CN102664292A - 用于动力电池的散热冷却装置 - Google Patents

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唐志军
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王文婷
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Abstract

本发明涉及一种用于动力电池的散热冷却装置，铝制空心冷板外壳外型为散热片型，壳体内部为空心，铝制外壳形成有数个的凹槽空间，凹槽内部可以嵌入动力电池，铝制空心冷板外壳内部填充相变材料，铝制空心冷板外壳底板上安装散热翅片，蛇形铜管排布于铝制壳体空腔底部，与相变材料接触，蛇形铜管内通有液体冷却工质，蛇形铜管、泵和外部换热器串联组成主动式液体冷却系统，温度传感器设置在动力电池的表面，温度开关与泵体电源串联。可以根据电池温控的不同要求，调节冷却工质的流量；可以在保障电池散热效果的同时，通过添加相变材料，减少金属的用量，有效降低电池散热装置的成本；满足不同动力电池的需求。

Description

用于动力电池的散热冷却装置
技术领域
本发明涉及一种散热技术，特别涉及一种用于动力电池的散热冷却装置。
背景技术
能源与环境已成为当前全球最为关注的问题，能源是经济的基础，而环境是制约经济发展的重要因素。如何解决经济发展与能源供给及环境污染之间的矛盾是关系一个国家、一个民族能否持续发展的关键。
随着汽车数量不断增加，众多燃油汽车排放所造成空气质量日益恶化和石油资源渐趋匮乏是2l世纪人类必须面对的难题。能源与环境的压力使传统内燃机汽车的发展面临前所未有的挑战，各国政府、汽车公司、科研机构纷纷投入人力物力开发内燃机汽车的替代能源和动力，这大大促进了电动汽车的发展。用电池作为动力源的电动汽车(Electric Vehicle简称EV)在使用中可以实现零污染，并可利用煤炭、水力等其它非石油资源，可以有效解决汽车排污和能源问题。
电池作为电动汽车中的主要储能元件，是电动汽车的关键部件，直接影响到电动汽车的性能。动力电池是电动汽车最重要、也是最容易出故障的部分，动力电池运行性能的好坏直接影响电动汽车的运行效率，在一定程度上决定了电动汽车能否被社会所接受。
温度是影响动力电池性能的重要因素。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下，电池会以不同倍率放电，产生大量热量，加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集，从而导致电池组温度不稳定。过高的温度会导致电池的容量、寿命和能量效率的降低，若电池积聚的热量无法及时散出，会导致热失控的产生，严重时电池有发生剧烈膨胀和爆炸的危险。
目前动力电池的热管理问题得到了专家和学者的广泛关注，针对这一问题提出一些解决方案，通常采用的为空冷散热通风方式，一般有串行和并行两种，日本丰田公司的混合动力电动汽车Prius、RAV-4以及本田公司的Insight电池包都采用了空冷的方式。空冷方案有着结构简单、重量相对较小、成本较低的优点，缺点在于空气与电池壁面之间换热系数低，冷却速度慢，电池单体间温度分布均匀性差，且在极端工况下，例如夏季高温，无法及时有效地将电池热量散发。这对动力电池的安全运行是非常不利的。
也有学者提出了非接触式液冷系统，可以显著降低电池组的温度，但液冷系统在持续运行中消耗电池组的能量，会导致电池组储能的降低，缩短电动汽车的行驶续航里程。
相变材料（PCM）冷却系统，是一种将相变储能材料与电池模块进行整合、利用相变潜热来实现电池热管理的被动式冷却系统。它可以有效吸收动力电池的热量，将电池组维持在合适的温度范围，且电池单体的温度均匀性良好，并具有不需要耗费电池能量的优点。但相变冷却方式只考虑到了相变材料的储热问题，材料全部发生相变后，若无法及时将其热量导出，相变材料将不能继续吸热，无法达到控制电池温度的目的。因而在实际的应用中，相变材料的放热问题也是至关重要的。
目前公开的相关专利主要有：
1)    贝洱两合公司的汉斯-乔治·赫尔曼，弗洛里安·莫尔多万等人发明的用于车辆蓄电池散热的装置，专利号：CN102057532A。此发明内容为通过在电池下部铺设液体流道，使用液体工质将电池热量导出。该系统虽然具有较好的散热效果，但无法有效保证电池组温度的均匀性，散热系统一经启动，需要不断消耗电池组的能量，具有能耗大，冷却方式不灵活等缺点。
2)    华南理工大学的张正国、方晓明、高学农、方玉堂、徐涛、王学泽发明的一种用于锂电池散热的复合相变材料及装置，专利号，CN102181270。此发明利用复合相变材料导出电池热量，并且设置空气通道，通过空气冷却来解决相变材料储热的散发过程。但是该系统对不同环境下的适用性有限，单纯依靠空气将热量导出无法解决动力电池在高温环境下大功率运行时的散热问题。例如在炎热的夏季，环境温度与电池温度及相变材料温度十分接近，该系统无法起到降低电池温度的作用。
3)    广东工业大学的张江云、王长宏、张国庆、饶中浩、袁韩生、张磊发明了一种具有强化散热功能的管壳式电动汽车电池装置，专利号：CN102074770A。此发明设计了一个壳体装置，将电池单体和换热器壳体整合，在换热器壳体内加装相变材料或者铺设液体冷却工质的流道。该系统能实现动力电池在恶劣的热环境下电池模块整体有效降温，也能满足电池单体间温度分布的均匀性。但该管壳式散热装置结构复杂，实际工程应用无法按要求进行简易的模块化拓展。且该系统的散热管道和相变材料的填充设计方式使得系统体积过于庞大，难以与车辆内有限空间进行整合。
发明内容
本发明是针对动力电池的散热问题，提出了一种用于动力电池的散热冷却装置，复合多种冷却方式的动力电池散热系统，利用金属冷板的导热率高、相变材料储热且整体温度均匀、液体冷却效果显著的优点，采用金属壳体的设计，克服了常规金属冷板系统金属耗量大、造价高的缺点，用液体冷却方式克服了相变材料储热后难以快速散热等问题。
