CN105742542A - 一种强制对流动力电池散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种强制对流动力电池散热装置，开口向上的电池包箱体内间隔布置若干个柱形电池，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板，热扩散板通过套筒紧密外套在电池上；热扩散板下方的电池包箱体空间内填充吸热导热材料层，热扩散板上方，对应电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，进风口和/或排风口上配置风扇；或者，热扩散板与电池包箱体侧壁留有空隙，遍布电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板上开设/不开设通风孔。本装置既可以用于主动风冷换热，也可以用于填充相变材料的被动散热，散热效果好，温度分布更均匀，外形紧凑，结构简单，适用于动力电池系统。

Description

一种强制对流动力电池散热装置
技术领域
本发明涉及动力电池冷却技术领域，尤其是涉及一种强制对流动力电池散热装置。
背景技术
动力电池如锂离子电池能量密度高，体积小，循环寿命较长，在电动乘用车、商务车上应用潜力很大。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、爆炸等事故，常规的钴酸锂正极材料电池温度需要控制在50摄氏度以内，以避免热失控和起火爆炸，提高安全性。随着电池材料和工艺的进步，以磷酸铁锂为正极材料的电池工作温度虽然可以提升到60摄氏度或更高，但随着温度进一步上升，电池容量衰减明显，在高温下仍然会发生热失控和着火现象。因此动力锂离子电池散热技术的研究和实施尤为迫切。
动力锂离子电池散热系统通常采取风冷方式冷却电池通道，常规风冷散热系统体积小，但是散热效果有限，并且电池温度均匀性差。利用相变材料潜热吸热是另外一种电池热管理方式，相变材料如石蜡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速度、缓和热冲击，提高电池寿命和稳定性，但是相变材料也同时存在导热率低，不能迅速、均匀地传热等缺点。
专利201210399617.6公开了一种电池模块，包括：多个方形电池单体；以及限定了大致蜿蜒形状的波纹翅片，所述波纹翅片带有交替的直线段和顶部段，使得所述多组电池单体中的至少一个设置在所述波纹翅片的限定在相邻直线段之间的区域中。该专利虽然具有一定的散热效果，但动力电池向翅片传热没有专门的紧固机制，导致接触缝隙和接触热阻较大，中心向外传热具有较大温差，不适合于大功率动力型电池。
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和温度控制不足的缺点。当相变材料完全溶化后，潜热吸热结束，过低的导热系数反而阻挡热量向电池箱体的散热速度。
专利201110345442.6公开了一种LED灯太阳花散热器，包括圆形散热座和若干散热鳍片，在圆形散热座的外圆上排列有散热鳍片，其特征在于：还包括散热筋，在相邻两个散热鳍片之间连接有散热筋，所述散热筋为弧形。所述散热座由铜材料制成。该专利的散热鳍片通过挤压工艺制备而成，工艺相对复杂、耗时，且制得的散热鳍片重量过重，体积庞大，不能用于对重量、体积要求高的如汽车等的动力电池系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种强制对流动力电池散热装置，该装置通过热扩散板形成优良导热通路，加装风扇形成强制对流的主动冷却方式，或者，还可以运用强制对流和相变材料吸热等复合散热方式，一方面提高散热速度，降低最大温度，另一方面，电池使用过程中的均温性好，并且装置结构紧凑，体积相对较小，利于在有限的空间内布置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种强制对流动力电池散热装置，其特征在于：
开口向上的电池包箱体内间隔布置若干个柱形电池，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板，热扩散板上开设与电池对应的通孔，通孔内缘通过套筒紧密外套在电池上；
所述热扩散板在电池包箱体内有两种配置方式：
第一种，所述热扩散板下方的电池包箱体空间内填充吸热导热材料层，热扩散板与电池包箱体侧壁紧密配合，将吸热导热材料层密封在其下方的电池包箱体空间内，在热扩散板上方，对应电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇；
第二种，所述热扩散板与电池包箱体侧壁留有空隙，遍布电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板上开设或不开设通风孔，如果开设通风孔，通风孔连通热扩散板上下方的电池包箱体空间。
