CN106785228B - 一种汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置 - Google Patents
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Abstract
一种汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，在方块状导热基体上卧式/立式间隔开设若干个电池安装通孔和流体通孔，每个电池安装通孔内紧套一个柱形电池；电池轴向和流体通孔轴向相互垂直或平行，导热基体上设有进口汇流槽和出口汇流槽与流体通孔连通，对应流体通孔两端，在导热基体相对两侧外表面上分别覆盖一块平板式的密封盖板，并在安装了盖板的导热基体立侧、靠近导热基体底侧位置开设进口汇流槽进口和出口汇流槽出口；换热器连通进口汇流槽进口和出口汇流槽出口，形成导热流体循环换热通道；本装置解决现有的热管理装置换热能力不足、电池温度不均匀、装置结构复杂、并易与电路互相干涉等问题，并能够避免热失控向周围电池扩散的风险。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及汽车动力电池的温度调控及热失控防扩散技术。
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，在电动乘用车、商务车上应用潜力和市场很大。然而锂离子电池在充放电操作过程中因电化学产热与焦耳产热导致自身温度升高，影响动力性能与循环寿命，过高的温度甚至引起热失控，导致自燃、爆炸等事故，常规的锂离子电池负极保护膜分解温度为80～120摄氏度，内部热失控温度在150～175摄氏度。因此电池在正常工作时，其外壳温度需要控制在50摄氏度以内，以避免热量积聚引发容量衰减、热失控，提高热安全性。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，并且在高温下仍然会发生热失控和着火现象。当某一电池发生热失控温度偏高时，虽然采用隔热材料和大的电池间隔可以避免热失控直接扩散到其他电池，但随着热失控电池热量在短时间内积聚加速，导致电池材料喷射，仍有可能引燃周围电池导致灾害。另一方面，在我国某些北方城市的冬天，在低温下，电池容量大幅度下降，甚至会导致无法启动的现象发生。因此动力锂离子电池温控技术的研究和实施尤为迫切。
目前，动力电池包的热管理系统往往只具备散热的单一功能，采取导热件进行被动冷却，或者采用电池通道的强迫空气冷却。被动冷却以及强迫风冷散热系统体积小，成本低，但是散热效果非常有限，并且电池温度均匀性很差，严重影响电池寿命。需要开发具有更好性能的换热装置，以提高电池换热性能。
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。该专利属于被动冷却，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，散热能力不足，不适合于动力型电池。
专利US8263250B2公开了一种用于电池包热管理的液体冷却歧管结构，液冷金属管经折弯后贴合电池排列。双层热界面膜添加在冷管与电池之间，用于电绝缘金属冷管和电池的碰撞并减少热阻。然而，由于冷管和电池之间没有固定装配，不可避免导致较大空气间隙，另外，实际运行当中频繁碰撞也会引起冷管和电池之间额外的空气间隙，而空气是热的不良导体，从而造成较大的界面接触热阻，不利于热传递，导致电池温升较高，温差较大。
专利201210531497.0公开了一种电池液体冷却装置，包括36个电池单体1、上盖结构与下盖结构，上盖结构包括上层壳体8、冷却液出口5、上冷却液流道12以及上连接通道7，下盖结构包括下层壳体9、冷却液入口4、下冷却液流道13以及下连接通道10组成；上下结构中间布置25个类菱形流动通道并上下串联连接，形成流体通路。然而由于该发明申请所有流体通道完全串联连接，具有很大流阻，需要消耗更多泵功，另外，上下盖需要额外布置螺钉、垫片密封电池空腔，不容易密封，流体上盖安放在电池电极上部，与电极汇流片互相干涉，不容易实现装配、正常运行。
专利201310581581.8公开了一种锂离子动力电池液体冷却结构，包括主体框架、出水端盖2、入水端盖3、垫片5、电池单体4、监测装置16、汇流板8、汇流片9以及螺栓10；所述入水端盖3和出水端盖2通过过盈配合与主体框架1连接在一起，形成4x6个圆柱形空腔13和5x7个冷却液流动通道14、15；所述垫片5分别布置在出水端盖2、入水端盖3和主体框架1之间，所述电池单体4安装在圆柱形空腔13之内，所述冷却液流动通道截面分别设计成四边为圆弧形的类菱形结构和斜边为圆弧形的类三角形结构，围绕电池单体间隔分布，冷却液由入口流入入口端盖之后，分别通过水平冷却液流动通道流入出口端盖，从出口流出，和专利201210531497.0全串联连接相比，可以降低流动通道的阻力。然而，该结构没有体现进、出口汇流槽，入口与出口端盖与电池空腔垫片如何密封问题没有解决。