本发明的技术方案为：一种用于动力电池的散热冷却装置，包括动力电池、泵和换热器，还包括铝制空心冷板外壳，相变材料，翅片，蛇形铜管，温度传感器，温控开关，铝制空心冷板外壳外型为散热片型，壳体内部为空心，铝制空心外壳形成有数个的凹槽空间，凹槽内部可以嵌入动力电池，铝制空心冷板外壳内部填充相变材料，铝制空心冷板外壳底板上安装散热翅片，蛇形铜管排布于铝制空心外壳的空腔底部，与相变材料接触，蛇形铜管内通有液体冷却工质，蛇形铜管、泵和外部换热器串联组成主动式液体冷却系统，温度传感器设置在动力电池的表面，温度开关与泵、泵体电源串联。
所述相变材料的相变温度为35℃-50℃，可选常规的均质相变材料，也可选掺杂不同质量分数的石墨、碳纤维或碳纳米管所组成的复合相变材料。
所述液体冷却工质可采用水、矿物油、防冻液或乙二醇等，也可采用纳米粉体分散于液体中制成的纳米流体。
本发明的有益效果在于：本发明用于动力电池的散热冷却装置，通过复合式的冷却方式，可以将电池散热系统的体积精简和缩小，有利于散热系统与电动汽车的融合；通过多种冷却方式联合作用，可以有效地控制电池温度，特别是在恶劣的环境运行温度时，有效保障电池单体温度的均匀性；可以根据电池温控的不同要求，调节冷却工质的流量；可以在保障电池散热效果的同时，通过添加相变材料，减少金属的用量，有效降低电池散热装置的成本；本发明适用范围广，可以根据不同的动力电池调节其冷却温度，满足不同动力电池的需求（如锂离子、镍氢、铅酸电池等）；调节电池温度是采用分阶段控制的策略，可以有效节约系统能量，提高电池能量效率，进而增加车辆的续航里程。
附图说明
图1是本发明用于动力电池的散热冷却装置结构示意图；
图2是本发明用于动力电池的散热冷却装置主视剖面图；
图3是本发明用于动力电池的散热冷却装置蛇形管位置与流动方式示意图；
图4是本发明用于动力电池的散热冷却装置控制电路图。
具体实施方式
采用空心金属冷板来提高电池组与相变材料的传热效果，在金属冷板壳体内填充相变材料，通过相变材料吸热来维持电池组温度处于合适的工作范围，保证电池温度之间的一致性。并在空心冷板外壳底部布置一个盘管式散热器，内部通入液体冷却工质，带走电池的热量。通过三种冷却方式的有效复合，可以显著降低电池组的温度，保证电池单体温度的一致性。
如图1所示用于动力电池的散热冷却装置结构示意图，装置包括两个部分，一部分为融合多种冷却方式的动力电池散热冷却结构，另一部分为温度感应控制装置。
动力电池散热冷却结构，由铝制空心冷板外壳2、相变材料9、翅片8、蛇形铜管10构成。将铝制冷板外壳2加工成带有凹槽的空壳结构，铝制空心外壳2形成有数个的凹槽空间，在凹槽内部可以并排嵌入多个动力电池1，铝板外壳2底板上安装散热翅片8，且铝制空壳体内部填充相变材料9，如图2所示主视剖面图，蛇形铜管10位于壳体底部，与相变材料9接触，如图3所示散热冷却装置蛇形管位置与流动方式示意图，在蛇形铜管10内通有液体冷却工质3。液体冷却工质3由泵5驱动，将动力电池1的产热带出热量经由外部换热器4散发，形成一套主动式液体冷却系统。
如图4所示控制电路图，温度感应控制部分是由温度传感器7、温控开关6组成。温度传感器7的测点设置在动力电池1的表面，温度开关6串联在泵5的泵体电源回路中。
电动汽车运行时，动力电池1以不同的倍率放电，这将引起动力电池1温度的升高，当动力电池1产热量不太大时，电池温度升高比较缓慢。此时系统的温控开关6是断开的，液冷部分泵5不运转。动力电池1的主要散热方式是通过铝制冷板1壳体内的相变材料9吸热以及壳体底部翅片8于环境大气接触，通过车运动时引起的风的强制对流将热量散发到大气中来实现的。通过这两种散热方式组合可以使动力电池在正常运行情况下保持合适的工作温度，并且保证电池单体温度的均匀性。此时系统无需消耗能量，同时具有良好的散热效果。
当动力电池1运行环境比较恶劣（如夏季）或者短时间大功率放电时，动力电池1的温度进而急剧升高时，系统内翅片8无法满足电池散热的需要，当温度采集仪7采集到电池外表面温度升高达到50℃时，温控开关6闭合，泵5开启运转，驱动液体冷却工质3在蛇形铜管10内流动，冷却工质3与壳体底部的相变材料8进行换热，将相变材料8所吸收的动力电池1热量迅速带走，冷却工质3循环流入外部换热器，汽车行驶时的迎风将外部换热器的热量带走，达到了散热目的。
当动力电池1无需大功率放电时，电池的发热量逐步降低。此时温度传感器7检测到电池外表面温度降低到50℃以下时，温控开关6断开，泵5停止运转，液体冷却系统处于关闭状态。动力电池1的散热方式是依靠铝制冷板1壳体内的相变材料9吸热以及壳体底部翅片8的对环境散热来实现。
本系统的工作方式可以根据动力电池实际产热情况进行自动控制和切换。在特殊工况下（剧烈产热或恶劣气候）采用主动式的液体冷却系统，其它情况时采用被动式的散热结构（相变冷却和冷板翅片冷却），在保障动力电池在适宜的温度下运行的同时，节约了电池的能量，进而提高了动力电池的整体能量利用效率，增加了车辆的续航里程。
本系统中所用的相变材料的相变温度为35℃-50℃，可以是常规的均质相变材料，如石蜡；也可以是通过掺杂提高性能的复合材料，如掺杂不同质量分数的石墨、碳纤维或碳纳米管等所组成的复合相变材料。
本系统中所用的液体冷却工质可以采用水、矿物油、防冻液或乙二醇，也可以采用纳米粉体分散于液体中制成的纳米流体，如SiO2/水纳米流体，CuO/水纳米流体，Al2O3/乙二醇。
本系统中温控开关的控制温度可以根据不同动力电池的性能和要求手动调整，使系统能灵活地满足不同电动汽车的温控需求。
用于动力电池冷却系统，散热冷却方式灵活多变，可适用于不同类型的动力电池的，系统的体积紧凑精简，容积效率和传热效率高。对于有限狭小的车体空间来说，将本散热系统和电动汽车或混合动力汽车动力电池管理系统相结合，其可行性与前景十分可观。由于泵的开启受温度控制，无需一直开启，这将有利于提高车辆电池的能量利用效率，增加车辆续航里程。
所设计的采用相变材料来代替厚重且成本较高的铝板，降低了系统的造价和成本，相变材料成本低廉，有效提高车辆的经济效益；铝板壳体内的相变材料对于维持动力电池单体的一致性有着良好的效果。
根据不同类型不同容量的动力电池，通过选取合适的温控温度和合适流量的泵，可以在不同的工况和环境下有效地对动力电池进行冷却，保证各电池单体的温度均匀性。

