一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置的制作方法

1.本发明涉及电池热管理技术领域，尤其涉及一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置。


背景技术：

2.锂离子电池具有能量密度高、放电倍率大循环寿命长等独特的性能优势，目前广泛应用于电动汽车领域。随着能量密度的不断高标准升级，电池热安全成为业内亟待解决的重大技术问题。动力电池组的温度一直制约着电动汽车的推广及使用，无论是传统的铅酸电池，还是目前主流的镍氢、锂离子电池，温度对电池性能都有非常显著且直接的影响，温度过高或过低均不利于电池性能的发挥。而电池热管理被用来解决电池在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题，用于降低汽车正常运行期间电池模块的最高温度并保持良好的温度均一性以避免热失控、抑制热扩散，提升电池的服役寿命。
3.近些年来，电动汽车主流的电池热管理系统主要包括风冷系统、液冷系统、pcm冷却系统、热管冷却系统、以及混合冷却系统。目前中日韩系新能源汽车实际采用较多的电池热管理方式主要是空气冷却，典型代表如日产leaf(nissan leaf)、起亚soul ev等；但是，对于大规模的锂离子电池模组而言，模组内部排列紧密，空间有限，散热效果差，导致了空气冷却较低的冷却效率无法与日益增长的高功率大规模动力电池系统相匹配，同时其温度一致性较差。因此，现有技术需要进一步改进和完善。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置。
5.本发明的目的通过下述技术方案实现：
6.一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置，主要包括上液冷板和下液冷板。所述上液冷板安装在电池模组顶部，与电池模组固定连接。所述下液冷板安装在电池模组底部，与电池模组固定连接。所述上液冷板与下液冷板采用相同散热结构。
7.具体的，所述散热结构主要包括外壳、挡板、以及设置在外壳内的相变材料、热柱和液冷管。所述外壳内部为中空结构。所述挡板设置在外壳两端部，将外壳密封。所述热柱竖直设置，其顶部与外壳顶壁固定连接，底部与外壳底壁固定连接。所述液冷管横向设置，其一端与一侧的挡板固定连接，另一端与另一侧的挡板固定连接。所述液冷管采用蛇形结构设计，在热柱之间回旋环绕。所述液冷管通过挡板与外部液冷循环装置连通。所述相变材料填满外壳内部空间，分别与热柱、液冷管、外壳内壁紧密接触。
8.作为本发明的优选方案，所述散热结构还包括鳍片。所述鳍片缠绕在热柱上，其内侧与热柱固定，外侧向外延伸与相变材料紧密接触。
9.作为本发明的优选方案，所述鳍片采用螺旋状结构设计，从热柱底部自下而上螺旋上升。
10.作为本发明的优选方案，本发明所述液冷管设为两层，两层液冷管采用同向流动散热或反向流动散热。
11.进一步的，所述散热结构还包括翅片。所述翅片沿液冷管从管道的一端缠绕至另一端。所述翅片的内侧与液冷管外壁固定，外侧向外延伸与相变材料紧密接触。
12.作为本发明的优选方案，所述翅片采用螺旋状结构设计，从液冷管管道的一端螺旋缠绕至另一端。
13.作为本发明的优选方案，所述外壳、挡板热柱、液冷管采用金属铝或铜材料制成。
14.作为本发明的优选方案，所述相变材料采用有机相变材料、无机相变材料、复合相变材料或者微胶囊类相变材料中的一种或多种组合。
15.进一步的，所述液冷管内填充静止或流动的冷却液。所述冷却液包括水、乙二醇、纳米流体中的一种或多种组合。
16.作为本发明的优选方案，所述外壳内壁设有槽道。