电池包箱体具有进风口和排风口，在进风口和/或排风口上配置若干风扇，以形成强制对流的主动式风冷散热结构；热扩散板一方面可增加对流换热面积，从而降低最高温差，另一方面，热扩散板一般由导热系数较高的材料如铝、铜、钛等制成，具有反向导热能力，从而降低电池上游和下游之间的温差，提高电池温度均匀性；热扩散板上的通孔内缘由冲压工艺或其它加工方式形成套筒结构，可增大热扩散板和电池之间的导热面积，提高机械稳定性和导热效率；如果热扩散板下方没有填充吸热导热材料层，热扩散板上可开设若干通风孔，降低风阻，平衡热扩散板上下两侧的风量，从而进一步提升风扇效率和风速、降低电池最高温度；如果热扩散板下方填充了吸热导热材料层，吸热导热材料层除了吸收、传导电池产生的部分热量外，还具有降低电池温度热冲击幅度、减缓机械冲击等作用，热扩散板在导热的同时还要起到密封吸热导热材料层的作用。
进一步的，所述吸热导热材料层为相变材料层，或者弹性灌封材料层，或者绝缘导热油，或者具有导热填料的复合绝缘导热油；所述的相变材料层为包含相变温度在30～80℃的石蜡、脂肪酸和无机盐相变材料中的一种或多种的相变材料层；所述弹性灌封材料层为导热率大于0.2W/mK的有机硅、聚氨酯材料层；所述绝缘导热油是导热率大于0.05W/mK的有机导热油；所述导热填料为导热率在10W/mK以上的绝缘颗粒；吸热导热材料层部分填充或者充满在热扩散板下方的电池包箱体空间内。
相变材料层或弹性灌封材料层具有一定的导热效果：相变材料在溶化时的潜热可以吸收电池产生的部分热量，并保持温度不变，从而降低电池温度热冲击幅度，此外，通过热扩散板和电池包箱体导出另外部分热量，从而进一步降低电池温度；弹性灌封材料通常具有导热填料，也可以进一步加强导热，降低热冲击，此外，弹性灌封材料具有较好的韧性和延展性能，可降低机械应力，减缓机械冲击。
绝缘导热油为普通合成油或者精制矿物油的一种，例如：烷基苯型(苯环型)导热油，联苯和联苯醚低熔导热油，有机硅油，典型品牌如陶氏化学的DowTherm导热油；导热填料的主要选择包括氧化铝、氢氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅等类似的具有导热功能的绝缘颗粒。在车辆行驶过程中，导热油的液态震荡产生的导热、对流综合作用有利于电池向外散热。导热填料可进一步增强传热。
再进一步，在热扩散板下方的电池周围间隔配置若干个导热柱，导热柱下端和电池包箱体箱体底部相连接；导热柱截面为圆形，方形，菱形，星形，或其它类似的、具有较大的导热外缘的截面形状。从而提高电池和底部箱体之间的换热能力。
进一步的，所述通孔在热扩散板上叉排或者顺排，导热柱在电池包箱体内叉排或者顺排，导热柱与电池间隔平行排列。这种布置方式不仅充分利用了电池包箱体的内部空间，在有限的空间内尽可能多的布置导热柱和电池，结构紧凑，并且导热柱和电池的均匀间隔布置，也有利于提高导热效率。
再进一步，所述套筒和电池之间填充界面导热材料层；所述界面导热材料层为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体，导热率不小于0.2W/mK的导热粘结胶层。界面导热材料层具有两个作用：一是保证套筒和电池之间的导热接触面充分，避免局部区域因加工、装配等原因形成的空隙造成的导热中空带，二是界面导热材料层还可以起到密封、固定作用，在填充了吸热导热材料层的情况下，避免热扩散板下方的相变材料或绝缘导热油，复合绝缘导热油等填充物的泄漏。
再进一步，所述热扩散板为上、下间隔布置的多层，以便于加大换热面积，进一步降低电池温升和温度梯度。
再进一步，所述热扩散板上的通孔冲压成形，所述套筒为冲压时在通孔内缘形成的70～90度的直角或者接近直角翻折面,套筒可朝上或者朝下，通孔冲压时四周翻成直边而自然形成的套筒，结构简单，利于加工。
再进一步，热扩散板为铝、铜、钛、铁等高导热率金属板，厚度为0.1～5mm；导热柱为铝、铜等高导热率金属柱体。热扩散板、导热柱的材料选择不仅导热效率高，并且易于加工。
再进一步，所述热扩散板为铝板或铝合金板，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层。阳极氧化后的铝或其合金，提高了硬度和耐磨性，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K，耐击穿电压高达2000V，具有优良的电绝缘性。
再进一步，所述进风口上配置的风扇是离心式鼓风扇，排风口上配置的风扇是轴流式排风扇，以加强空气对流效果。
再进一步，所述导热柱与热扩散板之间通过固定螺栓、焊接固定，或者套筒或者其它兼具固定与导热的连接方式固定，导热柱和电池包箱体底部之间通过固定螺栓固定或者焊接或者其它兼具固定与导热的连接方式固定。一方面形成电池–热扩散板–电池箱体底板的散热通路，另一方面，加固热扩散板，提高机械强度。
再进一步，在电池包箱体内配置上绝缘定位板，上绝缘定位板紧套在电池顶部，位于热扩散板上方；所述电池包箱体通过空气冷却或者液体冷却，电池箱体材料为金属铝，并带有加强筋。加强筋不仅增大电池包箱体的机械强度和耐冲击性，也增加了电池箱的表面积，加速电池包箱体表面的传热作用。
