CN106410314B - 具有环形翅片的换热结构及具有该换热结构的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有环形翅片的换热结构，用于强化产热器件对外部环境的散热能力，该换热结构包括产热器件以及缠绕在产热器件外部的导热带，导热带外侧设有一组或多组环形翅片；本发明还涉及一种具有环形翅片的换热结构的散热装置，散热装置包括箱体以及设置在箱体内的多组换热结构，箱体和换热结构之间设有吸热材料，吸热材料包括相变材料、弹性灌封材料或绝缘导热油中的一种。与现有技术相比，本发明具有环形导热翅片，传热强化效果优良、缓冲撞击效果好、结构灵活、重量轻、体积小，复合散热装置散热性能优良等优点。

Description

具有环形翅片的换热结构及具有该换热结构的散热装置

技术领域

本发明涉及动力电池散热技术领域，具体涉及一种具有环形翅片的换热结构及具有该换热结构的散热装置。

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，在摩托车、电动汽车上应用潜力和市场很大。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、外壳膨胀破裂，导致自燃、爆炸等事故，而常规的钴酸锂电池温度需要控制在50摄氏度以内，以避免热失控，提高安全性。磷酸铁锂电池的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。

散热系统通常采取风冷冷却。风冷散热系统体积小，但是散热效果非常有限。而吸热材料如石蜡类型的相变材料具有相变过程吸收潜热高、温升小、化学稳定性好、体积变化小、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。但是相变材料导热率低，不能迅速、均匀地传热。

中国专利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，不适合于带有相变材料的动力电池装置，也不适合于圆柱形电池，同时因为具有额外蜿蜒形状和结构强度，导致散热体积和重量都较大，实际应用性有限。

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；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的缺点。

中国专利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传热效果好、缓冲撞击效果好的具有环形翅片的换热结构及具有该换热结构的散热装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有环形翅片的换热结构，该换热结构位于产热器件外侧，用于强化产热器件对外部环境的散热能力，该换热结构包括位于所述产热器件外部的导热带，所述导热带外侧设有一组或多组环形翅片。

所述导热带呈长条形带状，在使用时，导热带直接或间接缠绕在产热器件外侧，其在使用时的形状根据产热器件的形状变化。所述的缠绕带、导热带的材料优选为铝、铝合金轻质材料，如型号6061、6063，也可以为铜、铁、钛等导热金属材料或石墨膜等非金属导热材料。

所述导热带直接缠绕在产热器件外侧，所述产热器件优选为圆柱形或方柱形的电池。

所述导热带和产热器件之间设置缠绕带，且一条缠绕带上可设有多条平行排列的导热带，所述缠绕带缠绕在产热器件外侧，所述缠绕带和导热带焊接或者通过粘结层连接在一起，即导热带间接缠绕在产热器件外侧，所述缠绕带的材料包括铝、铝合金或石墨膜中的一种。

导热带与产热器件有两种连接方式：一种是导热带直接连接在产热器件外，另一种是导热带先连接在缠绕带上，然后缠绕带缠绕在产热器件上。在生产过程中，保证缠绕带、导热带与电池单体等产热器件的壁面热接触良好，环形翅片能增大产热器件与外部环境的换热面积，达到强化传热的目的，相比于背景技术中的挤压翅片而言，本发明环形翅片结构更为轻薄，体积和重量都比较小，适合于排列紧密的电池包系统，同时，环形翅片通过导热带直接弯折而成，材料成本和制造成本都大大降低。

在缠绕带上的环形翅片可以有多排，其在缠绕带上呈顺排或错排设置，所述顺排为缠绕带外侧不同导热带上的环形翅片均匀呈列队状排布，所述错排为缠绕带外侧不同导热带上的环形翅片之间散乱分布。

所述的环形翅片不拘于特定的圆形或者椭圆形，可通过挤压变形贴合周围结构形状，而当在外部猛烈冲撞等极端情况下，环形翅片收到冲击即可通过局部弯曲变形来降低冲击强度和冲击波的传播，再加上环形翅片与导热带的一体式结构也能有效减少产热器件在单位面积收到的冲击力，从而多方面缓冲对产热器件的撞击强度，降低产热器件破损的几率，避免电池等产热器件刺破、短路、起火甚至爆炸，提高安全性能。

所述产热器件和导热带之间填充有界面导热胶层。

所述界面导热胶层的材料为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体的导热粘结材料，所述界面导热胶层的导热率大于等于0.2W/m·K，界面导热胶层能有效的消除导热带与电池单体之间的空气缝隙，从而减小导热热阻；优选的，所述的导热粘结材料可以选自汉高、瓦克、道康宁等供应商供应的粘接胶，如道康宁的EA9189。

