CN106654450B - 一种动力电池液冷成组箱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池液冷成组箱，其特征是包括箱体、设置在箱体侧壁上的总进出水模块、固定在箱体内部的多组电池模组；呈长方体的单体电池为立式排放构成电池列，每个电池模组是由两个电池列并列设置，并有液冷换热薄板直立在两列单体电池之间；液冷换热薄板的本体内腔设置有液体流道，进水接头和出水接头与液体流道相贯通。本发明适用用于长方体型锂离子电池或软包聚合物电池，能够实现动力电池的高效、均一的降温散热和升温加热，并大力提升动力电池箱体的能量密度。

Description

一种动力电池液冷成组箱
技术领域
本发明涉及电动汽车动力电池成组结构设计技术领域，具体涉及纯电动汽车或混合动力汽车用动力电池液冷成组箱体及其液冷换热薄板。
背景技术
电动汽车的技术关键是动力电池，动力电池性能的优劣直接决定了电动汽车的整车性能、安全与使用寿命等。在动力电池各项性能参数中，温度是影响电池的安全、性能和寿命的关键参数，过低则会导致整车性能下降，过高则可能会引发安全事故。
在高温环境下，特别是在炎热的夏季，动力电池在充放电过程中和高温环境下使用时会释放出大量的热，受空间影响产生热量累积，如果该热量不能及时被排出，热量将会使得电池包的温度上升，此时须启动散热系统对动力电池冷却；在低温情况下，特别在寒冷的冬季，动力电池工作性能很差，甚至无法正常运行，此时必须对电池进行加热升温，使之处于最佳的使用温度水平。
动力电池组的散热和加热结构不完善会引起电池包各个模块温度分布不均匀，使得每个电池单体的工作环境不一样，严重影响单体电池性能的一致性，影响整个动力电池组的使用寿命。
随着新能源汽车对动力电池容量需求的增大，动力电池箱体内装载的单体电池数量在增多，但箱体空间有限，如何在一定空间内布置足够多的单体电池，并组织有效的加热与散热结构设计，就显得异常关键。
长方体动力电池是新能源汽车行业普遍采用的一种形状规格，考虑到成本、密封性和安全性的因素，目前电动汽车动力电池组散热和加热的传热介质大都是气体空气。但是，使用空气为介质存在有局限，包括：由于需要加热或冷却的空气需要流过每一块电池单体，而车内上千块电池单体，电池单体之间的空隙很小，空气流通的阻力太大，使得选用的风机转速和功率增加，造成不必要的电能消耗，风机噪声增加；一些结构设计甚至没有空隙，无法实现针对每一块电池单体进行空气温度调节。
近年来使用液体为传热介质的电动汽车热管理方案也在逐渐得到重视，但其密封性要求高，液体的流道布局复杂，且大都由于电池箱体内的单体电池布局不规整，使得与单体电池直接换热的单个液冷换热元件的结构不统一，导致每个液冷换热元件内部流过的液体阻力损失不一致，即液体流过所需的压头不一致，容易导致液体流量与所需换热量不成比例关系，造成换热效果不均匀，使得单体电池的温差过大。
在动力电池的成组结构设计上，国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》已明确了至2020年动力电池模块的能量密度达到300Wh/kg，对应的单体电池能量密度至少达到330Wh/kg以上的目标；该目标一方面对单体电池性能指标提出要求，另一方面在电池模块设计上，对于电池箱体内尽可能放置比较多的单体电池提出要求，是在保证固定安装的前提下减轻箱体的重量。据文献报道，现阶段单体电池比能量仅为120-200Wh/kg，组合成电池包后，电池系统能量密度还不到90-120Wh/kg。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存的不足，针对长方体动力电池提供一种动力电池液冷成组箱，实现长方体动力电池的高效、均一的降温散热和升温加热，并通过模块化设计，实现电池模组的紧凑布置以提高动力电池箱的能量密度。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明动力电池液冷成组箱的结构特点是：包括箱体、设置在箱体侧壁上的总进出水模块、固定在箱体内部的多组电池模组；