流体入口端盖安放在电池电极上部，与电极汇流片互相干涉，带电操作容易发生短路、爆燃事故，不利于实施与正常运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑、高效的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，解决现有的热管理装置换热能力不足、冷却液流动不均匀、装置结构复杂、并易与电路互相干涉等问题，能够避免热失控向周围电池扩散的风险，此外还具有在低温环境温度下电池能够正常启动，并且结构简单紧凑，单位体积的电池输出功率高，便于加工安装，安全系数高，利于长期使用等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：
在方块状导热基体上卧式/立式间隔开设若干个电池安装通孔和流体通孔，导热基体的外露面为电绝缘面，每个电池安装通孔内同轴紧套一个外形与电池安装通孔开孔形状相匹配的柱形电池；
电池和流体通孔在导热基体上有两种位置配置方案：
A、电池轴向和流体通孔轴向相互垂直：
电池呈矩阵状顺排，流体通孔在每列/每排电池两侧呈矩阵状顺排，相邻电池之间的流体通孔共用，流体通孔孔道横截面呈沿电池轴向立式布置的长形，即流体通孔沿电池轴向的开设尺寸大于垂直于电池轴向的开设尺寸；
对应流体通孔位于导热基体相对两侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设进口汇流槽和出口汇流槽，流体通孔两端分别与进口汇流槽和出口汇流槽连通，在导热基体内构成从进口汇流槽、流体通孔再到出口汇流槽的流道方向；
B、电池轴向和流体通孔轴向相互平行：
电池呈矩阵状顺排，每个电池位于四个流体通孔的中心位置，相邻电池之间的流体通孔共用；
对应流体通孔位于导热基体相对两侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设若干连接槽，连接槽槽道横截面呈沿电池轴向布置的长形，即连接槽槽道开设宽度小于开设深度；连接槽两端连通两个流体通孔位于导热基体同一侧外表面上的端口，且连接处流体通孔开口尺寸大于连接槽开口尺寸；
连接槽将导热基体内所有的流体通孔连接成若干并联流道，每条流道内的多个流体通孔之间通过连接槽并联和/或串联；
在开设了连接槽的一侧导热基体外表面上并列间隔开设进口汇流槽和出口汇流槽，流道排布于进口汇流槽和出口汇流槽之间；进口汇流槽/出口汇流槽的开设位置分别对应位于每条流道两端的两个流体通孔的进口端/出口端并各自连通，在导热基体内构成从进口汇流槽、流体通孔再到出口汇流槽的流道方向；
各槽、孔的大小关系为：进口汇流槽和出口汇流槽槽道截面积最大，连接槽槽道截面积次之，流体通孔孔道截面积最小，并且，连接槽开设深度﹥流体通孔孔径≧连接槽开设宽度；以在保证导热基体紧凑性、抗机械冲击性的前提下，减小流动阻力，降低压差，并使流体均匀分布于流体通孔内；
垂直于电池轴向作一导热基体的横截面，
当该横截面宽度小于导热基体沿电池轴向上高度的2倍时，电池和流体通孔按A方案配置或者B方案配置；当按A方案配置时，流体通孔轴向沿横截面宽度方向布置；
当该横截面宽度大于等于导热基体沿电池轴向上高度的2倍时，电池和流体通孔按B方案配置；
两种配置方案的选择，是综合考虑了确保热交换效果(尤其是电池均匀性效果)和循环换热通道内导热流体在流经导热基体前后压差较小，因此可以节省导热流体流动的驱动泵功这两个前提的结果。
上述A方案或者B方案中，对应流体通孔两端，在导热基体相对两侧外表面上分别覆盖一块平板式的密封盖板，形成对导热基体两侧外表面上的流道、进口汇流槽和出口汇流槽的密封，盖板的外露面为电绝缘面，电池两端外露于盖板外，利于电路连接；
根据电池安装通孔立式/卧式开设方式的不同,在导热基体或盖板上开设进口汇流槽进口和出口汇流槽出口，分别与进口汇流槽和出口汇流槽连通，进口汇流槽进口和出口汇流槽出口位于安装了盖板的导热基体立侧、靠近导热基体底侧位置，避免流体喷溅到电池电极以及电池连接导线；
配置于导热基体外部的换热器连通进口汇流槽进口和出口汇流槽出口，形成换热器-进口汇流槽-每条流道-出口汇流槽-换热器的导热流体循环换热通道；电池通过电池安装通孔内壁-导热基体-流道换热。
本装置的盖板上没有复杂的开孔或者槽道结构，盖板整体为平板式结构，其优点明显，盖板整体不易变形，并且易于加工实现，同时盖板的抗机械冲击性能更为优越。
考虑到如果电池间距过大，虽然散热性能较好，但是单位体积的电池模组输出功率会过小，如果间距过小，又会影响散热性能，同时导热基体的抗机械冲击性能会大大降低，存在安全隐患；因此在有限的电池的间隔区域内，连接槽槽道(B方案)横截面/流体通孔孔道(A方案)横截面均呈沿电池轴向立式布置的长形,槽道/孔道深度大于槽道/孔道宽度；并且B方案中，在连接处，流体通孔开口尺寸大于连接槽开口尺寸；上述设计在兼顾导热基体抗机械冲击性能和单位体积电池模组输出功率的前提下，充分保证了槽道/孔道换热和流动特性，不仅降低流阻，提高导热流体的流动性能，使导热流体在流体通孔中的分布更加均匀，还使整个流道结构具备了较充分的换热面积。
