CN108281736A - 一种矩形动力电池叠置的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

一种矩形动力电池叠置的冷却装置，包括储热单元、传热单元、散热单元，至少3个传热单元的蒸发部插入到储热单元中，传热单元的冷凝部连接散热单元；所述散热单元包括阻流形通孔泡沫金属、导流罩和阻流风道，所述阻流形通孔泡沫金属以过中间对称平面为对称轴对称设置在导流罩内孔，在阻流形通孔泡沫金属和导流罩内孔之间形成所述阻流风道。所述矩形电池叠置的冷却装置，良好地将原位相变吸热和异位相变散热整合在一起，同时设计了阻流形泡沫金属作为传热单元的散热岐片，电池单元温度一致性好，散热速度快。

Description

一种矩形动力电池叠置的冷却装置
技术领域
本发明涉及动力电池的技术领域，具体涉及一种矩形动力电池叠置的冷却装置。
背景技术
磷酸铁锂电池由于具有比能量高、无污染、无记忆效应等优点成为新能源汽车动力系统的最佳候选。但锂离子电池对温度非常敏感，在合适的温度范围第一电池组才能高效率放电并保持良好的性能。高温时易出现老化速度快、热阻增加快、循环次数少、使用寿命短等问题。要将电池组工作温度控制在理想的范围，必须采用强制散热措施。锂电池散热系统设计强调2个目标参数，一个是电池组的最高温度要低于55℃，另一个是电池单体之间的温度差小于5℃，即单体电池间的温度均匀性最好。
目前锂电池热管理的研究方法主要包括空冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却，但是商业应用仅为空冷和液冷。
空冷，空冷是目前国产和日产电动汽车普遍采用的冷却方式。要提高空冷的散热效率，最直接的方式是提高空气流动速度和增大散热面积。但这与“需要在有限的空间第一，风扇功耗尽量低的前提下合理地设计空气流场”的原则是相矛盾的。空气要进入电池箱体对电池进行冷却，这对于紧密叠置在一起的矩形电池来说，风冷局限于电池排列方式、电池间距、风道、风速或风量，必须结合其他冷却方式才有效果。
液冷，目前，欧美系列如法国标致雪铁龙的Berlingo、德国大众的GLOF等纯电动车采用液冷方式。空气与壁面之间的换热系数低，采用高传热系数的换热流体取代空气成为强化散热的必然手段。但是液冷存在漏液可能，质量大，复杂的水道设计满足流体循环和对漏液的防护是制约因素。
相变冷却，利用相变材料(PCM)进行电池冷却的原理是当电池进行大电流放电时，相变材料吸收电池放出的热量发生相变，使电池温度迅速降低，且不增加耗能元件。目前还没有电动汽车采用该冷却方式，仍处于实验研究阶段。最大的缺陷是电池组必须携带足够量的相变材料用于吸收热量，一旦相变材料全部由固态变为液态，不能很快地重新变回固态再吸收热量，即只能单次循环。
也有热管冷却，但是热管只要折弯其散热效率就大幅降低，有必要采用热管和其他方式的组合来改善散热效果。
总之，设计有效散热的矩形电池叠置的冷却装置，已经成为迫切需要解决的业界难题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种矩形电池叠置的冷却装置。
本发明的目的是这样实现的，一种矩形动力电池叠置的冷却装置，包括储热单元、传热单元、散热单元，多个储热单元以矩形动力电池的厚度为间隔平行设置在散热单元底部，储热单元热界面结合地、交替地与矩形动力电池叠置，储热单元)吸收并储存矩形动力电池的热量并确保储热单元各点温度之差小于5℃；
至少3个传热单元竖直/水平间隔设置在储热单元中，传热单元的蒸发部插入到储热单元中，传热单元的冷凝部连接散热单元；传热单元将储热单元中的热量转移给散热单元并确保储热单元的温度不超过50℃；
