CN103928729B - 一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统 - Google Patents

一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统，其特征是设置电池组温控箱体为密闭箱体，内部包含一密闭的电池成组仓，电池成组仓的长度和高度均小于电池组温控箱体，但两者宽度相同；在电池成组仓与电池组温控箱体之间形成有环形换热仓；在电池成组仓中沿长度方向贯穿布置热管，热管穿过相互平行布置的各绝缘散热片，热管的端头处在环形换热仓内；各单体电池布置在绝缘散热片之间，并且单体电池散热面与绝缘散热片相贴合；在环形换热仓中分别设置加热器和蒸发器。本发明能解决因流通阻力过大而导致不能对每个单体电池进行有效热管理的问题，同时实现电池箱体的密封设计，安全性高，且动力电池温度调节迅速，温度场分布均匀。

Description

一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统
技术领域
本发明涉及世界新能源汽车动力电池热管理技术领域，具体涉及一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统。
背景技术
电动汽车的技术关键是动力电池，动力电池性能的优劣直接决定了电动汽车的整车性能、安全与使用寿命等。由于温度会直接影响电池的安全性能和寿命，过低则会导致整车性能下降，过高则可能会引发安全事故。同时车辆上空间有限，电池都是紧密连接装载在汽车电池包中，动力电池在充放电过程中和高温环境下使用时会释放出大量的热，受空间影响产生热量累积，如果该热量不能及时被排出，热量将会使得电池包的温度上升，从而影响动力电池的使用寿命，在炎热的夏天这种现象尤为明显。同时如果电池热管理系统不完善，会引起电池包各个模块温度分布不均匀，使得每个电池单体的工作环境不一样，这将严重影响电池单体的一致性，从而严重影响电池的放电性能。
另一方面，电动汽车动力电池在低温情况下的工作性能很差，特别在寒冷的冬季尤为明显，充放电特性较常温下差很多。为了能使电池在低温下亦能满足电动汽车的动力需求，很有必要对电池包进行加热升温，使之处于最佳的充放电温度水平。
考虑到成本和制作工艺方面的因素，目前电动汽车动力电池组热控的介质大都是空气，但是由于需要加热或冷却的空气需要流过每一块单体电池，而车内往往有几百甚至上千块单体电池，单体电池之间的空隙又很小，甚至小于1mm，这造成了空气流通的阻力太大，一方面容易造成空气短路，根本无法充分进入每一块电池单体进行空气温度调节，对电池组的单体电池数量以及热管理的效果都有很大的限制。
现有技术中，很多电池组热管理方案均在电池组内局部布置加热元件或冷却元件，这势必造成不能对电池组内部所有电池进行相同程度的热管理，从而对电池组内部温度分布的均匀性有很大影响。
公开号CN102139646A公开了一种动力电池热管理系统及其控制方法，该系统采用开放式的电池温控箱体，通过风机将空调风带入电池包对电池进行加热或冷却，但当电池数量较大，流阻很大时，该方案不能保证电池组内部温度场分布的均匀性，同时开放式的电池组温控系统很难起到在汽车涉水时避免水进入电池组内部的作用，存在一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有电动汽车动力电池热管理系统结构设计的不足，提供一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统，实现电动汽车动力电池的安全快速散热降温和加热升温，保证电池组内部温度分布的均匀性，以及汽车行驶的安全性。