，与下液冷板18＇进液口连接；另一个下螺旋管12的进液端位于上方，与下液冷板18＇出液口连接，其出液端穿过第二金属圆柱10、二元复合相变材料2以及外壳于壳体1中部伸出经管道与水泵17进液端连接。导热垫片6＇覆盖在三元复合相变材料单元的端面，下液冷板18＇覆盖在导热垫片6＇上。在本实施例中，上下液冷装置共用一个水泵17。上液冷装置闭环介绍：冷却液水乙二醇溶液从冷却液进口22进入，水泵工作时，水乙二醇溶液从水泵17流到上螺旋管23的进液口13，并从上螺旋管23的出液口14流到上液冷板18管道进液口20，之后从上液冷板18管道出液口21流到另一上螺旋管23的进液口15，最终冷却液从另一上螺旋管23的出液口16回到水泵17，形成闭环的循环回路。下液冷装置闭环与上液冷装置闭环相同。
36.导热垫片6、6＇主要为片材结构，可使用的温度范围为－54℃～250℃，具有比较高的节点强度，能够保证电池组内电气绝缘性能，同时，具有弹性粘结、防震、吸能特性。在本实施例中，导热垫片6、6＇大小可以覆盖四个三元复合相变材料单元的端面，用于导热的同时密封三元复合相变材料单元的端面，避免液冷板爆裂，冷却液泄漏进入电池组中。
37.上液冷板18和下液冷板18＇均为一平板，朝向三元复合相变材料单元的一侧设置三个道管，分别为位于中部的直管24，以及位于直管两侧的异型管19，以直管为中轴线对称排布呈葫芦状。与直线形结构相比，采用葫芦形结构不仅契合电池组中锂电池的布局，还可以让冷却液不停改变方向，使冷却液充分扰动，强化了传热效果。三个管道的进口汇聚成液冷板的进液口20，出口汇聚成液冷板的出液口21。异型管19表面具有微结构，即具有数个膨大部位，以增大冷却面积，使冷却液由层流状态转变为紊流状态,进一步强化传热效果。
38.上液冷单元和下液冷单元的螺旋管与液冷板均为一体化结构,有效避免冷却液漏液。
39.三元复合相变材料8为由膨胀石墨、石蜡和低密度聚乙烯构成的复合体。石蜡为相变体，负责热量的吸收和储存，实现温控功能。膨胀石墨为导热增强材料，且具备微观多孔结构。当石蜡相转变成液态，石墨起到完美的吸附作用，避免材料出现液体状态。低密度聚乙烯为定形材料，掺入低密度聚乙烯框架不仅可以提高机械成型性能，增强装置的结构稳
定性，而且在很大程度上防止了液体石蜡泄漏。在本实施例中，膨胀石墨、石蜡和低密度聚乙烯的质量比为2﹕5﹕3，三者相容性能好，膨胀石墨和低密度聚乙烯对石蜡有良好的包覆，保证了足够的相变潜能，以及导热率，能够对电池进行快速降温。二元复合相变材料为石蜡和泡沫铝的复合体。冷却液的冷却液选用体积浓度50％的水乙二醇溶液。
40.壳体1的外壁对应于电池组槽的位置设有散热翅片4和u型热管5用于第二金属圆筒10的散热。u型热管5两端穿过外壳与第二金属圆筒9连接，散热翅片4固定在壳体1外壁及u型热管5之间。
41.电池散热过程：电池产生热量通过三元复合相变材料8散热，同时三元复合相变材料8将热量经第一金属圆筒9传给上液冷装置和下液冷装置散热，并且将上液冷装置和下液冷装置的冷却液热量传给第二金属圆筒10。第二金属圆筒10的热量一方面通过二元复合相变材料2散热，另一方面通过u型热管4与散热翅片5强化散热，散热过程结束。