进一步的，靠近电池在安装了盖板的导热基体上安装用以监测电池温度的第一温度传感器，第一温度传感器数量小于电池数量；在进口汇流槽进口和出口汇流槽出口部位分别安装用以监测进、出口处导热流体温度的第二温度传感器和第三温度传感器；循环换热通道上设有用于驱动循环换热通道内的导热流体按设定方向流动的流体驱动泵；所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和换热器分别信号连接控制单元，控制单元控制下的所述装置具有以下两种工作状态：
电池双向调温工作状态：当第一温度传感器反馈的电池温度高于制冷阀值时，换热器处于制冷状态，通过第二温度传感器和第三温度传感器反馈的温度值调整制冷功率，使电池热量经过循环换热通道向外部的换热器及时排放，直至电池温度低于制冷设定阀值，换热器停止制冷；当第一温度传感器反馈的电池温度低于制热设定阀值时，换热器处于制热状态，通过第二温度传感器和第三温度传感器反馈的温度值调整制热功率，使循环换热通道对电池保温和加热，以实现电池在低温环境下的顺利启动以及启动初期的正常工作，直至电池温度高于制热设定阀值，换热器停止制热；
热失控防扩散工作状态：当第二温度传感器监测的进口处流体温度保持在正常温度范围内，而第三温度传感器监测的出口处流体温度急剧上升超出设定警戒值，表明电池热失控，此时控制单元报警，并在设定时间内切断电池与汽车之间的电连接，从而避免在每个电池上布置温度传感器，导致系统线路冗赘复杂，反应不及时而引发较大的车辆与人身安全事故。
进一步的，所述进口汇流槽进口和出口汇流槽出口为锥形内螺纹口NPT螺纹，进口汇流槽进口和出口汇流槽出口上分别连接锥形螺纹连接头，锥形螺纹连接头通过管路连接换热器，锥形螺纹连接头与管路螺纹密封连接；或者，进口汇流槽进口和出口汇流槽出口通过软管连接换热器，进口汇流槽进口与软管的连接处、出口汇流槽出口与软管的连接处分别通过紧固件密封固定，从而形成与外部管路的无泄漏连接，避免流道内的高压导热流体泄漏喷溅污染电池电极以及电池连接导线。
再进一步，所述导热基体为金属铝合金基体或者导热陶瓷基体，通过机械切削加工、铸模一体成形或者三维打印一体成形成带孔洞的块状导热基体结构；所述盖板为铝板，通过焊接或者密封槽与导热基体密封固定为一体；导热基体和盖板的表面覆盖阳极氧化层或者有机涂层，形成防腐蚀、具有介电性能的电绝缘防护层。
再进一步，所述电池外径为18～50mm,电池长度为65～140mm,相邻电池安装通孔之间的间距不大于10mm；所述A方案中，流体通孔垂直于电池轴向的开设尺寸为1～4mm，相邻流体通孔之间、电池安装通孔和流体通孔之间的间距大于等于1mm；所述B方案中，流体通孔孔径为1～4mm,相邻电池安装通孔和流体通孔之间、电池安装通孔和连接槽之间的间距大于等于1mm，最小间距的设定用以确保导热基体与盖板之间的密封性，以及导热基体导热性能与机械加固性能。
再进一步，考虑到不同汽车需要的电池功率不同，所述每个导热基体内的电池并联/串联为一个电池模组，多个电池模组之间并联和/或串联连接；所有电池模组的进口汇流槽进口并联在系统进水总管上，所有电池模组的出口汇流槽出口并联在系统出水总管上。换热后的导热流体由出水总管收集，经换热器换热后重新回到进水总管，形成换热循环。
再进一步，所述电池安装通孔和电池之间填充缓冲导热层；所述缓冲导热层为有机硅胶粘接剂层、环氧粘接剂层或丙烯酸粘接剂层，以消除界面空气间隙，加强导热，同时提高机械固连强度，降低机械冲击。
再进一步，所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器为热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、热电阻温度传感器或者其它具有体积小、反应灵敏，便于安装布置等类似功能的温度传感器。
再进一步，所述B方案中，每条流道内的多个流体通孔按流道方向分成数量相当的前、后两组，每组内的流体通孔之间并联，前后两组流体通孔之间串联，形成汇并多并2串多并的流道结构，该种连接结构在保证高效的电池温度调控性能的前提下，循环换热通道内导热流体在流经导热基体前后压差最小，从而只需最低的流体驱动泵泵功。
再进一步，所述A方案中，每列流体通孔之间，或者每列流体通孔两侧的进口汇流槽和出口汇流槽底部突起汇流槽支撑柱。汇流槽支撑柱用于支撑保护进口汇流槽和出口汇流槽，以防止当遭受猛烈机械冲击时，盖板内凹变形，造成进口汇流槽和/或出口汇流槽的阻塞。
再进一步，所述A方案中，流体通孔孔道横截面为方形；所述B方案中，流体通孔孔道横截面为圆形，连接槽槽道横截面为方形，且流体通孔之间相互平行，连接槽之间相互平行，便于加工或者铸造成形。
本发明的有益效果在于：
1、采用内、外部开设孔道的导热基体形成导热均温体，将电池与流体通孔间隔排列并通过高导热性能的导热基体相互紧密接触，排除了因电池和热交换结构之间通过空气导热，导热性差的缺点，电池能够通过导热基体与导热流体之间换热，从而有效控制电池自身温度，避免热失控；
