CN105356004A

CN105356004A - 一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置

Info

Publication number: CN105356004A
Application number: CN201510705796.5A
Authority: CN
Inventors: 张恒运; 邓宇晨; 严晓; 陈浩; 王岩松
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai MS Energy Storage Technology Co Ltd
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2035-10-27
Also published as: CN105356004B

Abstract

本发明涉及一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体(5)的散热，所述的复合散热装置包括套设在电池单体(5)外部的外壳套筒(4)，所述的外壳套筒(4)与电池单体(5)之间填充泡沫结构(2)，泡沫结构(2)内填充满相变材料(1)，所述的外壳套筒(4)与电池单体(5)之间还设有多块隔开泡沫结构(2)的翅片(3)，该翅片(3)的两侧分别紧密贴合外壳套筒(4)与电池单体(5)。与现有技术相比，本发明的散热装置能有效降低锂离子电池的温度，预防热失控。

Description

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池散热技术领域，尤其是涉及一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置。

背景技术

汽车动力电池如锂离子电池能量密度高，体积小，循环寿命较长，在电动汽车上应用潜力很大。然而由于锂离子电池在充放电过程中温度升高影响自身性能与循环寿命，过高的温度甚至引起热失控，导致自燃等事故，因此动力锂离子电池散热技术的研究和实施尤为迫切。散热系统通常采取风冷或液体冷却。风冷散热系统体积小，但是散热效果有限，而液体冷却系统效果较好，但是体积大，结构复杂、泵功能耗高，且存在泄漏等潜在缺点。而相变材料具有相变过程吸收潜热高、温升小、化学稳定性好、体积小、结构简单、价格低廉等优点，应用在动力锂离子电池上能降低电池温升、缓和热冲击，提高电池寿命和稳定性。但是相变材料导热率低，不能迅速、均匀地传热。

中国专利200910039125.4公开了一种带有相变材料冷却系统的动力电池装置，该装置包括螺钉、若干电池单体、箱盖通风孔、电极连接轴、箱体顶盖、侧面通风孔、框体；所述的电池单体是以电池作为基体，外部加装壳体；电池和壳体之间填充相变材料并采用绝缘橡胶密封；电池箱体开设通风孔散热。该专利通过填充相变材料虽然有效的缓和了电池发热冲击，但是没有解决相变材料导热率低而导致散热速度慢的缺点。

中国专利ZL201120571466.9公开了一种基于泡沫金属/复合相变材料的动力电池冷却系统，包括有单体电池、电池连接极、相变材料、泡沫金属、高导热绝缘胶、电池外壳、电池上档板、电池下档板；单体电池与电池外壳之间填充有以泡沫金属为骨架材料和以相变材料为基体复合而成的复合相变材料，相变材料灌注到泡沫金属中，单体电池与灌注后的泡沫金属用高导热绝缘胶连接，电池上档板及电池下档板分别装设在单体电池的上端及下端，电池连接极与单体电池连接。该专利的泡沫金属与电池的有效接触面积小，并且没有减小接触界面空气缝隙机制，从而导致其传热效果强化不充分。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体的散热，所述的复合散热装置包括套设在电池单体外部的外壳套筒，所述的外壳套筒与电池单体之间填充泡沫结构，所述的泡沫结构由大量的随机排列、结构相似单元组成，每个单元包括加强筋、交叉部位和开口孔洞，泡沫结构开口孔洞内填充满相变材料，所述的外壳套筒与电池单体之间还设有多块隔开泡沫结构的翅片以强化传热，该翅片的两侧分别紧密贴合外壳套筒与电池单体。