17.本发明的工作过程和原理是：工作时，电芯通过金属外壳以及鳍片、热柱向内部相变材料传递热量，相变材料吸收热量，再将热量传递给液冷管，小部分热量通过金属外壳向外部环境散出，大部分热量由相变材料吸收后再通过液冷管内部的液体流动带出液冷板。当相变材料吸热后升温，到达熔点后，相变材料融化且温度在一段时间内基本保持不变。当电池的散热需求不高时，相变材料可充分吸收多余热量，另外可使液冷管内注满例如水、乙二醇和水、纳米流体等冷却液但不流动，利用冷却液具有较高的比热容的优点，同时吸收热量；当散热需求变高，相变材料所能吸收的热量有限时，可接通外部循环泵使液冷管内液体缓慢流通以带出多余热量。液冷管内液体的流通可根据需求为逆流或顺流。双层蛇形鳍片液冷管以及鳍片热柱增大与相变材料的接触面积以增强散热以及均温效果。高温环境下相变材料熔融状态时灌装能够减少内部接触热阻以增强散热能力。该液冷板也可多个连用以实现电池多个接触面同时冷却从而保证均温效果。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
18.与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
19.(1)本发明所提供的新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置具有良好的均温及控温能力，相变材料吸收产生的热量，液冷系统可用作辅助带出热量，散热效果更好。
20.(2)本发明所提供的新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置的结构简单，节能环保，运行稳定且可靠，电池模块大，可以满足小型电动汽车需要，具有广阔的市场前景。
21.(3)本发明所提供的新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置合理地将液体冷却和相变材料冷却耦合在一起，电池模块结构紧凑，安装方便，结构简单；本发明采用蛇形冷却管以及顺流或逆流的流通方式，增强液冷效果；冷却板内壁有浅槽道用于增加冷却板与相变材料的换热；冷却板内部装有热柱，加强了冷却板与对立面、相变材料内部之间的换热以及加强了整体的结构强度；蛇形冷却管以及热柱均焊接有鳍片，增大传热面积；冷却板内灌装有相变材料，充分利用相变潜热控制并吸收温度，液冷系统可及
时带出相变材料内多余热量，始终保持相变材料处于合理温度范围内；相变材料处于熔融状态时灌装能够降低装置内部的接触热阻，增强散热性能；装置内部密封，避免了相变材料泄漏的风险。
附图说明
22.图1是本发明所提供的新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置的立体图。
23.图2是本发明所提供的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置的主视图。
24.图3是本发明所提供的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置的纵向剖视图。
25.图4是本发明所提供的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置的横向剖视图。
26.图5是本发明所提供的相变材料在凝固状态时的结构示意图。
27.图6是本发明所提供的单个热柱及鳍片的结构示意图。
28.图7是本发明所提供的双层液冷管及翅片的结构示意图。
29.上述附图中的标号说明：
30.1-挡板，2-外壳，3-流体交换孔，4-相变材料，5-热柱，6-液冷管，7-槽道，8-鳍片，9-翅片，10-相变材料与鳍片热柱的接触面，11-相变材料中液冷管的端口，12-电池模组。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
32.实施例1：
33.如图1至图7所示，本实施例公开了一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置，主要包括上液冷板和下液冷板。所述上液冷板安装在电池模组12顶部，与电池模组12固定连接。所述下液冷板安装在电池模组12底部，与电池模组12固定连接。所述上液冷板与下液冷板采用相同散热结构。
