CN104617350B - 一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统，包括系统壳体、彼此层状交错分布在壳体中的电池单体模块和储热模块，以及执行装配和定位的上盖板和锁紧螺杆；其中各个储热模块整体呈包芯结构，并包括处于各模块外层且由高分子材料制成的密封外壳、以及真空灌装在该密封外壳内腔且由导热材料和石蜡类相变材料共同混合而成的复合相变材料，所述高分子材料的固化温度被设定为高于复合相变材料的相变温度，并且在由其制成的密封外壳内腔内为所述复合相变材料预留有一定的真空间隙。通过本发明，能够获得便于操控、可循环充放热使用的储热模块，并相对于现有技术有效解决难密封和相变材料易导致的膨胀压力问题。

Description

一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统

技术领域

本发明属于动力电池配件相关领域，更具体地，涉及一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统。

背景技术

随着传统化石能源的紧缺，混合动力汽车以及纯电动汽车由于其节能及环保性越来越受到青睐，而动力电池是电动汽车的核心部件之一，为动力汽车提供动力能源，其工作状态直接影响到电动汽车的运行情况。其中影响动力电池工作性能的一个重要的因素是动力电池的温度。目前广泛应用于电动汽车上的动力电池主要分为蓄电池和燃料电池，在动力电池工作时，电池在高倍率放电情况下会产生大量的热量从而导致电池本身及周围环境温度迅速上升。高温环境将会降低电池工作效率，影响电池动力输出甚至烧毁电池，带来行车隐患。

目前传统的动力电池模块的散热主要以风冷和液冷为主。风冷方式主要是通过在电池模块周边布置通风管道或增设风扇利用空气与电池模块壁面的强化自然对流带走热量，这种冷却方式结构简单，造价低廉且易于实现。但是风冷的冷却效果差并且会产生比较大噪声，影响乘车体验；液冷方式相比风冷方式冷却效果较好，通过冷却液不断冲刷电池模块壁面快速将电池产生的热量带走。但是液冷系统结构复杂，对冷却液泵性能要求高，整个冷却系统可靠性差。

考虑到风冷及液冷在动力电池冷却上表现的局限性，现有技术中已经提出了一些基于相变材料的动力电池冷却方式。当电池工作时，相变材料吸收电池模块产生的热量，并维持电池模块的温度在相对稳定的安全温度范围之内；此外，基于相变材料的动力电池冷却系统还有助于维持动力电池模组温度均匀，减少电池模组内部局部过热现象的发生，从而为动力电池的动力输出提供保障。

然而，进一步的研究表明，目前基于相变材料的动力电池冷却方式主要是通过在动力电池单体模块之间预留腔体，然后将相变材料灌封在腔体内，并通过在电池单体模块壁面以及与电池组外封装壳体之间的缝隙间涂覆导热绝缘胶来防止相变材料相变后发生泄露。由于有机类相变材料以及无机盐类相变材料的导热系数通常比较低，并且相变材料在固态和液态时其密度通常是不一样的，在受热融化时通常会发生譬如5％-20％的体积膨胀，因此目前的基于相变材料的动力电池冷却技术主要存在以下的缺陷或不足：第一，相变材料的潜热是有限的，当相变材料受到动力电池模组加热并完全融化后，相变材料不能再继续吸收大量热量，动力电池将不能再继续工作，否则电池模块温度将会迅速升高直至烧毁电池；此时动力电池必须停止工作，待电池冷却模组内的相变材料受到环境冷却凝固成固态后电池才可以继续工作；第二、由于相变材料的导热系数很低，并且相变材料四周有电池模块的包裹，相变材料从液态冷却到固态将会耗费很长一段时间，导致难于满足动力电池实际的长时间连续工作使用需求；第三、目前的基于相变材料的动力电池的冷却技术中的冷却系统的密封问题难以解决，为了防止相变材料变成液态后发生泄漏，动力电池冷却系统通常都要进行严格的密封处理，但由于相变材料在发生固态-液态相变时会发生体积膨胀，而密封的环境会导致体积膨胀造成的压力施加于动力电池模块上，这将对电池的安全使用及电池寿命造成隐患。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统，其中通过动力电池自身的应用特点，对其冷却系统的整体构造和设置方式进行改进，尤其是对配置其中的储热模块的内部结构、关键组分构成及工作机理等方面进行设计，相应能够获得便于操控、可循环充放热使用的储热模块，并相对于现有技术显著提高对动力电池的冷却性能，有效解决难密封和相变材料易导致的膨胀压力问题，确保动力电池的可持续工作性能，因而尤其适用于混合动力汽车和纯电动汽车之类的电池冷却应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统，该动力电池冷却系统包括系统壳体、电池单体模块、储热模块、上盖板和锁紧螺杆，其特征在于：