所述的泡沫结构的高度与电池单体高度相仿，厚度为2～7mm。

所述的泡沫结构的材料为孔密度为10～100PPI、孔隙率为70～99％的多孔型的泡沫铜、泡沫铝、泡沫石墨或泡沫陶瓷。孔隙率和孔密度作为泡沫结构的主要表征参数，孔隙率影响复合材料的导热率，不同孔隙率下的导热率可由以下公式计算(引用自V.V.CalmidiandR.L.Mahajan，TheEffectiveThermalConductivityofHighPorosityFibrousMetalFoams，ASMEJ.HeatTransfer,Vol.121,pp.466-471,1999)，即：

\begin{matrix} k_{e} = ((\frac{2}{\sqrt{3}}) (\frac{r (\frac{b}{L})}{k_{f} + (1 + \frac{b}{L}) \frac{(k_{s} - k_{f})}{3}} + \frac{(1 - r) (\frac{b}{L})}{k_{f} + \frac{2}{3} (\frac{b}{L}) (k_{s} - k_{f})} \\ + \frac{\frac{\sqrt{3}}{2} - \frac{b}{L}}{k_{f} + \frac{4 r}{3 \sqrt{3}} (\frac{b}{L}) (k_{s} - k_{f})}))^{- 1} \end{matrix},

其中，k_e为有效导热率，ε是孔隙率，r是金属加强筋厚度与交叉部位尺寸之比，一般取0.09，k_s为固体导热率，k_f为相变材料导热率。b/L为交叉部位尺寸和泡沫结构单元尺寸比值，由下面公式求得：

\frac{b}{L} = \frac{- r + \sqrt{r^{2} + 4 (1 - ϵ) \frac{\sqrt{3}}{2} ((2 - r (1 + \frac{4}{\sqrt{3}})) / 3)}}{\frac{2}{3} (2 - r (1 + \frac{4}{\sqrt{3}}))} .

具体计算结果如图5所示，由上述公式可知，孔隙率越低，复合材料导热率越高，但相变材料体积分数下降，潜热吸热能力下降，较为合适的孔隙率在70～99％之间。泡沫结构由大量的随机排列但结构相似单元组成，每个单元包括加强筋、交叉部位和开口孔洞。开口孔洞结构尺寸常用孔密度表示，多个开口孔洞结构形成具有一定结构强度的泡沫体，实施当中，孔洞的结构尺寸在0.2～2mm之间，即孔密度为10-100PPI，可以填充电池组之间的空间并保持一定的结构强度。孔洞尺寸太大接近材料尺寸则强度太小，孔洞尺寸太小则泡沫结构加工困难，成本较高。

所述的相变材料的熔点为30～80℃，与电池单体的理想工作温度范围相一致，相变材料的添加量保证其熔化时，能使电池单体、泡沫结构和翅片整体浸没，相变材料和泡沫材料可采用柔性袋子容纳，避免溶融的液态相变材料流淌。

所述的相变材料为石蜡。

所述的翅片为矩形翅片，其高度与电池单体高度相仿，厚度为0.1～1.5mm。

所述的翅片的材料为铝、铜或其它高导热材料。

所述的外壳套筒的材料为铝、铜或其它高导热材料。

所述的外壳套筒与泡沫结构之间还设有楔形插片，由于加工误差，泡沫结构和电池等产热体之间总会有空气间隙，进一步加大接触热阻。为了确保泡沫结构紧密贴合产热部件，避免较大的空隙分层和额外的接触热阻，在外部套筒和泡沫结构之间插入楔形插片，楔形插片材料可以是金属、塑料、电木等容易加工、低成本的薄片。

所述的外壳套筒内设有多个电池单体，所述的外壳套筒与电池单体之间填充泡沫结构，该泡沫结构中间通过多块翅片隔开，所述的翅片的两侧分别紧密贴合外壳套筒和电池单体或相邻的两电池单体。

本发明通过采用泡沫结构复合相变材料进行传热，相变材料在相变过程中吸热而使电池最高温度保持在相变熔点附近，降低了电池温升，缓和热冲击的优点，同时，泡沫结构采用孔密度为10～100PPI、孔隙率70～99％的通孔型泡沫材料，改善了石蜡导热系数低、传热不均匀的缺点。此外，在电池单体壁面与外壳套筒之间还设有采用高导热材料制成的翅片，翅片设置在相邻半环状的泡沫结构之间的槽缝中，并分别紧密贴合外壳套筒与电池单体，从而增加了电池单体与泡沫结构之间的换热面积，当电池发热时，热量可以经由电池外壳、通过翅片迅速传至泡沫结构，并通过泡沫结构向相变材料传递热量，相变材料吸收热能，提高了换热效率，克服了单纯的泡沫结构复合相变材料因泡沫结构与电池单体之间孔隙度大、有效换热面积小、接触热阻大的缺点。已有研究表明(T.Fiedler,N.White,M.Dahari,K.Hooman,Ontheelectricalandthermalcontactresistanceofmetalfoam,InternationalJournalofHeatandMassTransferVol.72(2014)pp.565–571。)，泡沫材料的界面接触热阻可以达到甚至明显超过本体泡沫材料的热阻，如果接触面积小，会导致传热效果不理想。本发明在实际应用时，针对不同的电池输出功率要求，还可以通过在外壳套筒内设置多个电池单体组成电池包。