34.具体的，所述散热结构主要包括外壳2、挡板1、以及设置在外壳2内的相变材料4、热柱5和液冷管6。所述外壳2内部为中空结构。所述挡板1设置在外壳2两端部，将外壳2密封。所述热柱5竖直设置，其顶部与外壳2顶壁固定连接，底部与外壳2底壁固定连接。所述液冷管6横向设置，其一端与一侧的挡板1固定连接，另一端与另一侧的挡板1固定连接。所述液冷管6采用蛇形结构设计，在热柱5之间回旋环绕。所述液冷管6通过挡板1与外部液冷循环装置连通。所述相变材料4填满外壳2内部空间，分别与热柱5、液冷管6、外壳2内壁紧密接触。
35.作为本发明的优选方案，所述散热结构还包括鳍片8。所述鳍片8缠绕在热柱5上，其内侧与热柱5固定，外侧向外延伸与相变材料4紧密接触(如图5所示，相变材料与鳍片热柱的接触面10，相变材料中液冷管的端口11)。
36.作为本发明的优选方案，所述鳍片8采用螺旋状结构设计，从热柱5底部自下而上
螺旋上升。
37.作为本发明的优选方案，本发明所述液冷管6设为两层，两层液冷管6采用同向流动散热或反向流动散热。
38.进一步的，所述散热结构还包括翅片9。所述翅片9沿液冷管6从管道的一端缠绕至另一端。所述翅片9的内侧与液冷管6外壁固定，外侧向外延伸与相变材料4紧密接触。
39.作为本发明的优选方案，所述翅片9采用螺旋状结构设计，从液冷管6管道的一端螺旋缠绕至另一端。
40.作为本发明的优选方案，所述外壳2、挡板1热柱5、液冷管6采用金属铝或铜材料制成。
41.作为本发明的优选方案，所述相变材料4采用有机相变材料、无机相变材料、复合相变材料或者微胶囊类相变材料中的一种或多种组合。
42.进一步的，所述液冷管6内填充静止或流动的冷却液。所述冷却液包括水、乙二醇、纳米流体中的一种或多种组合。
43.作为本发明的优选方案，所述外壳2内壁设有槽道7。
44.本发明的工作过程和原理是：工作时，电芯通过金属外壳2以及鳍片8、热柱5向内部相变材料4传递热量，相变材料4吸收热量，再将热量传递给液冷管6，小部分热量通过金属外壳2向外部环境散出，大部分热量由相变材料4吸收后再通过液冷管6内部的液体流动带出液冷板。当相变材料4吸热后升温，到达熔点后，相变材料4融化且温度在一段时间内基本保持不变。当电池的散热需求不高时，相变材料4可充分吸收多余热量，另外可使液冷管6内注满例如水、乙二醇和水、纳米流体等冷却液但不流动，利用冷却液具有较高的比热容的优点，同时吸收热量；当散热需求变高，相变材料4所能吸收的热量有限时，可接通外部循环泵使液冷管6内液体缓慢流通以带出多余热量。液冷管6内液体的流通可根据需求为逆流或顺流。双层蛇形鳍片8液冷管6以及鳍片8热柱5增大与相变材料4的接触面积以增强散热以及均温效果。高温环境下相变材料4熔融状态时灌装能够减少内部接触热阻以增强散热能力。该液冷板也可多个连用以实现电池多个接触面同时冷却从而保证均温效果。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
45.实施例2
46.本实施例公开了一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置，该液冷板由一个内部掏空且上下壁面具有浅槽道7的扁平长方体金属外壳2、两条交错排布的鳍片蛇形液冷管6、鳍片金属柱5、相变材料4以及外壳两侧的金属挡板1几大部分组成。金属外壳2以及金属挡板1由铝金属制成，内壁的浅槽道7以及挡板1上的流体交换孔3通过机械切割制作；鳍片液冷管6通过焊接的方法链接在两侧挡板1上；挡板1通过焊接连接到金属外壳2上，负责密封以及液冷管6的固定；鳍片热柱8通过焊接连接在金属外壳2内部上下端面上；冷却管6以及金属热柱5上的螺旋翅片可为铜或铝等高导热金属，通过焊接连接；液冷管6内部上下间隔一定空间布置，且弯折半径不宜过小以避免无法安装金属热柱5，同时避免液冷管6过长而导致过重；铝制外壳2内部液冷管6与金属热柱5焊接固定好位置后，将熔融状态的相变材料4填充内部空间；每侧金属挡板1有两个孔位3用于液冷管6内流体交换。