2、在某一电池热失控发生时，导热基体具有较高的导热率，能够将发热体尽快扩散到导热流体而不会引燃周围电池，起到良好的降温保护作用，具有优异的强化传热效果和电池均温作用。
3、采用导热基体和流体通孔间隔排列的方式，并将外部流体管路和换热器相连的方式，能够实现良好的双向调温：当电池温度较高时，电池热量经过导热基体和循环换热通道向外部换热器排放出去；当电池温度较低时，也可利用循环换热通道进行电池保温和加热，从而实现良好的双向调温。
4、导热基体和电池的安装结构，能够有效减少、消除导热基体与电池之间因运动引起的滑移，提高系统机械稳定性与机械强度，同时，保证电池长期稳定工作；
5、盖板的平板式结构，整体不易变形，并且易于加工实现，同时盖板的抗机械冲击性能更为优越。
6、电池两端外露于装置外侧，装置不会干涉顶部电路连接，便于安装；进口汇流槽进口和出口汇流槽出口位于安装了盖板的导热基体立侧、靠近导热基体底侧位置，避免万一管路泄漏时导热流体喷溅到电池电极以及连接导线。
附图说明
图1为一种A方案结构的正视剖面图(不加盖板)
图2为一种B方案结构的俯视透视图(不加盖板，每条流道内的流体通孔全部串联)
图3为图2所示的A-A向剖面图(加盖板)
图4为图2所示的B-B向剖面图(加盖板)
图5为图2所示的B方案加上盖板后的立体图
图6为另一种B方案结构的俯视透视图(不加盖板，每条流道内的流体通孔全部并联)
图7为图6配套的盖板结构俯视图
图8为第三种B方案结构的俯视透视图(不加盖板，每条流道内的流体通孔汇并3并2串3并)
图9为A方案中，由6个流体通孔并联而成的6个流道连接示意图
图10～12为B方案中，每条流道带有6个流体通孔的三种流道连接示意图，其中：
图10为每条流道内的流体通孔全部串联；
图11为每条流道内的后5个流体通孔并联后，再与第1个流体通孔串联；
图12为每条流道内前、后三个流体通孔分两组分别并联后，两组之间再相互串联；
图13为4X5阵列的电池的模组在发生随机热失控情况下的电池标注图，其中电池Ⅲ为热失控电池，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ为模组内其他电池；
图14为图12中电池发生热失控情况下60秒后的电池温度分布云图
图15为图12电池Ⅲ发生热失控时其他电池中心温度与进口处流体温度随时间演变的曲线图
图16为多个电池模组的管路连接示意图
图1～16中：1为导热基体，2为流体通孔，3为连接槽，4为电池，5为进口汇流槽，6为出口汇流槽，7为盖板，8为进口汇流槽进口，9为出口汇流槽出口，10为支撑脚，11为定位安装孔，13为汇流槽支撑柱，14为系统进水总管，15为系统出水总管，16为第二温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1～4中，方块状导热基体1上卧式/立式间隔开设若干个电池安装通孔和流体通孔2，导热基体1的外露面为电绝缘面，每个电池安装通孔内同轴紧套一个外形与电池安装通孔开孔形状相匹配的圆柱形或者方柱形的电池4。
实施例1
如图1所示的一种A方案实施例中，在方块状导热基体1上呈矩阵状立式间隔紧套若干个电池4，每排电池4数量为4个，流体通孔2轴向和电池4轴向相互垂直，流体通孔2在每列电池4两侧呈矩阵状5X3顺排，相邻电池4之间的流体通孔2共用，流体通孔2孔道横截面呈沿电池4轴向立式布置的狭窄长方形，即流体通孔2沿电池4轴向的开设尺寸大于垂直于电池4轴向的开设尺寸，在兼顾导热基体抗机械冲击性能和单位体积的电池模组输出功率的前提下，保证充足的槽腔/孔道大小，不仅降低流阻，提高导热流体的流动性能，还具备较充分的换热面积。
对应流体通孔2位于导热基体1相对两立侧外表面上的端口，在该对外表面上分别开设进口汇流槽5和出口汇流槽6，流体通孔2两端分别与进口汇流槽5和出口汇流槽6连通，在导热基体1内构成从进口汇流槽5、流体通孔2再到出口汇流槽6的流道方向；进口汇流槽5和出口汇流槽6底部分别开设进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9，进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9端口外露于导热基体1另一立侧外表面上、靠近导热基体1底侧，以避免导热流体喷溅到电池电极以及电池连接导线；每列流体通孔2两侧的进口汇流槽5和出口汇流槽6底部突起汇流槽支撑柱13，汇流槽支撑柱13用于支撑保护进口汇流槽5和出口汇流槽6，以防止当遭受猛烈机械冲击时，覆盖在进口汇流槽5和/或出口汇流槽6上的盖板7内凹变形(图中盖板未显示)，造成进口汇流槽5、出口汇流槽6和/或流体通孔2的阻塞。
在该实施例中，如果电池4卧式配置，进口汇流槽5和出口汇流槽6分设于导热基体1顶侧和底侧外表面上，此时可在导热基体1立侧下端、靠近导热基体1底侧开设进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9，分别与进口汇流槽5和出口汇流槽6连通，以避免导热流体喷溅到电池电极以及电池连接导线；并在进口汇流槽5和出口汇流槽6底部设置汇流槽支撑柱13。
实施例2