所述散热单元包括阻流形通孔泡沫金属、导流罩和阻流风道，所述阻流形通孔泡沫金属以过中间对称平面为对称轴对称设置在导流罩内孔，在阻流形通孔泡沫金属和导流罩内孔之间形成所述阻流风道；所述散热单元确保所述阻流形通孔泡沫金属的温度低于传热单元冷凝部的介质相变温度。
进一步地，所述散热单元)替换为散热单元，所述散热单元包括阻流形通孔泡沫金属、导流罩和阻流风道，所述阻流形通孔泡沫金属固定在导流罩内壁，所述阻流形通孔泡沫金属内孔形成阻流风道，所述阻流风道包括阻流增压段和扰流段。
进一步地，储热单元包括左散热板、右散热板和储热腔，左散热板和右散热板密封地压装在一起形成储热腔，储热腔内设有多孔介质和储热介质，所述储热介质灌装高度至少大于矩形动力电池的高度
进一步地，所述传热单元包括热管，热管中装有热管工质，所述热管工质的启动温度比储热介质的固液相变温度高5-10℃。
进一步地，所述阻流形通孔泡沫金属包括头部分流段、阻流增压段和扰流段，头部分流段为凸锥形，阻流增压段横截面由入口横截面连续变大，扰流段横截面由大连续变小。
进一步地，阻流增压段和扰流段连接处形成阻流风道的喉部，所述喉部横截面为入口横截面的
进一步地，阻流增压段沿气流方向的横截面得到上表面曲线、下表面，以入口点为起点，以最大横截面为出口点建立X轴，以气流方向为X轴正向，所述上表面曲线的入口点与X轴夹角α为5°～10°，出口点(B)与X轴夹角为30°～60°。
进一步地，传热单元的冷凝部插入到阻流形通孔泡沫金属中并与之钎焊连接，传热单元的蒸发部插入到多孔介质中并与之钎焊连接。
进一步地，还包括强制冷却结构，所述强制冷却结构包括轴流风扇、多个冷却水喷淋头和导流槽，轴流风扇设置在导流罩的末端，冷却水喷淋头间隔布置在倒流罩内壁，多个导流槽沿轴向间隔设置在导流罩的内壁。
进一步地，还包括控制系统，所述控制系统包括安装在储热腔厚度一半的横截面中心位置的温度传感器，测量出储热腔中心温度T核，并发送给控制系统，满足条件：T核≥50℃，满足条件则启动强制冷却结构，迅速将储热腔中的液态石蜡转变成固态石蜡，直到满足条件：T核≤30℃，则强制冷却结构。
所述矩形动力电池叠置的冷却装置，通过以下特殊结构保证了“电池组的最高温度要低于55℃，且各电池单体的温度差小于5℃”的设计目标：
1)动力电池单体之间的储热单元
动力电池单体之间的储热单元，通过固液相变储热对电池单体的温升起缓冲作用，使动力电池单体在室温到50℃之间温升曲线平缓，保证了动力电池的正常放电环境。内装多孔介质，使得储热单元的均温性好，通过调整多孔介质的材料、孔隙率和孔密度满足单个电池单体的中心点温度与边缘温度温差不超过5℃，这一设计的均温性能远比热管直接设置在动力电池单体之间的均温性能好。
2)插入在储热单元中的传热单元
为了使储热单元能够循环使用，通过传热单元将储热单元中的热量转移至散热单元，热管在储热材料大部分发生固液相变后启动，通过选择热管工质的启动温度比储热介质的固液相变温度高5-10℃，保证了储热单元和热管的协同使用。
3)散热单元的阻流形通孔泡沫金属和阻流风道
散热单元在三者协同时最为关键，通过阻流形通孔泡沫金属和导流罩之间形成阻流风道，通过上阻流曲线和下阻流曲线的设计形成阻流增压段，在该段对应的阻流风道形成越来越大的风压，迫使更多的风渗透到泡沫金属中吸热，同时还没有大幅增加风压，这也使得沿气流方向下游的动力电池单体和气流方向上游的动力电池单体温差小于5℃。
泡沫金属和阻流风道比单纯泡沫金属要好得多，气流遇到泡沫金属，流速立刻减缓，气压大幅增加，流阻增大，如果泡沫金属长度稍长则很难形成稳定的高速通过气流。而阻流形泡沫金属和阻流风道的结合，则使得空气不但流阻不会降低，阻流风道中还会形成巷道风，而且在泡沫金属内也会有渗透风进入，形成了高速且能渗透到泡沫金属内部的高速渗透性热交换气流。