47.本发明使用的相变材料4可以为有机相变材料或者无机相变材料，可以为膨胀石
墨、碳纳米管、石墨烯等导热系数高的材料与普通有机相变材料(如石蜡，脂肪酸)复合的相变材料或者微胶囊类相变材料。
48.所述液冷管、金属热柱以及螺旋翅片由铝或其他导热金属制成，铝的导热系数较高且密度低，在散热效果与重量上的平衡更好。
49.本发明的工作过程：电池充放电电化学反应时，尤其是大倍率放电过程中产生大量热量，“高热-高温-高热”这一恶性循环将会使电池性能严重衰退。因此一个合适的热管理系统时非常必要的。本专利中，，电芯通过金属外壳2以及鳍片热柱8向内部相变材料4传递热量，相变材料4吸收热量，再将热量传递给液冷管6，小部分热量通过金属外壳2向外部环境散出，大部分热量由相变材料4吸收后再通过液冷管6内部的液体流动带出液冷板。当相变材料4吸热后升温，到达熔点后，相变材料4融化且温度在一段时间内基本保持不变。当电池的散热需求不高时，相变材料4可充分吸收多余热量，另外可使液冷管内注满例如水、乙二醇和水、纳米流体等冷却液但不流动，利用冷却液具有较高的比热容的优点，同时吸收热量；当散热需求变高，相变材料4所能吸收的热量有限时，可接通外部循环泵使液冷管6内液体缓慢流通以带出多余热量。液冷管6内液体的流通可根据需求为逆流或顺流。双层蛇形鳍片液冷管6以及鳍片热柱8增大与相变材料4的接触面积以增强散热以及均温效果。高温环境下相变材料4熔融状态时灌装能够减少内部接触热阻以增强散热能力。该液冷板也可多个连用以实现电池多个接触面同时冷却从而保证均温效果。
50.实施例3
51.本实施例公开了一种新型的间接接触式相变材料耦合鳍片管的电池液冷板散热装置，该液冷板由一个内部掏空且上下壁面具有浅槽道7的长方体金属外壳2、两条交错排布的翅片9的蛇形液冷管6、鳍片8金属柱、相变材料4以及外壳2两侧的金属挡板1几大部分组成。长方体金属外壳2内交错布置蛇形翅片9的液冷管6，增大管内流体与相变材料4的接触面积；在金属外壳2内交错布置的液冷管6间隙均匀对称排布带鳍片8的热柱5提供结构支撑并增大接触面积；同时，当内部翅片9的液冷管6与带鳍片8的热柱5安装完成后，在长方体金属外壳2内部填充灌装相变材料4；待相变材料4冷却成型后使用金属挡板1封闭长方体金属外壳2；每侧金属挡板1设有两个孔位用于液冷管6内流体的流出和流入；流动方式为顺流或逆流，多股人流或单股人流；通过管内流体的流动带出液冷板中吸收的热量。
52.所述装置可以多个组合使用，实现单侧或双侧以及多种流动方式组合。
53.所述翅片9为铝或铜等高导热金属，通过焊接的方式连接蛇形导热铜管和热柱5。
54.所述蛇形导热热管采用同样的结构上下方向布置，蛇形管环绕的空隙加入鳍片8热柱5增强内部换热以及提供结构支撑。
55.在金属外壳2内部进行填充时的相变材料4为熔融状态，且相变材料4冷却成型后不直接接触电池进行冷却。
56.内部流道的设计采用可以采用错流式或顺流式，每侧设有两个流体交换口，流体在内部分为上下两层流动。
57.所述相变材料4可以为有机相变材料或者无机相变材料，也可以为复合类相变材料或者微胶囊类相变材料。
58.所述装置中的蛇形液冷管6间隔以及弯折幅度、热柱5排布的密度可根据散热强度调整，但蛇形液冷管6之间必须留有间隔以放置鳍片8热柱5。
59.所述装置对所用电池模组12无额外组件要求，可用于圆柱形电池、方块型电池、软包电池的横向以及纵向散热。
60.所述装置中鳍片8热柱5数量为偶数，排布方式为沿中心线对称，且不宜过于靠近蛇形管弯折部分。
61.所述装置在组装完成后，除挡板1上流体交换孔3以外，其余部件均焊接密封以防止相变材料4泄漏。
62.所述冷却板内部的壁面上具有浅槽道7，且利用了鳍片8及蛇形管增大接触面积和流体内部扰动以强化换热，并且在液冷板内部填充相变材料4，保证电池工作时的温度一致性。
63.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。