CN104051818A - 基于相等温度梯度的改进微通道冷却翅片 - Google Patents

基于相等温度梯度的改进微通道冷却翅片 Download PDF

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Abstract

提供一种用于蓄电池模块和蓄电池的微通道冷却翅片。所述冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件。所述金属板组件包括用于将冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段和出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道。每个通道具有输出温度和输入温度，使得每个冷却通道的输出温度减去输入温度在预定量内。

Description

基于相等温度梯度的改进微通道冷却翅片
技术领域
在至少一个方面，本发明涉及用于蓄电池模块的冷却系统，且具体地涉及用于这种冷却系统中的冷却翅片。
背景技术
大容量可再充电蓄电池当前被研究用于电动车辆。电动车辆的最终可行性很大程度上取决于减少相关成本。减少蓄电池组件的成本在这方面特别重要。
锂离子蓄电池是蓄电池技术的重要类型。包括锂离子蓄电池组件在内的大多数蓄电池组件具有多个独立电化学单元。通常，这种电化学单元包括阳极、阴极和位于阳极和阴极之间的隔板。通常，阳极包括用石墨层包覆涂层的金属片或箔（通常为铜金属）。类似地，阴极通常包括用含锂层包覆涂层的金属片或箔（通常为铝金属）。最后，电化学单元包括置于阳极和阴极之间的电解质。端子允许所产生的电力用于外部电路。电化学单元经由电化学反应产生电力。
对于高功率应用，多个蓄电池单元被使用且组装成蓄电池模块。此外，这种蓄电池模块可以包括置于并联布线蓄电池单元对中的蓄电池单元之间的多个金属（例如，铜和/或铝）冷却翅片。压缩泡沫垫通常置于一些蓄电池对之间。这种蓄电池模块原来通常在蓄电池单元之间展现温度差。这种温度差导致蓄电池模块性能的降低，伴随蓄电池寿命的减少。虽然现有技术冷却翅片在冷却蓄电池单元时相当好地工作，但是改进仍然是期望的。
因而，需要改进的蓄电池模块组件和用于其中的冷却翅片。
发明内容
在至少一个实施例中，本发明通过提供一种用于蓄电池模块的微通道冷却翅片来解决现有技术的一个或多个问题。所述冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件。所述金属板组件包括用于将液体冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段和出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道。所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域，所述冷却通道中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第二翅片区域。特征在于，第一质量流率高于第二质量流率。所述金属板组件能定位在蓄电池单元附近，使得第一翅片区域邻近第一蓄电池区域且第二翅片区域邻近第二蓄电池区域，其中，在蓄电池未被冷却时，第一蓄电池区域在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域更高的温度。有利地，所述冷却翅片补偿蓄电池单元的不一致热量生成，从而导致操作期间沿蓄电池单元的更一致温度曲线。
在另一个实施例中，提供一种用于蓄电池模块的微通道冷却翅片。所述冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件。所述金属板组件包括用于将液体冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段和出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道。每个通道具有输出温度和输入温度，使得输出温度减去输入温度对于每个通道基本上相同。
在另一个实施例中，提供一种包含上述冷却翅片的蓄电池模块。所述蓄电池模块包括多个蓄电池单元，多个冷却翅片置于所述多个蓄电池单元中的蓄电池单元之间。液体冷却剂系统使得液体冷却剂循环通过冷却翅片。每个冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件。所述金属板组件包括用于将冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段和出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道。所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域，所述冷却通道中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第二翅片区域。特征在于，第一质量流率高于第二质量流率。所述金属板组件能定位在蓄电池单元附近，使得第一翅片区域邻近第一蓄电池区域且第二翅片区域邻近第二蓄电池区域，其中，在蓄电池未被冷却时，第一蓄电池区域在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域更高的温度。