所述矩形电池叠置的冷却装置，良好地将原位相变吸热和异位相变散热整合在一起，一方面为电池组大功率放电提供了相变储热的慢速温升缓冲，另一方面又以恒定速率将所述储热转移并散失，同时设计了阻流形泡沫金属作为传热单元的散热岐片，电池单元温度一致性好，散热速度快。
附图说明
图1为本发明一种矩形电池叠置的冷却装置的实施例一的主剖视图。
图2为本发明一种矩形电池叠置的冷却装置的图1中A-A剖视图。
图3为本发明一种矩形电池叠置的冷却装置的图1的局部放大示意图。
图4为本发明一种矩形电池叠置的冷却装置的实施例二的主剖视图。
图5为本发明一种矩形电池叠置的冷却装置的实施例二的图4中A-A剖视图。
图6为本发明一种矩形电池叠置的冷却装置的实际路测的冷却性能曲线图，
其中，a)为高速路况；b)为连续爬坡路况；c)为城市6-8级拥堵路况；
图中，●为安装实施例一的冷却装置的1#电池组；◆为安装实施例二的冷却装置的2#电池组。
上述图中的附图标记：
10矩形电池单体
20储热单元，21左散热板，22右散热板，23储热腔，24多孔介质，25储热介质
30传热单元，31热管，32热管工质
40散热单元，41阻流形通孔泡沫金属，42导流罩，43阻流风道，44上阻流曲线，45下阻流曲线，46分流板，47喇叭状导流板
50强制冷却结构，51轴流风扇，52冷却水喷淋头
41.1头部分流段，41.2阻流增压段，41.3扰流段
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图所示，一种矩形动力电池叠置的冷却装置，包括储热单元20、传热单元30、散热单元40，多个储热单元20以矩形电池单体10的厚度为间隔平行设置在散热单元40底部，所述储热单元20中设有至少3个传热单元30，传热单元30的蒸发部插入到储热单元20中，传热单元30的冷凝部连接散热单元40。储热单元20间隔设置在矩形动力电池之间。
储热单元20包括左散热板21、右散热板22和储热腔23，左散热板21和右散热板22密封地压装在一起形成储热腔23，储热腔23具有储热腔长度L、储热腔宽度W和储热腔高度H，储热腔23内设有多孔介质24和储热介质25。所述储热介质灌装高度至少大于矩形动力电池的高度；多孔介质24为通孔型泡沫铝、通孔型泡沫铜或通孔型泡沫银。多孔介质24的孔隙率ε在90-96％，孔密度Ω在8-20PPI，最优选择孔隙率ε＝0.94，孔密度Ω＝10PPI；所述储热介质25的固液相变温度在35℃～45℃。采用高熔点石蜡如62#石蜡掺入45w％-55w％低熔点石蜡如十八烷(C18H38)可得到，如表1。
表1混合石蜡热性能参数
储热介质 相变温度，℃ 相变潜热J/g
十八烷(C18H38) 27 259
62#石蜡 61 201
十八烷45w％，55w％62# 45 215
十八烷55w％，45w％62# 35 225
所述传热单元30包括热管31，所述储热单元20中设有至少3根热管31，吸热端插入到储热单元20的深度为吸热端长度L吸。热管31中装有热管工质32，所述热管工质32的液汽相变温度在50-60℃，比如丙酮、甲醇，壳体采用铝，采用市场中低温重力热管即可满足要求，热管31的启动温度在50℃-55℃，所述热管工质32的启动温度比储热介质25的固液相变温度高5-10℃传热单元30竖直插入到储热单元中，传热单元30的蒸发部插入到多孔介质24中并与之钎焊连接。