如图2～5所示的一种B方案实施例中，在方块状导热基体1上3X3呈矩阵状立式间隔紧套9个电池4，电池4轴向和圆形的流体通孔2轴向相互平行，每个电池4位于四个流体通孔2的中心位置，相邻电池4之间的流体通孔2共用。
对应流体通孔2位于导热基体1顶侧和底侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设若干连接槽3，连接槽3槽道横截面呈沿电池4轴向立式布置的长方形，即连接槽3槽道开设宽度小于开设深度，如图3所示；连接槽3两端连通两个流体通孔2位于导热基体1同一侧外表面上的端口，将导热基体1内所有的流体通孔2连接成4条并联流道，每条流道内的4个流体通孔2之间串联；流体通孔2直径大于连接槽3槽道宽度，在兼顾导热基体抗机械冲击性能和单位体积电池模组输出功率的前提下，进一步降低流阻，提高导热流体的流动性能，使导热流体在流体通孔中的分布更加均匀。
在导热基体1底侧外表面上并列间隔开设进口汇流槽5和出口汇流槽6，流道排布于进口汇流槽5和出口汇流槽6之间；进口汇流槽5一端为开口端，端口外露于导热基体1立侧外表面上、靠近导热基体1底侧，为进口汇流槽进口8；出口汇流槽6一端为开口端，端口外露于导热基体1立侧外表面上、靠近导热基体1底侧，为出口汇流槽出口9；以避免导热流体喷溅到电池电极以及电池连接导线。
进口汇流槽5/出口汇流槽6的开设位置分别对应位于每条流道两端的两个流体通孔2的进口端/出口端并各自连通，在导热基体1内构成从进口汇流槽5、流道再到出口汇流槽6的流道方向。
各槽、孔的横截面积的大小关系为：进口汇流槽5和出口汇流槽6槽道截面积最大，连接槽3槽道截面积次之，流体通孔2孔道截面积最小，并且，连接槽3开设宽度小于流体通孔2孔径；以在保证导热基体抗机械冲击性的前提下，减小流动阻力，降低压差，并使流体均匀分布于流体通孔2内。
如图3～5所示，对应流体通孔2两端，在导热基体1顶侧和底侧外表面上分别覆盖一块平板式的密封盖板7，形成对导热基体1两侧外表面上的流道、进口汇流槽5和出口汇流槽6的密封，盖板7的外露面为电绝缘面，电池4两端外露于盖板7外，导热基体1底部四周设有支撑脚10，电池4下端位于支撑脚10底部上方，利于电路连接。
在该实施例中，如果电池安装通孔卧式开设，进口汇流槽5和出口汇流槽6均设于导热基体1立侧外表面上，对应进口汇流槽5和出口汇流槽6，在该立侧的密封盖板7下端、靠近导热基体1底侧开设进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9，分别与进口汇流槽5和出口汇流槽6连通，避免导热流体喷溅到电池电极以及电池连接导线；导热基体1底侧还设有承重加强筋用于支撑电池重量。
实施例3
如图6所示的另一种B方案实施例中，在方块状导热基体1上3X3呈矩阵状立式间隔紧套9个电池4，电池4轴向和流体通孔2轴向相互平行，每个电池4位于四个流体通孔2的中心位置，相邻电池4之间的流体通孔2共用；
对应流体通孔2位于导热基体1顶侧和底侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设若干连接槽3，连接槽3两端连通两个流体通孔2位于导热基体1同一侧外表面上的端口，将导热基体1内所有的流体通孔2连接成4条并联流道，每条流道内的4个流体通孔2之间并联。
如图7所示，该实施例中，盖板7上开设定位安装孔11，用于和导热基体1之间的定位配合,组装时与导热基体1上的对应孔洞对齐，通过焊接、胶结等方式与导热基体1固结，并可通过螺钉进行加固。
实施例4
如图8所示的第三种B方案实施例中，在方块状导热基体1上呈矩阵状立式间隔紧套电池4，每排电池4数量为5个，电池4轴向和流体通孔2轴向相互平行，每个电池4位于四个流体通孔2的中心位置，相邻电池4之间的流体通孔2共用；
对应流体通孔2位于导热基体1顶侧和底侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设若干连接槽3，连接槽3两端连通两个流体通孔2位于导热基体1同一侧外表面上的端口，将导热基体1内所有的流体通孔2连接成多条并联流道，每条流道内的6个流体通孔2前、后三个流体通孔分两组分别并联后，两组之间再相互串联，即汇并3并2串3并。
附图9～12给出了A、B两种方案中的几种流体通孔连接方式简化示意图，为显示方便，仅给出了6条流道或者6个流体通孔2的图示，实际操作时可按此结构复制扩展，其中图9表示一种A方案具有6个流体通孔2直接通过进口汇流槽5和出口汇流槽6汇并的导热基体，每个流体通孔2即为一条流道；附图10～12分别表示6条流道先通过进口汇流槽5和出口汇流槽6汇并，每条流道内的6个流体通孔2之间3种不同的B方案的连接形式：图10中为每条流道内的6个流体通孔2全部串联(即汇并6串)；图11中为每条流道内的后5个流体通孔并联后，再与第1个流体通孔串联(即汇并1串5并)；图12为每条流道内前、后三个流体通孔分两组分别并联后，两组之间再相互串联(即汇并3并2串3并)，其中箭头方向表示流道方向。
由下表1可以看到：