方案1. 一种用于蓄电池模块的微通道冷却翅片，所述微通道冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件，所述金属板组件包括：
用于将液体冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段；和
出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道，所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域，所述冷却通道中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第二翅片区域，所述金属板组件能定位在蓄电池单元附近，使得第一翅片区域邻近第一蓄电池区域且第二翅片区域邻近第二蓄电池区域，其中，在蓄电池未被冷却时，第一蓄电池区域在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域更高的温度。
方案2. 根据方案1所述的冷却翅片，其中，在冷却剂流动通过所述多个冷却通道时，第一子组的每个通道提供比第二子组的每个通道更高的质量流率。
方案3. 根据方案2所述的冷却翅片，其中，所述冷却通道中的第一子组更靠近蓄电池单元的阳极接线片和阴极接线片。
方案4. 根据方案1所述的冷却翅片，其中，第一子组的每个通道提供比第二子组的每个通道更低的流动阻力。
方案5. 根据方案1所述的冷却翅片，其中，第一子组的每个通道具有比第二子组的每个通道更高的平均横截面面积。
方案6. 根据方案1所述的冷却翅片，其中，第一子组的通道具有比第二子组的通道更小的平均间隔。
方案7. 根据方案1所述的冷却翅片，其中，金属板组件具有第一端部和第二端部、第一侧面和第二侧面，使得入口部段位于第一端部和第一侧面处，出口部段位于第一端部和第二侧面处。
方案8. 根据方案7所述的冷却翅片，其中，每个冷却通道具有带有从0.5至大约0.8 mm2的第一横截面面积的第一通道区域和带有从0.5至大约0.8 mm2的第二横截面面积的第二通道区域，第二通道区域与第一通道区域流体连通，第一通道区域与入口部段流体连通。
方案9. 根据方案8所述的冷却翅片，其中，每个冷却通道包括与第二通道区域流体连通的U形部段。
方案10. 根据方案9所述的冷却翅片，其中，U形通道部段具有从大约1.0至大约1.8 mm2的第三横截面面积。
方案11. 根据方案10所述的冷却翅片，其中，第一通道区域具有梯形横截面。
方案12. 根据方案10所述的冷却翅片，其中，第二通道区域和U形通道部段均独立地具有六边形横截面。
方案13. 根据方案1所述的冷却翅片，其中，每个通道的液体冷却剂具有出口温度和入口温度，使得每个冷却通道的出口温度减去入口温度对于每个微通道几乎相同。
方案14. 一种用于蓄电池模块的微通道冷却翅片，所述微通道冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件，所述金属板组件包括：
用于将液体冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段；和
出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道，每个通道的液体冷却剂具有输出温度和输入温度，使得每个冷却通道的输出温度减去输入温度对于所有微通道基本上相同。
方案15. 一种蓄电池模块，包括：
多个蓄电池单元；
多个冷却翅片，置于所述多个蓄电池单元中的蓄电池单元之间；和
液体冷却剂系统，所述液体冷却剂系统使得液体冷却剂循环通过冷却翅；
其中，每个冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件，所述金属板组件包括：
从液体冷却剂系统接收冷却剂且将冷却剂引导到所述多个冷却通道中的入口部段；和
出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道，所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域，所述冷却通道中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第二翅片区域，所述金属板组件能定位在蓄电池单元附近，使得第一翅片区域邻近第一蓄电池区域且第二翅片区域邻近第二蓄电池区域，其中，在蓄电池未被冷却时，第一蓄电池区域在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域更高的温度。
附图说明
图1是包含微通道冷却翅片以冷却蓄电池单元的蓄电池模块的示意图；
图2是蓄电池单元的示意图；
图3是示出了冷却翅片与蓄电池单元对齐的示意图；