本发明的有益效果在于：
1、传热强化效果优良。由于电池表面积有限，热阻大，本发明采用高导热率金属材料制作的热扩散板和套筒，可大大提高换热面积，强化风冷换热以及与储能材料如相变材料的换热能力，降低了电池散热热阻，从而大大降低电池最高温度。同时，热扩散板的高导热能力，也降低电池温度不均匀性，具有优良的强化传热和均温效果。
2、缓冲撞击效果好、成本低：热扩散板结构加工容易，成本低，具有较好的韧性、更低的硬度，当在外部冲撞等极端情况下，受到冲击即可弯曲变形，吸收应力从而缓冲对产热器件的撞击强度，此外，热扩散板和导热柱形成的导热通路外形紧凑，结构简单，材料用量少，节省成本，适用于动力电池系统；
3、强制对流加强散热效果，通过开设进风口和排风口形成强制对流风道，对热扩散板、电池本身、导热柱等散热，进一步加强了散热效果。
附图说明
图1为本装置一种优选方案的透视正视结构示意图。
图2为图1的A-A向剖视图。
图3为图2的B-B向剖视图。
图4～5为两种不同的套筒结构与热扩散板的配合示意图。
图6为具有三层热扩散板的散热装置截面剖视图。
图7为热扩散板下部填充相变材料的电池包结构示意图。
图8为热扩散板下部填充相变材料、安装导热柱的电池包结构示意图。
图9～11为8X8顺排阵列的18650圆柱形电池(18表示直径，65表示长度，单位均为mm)风扇冷却的计算模拟结果，其中：
图9模拟结果：没有安装热扩散板的电池的温度云图(单位：℃)；
图10模拟结果：在电池中部安装一块热扩散板的电池的温度云图(单位：℃)；
图11模拟结果：在电池上部、中部、下部分别安装三片热扩散板的电池的温度云图(单位：℃)。
其中：1为电池，2为热扩散板，3为导热柱，4为通风孔，5为相变材料层，6为风扇，7为界面导热材料层，8为套筒，9为连接电路，10为上绝缘定位板，11为电池包箱体侧壁，12为填料孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1～3，图7～8所示，开口向上的电池包箱体内立式间隔布置若干个柱形电池1，电池1可以是方柱、圆柱或者铝塑膜软包形等不同包装形式。靠近电池1顶部，在电池包箱体内配置上绝缘板10，上绝缘定位板10紧套在电池1上。
在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板2，热扩散板2为铝、铜、钛、铁等高导热率金属板，厚度为0.1～5mm，热扩散板2外表面带有一层经阳极氧化钝化处理后，具有电绝缘强度的氧化膜层。
如图7～8所示，热扩散板2外缘紧贴电池包箱体侧壁，将相变材料层5、导热油或者弹性灌封材料层等吸热导热材料层密封在其下方的电池包箱体空间内，热扩散板2上开设有螺纹填料孔12，填注好吸热导热材料层后再拧紧密封螺栓。热扩散板2边缘折弯，和电池包箱体相连，起到密封和加固作用。在热扩散板2上方，对应电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇6；如图8所示，在热扩散板2下方的电池周围间隔配置若干个导热柱3，导热柱3下端和电池包箱体底部相连接。导热柱的截面可以为圆形，方形，菱形或星形，可进一步增强导热。
如图1～3所示，热扩散板2与电池包箱体侧壁11留有空隙，遍布电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板2上开设若干通风孔4，连通热扩散板2上下方的电池包箱体空间。
如图4～5所示，热扩散板2上冲压出与电池1对应的通孔，冲压时在通孔内缘形成的向上、向下的90度直角翻折面，即为套筒8。套筒8紧密外套在电池1的中、上部高度位置。热扩散板2可以具有单向套筒，也可以具有双向套筒，形成双向套筒的一个方法是将两个具有同样单向套筒的热扩散板2呈镜像相对粘结而成。
如图3所示，套筒8和电池1之间填充界面导热材料层7，界面导热材料层7为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体，导热率不小于0.2W/mK的导热粘结胶层。
如图1～3所示，若干风扇6设置在电池包箱体排风口处，距离热扩散板2些余间隙，可降低热扩散板2尾端回流效应。风扇也可设置在电池包箱体进风口，其中以风扇6设置在电池包箱体排风口处为宜，可避免冷风直吹电池1，减少电池1温度不均匀度。
如图6所示，电池1正极朝上成组，为了进一步降低温升和温度梯度，可以安装多层热扩散板，分别位于电池1的下部、中部和上部位置。
如图9～11所示，在计算机数值模拟过程中，热扩散板2、电池包箱体底部6材料均为铝合金6063，热扩散板2厚度为1.8mm，电池型号为18650锂电池(其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池)，发热功率模拟普通倍率放电下发热情况，发热量为1W，进风口空气温度设为定温30℃。
如图9所示，没有热扩散板2时，其散热主要依赖于电池的强迫对流，由于空气的热容效应，随着流通方向空气温度上升，导致电池上下游温差较大，接近排风口的最高温度为53℃，上下游电池温差超过13℃.