一种采用如上所述具有环形翅片的换热结构的散热装置，包括箱体以及设置在箱体内的多组换热结构，所述箱体和换热结构之间设有吸热材料，所述吸热材料包括相变材料、弹性灌封材料或绝缘导热油中的一种。

所述相变材料为相变温度在30～80℃的石蜡、脂肪酸或无机盐相变材料中的一种或多种；

所述弹性灌封材料层为导热率大于0.2W/m·K的有机硅、聚氨酯；

相变材料或弹性灌封材料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。

所述绝缘导热油为导热率大于0.05W/m·K的有机导热油。

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。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。

所述箱体的材料为铝或铜，所述箱体的外侧设有加强筋，所示箱体的外侧通过空气或液体进行冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)传热强化效果优异：本发明采用铝或铝合金作为导热带，在导热带上部分弯折得到一体成型的环形翅片，并将导热带缠绕产热器件使环形翅片向外伸展到外部环境中，从而可以增大产热器件与外部环境的换热面积，强化传热效果；

(2)结构灵活、适于装配、缓冲撞击效果好：环形翅片结构具有更低的硬度，且是通过导热带直接弯折而成，当在外部冲撞等极端情况下，环形翅片收到冲击即可弯曲变形，从而缓冲对产热器件的撞击强度，此外，导热带的外形紧凑，结构简单，铝材用量和体积都很少，从而大大节省成本，特别适用于动力电池系统；

(3)将本发明的导热带应用于动力锂离子电池等的复合散热装置中，电池与外壳箱体之间布置的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，通过翅片结构，可以加快热量向相片材料的传递，从而降低了电池温升，缓和热冲击。同时与不带导热带的电池系统相比，带有本发明的导热带的复合散热装置的电池系统的散热效果更好，温度分布更均匀。

附图说明

图1为本发明换热结构的一种结构示意图；

图2为附着在缠绕带的椭圆环形翅片以及连续导热带；

图3为附着在缠绕带的椭圆环形翅片以及断开式导热带；

图4为本发明换热结构的一种结构示意图；

图5为可直接缠绕的环形翅片导热带；

图6为可直接缠绕的直线环形翅片导热带；

图7为带有8个环形翅片的换热结构；

图8为散热装置的侧视图；

图9为散热装置的俯视剖面图；

图10为不带翅片导热带的数值仿真结果；

图11为带有4个翅片导热带的数值仿真结果；

图12为带有8个翅片导热带的数值仿真结果；

图13为带有导热带和环形翅片的电池包顺排放置、采用风冷的实施方式。

其中，1为产热器件，2为缠绕带，3为导热带，4为环形翅片，5为界面导热胶层，6为电池单体，7为箱体，8为吸热材料，9为定位绝缘板，10为电线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种具有环形翅片的换热结构，其结构如图1所示，该换热结构用于强化产热器件对外部环境的散热能力，该换热结构从内向外依次包括产热器件1、界面导热胶层5、缠绕带2和导热带3，导热带3上设有4个环形翅片4，其中缠绕带2、导热带3和环形翅片4的材质为铝，导热带3和缠绕带2焊接连接，界面导热胶层5的材质为EA9189。其中，该换热结构所用的导热带结构如图2、图3所示，导热带3可以为连续型导热带，也可以为断开式的导热带。

实施例2

一种具有环形翅片的换热结构，其结构如图4所示，该换热结构是将导热带3直接弯折形成4个的环形翅片4，固定在产热器件1上，且环形翅片4的形状如图5、图6所示，该环形翅片4可以是椭圆形的，也可以是直线型的，根据换热能力的需求可以任意选择环形翅片4的形状，只要其在导热带3的基础上向外延伸即可。

实施例3

一种具有环形翅片的换热结构，其结构与实施例1类似，不同之处在于本实施例的环形翅片共有8个，具体结构如图7所示。

实施例4

一种具有环形翅片换热结构的散热装置，其结构如图8和图9所示，该散热装置为一个电池包，所采用的产热器件为电池单体6，该电池包包括箱体7和多个设置在箱体内部的电池单体6，电池单体6通过定位绝缘板9与箱体7固定，电池单体6与定位绝缘板9通过粘结材料进行粘接密封；相邻的两组电池单体6通过电线10连接，位于两端的电池单体6通过连接电路连接外部电路，箱体7的外侧设有加强筋。