图4A和4B提供具有在其中限定的冷却通道部分的金属板的示意性前视图；
图5A是冷却翅片的表面温度曲线，所述冷却翅片具有将更多冷却提供给蓄电池单元的热区域的冷却通道；
图5B提供了图示每个通道的热传递区域的定位的示意图；
图5C提供了图示图5A的冷却翅片的零梯度表面的定位的示意图；
图6A是在冷却翅片的金属板结合在一起时在位置A处具有梯形横截面的冷却通道的示意图；
图6B是在冷却翅片的金属板结合在一起时在位置B处具有六边形横截面的冷却通道的示意图；
图6C是在冷却翅片的金属板结合在一起时在位置C处具有六边形横截面的冷却通道的示意图；
图7A是通过每个通道的质量流量的曲线图，其中，质量流量大约为常数；
图7B是每个通道中得到的温度升高的曲线图；
图8A提供了本设计和现有技术的质量流率的偏差百分比的曲线图；
图8B提供了本设计和现有技术的热量排除的曲线图；
图9提供了现有技术冷却翅片和本设计冷却翅片的计算温度曲线；和
图10提供了现有技术冷却翅片和本设计冷却翅片的计算压力曲线。
具体实施方式
现在具体参照本发明目前优选的成分、实施例和方法，这构成了目前发明人已知的实践本发明的最佳模式。附图不一定是按比例绘制的。不过，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以不同的替代形式来实施。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制性的，而仅仅是对于本发明的任何方面的代表性基础和/或是教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。
除了在示例中或者另有明确声明，在本说明书中的指示反应和/或使用的材料或条件的量的所有数值量应被理解为用描述本发明的最宽范围中的词语“大约”修饰。通常优选的是在所述数值限制内的实践。而且，除非有明确的相反指示： 将一组或一类材料描述为适合于与本发明相关的给定目的或对此目的是优选的暗示该组和该类中的成员中的任何两个或多个的混合物同样是适合的或优选的；首字母缩写或其它缩写的第一次定义适用于本文对同样缩写的全部后续使用并且，加上必要的修改，适用于初始定义的缩写的正常语法变化；以及，除非有明确的相反指示，不然对属性的测量是由用于同样属性的之前或后面参考的同样技术确定的。
还应理解的是，本发明不限于下面描述的具体实施例和方法，因为具体的部件和/或条件当然可以变化。而且，本文使用的术语仅用于描述本发明的特定实施例的目的而绝不旨在用作限制性的。
还必须注意的是，当在本说明书和所附权利要求中使用时，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数的指示对象，除非上下文中清楚地做出其它指示。例如，提到单数形式的部件旨在包括多个部件。
贯穿本申请，当参考公开文献时，这些公开文献的公开内容的全部通过参考引入到本申请中，以更全面地描述本发明所属领域的状态。
参考图1，提供整体形成在蓄电池模块中的微通道冷却翅片。蓄电池模块10包括多个蓄电池单元12，多个冷却翅片14置于蓄电池单元12之间。液体冷却剂系统16使得液体冷却剂循环通过冷却翅片14。合适的液体冷却剂的示例是Dex-Cool®（乙二醇）。对于96个冷却翅片14，代表性流率是10 l/min的Dex-Cool®。虽然本实施例并不限于具有任何特定数量蓄电池单元的蓄电池模块，但是带有5至100个蓄电池单元的模块是典型的。冷却翅片的细节在下文阐述。图2提供蓄电池单元12的图示，示出了热区域的位置。具体地，蓄电池单元均定位在凹穴中，即，阳极、阴极和隔板位于保护凹穴内。阴极接线片18和阳极接线片20用于进行蓄电池单元的电接触。蓄电池单元12在操作期间展现不一致的温度曲线，从而在阴极接线片18和阳极接线片20附近温度更高。具体地，温度在由附图标记22表示的阴极接线片18附近最高。更远离阴极接线片18和阳极接线片20的区域24通常处于较低温度。
参考图3、4A和4B，提供冷却翅片的示意图。图3是示出了冷却翅片14与蓄电池单元12对齐的示意图。图4A和4B提供具有在其中限定的冷却通道部分的金属板的示意性前视图。冷却翅片14包括在其中限定多个冷却通道MC1-MC9的金属板组件26。应当理解的是，本发明并不受通道数量限制。实际上，取决于要冷却区域的大小，可以使用多个通道。按照MC1到MC9的顺序，冷却通道平均上更远离阳极和阴极接线片（即，MC1比MC2更靠近接线片，MC2比MC3更靠近接线片，MC3比MC4-MC9更靠近接线片）。在一个改进中，金属板组件26由两个配合金属（例如，铜、铝等）片28和30形成。在该改进中，冷却通道MC1-MC9的部分P1由金属片28限定，冷却通道MC1-MC9的部分P2由金属片28限定，从而在片28和30结合在一起时，形成冷却通道MC1-MC9。通常，冷却通道MC1-MC9的这些部分被压印到金属片28和30中。金属板组件包括用于将冷却剂引入到所述多个冷却通道MC1-MC9中的入口部段32和出口部段60，冷却剂从出口部段60离开所述多个冷却通道MC1-MC9。所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域36，所述冷却通道MC1-MC9中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件26的第二翅片区域38。通常，流率从大约0.15至大约0.4克/秒。例如，第一子组包括冷却通道MC1-MC3，第二子组包括MC4-MC9。金属板组件26能定位在蓄电池单元12附近，使得第一翅片区域36邻近第一蓄电池区域22且第二翅片区域38邻近第二蓄电池区域24，其中，在蓄电池单元12未被冷却时，第一蓄电池区域22在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域24更高的温度。