呈长方体的单体电池为立式排放，并以最大面积的面呈相对构成电池列，每个电池模组是由两个电池列并列设置，并有液冷换热薄板直立在两列单体电池之间，在构成电池模组的两个电池列的外部设置固定框，使两个电池列形成一整体模块；各单体电池的正极耳和负极耳均处在上部；
所述液冷换热薄板是以长方形薄板为本体，在本体沿长度方向上的两端、位于底部凸伸有凸耳，在其一端凸耳的正反两面固联有进水接头形成进液端，在其另一端凸耳的正反两面固联有出水接头形成出液端，所述本体的内腔设置有液体流道；所述进水接头和出水接头均与液体流道相贯通；
所述本体内腔液体流道的结构形式是：在所述进液端设置一条竖直导流筋，利用竖直导流筋将本体内腔分隔为进水侧和出水侧，所述进水侧是与进水接头相连通的竖直流道，竖直导流筋的顶端与长方形薄板的顶边之间的空隙形成竖直流道出口，在所述出水侧呈水平且上下间隔设置多道水平导流筋，形成水平折返的水平流道。
本发明动力电池液冷成组箱的结构特点也在于：设置各电池模组中液冷换热薄板的进水接头同处在一侧，出水接头同处在另一侧，利用连接管将各液冷换热薄板的进水接头与进水总接头相连接，并利用连接管将液冷换热薄板的出水接头与出水总接头相连接，实现各液冷换热薄板在进水总接头和出水总接头之间的并联连接。
本发明动力电池液冷成组箱的结构特点也在于：所述固定框包括上框和下框，所述上框为一条包裹电池模组的两个侧面和顶面的长窄筋条，长窄筋条的两端相连有T形筋条；在电池模组的顶面，与长窄筋条呈十字相连有横向筋条，所述横向筋条两端向下折弯并紧固电池模组；所述下框托承在电池模组的底面，并在两侧边连有向上的折弯板，所述折弯板为镂空板，所述折弯板在两端延伸有耳板，利用所述耳板与T形筋条的两端紧固连接。
本发明动力电池液冷成组箱的结构特点也在于：所述液冷换热薄板的厚度为1mm-4mm，在其本体的两个换热面均设置有导热膜和绝缘膜。
本发明动力电池液冷成组箱的结构特点也在于：所述凸耳是自本体底边向下凸伸形成在本体下方，或是自本体侧边沿本体长度方向凸伸形成在本体两侧。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用液冷换热，合理布置各单体电池构成电池模组，并在电池模组中设置液冷换热薄板，利用液冷换热薄板与单体电池的大面积的紧密接触，实现快速冷热量的传递，在单体电池与液冷换热薄板之间实现了传热效率的最大化，从而实现对单体电池的迅速有效的升温和降温控制。
2、本发明将多组电池模组并列布置，实现各液冷换热薄板在进水总接头和出水总接头之间的并联连接，使各液冷换热薄板之间的液体流动与换热形成了并列的关系，进出每个液冷换热薄板的液体流量与换热量均能保持一致，每块单体电池获得相等的换热量，从而实现每组电池模组内单体电池温差的最小化，保证整个动力电池箱体内单体电池温度的均一性，避免因常规成组连接所导致的箱体内单体电池过大的问题。
3、本发明基于轻量化设计的液冷换热薄板和固定框，降低了换热器件和紧固连接件的重量，同时根据箱体内部结构实现模块化的电池模组在其内部的组合布局，易于在不同结构的电池箱体内部装配更多的动力电池，从而能够显著提高动力电池箱体的能量密度。
附图说明
图1为本发明电池箱体结构示意图；
图2为本发明中电池模组结构示意图；
图3为本发明中液冷换热薄板立体结构示意图；
图4为本发明中液冷换热薄板内部流道示意图；
图5和图6为本发明中液冷换热薄板另一实施方式示意图；
图7是本发明应用于“T”箱体的结构示意图；
图中标号：1箱体，2单体电池，21正极耳，22负极耳，3电池模组，31上框，311长窄筋条，312为T形筋条，313横向筋条，32下框，33支撑板，34边条，4液冷换热薄板，41进水接头，42出水接头，43长方形薄板，44凸耳，45竖直导流筋，46竖直流道，47水平导流筋，48水平流道，5总进出水模块，51进水总接头，52出水总接头，53连接管。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中动力电池液冷成组箱包括箱体1、设置在箱体1侧壁上的总进出水模块5、固定在箱体1内部的多组电池模组3；箱体1是规则的长方体结构，其进出水模块5上设置有分别贯穿通过的进水总接头51和出水总接头52。