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于热管的电动汽车动力电池组温控系统的结构特点是：设置电池组温控箱体为密闭箱体，其内部包含一密闭的电池成组仓，所述电池成组仓的长度和高度均小于电池组温控箱体、电池成组仓与电池组温控箱体的宽度为相同；电池成组仓与电池组温控箱体之间的环形换热仓形成在电池成组仓的顶面、底面，以及沿电池成组仓的长度方向上的两端面，在所述环形换热仓中有循环流动的传热介质；在所述电池成组仓中沿长度方向贯穿布置热管，热管电池成组仓段垂直穿过相互平行布置的各绝缘散热片，露出电池成组仓的热管外露端处在所述环形换热仓内；各单体电池布置在所述绝缘散热片之间，并且所述各单体电池的散热面与绝缘散热片相贴合；在所述环形换热仓中沿流体流通方向串行布置有加热器和蒸发器。
本发明基于热管的电动汽车动力电池组温控系统的结构特点也在于：
所述热管呈“Z”字形、“一”字形、“U”形或“L”形，所述热管在竖直平面中上下排列，个数为4～10。
所述绝缘散热片数量为3～20片。
在相邻的两片绝缘散热片之间布置有1～15层单体电池层，每单体电池层布置有2～20个单体电池。
所述单体电池为长方体，布置在绝缘散热片之间的各长方体的单体电池是以侧面与所述绝缘散热片相贴合；所述单体电池或为圆柱体，所述圆柱体的单体电池横卧在绝缘散热片之间，所述绝缘散热片是与单体电池的两极端面相贴合。
所述环形换热仓中循环流动的传热介质为空气或液体。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用绝缘散热片直接同电池单体的散热面相接触，有效避免了由于流通阻力太大使得电池组内部某些电池单体无法得到有效加热或者冷却的问题；同时利用热管传热具有的良好均匀性，有效保证了电池组内部温度场分布的均匀性。
2、本发明可采用热管和风冷或液冷相结合的传热方式，热管具有高效的传热性能，所以相比采用单一风冷或液冷方式，其对动力电池组的加热以及冷却效果更为明显，具有很高的工作效率，可以实现电动汽车动力电池的安全快速散热降温和加热升温。
3、本发明可以根据电池数量大小合理调整结构，当动力电池数目较多时，可以适当增加热管以及绝缘散热片数目和大小，并且可以通过控制系统控制蒸发器和加热器的功率，从而始终保证良好的热管理效果。
4、本发明提供的动力电池组箱体为全封闭式，具有很好的保护电池组的能力；而且箱体内部换热仓和电池成组仓被隔离开，若采用液体为传热介质，既发挥了液体作为传热介质的高效性，也避免了动力电池同液体直接接触所带来的不安全性，加工工艺相对简单。
附图说明
图1为本发明实施例1的动力电池组温控系统结构示意图；
图2为图1的B-B剖视图；
图3为图1的C-C剖视图；
图4为图1的A-A剖视图；
图5为本发明实施例1中单根热管示意图；
图6为本发明实施例2的动力电池组温控系统结构示意图；
图7为本发明实施例2中散热基板背部钉柱分布示意图；
图8为本发明实施例3的动力电池组温控系统结构示意图；
图9为图8的B-B剖视图；
图10为本发明实施例4在图1中的B-B剖视图；
图11为本发明实施例4在图1中的C-C剖视图；
图12为本发明实施例4中单根热管示意图；
图13为本发明实施例5在图1中的B-B剖视图；
图14为本发明实施例5在图1中的C-C剖视图；
图15为本发明实施例6在图1中的B-B剖视图；
图16为本发明实施例6中单根热管示意图；
图17为本发明实施例7的电池组温控系统结构示意图；
图18为图17的B-B剖面示意图；
图19为图17的C-C剖面示意图；
图20为本发明实施例8的电池组温控系统结构示意图；
图21为图20的B-B示意图；
图22为本发明实施例8中单根热管示意图；