所述电池单体模块和储热模块的数量均为多个，它们以彼此层状交错分布的形式设置在所述系统壳体构成的空间内，然后通过所述上盖板和锁紧螺杆予以封闭，其中各个电池单体模块之间经由电极导线将正负电极串联起来并共同构成电池模组，各个储热模块的侧面则安装有提环，并通过该提环来分别执行各储热模块相对于其两侧电池单体模块的嵌入及替换；此外，所述系统壳体的顶部侧壁要高于所述电池单体模块和储热模块的上表面，并且所述上盖板的底面设置有多个向下凸出的固定法兰，由此沿着与所述电池单体模块和储热模块的设置方向相垂直的方向对其执行定位；

对于起到电池冷却作用的各个所述储热模块而言，其整体呈包芯结构，并包括处于各模块外层且由高分子材料制成的密封外壳、以及真空灌装在该密封外壳内腔且由导热材料和石蜡类相变材料共同混合而成的复合相变材料，其中所述高分子材料选自在高温脱模制造过程下发生固化的高分子材料，它的固化温度被设定为高于所述复合相变材料的相变温度，并且在由其制成的密封外壳内腔内为所述复合相变材料预留有一定的真空间隙。

通过以上构思，当动力电池工作时，各个交错分布在各电池单体模块之间的储热模块能够以均匀、稳定地方式吸收电池所产生的热量，并通过上述设计的复合相变材料来发生固液相变，由此维持恒定的相变问题为动力电池提供稳定的工作温度，而当相变材料相变完全后不能继续吸收大量热量时，通过以上构造设计可以方便地将特定区域需要更换的储热模块取出，并插入另外的未发生固液相变的储热模块，继续为动力电池提供最佳的工作温度保障，从而实现动力电池持续长时间工作；另一方面，本发明中针对各个储热模块的结构、组分和工作机理进行了特别的设计，由于处于模块外层的高分子材料层的固化温度高于复合相变材料的相变温度，在高温模具制造储热模块的过程中，相变材料在高分子材料固化的同时发生固态-液态相变，并且在高分子材料完全固化之前即完成相变过程并达到最大体积直至高分子材料实现完全固化；然后，在将模具放入室温环境执行冷却时，复合相变材料受冷发生液态-固态相变并导致体积收缩，此时高分子材料的外壳已经固化完成并具有极高强度，所以复合相变材料体积会发生收缩并在高分子材料所包裹的腔体内形成一定的真空间隙，而且其壳体外观不会发生改变；以此方式，当储热模块在动力电池模组中吸收热量，相变材料发生固态-液态相变时，即便液态相变材料发生体积膨胀，也会自动填充到高分子材料包裹的腔体内的真空间隙内，不会产生施加于动力电池模块上的的膨胀压力，并且由于高分子材料的包裹作用，进一步避免了复合相变材料液化后的泄露问题。

作为进一步优选地，所述高分子材料譬如为环氧树脂类材料，并且其导热系数被设定为0.2W/m.K～1.2W/m.K之间。

作为进一步优选地，所述导热材料优选为泡沫金属、膨胀石墨或者纳米金属颗粒；所述石蜡类相变材料的相变温度优选为35℃～60℃。

作为进一步优选地，对于所述储热模块而言，其中设置在动力电池冷却系统左右最两端的两个储热模块与设置在其他位置的储热模块相比，前者的厚度被设定为后者厚度的1/2左右。

作为进一步优选地，所述系统壳体优选由铝合金脱模制备而成，所述提环优选由橡胶材质制成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，不仅对整个冷却系统的内部构造及其精确定位和储热模块可替换方面进行了改进，而且巧妙利用了高分子材料的固化定型、导热性能优良、耐压强度大等特性，将复合相变材料通过真空灌封在高分子材料中，制备出可替换、可循环充-放热的单体储热模块，有效解决了现有的基于相变材料冷却系统的动力电池不可持续长时间工作的问题；尤其是，能够在有效解决现有的基于相变材料的动力电池冷却系统中液态相变材料易泄露问题的基础上，进一步解决了现有冷却系统中由于相变材料固态-液态相变体积膨胀导致的膨胀压力问题。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的动力电池冷却系统的主体结构俯视图；