Claims (3)

1.一种用于动力电池的散热冷却装置，包括动力电池（1）、泵（5）和换热器（4），其特征在于，还包括铝制空心冷板外壳（2），相变材料（9），翅片（8），蛇形铜管（10），温度传感器（7），温控开关（6），铝制空心冷板外壳（2）外型为散热片型，壳体内部为空心，铝制空心外壳（2）形成有数个的凹槽空间，凹槽内部可以嵌入动力电池（1），铝制空心冷板外壳（2）内部填充相变材料（9），铝制空心冷板外壳（2）底板上安装散热翅片（8），蛇形铜管（10）排布于铝制空心外壳（2）底部，与相变材料（9）接触，蛇形铜管（10）内通有液体冷却工质，蛇形铜管（10）、泵（5）和外部换热器（4）串联组成主动式液体冷却系统，温度传感器（7）设置在动力电池（1）的表面，温度开关（6）与泵（5）、泵体电源串联。
2.根据权利要求1所述用于动力电池的散热冷却装置，其特征在于，所述相变材料（9）的相变温度为35℃-50℃，可选常规的均质相变材料，也可选掺杂不同质量分数的石墨、碳纤维或碳纳米管所组成的复合相变材料。
3.根据权利要求1所述用于动力电池的散热冷却装置，其特征在于，所述液体冷却工质可采用水、矿物油、防冻液或乙二醇等，也可采用纳米粉体分散于液体中制成的纳米流体。
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