与现有技术相比，本发明的复合散热装置以泡沫结构为骨架，泡沫结构内部填充相变材料，并设有强化传热的翅片，具有接触热阻小、轻质、紧凑、便于加工和热控性好等优点，同时，复合散热装置工作时，较一般的散热装置而言，温度分布更均匀，换热效率更高。

附图说明

图1为本发明的复合散热装置的结构示意图；

图2为本发明的复合散热装置的A-A剖视结构示意图；

图3为本发明的复合散热装置的B-B剖视结构示意图；

图4为本发明的复合散热装置组合制成的电池包的结构示意图；

图5为本发明的不同孔隙率的泡沫结构与导热率的关系图；

图中，1-相变材料，2-泡沫结构，3-翅片，4-外壳套筒，5-电池单体，6-楔形插片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体5的散热，其结构如图1、图2和图3所示，复合散热装置包括套设在电池单体5外部的外壳套筒4，外壳套筒4的材料为铝，外壳套筒4与电池单体5之间填充泡沫结构2，泡沫结构2的高度与电池单体5高度相仿，高度为60mm，厚度为2mm，泡沫结构2的材料为孔密度为10PPI、孔隙率为70％的多孔型的泡沫铜，泡沫结构2内填充满熔点为30～33℃的相变材料1，相变材料1为石蜡，外壳套筒4与电池单体5之间还设有四块隔开泡沫结构2的翅片3以强化传热，翅片3为矩形翅片，其高度与电池单体5高度相仿，高度为60mm，厚度为0.3mm，翅片3的材料为铝，翅片3的两侧分别紧密贴合外壳套筒4与电池单体5，外壳套筒4与泡沫结构2之间还设有楔形插片6。

实施例2

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体5的散热，复合散热装置包括套设在电池单体5外部的外壳套筒4，外壳套筒4的材料为铜，外壳套筒4与电池单体5之间填充泡沫结构2，泡沫结构2的高度与电池单体5高度相仿，高度为100mm，厚度为7mm，泡沫结构2的材料为孔密度为100PPI、孔隙率为99％的多孔型的泡沫铝，泡沫结构2内填充满熔点为45～48℃的相变材料1，相变材料1为石蜡，外壳套筒4与电池单体5之间还设有四块隔开泡沫结构2的翅片3以强化传热，翅片3为矩形翅片，其高度与电池单体5高度相仿，高度为100mm，厚度为1.5mm，翅片3的材料为铜，翅片3的两侧分别紧密贴合外壳套筒4与电池单体5，外壳套筒4与泡沫结构2之间还设有楔形插片6。

实施例3

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体5的散热，复合散热装置包括套设在电池单体5外部的外壳套筒4，外壳套筒4的材料为铝，外壳套筒4与电池单体5之间填充泡沫结构2，泡沫结构2的高度与电池单体5高度相仿，高度为80mm，厚度为4mm，泡沫结构2的材料为孔密度为60PPI、孔隙率为85％的多孔型的泡沫石墨，泡沫结构2内填充满熔点为78～80℃的相变材料1，相变材料1为石蜡，外壳套筒4与电池单体5之间还设有四块隔开泡沫结构2的翅片3以强化传热，翅片3为矩形翅片，其高度与电池单体5高度相仿，高度为80mm，厚度为0.9mm，翅片3的材料为铝，翅片3的两侧分别紧密贴合外壳套筒4与电池单体5，外壳套筒4与泡沫结构2之间还设有楔形插片6。