如图10所示，当采用热扩散板2时，电池单体热量可直接通过热扩散板的扩展表面向空气换热，从而降低电池热阻，避免电池温度过高。同时，由于热扩散板2的导热作用，电池温度均匀性好，避免了因温度梯度造成的部分电池容量过快衰减，从而提高电池整体寿命和使用年限。如图11所示，当采用三块热扩散板时，电池的最高温度进一步下降，电池间的温差进一步降低。

Claims (10)

1.一种强制对流动力电池散热装置，其特征在于：
开口向上的电池包箱体内间隔布置若干个柱形电池(1)，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板(2)，热扩散板(2)上开设与电池(1)对应的通孔，通孔内缘通过套筒(8)紧密外套在电池(1)上；
所述热扩散板(2)在电池包箱体内有两种配置方式：
第一种，所述热扩散板(2)下方的电池包箱体空间内填充吸热导热材料层，热扩散板(2)与电池包箱体侧壁(11)紧密配合，将吸热导热材料层密封在其下方的电池包箱体空间内，在热扩散板(2)上方，对应电池包箱体相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇(6)；
第二种，所述热扩散板(2)与电池包箱体侧壁(11)留有空隙，遍布电池包箱体,相对的两侧侧壁分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板(2)上开设或不开设通风孔(4)，如果开设通风孔(4)，通风孔(4)连通热扩散板(2)上下方的电池包箱体空间。
2.根据权利要求1所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：
所述吸热导热材料层为相变材料层(5)，或者弹性灌封材料层，或者绝缘导热油，或者具有导热填料的复合绝缘导热油；
所述的相变材料层(5)为包含相变温度在30～80℃的石蜡、脂肪酸和无机盐相变材料中的一种或多种的相变材料层；
所述弹性灌封材料层为导热率大于0.2W/mK的有机硅、聚氨酯材料层；
所述绝缘导热油是导热率大于0.05W/mK的有机导热油；
所述导热填料为导热率在10W/mK以上的绝缘颗粒；
吸热导热材料层部分填充或者充满在热扩散板(2)下方的电池包箱体空间内。
3.根据权利要求1所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：
在热扩散板(2)下方的电池周围间隔配置若干个导热柱(3)，导热柱(3)下端和电池包箱体箱体底部相连接；
导热柱(3)截面为圆形，方形，菱形或星形。
4.根据权利要求3所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：所述通孔在热扩散板(2)上叉排或者顺排，导热柱(3)在电池包箱体内叉排或者顺排，导热柱(3)与电池(1)间隔平行排列。
5.根据权利要求1所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：
所述套筒(8)和电池(1)之间填充界面导热材料层(7)；
所述界面导热材料层(7)为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体，导热率不小于0.2W/mK的导热粘结胶层。
6.根据权利要求1所述的动力电池的散热装置，其特征在于：所述热扩散板(2)上的通孔冲压成形，所述套筒(8)为冲压时在通孔内缘形成的70～90度翻折面。
7.根据权利要求1所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：所述热扩散板(2)为高导热率金属板，厚度为0.1～5mm。
8.根据权利要求7所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：所述热扩散板(2)为铝板或铝合金板，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层。
9.根据权利要求1所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：所述进风口上配置的风扇是离心式鼓风扇，排风口上配置的风扇是轴流式排风扇。
10.根据权利要求1所述的强制对流动力电池散热装置，其特征在于：
在电池包箱体内配置上绝缘定位板(10)，上绝缘定位板(10)紧套在电池(1)顶部，位于热扩散板(2)上方；
所述电池包箱体通过空气冷却或者液体冷却，电池箱体材料为金属铝，并带有加强筋。
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