第一点，在B方案中，先由汇流槽汇并、再将每条流道内的多个流体通孔2按流道方向分成数量相当的前、后两组，每组内的流体通孔2之间并联，两组流体通孔2之间串联(即由汇并3并2串3并扩展出的汇并多并2串多并)连接方式的综合效果最好，最高温度较低，并且在进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9两处的导热流体压差(以下简称“压差”)最小，只需要消耗较低的流体驱动泵泵功。
第二点，降低流体通孔直径对最高电池温度、电池温差没有明显影响，但压差变大，导致泵功率上升，在保证密封前提下应加大通孔直径；而专利201310581581.8无进口汇流槽和出口汇流槽的情形，尽管添加了横向连接槽并采用全并联结构，电池的最高温度、温差、压差都不是最优。可见，目前的换热流方式不仅解决了现有技术中上下端盖的干涉问题，在换热效率、温差控制、降低压差方面都具有明显优势。
(导热流体流量：0.32L/min，电池发热量：80W，进口汇流槽进口8处的导热流体温度：20℃，其中B方案汇并3并2串3并情形具有最低压差119Pa，电池温度和温差也接近最低水平；电池为直径18毫米高度65毫米的18650电池)
表1几种不同B方案和现有技术的仿真数据对比
由下表2可以看出，当导热基体1在垂直于电池4轴向上的横截面宽度大于等于2倍的导热基体1沿电池4轴向上的高度、亦即当电池组阵列(5X7)较大时，采用B方案中汇并多并2串多并的连接方式具有较小的温差，当导热基体1在垂直于电池4轴向上的横截面宽度小于2倍的导热基体1沿电池4轴向上的高度、亦即电池组阵列(4X5)较小时，采用A方案温差虽然仍比B方案高，但实际可行，考虑到A方案具有较低的极值温度和压差，在这种情况下A方案为优选方案。
(导热流体流量：0.32L/min，电池组发热：80W，进口汇流槽进口8处的导热流体温度：20℃，其中A方案4X5阵列电池情形具有最低压差82Pa；电池为直径18毫米高度65毫米的18650电池)
表2 A方案和汇并多并2串多并B方案的仿真数据对比
上述各实施例中，配置于导热基体1外部的换热器连通进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9，形成换热器-进口汇流槽5-每条流道-出口汇流槽6-换热器的导热流体循环换热通道；电池4通过电池安装通孔内壁-导热基体1-流道换热。
靠近电池4在安装了盖板7的导热基体1的外部安装用以监测电池温度的第一温度传感器；在进口汇流槽进口8和出口汇流槽出口9部位分别安装用以监测进、出口处导热流体温度的第二温度传感器16和第三温度传感器。
循环换热通道上设有用于驱动循环换热通道内的导热流体按设定方向流动的流体驱动泵，导热流体为水与乙二醇的混合物，或者导热硅油。
第一温度传感器、第二温度传感器16、第三温度传感器和换热器分别信号连接控制单元，控制单元控制下的所述装置具有以下两种工作状态：
当第一温度传感器反馈的电池温度高于制冷阀值时，换热器处于制冷状态，通过第二温度传感器16和第三温度传感器反馈的温度值调整制冷功率，使电池热量经过循环换热通道向外部的换热器及时排放，直至电池温度低于制冷设定阀值，换热器停止制冷；当第一温度传感器反馈的电池温度低于制热设定阀值时，换热器处于制热状态，通过第二温度传感器16和第三温度传感器反馈的温度值调整制热功率，使循环换热通道对电池保温和加热，以实现电池在低温环境下的顺利启动以及启动初期的正常工作，直至电池温度高于制热设定阀值，换热器停止制热；从而实现电池双向调温功能。
图13为电池模组在发生随机热失控情况下的电池标注图，采用的电池型号为4X5阵列18650圆柱形电池，其中电池Ⅲ为热失控电池，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ为模组内其他电池；导热流体流量：0.32L/min,DP＝119Pa，采用B方案中的汇并多并2串多并联接，热失控电池Ⅲ发热量：1000W，如图14所示，60秒后，热失控电池Ⅲ温度上升至394℃，此时邻近电池最高温度在靠近热失控电池的外壳位置，其温度为60℃，远低于热失控温度150～175℃。可见，该结构本身能有效降低热失控的扩散，具有良好的降温、阻隔热失控的功能，通过优化流体流量、连接方式、电池间距、流体通孔大小，导热基体的导热、降温作用会更明显。
图15为图13电池Ⅲ发生热失控时其他电池中心温度与进口汇流槽进口8处流体温度随时间演变的曲线图。可以看出，邻近热失控电池Ⅲ的电池Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ中心温度上升快慢表现不一，而第一温度传感器数量少于电池数量，否则会因为控制线路冗赘复杂，反应不及时反而引发较大的车辆与人身安全事故。
考虑到在出口汇流槽出口9处的导热流体温度在热失控情况下短时间内上升显著，而进口汇流槽进口8处的导热流体温度基本保持不变，因此可以在第二温度传感器16监测的进口处流体温度保持在正常温度范围内的前提下，通过第三温度传感器监测的出口汇流槽出口9处导热流体温度是否在短时间内的急剧上升来判定电池是否热失控，该图表示在所示的随机电池Ⅲ在热失控极端情况下，一旦出口汇流槽出口9处的导热流体温度由正常水平剧烈上升时，控制单元能够在数秒内做出反应，如切断电池电源连接，警示驾驶员电池爆燃风险。