在箱体1中，呈长方体的单体电池2为立式排放，并以最大面积的面呈相对构成电池列，单体电池2是长方体型塑壳或钢壳或铝壳的锂离子动力电池，每个电池模组3是由两个电池列并列设置，并有液冷换热薄板4直立在两列单体电池之间，在构成电池模组3的两个电池列的外部设置固定框，使两个电池列形成一整体模块；设置每个电池列中单体电池2的个数为2-6块，各单体电池2的正极耳21和负极耳22均处在上部，以便于极柱的焊接操作，箱体1中并列且紧邻摆放有10-50个电池模组3；图1和图2所示的一个电池模组3中排列有两列电池列，每列电池列中有两块单体电池2，箱体1中共摆放有20个电池模组3。
参见图3和图4，本实施例中液冷换热薄板4是以长方形薄板43为本体，在本体沿长度方向上的两端、位于底部凸伸有凸耳44，在其一端凸耳44的正反两面固联有进水接头41形成进液端，在其另一端凸耳44的正反两面固联有出水接头42形成出液端，本体的内腔设置有液体流道；进水接头41和出水接头42均与液体流道相贯通；液冷换热薄板4的厚度为1mm-4mm，在其本体的两个换热面均设置有导热膜和绝缘膜，图3及图4所示的凸耳44是自本体底边向下凸伸形成在本体下方，这一形式可以减小整个电池模组3的宽度。
图2所示，为了实现对电池模组3的支撑，在电池箱体1内、处在电池模组3的底部设置有支撑板33，也利用支撑板33形成凸耳44的高度空间；在电池模组3的两侧边，与下框32通过螺钉连接有边条34，形成电池模组3在箱体1中的限位结构。
如图4所示，本实施例中本体内腔液体流道的结构形式是：
在进液端设置一条竖直导流筋45，利用竖直导流筋45将本体内腔分隔为进水侧和出水侧，进水侧是与进水接头41相连通的竖直流道46，竖直导流筋45的顶端与长方形薄板43的顶边之间的空隙形成竖直流道出口，空隙的宽度是竖直流道46的宽度0.5-1倍；在出水侧呈水平且上下间隔设置多道水平导流筋47，形成水平折返的水平流道48；具体实施中，形成各层水平流道48的水平导流筋47为分段设置，段间形成过流通道，图4中水平导流筋47共有7道，自上而下依次为第一道至第七道；其中，第一、第三、第五和第七道水平导流筋是在中部分段，在两端与侧壁有空隙，以此形成三个过流通道；第二、第四和第六道水平导流筋分为三段，在两端与侧壁形成相连，以此形成三个过流通道，相邻两层水平导流筋形成的过流通道处在相互交错的位置上，以此避免过流短路。
如图1和图2所示，具体设置中，设置各电池模组3中液冷换热薄板4的进水接头41同处在一侧，出水接头42同处在另一侧，利用连接管53将各液冷换热薄板4的进水接头41与进水总接头51相连接，并利用连接管53将液冷换热薄板4的出水接头42与出水总接头52相连接，实现各液冷换热薄板4在进水总接头51和出水总接头52之间的并联连接。
图2示出，为了保证电池模组3的稳固性及符合轻量化准则，设置固定框包括有上框31和下框32，上框31为一条包裹电池模组3的两个侧面和顶面的长窄筋条311，长窄筋条311的两端相连有T形筋条312；在电池模组3的顶面，与长窄筋条311呈十字相连有横向筋条313，横向筋条313两端向下折弯并紧固电池模组3；下框32托承在电池模组3的底面，并在两侧边连有向上的折弯板，折弯板为镂空板，是在保证底部固定强度的前提下进一步减轻重量，提升箱体的能量密度，折弯板在两端延伸有耳板，利用耳板与T形筋条312的两端紧固连接。
具体实施中，在电池箱体1的外部，通过管道将加热器、散热器、微型泵以及控制阀等与总进出水模块5上的进水总接头51与出水总接头52相连通，形成回路，传热介质可以是去离子水与醇类的混合液。