图中标号：1电池组温控箱体，2电池成组仓，3环形换热仓，4热管，4-1热管外露端，4-1a热管a段，4-1b热管b段，4-2热管电池成组仓段，5绝缘散热片，6散热基板，7散热肋片，8轴流风机，9蒸发器，10加热器，11单体电池，12竖直流道挡板，13电磁泵，14散热钉柱。
具体实施方式
实施例1：
参见图、图2、图3、图4和图5，本实施例中电动汽车动力电池组温控系统主截面图如图1所示，电池组温控箱体1为密闭箱体，其内部包含一密闭的电池成组仓2，电池成组仓2的长度和高度均小于电池组箱体1，但宽度与电池组温控箱体1的宽度为相同，在电池成组仓2与电池组温控箱体1之间有环形换热仓3，该环形换热仓3形成在电池成组仓2的顶面、底面，以及沿电池成组仓2的长度方向上的两端面，在环形换热仓3中有循环流动的传热介质。
如图1、图2和图3和图5所示，在电池成组仓2中沿长度方向贯穿布置热管4，热管电池成组仓段4-2垂直穿过相互平行布置的各绝缘散热片5，露出电池成组仓2的热管a段4-1a以及热管b段4-1b朝相反方向弯折90°后嵌入散热基板6中，散热基板6连同散热肋片7是处在环形换热仓3内；各单体电池11布置在绝缘散热片5之间，并且各单体电池11的散热面与绝缘散热片5相贴合。
本实施例中，热管4在竖直平面内上下排列，个数为4～10；上下相邻的两根热管4的两端弯折段交错摆置，如图2、图3所示。热管电池成组仓段4-2穿过平行布置的3～20个绝缘散热片5，散热基板6的背部布置有20～30个竖直平行排列的散热肋片7。本实施例中，采用6根热管4穿过16个绝缘散热片5，散热基板6背部竖直平行布置20个散热肋片7。
电池成组仓2是一个密闭箱体，在电池成组仓2内部贯穿布置热管4，位于电池成组仓2内的电池成组仓段4-2上平行嵌套绝缘散热片5。本实施例中，绝缘散热片5将电池成组仓2分割为30个电池单元，长方形单体电池11被安放在分割开的电池单元中，其侧面与绝缘散热片5紧密贴合。
电池成组仓2内两相邻绝缘散热片5之间包含1～15层单体电池层，每层布置2～20个单体电池11；单体电池11之间间隙为2～10mm。本实施例中布置两层单体电池层，每层2个单体电池11，单体电池11之间间隙取3mm。
环形换热仓3内部传热介质为空气，沿流体流通方向串行布置有加热器10、轴流风机8和蒸发器9，如图1所示，蒸发器9出口以及加热器10入口分别布置竖直流道挡板12，形成如图4所示流道。
电池组温控箱体1上开有可密封的孔，在其中布置连接蒸发器9的制冷剂管路、电池动力输出线和控制线路。
该动力电池组温控系统工作原理是：当温度过高需要对动力电池冷却时，加热器10不工作，电动汽车空调制冷回路工作，带动蒸发器9启动，通过控制系统控制轴流风机8开始工作，环形换热仓3内的空气经过轴流风机8驱动经过蒸发器9，冷却降温后下行进入环形换热仓3左侧，流经左侧散热基板6背部散热肋片7，随后经过环形换热仓3下部进入环形换热仓3右侧散热基板6背部的散热肋片7，最终回到蒸发器9，形成闭路内部循环。此时嵌入散热基板6的热管a段4-1a和热管b段4-1b作为冷凝端，贯穿绝缘散热片5的热管电池成组仓段4-2则是蒸发端，动力电池产生的热量经过热管4传递到散热基板6，通过空气对散热基板6进行冷却，从而达到对动力电池冷却的目的。
反之，当温度过低，需要对动力电池进行加热时，加热器10启动工作，蒸发器9不工作，通过控制系统控制轴流风机8工作，空气流动状况与冷却时相同。然而此时嵌入散热基板6的热管a段4-1a热管b段4-2b作为蒸发端，贯穿绝缘散热片5的热管电池成组仓段4-2则是冷凝端，加热器10产生的热量通过流体传递到散热基板6，随后通过热管4传递到绝缘散热片5，最终实现对动力电池的加热。
实施例2：