图2是用于动力电池冷却系统的上盖板的结构仰视图；

图3是图1中的动力电池冷却系统主体结构与上盖板通过锁定螺杆固定后的结构正视图；

图4a是按照本发明优选实施例的储热模块的结构侧视图；

图4b是按照本发明优选实施例的储热模块的结构剖视图；

图5是用于示范性显示用于制造储热模块的固化模具示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-螺孔 2-定位法兰 3-储热模块 4-电池单体模块 5-电极 6-提环 7-系统壳体 8-上盖板 9-固定法兰 10-锁定螺杆 12-高分子材料 13-导热材料 14-石蜡类相变材料

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例所构建的动力电池冷却系统的主体结构俯视图，图2是用于动力电池冷却系统的上盖板的结构仰视图。如图1和图2中所示，该动力电池冷却系统主要包括系统壳体7、电池单体模块4、储热模块3、上盖板8和锁紧螺杆10等组件，并通过对其整体内部构造尤其是储热模块的具体结构、主要组分及工作机理的研究和设计，解决目前现有的基于相变材料的动力电池冷却方式中存在的动力电池不可持续工作以及密封困难等问题，提供结构紧凑、便于安装和后期维护、容易密封实现的冷却系统，并为相变材料在动力电池热管理的实际生产与应用提供了技术保障。

具体而言，所述电池单体模块4的数量为多个，譬如呈层状结构以方便各个电池单体模块以及与储热模块之间的配合，并可通过螺孔1、定位法兰2等采用过盈配合的方式精确定位在系统壳体7所构成的空间内，各个电池单体模块例如为蓄电池或燃料电池的形式，它们之间利用电极导线，例如通过点焊的形式将各个动力电池单体模块正负的电极5串联起来形成电池模组；储热模块3的数量同样为多个，它们以与电池单体模块4彼此层状交错分布的形式设置在系统壳体7构成的空间内，然后通过上盖板8和锁紧螺杆10予以封闭。

此外，各个储热模块3在本发明中被设计为可替换式的，即在其侧面则安装有譬如由橡胶制成的提环6，并通过该提环来分别执行各储热模块相对于其两侧电池单体模块的嵌入及替换转移。为了确保整个系统的定位精确性和工作稳定，系统壳体7的顶部侧壁被设计为要高于所述电池单体模块4和储热模块3的上表面，譬如3-5mm，并且上盖板8的底面设置有多个向下凸出的固定法兰9，由此上盖板8通过锁定螺杆10以及预留在电池组系统外壳上的螺孔1与系统壳体7相固定，同时依靠固定法兰9沿着与电池单体模块和储热模块的设置方向相垂直的方向对其执行进一步的定位，以防止上下窜动。

对于在本发明中起到关键作用的储热模块3而言，其整体呈包芯结构，并包括处于各模块外层且由高分子材料12制成的密封外壳、以及真空灌装在该密封外壳内腔且由导热材料13和石蜡类相变材料14共同混合而成的复合相变材料，其中所述高分子材料选自在高温脱模制造过程下发生固化的高分子材料，它的固化温度被设定为高于所述复合相变材料的相变温度，并且在由其制成的密封外壳内腔内为所述复合相变材料预留有一定的真空间隙。

更具体地，复合相变材料由石蜡类相变材料和导热材料在真空加热条件下充分搅拌、吸附制备成，其中导热材料优选可包括有泡沫金属、纳米金属颗粒以及膨胀石墨等。复合相变材料制备好后，将其置于模具中心，然后将混合好并经过抽真空去气泡的液态或胶状高分子材料注入模具中，并可将橡胶手提环的两端固定在高分子材料胶体中，最后将模具置于高于相变材料相变点的高温环境中进行固化。待高分子材料充分固化后，将模具重新放置于室温环境中并冷却至室温，最后对高分子材料/复合相变材料储热模块进行脱模。

通过以上构思，当动力电池工作时，高分子材料/复合相变材料储热模块吸收电池产生的热量，相变材料发生固液相变，并维持相对恒定的相变温度，为动力电池提供稳定的工作温度。当相变材料相变完全后，不能再继续吸收大量热量，此时可以利用储热模块上预留的储热模块手提环将高分子材料/复合相变材料储热模块提出，并插入另一块没有发生固态-液态相变的储热模块，继续为动力电池模。