如图16所示，每个导热基体1内的电池4并联/串联为一个电池模组，多个电池模组之间并联和/或串联连接；所有电池模组的进口汇流槽进口8并联在系统进水总管14上，所有电池模组的出口汇流槽出口9并联在系统出水总管15上。
Claims (10)
1.一种汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：
在方块状导热基体(1)上卧式/立式间隔开设若干个电池安装通孔和流体通孔(2)，导热基体(1)的外露面为电绝缘面，每个电池安装通孔内同轴紧套一个外形与电池安装通孔开孔形状相匹配的柱形电池(4)；
电池(4)和流体通孔(2)在导热基体(1)上有两种位置配置方案：
A、电池(4)轴向和流体通孔(2)轴向相互垂直：
电池(4)呈矩阵状顺排，流体通孔(2)在每列/每排电池(4)两侧呈矩阵状顺排，相邻电池(4)之间的流体通孔(2)共用，流体通孔(2)孔道横截面呈沿电池(4)轴向立式布置的长形，即流体通孔(2)沿电池(4)轴向的开设尺寸大于垂直于电池(4)轴向的开设尺寸；
对应流体通孔(2)位于导热基体(1)相对两侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)，流体通孔(2)两端分别与进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)连通，在导热基体(1)内构成从进口汇流槽(5)、流体通孔(2)再到出口汇流槽(6)的流道方向；
B、电池(4)轴向和流体通孔(2)轴向相互平行：
电池(4)呈矩阵状顺排，每个电池(4)位于四个流体通孔(2)的中心位置，相邻电池(4)之间的流体通孔(2)共用；
对应流体通孔(2)位于导热基体(1)相对两侧外表面上的端口，在该两侧外表面上分别开设若干连接槽(3)，连接槽(3)槽道横截面呈沿电池(4)轴向立式布置的长形，即连接槽(3)槽道开设宽度小于开设深度；连接槽(3)两端连通两个流体通孔(2)位于导热基体(1)同一侧外表面上的端口；且连接处流体通孔(2)开口尺寸大于连接槽(3)开口尺寸；
连接槽(3)将导热基体(1)内所有的流体通孔(2)连接成若干列并联流道，每列流道内的多个流体通孔(2)之间通过连接槽(3)并联和/或串联；
在开设了连接槽(3)的一侧导热基体(1)外表面上并列间隔开设进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)，流道排布于进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)之间；进口汇流槽(5)/出口汇流槽(6)的开设位置分别对应位于每条流道两端的两个流体通孔(2)的进口端/出口端并各自连通，在导热基体(1)内构成从进口汇流槽(5)、流道再到出口汇流槽(6)的流道方向；
各槽、孔的大小关系为：进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)槽道截面积最大，连接槽(3)槽道截面积次之，流体通孔(2)孔道截面积最小，并且，连接槽(3)开设深度﹥流体通孔(2)孔径≧连接槽(3)开设宽度；
垂直于电池(4)轴向作一导热基体(1)的横截面，
当该横截面宽度小于导热基体(1)沿电池(4)轴向上高度的2倍时，电池(4)和流体通孔(2)按A方案配置或者B方案配置；当按A方案配置时，流体通孔(2)轴向沿横截面宽度方向布置；
当该横截面宽度大于等于导热基体(1)沿电池(4)轴向上高度的2倍时，电池(4)和流体通孔(2)按B方案配置；
上述A方案或者B方案中，对应流体通孔(2)两端，在导热基体(1)相对两侧外表面上分别覆盖一块平板式的密封盖板(7)，形成对导热基体(1)两侧外表面上的流道、进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)的密封，盖板(7)的外露面为电绝缘面，电池(4)两端外露于盖板(7)外；
根据电池安装通孔立式/卧式开设方式的不同,在导热基体(1)或盖板(7)上开设进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)，分别与进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)连通，进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)位于安装了盖板(7)的导热基体(1)立侧、靠近导热基体(1)底侧位置；
配置于导热基体(1)外部的换热器连通进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)，形成换热器-进口汇流槽(5)-每条流道-出口汇流槽(6)-换热器的导热流体循环换热通道；电池(4)通过电池安装通孔内壁-导热基体(1)-流道换热。