当冷却剂流动通过通道时，所述冷却通道中的第一子组（例如，MC1-MC3）的每个通道允许比所述冷却通道中的第二子组（例如，MC4-MC9）的每个通道更高的质量流率。在一个改进中，冷却通道MC1允许比冷却通道MC2更高的质量流率，冷却通道MC2允许比通道MC3更高的质量流率。通常，第一子组的每个通道具有比第二子组的每个通道更低的流动阻力，以便实现指定质量流率。在一个改进中，冷却通道MC1具有比冷却通道MC2更低的流动阻力，冷却通道MC2具有比冷却通道MC3更低的流动阻力。在该改进中，冷却通道MC3具有比冷却通道MC4-MC9更低的流动阻力。在这方面，第一子组（即，MC1-3）的每个通道具有比第二子组（即，MC4-9）的每个通道更高的横截面面积。在一个改进中，冷却通道MC1具有比冷却通道MC2更高的平均横截面面积，冷却通道MC2具有比冷却通道MC3更高的平均横截面面积。在该改进中，冷却通道MC3具有比通道MC4-MC9更高的平均横截面面积。具体地，所提出的冷却通道MC1-MC9设计成（即，流动阻力）使得输出温度（在出口区域60处）减去流动通过每个通道的冷却剂的输入温度（在入口区域32处）对于所述多个通道中的每个通道大约为常数，即，输出温度减去输入温度对于每个通道基本上相同（例如在5℃内）。在一个变型中，第一子组的通道具有比第二子组的通道更小的平均间隔。在一个改进中，通道MC1-MC3之间的平均间隔比通道MC4-MC9之间的平均间隔低至少5％。
总体上，通过使得更多冷却剂流动到产生更多热量的区域，实现更一致的温度。参考图5A、5B和5C，提供冷却通道MC1-9的计算细节的细节。图5A提供使用计算流体力学的模拟输入温度曲线。计算温度轮廓和边界。具体地，存在零温度梯度的表面被确定，在图5B中由虚线66表示。热量不跨过这种零梯度表面传导。如图5B所示，冷却通道在这些零梯度表面内。图5C提供零梯度表面的示意图。热量从零梯度表面之间朝向其中包含的相应冷却通道流动。根据能量守恒，每个通道MC1-9的期望质量流率或至少相对速率根据公式（1）确定：
(1)
其中：
是通过通道i的质量流率；
Cp 是冷却剂的比热；
Tin 是冷却剂的入口温度；
Tout 是冷却剂的出口温度；
是在由通道i冷却的区域中的局部热量生成；以及
是热传递边界的总面积。
根据冷却通道的实施例，。该特征确保冷却翅片和蓄电池得到更一致的温度曲线。常数Tout - Tin 的要求允许公式（1）改写如下：
(2)
一旦确定期望质量流率，质量流率可以通过根据公式（3）调节冷却通道尺寸来设定：
(3)
其中：
ρ是冷却剂的密度；
Cf 是管道流动的壁摩擦系数；
ΔP是微通道的从入口到出口的压力下降；
hi 是通道的高度；
C是常数，如果高度为常数；
是通道的长度；和
是冷却通道i的横截面面积。公式（3）表明，质量流率可以通过改变横截面面积来设定。
参考图3、4A和4B，提供冷却通道的细节。金属板组件26具有第一端部40和第二端部42、第一侧面44和第二侧面46。入口部段32位于第一端部40和第一侧面44处。出口区域60位于第二端部42和第二侧面46处。冷却剂在入口部段区域32处引入冷却通道MC1-MC9中。
在一个改进中，冷却通道MC1-MC9中的每个包括从第一侧面44延伸且具有第一横截面面积的第一通道区域50。虽然冷却通道MC1-MC9并不受通道横截面的任何特定形状限制，图6A描绘了第一通道区域50的位置A处的横截面是梯形的改进。在一个改进中，第一横截面面积是从0.5到大约0.8 mm2。第二通道区域52与第一通道区域50流体连通，且具有第二横截面面积。图6B描绘了第二通道区域52的位置B处的横截面是六边形的改进。在一个改进中，第二横截面面积是从0.5到大约0.8 mm2。每个冷却通道MC1-MC9还包括大致U形部段，其与第二通道区域52流体连通且以从第一端部40朝向第二端部42的方向延伸。图6C描绘了U形部段54具有六边形横截面且带有第三横截面面积的改进。通常，U形部段54是对称的。在一个改进中，第三横截面面积是从1.0到大约1.8 mm2。冷却通道MC1-MC9还包括附加通道区域，例如通道区域56、58和60。这些区域的横截面可以是任何期望形状（例如，矩形、方形、梯形、六边形）。
如上所述，本发明的变型设计成使得冷却剂的质量流量在放置在蓄电池的往往产生更多热量且在没有冷却的情况下具有更高温度的位置附近的冷却翅片位置处更高。这与现有技术设计不同，现有技术设计往往使得相同质量流量流动通过每个冷却通道。表1提供冷却通道尺寸的示例：
。