参见图6，本实施例环形换热仓3内的传热介质为液体，沿流体流通方向串行布置加热器10、电磁泵13和蒸发器9。参见图7，本实施例中散热基板6的背部布置有交错排列的散热钉柱14，散热钉柱14列数为10～20，每列散热钉柱14数目为10～20。本实施例中在散热基板6背部交错排列10×10个散热钉柱14。
其余结构与实施例1中相同，工作原理相一致。
实施例3：
参见图8和图9，本实施例采用圆柱体单体电池11，将单体电池11横卧安装在绝缘散热片5之间，绝缘散热片5与单体电池11两极端面贴合。本实施例中，两相邻绝缘散热片5之间布置14层单体电池层，每层12个单体电池11，单体电池11之间间距2mm。
其余结构设计与实施例1中相同，工作原理一致。
实施例4：
参见图10、图11和图12，本实施例中热管4呈“U”形，在同一根热管4的两端，即热管a段4-1a和热管b段4-1b是朝相同方向弯折90°；其余结构设计与实施例1中相同，工作原理一致。
实施例5：
参见图13和图14，本实施例中热管4布置在电池组的一侧，热管4采用“U”形结构，在同一根热管4的两端，即热管a段4-1a和热管b段4-1b是朝相同方向弯折90°；其余结构设计与实施例1中相同，工作原理一致。
实施例6：
参见图15和图16，本实施例中每层布置两个热管4，且每根热管4只包含热管a段4-1a或热管b段4-1b，热管4呈“L”形，同一层中的两根热管在两端朝相反的方向弯折90°；其余结构设计与实施例5相同，工作原理一致。
实施例7：
参见图17、图18和图19，本实施例中每层布置一个热管4，热管4同实施例6中相同，呈“L”形；其余结构设计与实施例1相同，工作原理一致。
实施例8：
参见图20、图21和图22，本实施例中热管4呈“一”字结构，其露出电池成组仓2的热管外露端4-1不弯折，在环形换热仓3中不设置散热基板6，热管a段4-1a和热管b段4-1b平行嵌套各散热肋片7；其余结构设计与实施例1相同，工作原理一致。

Claims (2)

1.一种基于热管的电动汽车动力电池组温控系统，其特征是：设置电池组温控箱体(1)为密闭箱体，其内部包含一密闭的电池成组仓(2)，所述电池成组仓(2)的长度和高度均小于电池组温控箱体(1)、电池成组仓(2)与电池组温控箱体(1)的宽度为相同；电池成组仓(2)与电池组温控箱体(1)之间的环形换热仓(3)形成在电池成组仓(2)的顶面、底面，以及沿电池成组仓(2)的长度方向上的两端面，在所述环形换热仓(3)中有循环流动的传热介质；在所述电池成组仓(2)中沿长度方向贯穿布置热管(4)，热管电池成组仓段(4-2)垂直穿过相互平行布置的各绝缘散热片(5)，露出电池成组仓(2)的热管外露端(4-1)处在所述环形换热仓(3)内，所述热管(4)呈“Z”字形，露出电池成组仓(2)的热管a段(4-1a)以及热管b段(4-1b)朝相反方向弯折90°后嵌入散热基板(6)中，散热基板(6)连同散热肋片(7)是处在环形换热仓(3)内；各单体电池(11)布置在所述绝缘散热片(5)之间，并且所述各单体电池(11)的散热面与绝缘散热片(5)相贴合；
所述环形换热仓(3)的内部传热介质为空气，沿流体流通方向串行布置有加热器(10)、轴流风机(8)和蒸发器(9)，所述蒸发器(9)的出口以及加热器(10)的入口分别布置竖直流道挡板(12)形成流道。
2.根据权利要求1所述的基于热管的电动汽车动力电池组温控系统，其特征是所述单体电池(11)为长方体，布置在绝缘散热片(5)之间的各长方体的单体电池(11)是以侧面与所述绝缘散热片(5)相贴合；所述单体电池(11)或为圆柱体，所述圆柱体的单体电池(11)横卧在绝缘散热片(5)之间，所述绝缘散热片(5)是与单体电池(11)的两极端面相贴合。
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