2.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：
靠近电池(4)在安装了盖板(7)的导热基体(1)上安装用以监测电池温度的第一温度传感器；在进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)部位分别安装用以监测进、出口处导热流体温度的第二温度传感器(16)和第三温度传感器；
循环换热通道上设有用于驱动循环换热通道内的导热流体按设定方向流动的流体驱动泵；
所述第一温度传感器、第二温度传感器(16)、第三温度传感器和换热器分别信号连接控制单元，控制单元控制下的所述装置具有以下两种工作状态：
电池双向调温工作状态：当第一温度传感器反馈的电池温度高于制冷阀值时，换热器处于制冷状态，通过第二温度传感器(16)和第三温度传感器反馈的温度值调整制冷功率，使电池热量经过循环换热通道向外部的换热器及时排放，直至电池温度低于制冷设定阀值，换热器停止制冷；当第一温度传感器反馈的电池温度低于制热设定阀值时，换热器处于制热状态，通过第二温度传感器(16)和第三温度传感器反馈的温度值调整制热功率，使循环换热通道对电池保温和加热，以实现电池在低温环境下的顺利启动以及启动初期的正常工作，直至电池温度高于制热设定阀值，换热器停止制热；
热失控防扩散工作状态：当第二温度传感器(16)监测的进口处流体温度保持在正常温度范围内，而第三温度传感器监测的出口处流体温度急剧上升超出设定警戒值，表明电池(4)热失控，此时控制单元报警，并在设定时间内切断电池与汽车之间的电连接。
3.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)为锥形内螺纹口，进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)上分别连接锥形螺纹连接头，锥形螺纹连接头通过管路连接换热器，锥形螺纹连接头与管路螺纹密封连接；
或者，进口汇流槽进口(8)和出口汇流槽出口(9)通过软管连接换热器，进口汇流槽进口(8)与软管的连接处、出口汇流槽出口(9)与软管的连接处分别通过紧固件密封固定。
4.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述导热基体(1)为金属铝合金基体或者导热陶瓷基体，通过机械切削加工、铸模一体成形或者三维打印一体成形成带孔洞的块状导热基体结构；所述盖板(7)为铝板，通过焊接或者密封槽与导热基体(1)密封固定为一体；导热基体(1)和盖板(7)的表面覆盖阳极氧化层或者有机涂层，形成防腐蚀、具有介电性能的电绝缘防护层。
5.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述电池(4)外径为18～50mm,电池长度为65～140mm,相邻电池安装通孔之间的间距不大于10mm；
所述A方案中，流体通孔(2)垂直于电池(4)轴向的开设尺寸为1～4mm，相邻流体通孔(2)之间、电池安装通孔和流体通孔(2)之间的间距大于等于1mm；
所述B方案中，流体通孔(2)孔径为1～4mm,相邻电池安装通孔和流体通孔(2)之间、电池安装通孔和连接槽(3)之间的间距大于等于1mm，以确保导热基体与盖板之间的密封性，以及导热基体导热性能与机械加固性能。
6.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：每个所述导热基体(1)内的电池(4)并联/串联为一个电池模组，多个电池模组之间并联和/或串联连接；所有电池模组的进口汇流槽进口(8)并联在系统进水总管上，所有电池模组的出口汇流槽出口(9)并联在系统出水总管上。
7.根据权利要求2所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述第一温度传感器、第二温度传感器(16)和第三温度传感器为热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器或热电阻温度传感器。
8.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述B方案中，每条流道内的多个流体通孔(2)按流道方向分成数量相当的前、后两组，每组内的流体通孔(2)之间并联，两组流体通孔(2)之间串，形成汇并多并2串多并的流道结构。
9.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述A方案中，每列流体通孔(2)之间，或者每列流体通孔(2)两侧的进口汇流槽(5)和出口汇流槽(6)底部突起汇流槽支撑柱(13)。
10.根据权利要求1所述的汽车动力电池双向调温及热失控防扩散装置，其特征在于：所述A方案中，流体通孔(2)孔道横截面为方形；所述B方案中，流体通孔(2)孔道横截面为圆形，连接槽(3)槽道横截面为方形。
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