工作过程：在电池温度过高时，启动散热器、不启动加热器，通过与单体电池2紧密接触的液冷换热薄板4，将单体电池2的热量传递给液冷换热薄板4内的流体，流体并流汇集后经过出水总接头52流出电池箱体1，将热量通过散热器传递外界环境，散热器中的流体温度降低后再循环流入电池箱体1内再次带走单体电池2的热量，也达到单体电池2持续散热的目的；而在电池温度过低情况下，则启动加热器、不启动散热器，加热器将流体加热，升温后的流体通过进水总接头51后通过每个电池模组3上的进水接头41，然后并流分散进入每一块液冷换热薄板4，最终将热量传递给每一块单体电池2，达到加热升温的目的。
图5和图6所示针对长方体型软包聚合物电池，其厚度相比与锂离子动力电池要小得多，在与图1所示同样结构和尺寸的箱体中，共放置50个电池模组3；液冷换热薄板43中凸耳44设置为自本体侧边沿本体长度方向凸伸形成在本体两侧。以此节省整个电池模组所占高度，相应的，支撑板33和边条34的高度都调整为更小；这一结构形式也适用于长方体型锂离子动力电池。
图7所示的箱体1设置为平面形状呈“T”字形，“T”字的竖杆位置与图1的排布形式相同，“T”字横杆位置为加宽箱体，对于加宽的箱体，电池模组3设置为两排。为了减少换热流体介质在电池箱体1内部的迂回流动，将总进出水模块5设置在T形箱体1的中间段侧壁上，各不同的分支管道分别与箱体1竖杆位置及横杆位置中电池模组3中进水接头及出水接头相连通。

Claims (4)

1.一种动力电池液冷成组箱，其特征是：包括箱体(1)、设置在箱体(1)侧壁上的总进出水模块(5)、固定在箱体(1)内部的多组电池模组(3)；
呈长方体的单体电池(2)为立式排放，并以最大面积的面呈相对构成电池列，每个电池模组(3)是由两个电池列并列设置，并有液冷换热薄板(4)直立在两列单体电池之间，在构成电池模组(3)的两个电池列的外部设置固定框，使两个电池列形成一整体模块；各单体电池(2)的正极耳(21)和负极耳(22)均处在上部；
所述液冷换热薄板(4)是以长方形薄板(43)为本体，在本体沿长度方向上的两端、位于底部凸伸有凸耳(44)，在其一端凸耳(44)的正反两面固联有进水接头(41)形成进液端，在其另一端凸耳(44)的正反两面固联有出水接头(42)形成出液端，所述本体的内腔设置有液体流道；所述进水接头(41)和出水接头(42)均与液体流道相贯通；
所述本体内腔液体流道的结构形式是：在所述进液端设置一条竖直导流筋(45)，利用竖直导流筋(45)将本体内腔分隔为进水侧和出水侧，所述进水侧是与进水接头(41)相连通的竖直流道(46)，竖直导流筋(45)的顶端与长方形薄板(43)的顶边之间的空隙形成竖直流道出口，在所述出水侧呈水平且上下间隔设置多道水平导流筋(47)，形成水平折返的水平流道(48)；
所述固定框包括上框(31)和下框(32)，所述上框(31)为一条包裹电池模组(3)的两个侧面和顶面的长窄筋条(311)，长窄筋条(311)的两端相连有T形筋条(312)；在电池模组(3)的顶面，与长窄筋条(311)呈十字相连有横向筋条(313)，所述横向筋条(313)两端向下折弯并紧固电池模组(3)；所述下框(32)托承在电池模组(3)的底面，并在两侧边连有向上的折弯板，所述折弯板为镂空板，所述折弯板在两端延伸有耳板，利用所述耳板与T形筋条(312)的两端紧固连接。
2.根据权利要求1所述的动力电池液冷成组箱，其特征是：设置各电池模组(3)中液冷换热薄板(4)的进水接头(41)同处在一侧，出水接头(42)同处在另一侧，利用连接管(53)将各液冷换热薄板(4)的进水接头(41)与进水总接头(51)相连接，并利用连接管(53)将液冷换热薄板(4)的出水接头(42)与出水总接头(52)相连接，实现各液冷换热薄板(4)在进水总接头(51)和出水总接头(52)之间的并联连接。
3.根据权利要求1所述的动力电池液冷成组箱，其特征是：所述液冷换热薄板(4)的厚度为1mm-4mm，在其本体的两个换热面均设置有导热膜和绝缘膜。
4.根据权利要求1要求的动力电池液冷成组箱，其特征是：所述凸耳(44)是自本体底边向下凸伸形成在本体下方，或是自本体侧边沿本体长度方向凸伸形成在本体两侧。
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