尤其是，由于高分子材料的固化温度被设定为高于复合相变材料的相变温度，模具放置于高于相变材料相变点的高温环境中，位于储热模块中心的相变材料在高分子材料固化的同时发生固态-液态相变，并在高分子材料12固化完全之前完成相变过程，从而使高分子材料在固化完成时储热模块的体积达到最大。而在高分子材料固化完成后，模具放入室温环境中冷却至室温，储热模块中的相变材料受冷却发生液态-固态相变并发生体积收缩，由于此时高分子材料已经固化完成，并具有极高的强度，所以当相变材料体积发生收缩时会在高分子材料包裹的腔体内形成一定程度的真空，而储热模块外观并不会发生改变。这样，当储热模块在动力电池模组中吸收热量，相变材料发生固态-液态相变时，液态相变材料发生体积膨胀并自动填充到高分子材料包裹的腔体内的真空间隙内，不会产生施加于动力电池模块上的的膨胀压力，并且由于高分子材料的包裹作用，避免了复合相变材料液化后的泄露问题。

按照本发明的一个优选实施例，所述高分子材料譬如为环氧树脂类材料，并且其导热系数被设定为0.2W/m.K～1.2W/m.K之间，表面抗压强度大于20kg/mm²；这样不仅为热量快速导入储热模块提供保证，而且高分子材料固化后力学强度表现优良。

按照本发明的另一优选实施例，所述导热材料优选为泡沫金属、膨胀石墨或者纳米金属颗粒；所述石蜡类相变材料的相变温度优选为35℃～60℃。通过以上设定，能够保证动力电池模组工作在最佳温度范围，而且石蜡类相变材料在发生固态-液态相变时体积膨胀率小于10％，可避免在高分子材料/复合相变材料储热模块内形成过多的真空孔隙，降低整个储热模组导热性能。

按照本发明的另一优选实施例，安装在冷却系统左右最两端的储热模块厚度为其他储热模块厚度的一半，保证动力电池模组冷却系统内的高分子材料/复合相变材料储热模块同步相变完成，充分利用复合相变材料相变潜能，并在高分子材料/复合相变材料储热模块完成相变后统一替换成下一批储热模块。

此外，上述储热模块在动力电池模组冷却系统中吸热完成相变后，通过手提环取出并放置在通风良好的室温环境中，在室温环境中放热并发生液态-固态相变，待相变完成后又可重新置入动力电池模组冷却系统中吸热相变，实现循环利用。

所述系统壳体优选可由铝合金脱模制备而成，铝合金导热系数高，在动力电池模组工作时，铝合金外壳可以将一部分热量通过对流的形式散到环境中，从而降低高分子材料/复合相变材料储热模块储热负荷，延长单个储热模块储热时间。

下面将具体说明按照本发明的储热模块的制备工艺过程。

导热材料以泡沫金属为例，高分子材料以环氧树脂AB胶为例。在制备高分子材料/复合相变材料储热模块之前先根据动力电池模组发热功率、单个储热模块储热时间(推荐储热时间3-4个小时)以及所采用的石蜡类相变材料的相变潜热及密度确定储热模块所需的相变材料的质量及体积；通过所采用的泡沫金属的孔隙率、密度以及相变材料的体积确定所需要的的泡沫金属的体积；然后根据泡沫金属的体积以及高分子材料/复合相变材料储热模块外形需求用金属切割机切割出所需要的泡沫金属样品。

接着，将称重后的石蜡放入不锈钢容器中并受热融化，然后将切割后的泡沫金属放入液态石蜡中并将不锈钢容器转移到可以加热的真空箱中，将真空箱加热至温度超过石蜡的融化温度并保持该温度，通过真空泵对真空箱抽真空至10^-1pa并保持该真空度，让石蜡充分渗透进入到泡沫金属空隙中。待不锈钢容器中不再冒气泡后将真空箱加热器关闭让石蜡冷却凝固，此时依然保持真空箱真空度不变直到石蜡凝固完全。将真空箱放入空气，并取出不锈钢容器。然后将不锈钢容器的四周进行稍微加热，待不锈钢容器壁面的石蜡融化后既可以取出泡沫金属/石蜡复合相变材料。

可利用美工刀仔细的刮除泡沫金属表面的石蜡，即可制备好所需的泡沫金属/石蜡复合相变材料样品。将泡沫金属/石蜡复合相变材料样品放置入涂覆有聚乙烯醇脱模剂的模具中心，模具的内腔体结构根据高分子材料/复合相变材料储热模块外形设计而成。模具其中一面的上端留有两个缺口，其中一个缺口用来注入环氧树脂胶，另一个缺口用来排空气，模具材料采用不锈钢。在对环氧树脂胶进行灌封前，先将环氧树脂A胶和B胶按要求称重配比并进行充分搅拌。将搅拌好的环氧树脂AB胶放入真空箱内进行抽真空去除气泡处理。