实施例4

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体5的散热，复合散热装置包括套设在电池单体5外部的外壳套筒4，外壳套筒4的材料为铝，外壳套筒4与电池单体5之间填充泡沫结构2，泡沫结构2的高度与电池单体5高度相仿，高度为70mm，厚度为3mm，泡沫结构2的材料为孔密度为40PPI、孔隙率为80％的多孔型的泡沫陶瓷，泡沫结构2内填充满熔点为68～71℃的相变材料1，相变材料1为石蜡，外壳套筒4与电池单体5之间还设有四块隔开泡沫结构2的翅片3以强化传热，翅片3为矩形翅片，其高度与电池单体5高度相仿，高度为70mm，厚度为0.8mm，翅片3的材料为铝，翅片3的两侧分别紧密贴合外壳套筒4与电池单体5，外壳套筒4与泡沫结构2之间还设有楔形插片6。

实施例5

一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体5的散热，其结构如图4所示，复合散热装置包括外壳套筒4，外壳套筒4的材料为铝，外壳套筒4内设有六个电池单体5，外壳套筒4与电池单体5之间填充泡沫结构2，泡沫结构2的高度与电池单体5相仿，高度为70mm，厚度为3mm，泡沫结构2的材料为孔密度为40PPI、孔隙率为80％的多孔型的泡沫铜，泡沫结构2内填充满熔点为35～37℃的相变材料1，相变材料1为石蜡，外壳套筒4与电池单体5、相邻两电池单体5之间设有翅片3以强化传热，翅片3为矩形翅片，其高度与电池单体5高度相仿，高度为70mm，厚度为0.8mm，翅片3的材料为铝。

实施例6

将实施例1制得的复合散热装置，以及分别只加相变材料和加泡沫结构和相变材料的一般散热装置进行性能测试。

其步骤如下：

分别将复合散热装置、一般散热装置与锂离子电池形状相同的铝制圆柱型加热体(以下称模拟电池)组合，其中，模拟电池一端开槽放入加热器，加热器加热功率由直流电源控制，以模拟真实电池温升规律。K型热电偶分别设置在外壳套筒、模拟电池的壁面测温。相变材料选用熔点为51-53℃的石蜡25g，预先熔化后将其装入在外壳套筒内。调节加热器功率为6.6W、8.8W来模拟锂离子电池高倍率放电发热情况，温度数据通过专用的数据采集仪实时测量。待外壳套筒温度升至相变材料熔点即53℃时石蜡全部溶化，记录的模拟电池壁面温度如下表1所示。

表1

通过以上实验对比，本发明实施例1制得的复合散热装置较以往只加相变材料，或泡沫结构+相变材料的一般散热装置而言，复合散热装置的温度更低，这说明本发明的复合散热装置散热性能更为优异，能有效降低锂离子电池的温度，预防热失控。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，用于辅助电池单体(5)的散热，其特征在于，所述的复合散热装置包括套设在电池单体(5)外部的外壳套筒(4)，所述的外壳套筒(4)与电池单体(5)之间填充泡沫结构(2)，泡沫结构(2)内填充满相变材料(1)，所述的外壳套筒(4)与电池单体(5)之间还设有多块隔开泡沫结构(2)的翅片(3)，所述的翅片(3)的两侧分别紧密贴合外壳套筒(4)与电池单体(5)。

2.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的泡沫结构(2)的高度与电池单体(5)相同，厚度为1～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的泡沫结构(2)的材料为孔密度为10～100PPI、孔隙率为70～99％的多孔型的泡沫铜、泡沫铝、泡沫石墨或泡沫陶瓷。

4.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的相变材料(1)的熔点为30～80℃的石蜡。

5.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的翅片(3)为矩形翅片，其高度与电池单体(5)高度相同，厚度为0.1～1.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的翅片(3)的材料为铝或铜。

7.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的外壳套筒(4)的材料为铝或铜。

8.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的外壳套筒(4)与泡沫结构(2)之间还设有楔形插片(6)。

9.根据权利要求1所述的一种带翅片和泡沫导热结构的复合散热装置，其特征在于，所述的外壳套筒(4)内设有多个电池单体(5)，所述的外壳套筒(4)与电池单体(5)之间填充泡沫结构(2)，该泡沫结构(2)中间通过多块翅片(3)隔开，所述的翅片(3)的两侧分别紧密贴合外壳套筒(4)和电池单体(5)或相邻的两电池单体(5)。