其中，每个电池单体6的外侧设有缠绕带、导热带，导热带上设有4个环形翅片4，边角电池单体6上的环形翅片4可以承受挤压以贴合外壳内壁面，而不影响电池装配和散热性能。电池单体6与箱体7之间设有吸热材料8，该吸热材料为相变温度为30～40℃的石蜡，导热带与电池单体之间还填充有以聚氨酯为基体的界面导热胶层，其导热率为0.2W/m·K，外壳箱体的材料为铝。

实施例5

设立空白组，即在产热器件的外侧缠绕单纯的导热带，导热带上不设环形翅片。将空白组及实施例1、实施例3的换热结构分别做数值仿真，其结果分别如图10、图11和图12所示，其中，相变材料为石蜡，固液相变温度区间为326-326.15K，导热系数0.2W/m·K，产热器件为18650圆柱电池，产热功率为8W。所述环形翅片为椭圆形，材料为铝，厚度t为0.4mm，伸展长度为2a＝6mm，宽度为2b＝4mm，这里a为长轴b为短轴。和不带有环形翅片纯相变材料情形相比，带有4个环形翅片可以大大降低电池的最高温度。椭圆形翅片的换热面积S1可由下式计算(数学手册，高等教育出版社，1979)。

缠绕带为0.4mm厚的铝带侧面换热面积为

S2＝π×18.2×65＝3717mm²。

其换热面积之和为S1+S2＝11321mm²，远大于18650电池侧面的换热面积3676mm²，从而明显提高换热效率。而翅片和缠绕带总重为8.08克，只占电池重量的20％。

如果采用平面内导热率更高的石墨膜作为导热带，其横向导热率可达1000W/m·K以上，为铝材的5倍，则在同样导热效果情况下，其厚度可以大大降低，从而进一步降低重量。若进一步增加翅片数量到8个，可进一步降低电池的最高温度，不过重量会有所增加。

实施例6

本实施方式为风冷强制对流。一种具有环形换热翅片的电池模组，平行顺排排列，风扇将冷风从电池头部或者底部吹入，经过电池单体6的间隙，通过电池表面和环形翅片4的延展面积对流换热，将电池模组的热量带走。该环形翅片4可以为椭圆形、直线型，根据设计要求可以选择翅片形状，本实施例采用直线型，其具体结构如图13所示，图中的箭头表示风向。

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 (6)

1.一种具有环形翅片的换热结构，该换热结构位于产热器件外侧，用于强化产热器件对外部环境的散热能力，其特征在于，该换热结构包括位于所述产热器件外部的导热带，所述导热带外侧设有一组或多组环形翅片；

所述导热带呈长条形带状，在使用时，导热带直接或间接缠绕在产热器件外侧，所述导热带和环形翅片的材料包括铝、铝合金、铜或石墨膜中的一种；

所述导热带和产热器件之间设置缠绕带，且一条缠绕带上可设有多条平行排列的导热带，所述缠绕带缠绕在产热器件外侧，所述缠绕带和导热带焊接或者通过粘结层连接在一起，即导热带间接缠绕在产热器件外侧，所述缠绕带的材料包括铝、铝合金或石墨膜中的一种；

所述环形翅片在缠绕带上呈顺排或错排设置，所述顺排为缠绕带外侧不同导热带上的环形翅片均匀呈列队状排布，所述错排为缠绕带外侧不同导热带上的环形翅片之间散乱分布；

所述导热带直接缠绕在产热器件外侧。

2.根据权利要求1所述的一种具有环形翅片的换热结构，其特征在于，所述产热器件和导热带之间填充有界面导热胶层。

3.根据权利要求2所述的一种具有环形翅片的换热结构，其特征在于，所述界面导热胶层的材料为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体的导热粘结材料，所述界面导热胶层的导热率大于等于0.2W/m·K。

4.一种采用如权利要求1～3任一所述具有环形翅片的换热结构的散热装置，其特征在于，所述散热装置包括箱体以及设置在箱体内的多组换热结构，所述箱体和换热结构之间设有吸热材料，所述吸热材料包括相变材料、弹性灌封材料或绝缘导热油中的一种。

5.根据权利要求4所述的一种具有环形翅片的换热结构的散热装置，其特征在于，所述相变材料为相变温度在30～80℃的石蜡、脂肪酸或无机盐相变材料中的一种或多种；

所述弹性灌封材料层为导热率大于0.2W/m·K的有机硅、聚氨酯；

所述绝缘导热油为导热率大于0.05W/m·K的有机导热油。

6.根据权利要求4所述的具有环形翅片的换热结构的散热装置，其特征在于，所述箱体的材料为铝或钢铁，所述箱体的外侧设有加强筋，所示箱体的外侧通过空气或液体进行冷却。

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