为了保证在高分子材料/复合相变材料储热模块中各个面的环氧树脂的厚度一致，可以将提前制备好的长条状环氧树脂垫块插入泡沫金属/石蜡复合相变材料样品与模具的各个面之间，环氧树脂垫块的厚度即为储热模块外层环氧树脂的厚度，推荐环氧树脂的厚度为2-10mm。在泡沫金属/石蜡复合相变材料样品在模具中通过环氧树脂垫块准确定位后，在模具中注入经过抽真空处理的环氧树脂AB胶。当环氧树脂AB胶注满模具后，将模具放入真空箱中，并在模具上预留的其中一个缺口上插上装有环氧树脂AB胶的漏斗，然后对模具内的环氧树脂AB胶再次抽真空，确保复合相变材料和模具的各个面之间的空隙得到充分填充，并通过漏斗内的环氧树脂AB胶对模具内的环氧树脂AB胶进行补充。待模具进行充分填充后，模具置于高于石蜡相变点10-20℃左右的高温环境中进行固化，在相变材料固化的同时，复合材料内的石蜡受热融化并发生体积膨胀，这时模具内的一部分环氧树脂AB胶会被挤出模具。在环氧树脂AB胶受热1-2小时不再向外面排出环氧树脂AB胶时，通过模具上预留的两个口子插入耐高温橡胶手提环，并继续在高温中固化5-10个小时，使得环氧树脂AB胶充分固化。

环氧树脂AB胶充分固化后将模具置于室温环境中冷却，复合相变材料中的石蜡发生液态-固态相变并发生体积收缩，在环氧树脂包裹的腔体内形成部分真空间隙，保证了在高分子材料/复合相变材料储热模块受热后不会再发生体积膨胀而产生膨胀压力。最后对高分子材料/复合相变材料储热模块进行脱模，储热模块即制备而成。

综上，按照本发明，当储热模块在动力电池模组中吸收热量，相变材料发生固态-液态相变时，液态相变材料发生体积膨胀并自动填充到高分子材料包裹的腔体内的真空间隙内，不会产生施加于动力电池模块上的的膨胀压力，并且由于高分子材料的包裹作用，避免了复合相变材料液化后的泄露问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于包芯结构复合相变储热层的动力电池冷却系统，该动力电池冷却系统包括系统壳体(7)、电池单体模块(4)、储热模块(3)、上盖板(8)和锁紧螺杆(10)，其特征在于：

所述电池单体模块(4)和储热模块(3)的数量均为多个，它们以彼此层状交错分布的形式设置在所述系统壳体(7)构成的空间内，然后通过所述上盖板(8)和锁紧螺杆(10)予以封闭，其中各个电池单体模块(4)之间经由电极导线将正、负电极串联起来并共同构成电池模组，各个储热模块(3)的侧面则安装有提环(6)，并通过该提环来分别执行各储热模块(3)相对于其两侧电池单体模块(4)的嵌入及替换；此外，所述系统壳体(7)的顶部侧壁要高于所述电池单体模块(4)和储热模块(3)的上表面，并且所述上盖板(8)的底面设置有多个向下凸出的固定法兰(9)，由此沿着与所述电池单体模块(4)和储热模块(3)的设置方向相垂直的方向对其执行定位；

对于起到电池冷却作用的各个所述储热模块(3)而言，其整体呈包芯结构，并包括处于各模块外层且由高分子材料(12)制成的密封外壳、以及真空灌装在该密封外壳内腔且由导热材料(13)和石蜡类相变材料(14)共同混合而成的复合相变材料，其中所述高分子材料(12)选自在高温脱模制造过程下发生固化的高分子材料，它的固化温度被设定为高于所述复合相变材料的相变温度，并且在由其制成的密封外壳内腔内为所述复合相变材料预留有一定的真空间隙。

2.如权利要求1所述的动力电池冷却系统，其特征在于，所述高分子材料(12)为环氧树脂类材料，并且其导热系数被设定为0.2W/m.K～1.2W/m.K。

3.如权利要求1或2所述的动力电池冷却系统，其特征在于，所述导热材料(13)为泡沫金属、膨胀石墨或者纳米金属颗粒；所述石蜡类相变材料(14)的相变温度为35℃～60℃。

4.如权利要求1或2所述的动力电池冷却系统，其特征在于，对于所述储热模块(3)而言，其中设置在动力电池冷却系统左右最两端的两个储热模块与设置在其他位置的储热模块相比，前者的厚度被设定为后者厚度的1/2。

5.如权利要求4所述的动力电池冷却系统，其特征在于，所述系统壳体(7)由铝合金脱模制备而成，所述提环(6)由橡胶材质制成。