图7A和7B图示了现有技术设计。图7A给出了通过质量流量大约为常数的每个通道的质量流量曲线图。图7B提供了每个通道中得到的温度升高的曲线图。可以清楚，流动通过阴极和阳极接线片附近的通道的冷却剂往往比更远离接线片流动的流体更热。图8A提供了本设计和现有技术的质量流率的偏差百分比的曲线图。如图8A所示，在本设计中，通过通道MC1-MC3的冷却剂流量相对于通道MC4-MC9增加。图8B提供了每个情况下的热量排除的曲线图。在本设计中，更多热量由通道MC1-MC3排除。图9提供了现有技术冷却翅片和本设计冷却翅片的计算温度曲线。容易清楚的是，对于本设计，温度曲线更一致。图10提供了现有技术冷却翅片和本设计冷却翅片的计算压力曲线。具体地，现有技术设计的温度变化在平均蓄电池温度为33.69℃的情况下是5.3℃。现有技术设计的温度变化在平均蓄电池温度为33.0℃的情况下是4.5℃。容易清楚的是，本设计还提供较低压力下降。具体地，现有技术压力下降是28.4 kPa，而本设计的压力下降是12.4 kPa。
虽然已经图示和描述了本发明的实施例，但是这些实施例并不旨在图示和描述本发明的全部可能形式。更确切地说，说明书中使用的词语是描述性而非限制性的词语，并且应该理解的是在不脱离本发明精神和范围的情况下可进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于蓄电池模块的微通道冷却翅片，所述微通道冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件，所述金属板组件包括：
用于将液体冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段；和
出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道，所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域，所述冷却通道中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第二翅片区域，所述金属板组件能定位在蓄电池单元附近，使得第一翅片区域邻近第一蓄电池区域且第二翅片区域邻近第二蓄电池区域，其中，在蓄电池未被冷却时，第一蓄电池区域在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域更高的温度。
2.根据权利要求1所述的冷却翅片，其中，在冷却剂流动通过所述多个冷却通道时，第一子组的每个通道提供比第二子组的每个通道更高的质量流率。
3.根据权利要求2所述的冷却翅片，其中，所述冷却通道中的第一子组更靠近蓄电池单元的阳极接线片和阴极接线片。
4.根据权利要求1所述的冷却翅片，其中，第一子组的每个通道提供比第二子组的每个通道更低的流动阻力。
5.根据权利要求1所述的冷却翅片，其中，第一子组的每个通道具有比第二子组的每个通道更高的平均横截面面积。
6.根据权利要求1所述的冷却翅片，其中，第一子组的通道具有比第二子组的通道更小的平均间隔。
7.根据权利要求1所述的冷却翅片，其中，金属板组件具有第一端部和第二端部、第一侧面和第二侧面，使得入口部段位于第一端部和第一侧面处，出口部段位于第一端部和第二侧面处。
8.根据权利要求7所述的冷却翅片，其中，每个冷却通道具有带有从0.5至大约0.8 mm2的第一横截面面积的第一通道区域和带有从0.5至大约0.8 mm2的第二横截面面积的第二通道区域，第二通道区域与第一通道区域流体连通，第一通道区域与入口部段流体连通。
9.一种用于蓄电池模块的微通道冷却翅片，所述微通道冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件，所述金属板组件包括：
用于将液体冷却剂引入到所述多个冷却通道中的入口部段；和
出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道，每个通道的液体冷却剂具有输出温度和输入温度，使得每个冷却通道的输出温度减去输入温度对于所有微通道基本上相同。
10.一种蓄电池模块，包括：
多个蓄电池单元；
多个冷却翅片，置于所述多个蓄电池单元中的蓄电池单元之间；和
液体冷却剂系统，所述液体冷却剂系统使得液体冷却剂循环通过冷却翅；
其中，每个冷却翅片包括在其中限定多个冷却通道的金属板组件，所述金属板组件包括：
从液体冷却剂系统接收冷却剂且将冷却剂引导到所述多个冷却通道中的入口部段；和
出口部段，冷却剂从所述出口部段离开所述多个冷却通道，所述冷却通道中的第一子组将第一质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第一翅片区域，所述冷却通道中的第二子组将第二质量流率的冷却剂提供给金属板组件的第二翅片区域，所述金属板组件能定位在蓄电池单元附近，使得第一翅片区域邻近第一蓄电池区域且第二翅片区域邻近第二蓄电池区域，其中，在蓄电池未被冷却时，第一蓄电池区域在蓄电池操作期间具有比第二蓄电池区域更高的温度。
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