所述散热单元40包括阻流形通孔泡沫金属41、导流罩42和阻流风道43，所述阻流形通孔泡沫金属41以过中间对称平面ω轴对称地设置在导流罩42中，在阻流形通孔泡沫金属41和导流罩42内孔之间形成所述阻流风道43，所述阻流形通孔泡沫金属41包括头部分流段41.1、阻流增压段41.2和扰流段41.3，横截面沿气流方向由小连续变大然后又连续变小。所述阻流增压段41.2横截面由小连续变大，所述扰流段41.3横截面由大连续变小；所述头部分流段41.1横截面为凸曲线。阻流形通孔泡沫金属41具有入口点A和出口点B，由出口点B向最大横截面π对应最高点凸曲线连续变化，最大横截面π对应最后一个传热单元30所在位置。所述阻流形通孔泡沫金属41选择通孔型泡沫铝或通孔型泡沫铜，孔隙率90-98％，孔径1-10mm。阻流增压段41.2沿气流方向的横截面得到上阻流曲线44、下阻流曲线45，以入口点A为起点，以最大横截面为出口点B，建立X轴，以气流方向为X轴正向，所述上阻流曲线44的入口点与X轴夹角α为5°～10°，出口点B与X轴夹角为30°～60°。
或者阻流风道43最小横截面为喉部，所述阻流风道43的喉部横截面为入口横截面的
更为优选的是，为了将空气导流到风道中而不是吹入泡沫金属内部，阻流形通孔泡沫金属41的头部分流段41.1外表面粘结固定分流板46，所述分流板46为散热能力极佳的铜板或铝板。
考虑到整个电池叠置结构的高度会影响整车人机工程学的设计，将所述传热单元30横置，即所述热管31的蒸发段横置地插入到储热单元20中，所述热管31的冷凝段与蒸发段有一锐角的冷凝回流角度β。
为了将更多空气导流到风道中，所述导流罩42入口固定连接喇叭状导流板47。
传热单元30的冷凝部插入到阻流形通孔泡沫金属41中并与之钎焊连接；
还包括强制冷却结构50，所述强制冷却结构50包括轴流风扇51、多个冷却水喷淋头52和导流槽，轴流风扇51设置在导流罩40的末端，冷却水喷淋头52均匀布置在倒流罩42内壁，多个导流槽沿轴向间隔设置在导流罩40内壁和喇叭状导流板47内壁，用于将冷却水导流到喇叭状导流板47的内壁而流出。强制冷却结构50仅在驻车时或电池温度超过50℃时由控制系统启动，其作用是满足驻车时电池的冷却和防止电池过热。强制冷却结构50启动，冷却水喷淋头52将冷却水喷洒在阻流形通孔泡沫金属41上，同时启动轴流风扇51，强制形成通过阻流风道43的对流空气，在阻流形通孔泡沫金属41上的液珠分别蒸发，带走热量，加速热管31的热量转移速度。
还包括控制系统，所述控制系统包括安装在储热腔厚度一半的横截面中心位置的温度传感器，测量出储热腔中心温度T核，并发送给控制系统，满足条件：T核≥50℃，满足条件则启动强制冷却结构50，迅速将储热腔25中的液态石蜡转变成固态石蜡，直到满足条件：T核≤30℃，则停止强制冷却结构50。
当矩形电池单体10工作时，其释放的热量被储热单元20吸收，由于储热腔中多孔介质24的存在，矩形电池单体10的温度均匀性得到满足，单个矩形电池单元的各点温度差均能保证在5℃以内。储热单元20内的热量传导给传热单元30的蒸发部，传热单元30蒸发部内液体公质蒸发，蒸汽上升到达传热单元顶部冷凝部，并在冷凝部气体转换成液体，完成将热量从蒸发部带到冷凝部的热量异地转移。而冷凝部的热量由热管周围的阻流形通孔泡沫金属41传递给气道的空气中。
而对于阻流形通孔泡沫金属41和阻流风道43内气流的热交换也比壁面与风流的热交换要充分的多，由于风道横截面的逐渐减少，阻流风道43内的层流风是逐渐加压的，形成巷道风。阻流形通孔泡沫金属41的外表面与层流风一的接触为表面孔洞与层流风的接触，还有部分的层流风二要进入泡沫金属41表层内孔隙中，气流阻滞而流速降低，而且该部分的层流风二是连续递增的，因为阻流作用，其热交换作用要远远大于单纯壁面与层流风的热交换要强。
实施例二
如图所示，改进了散热单元，包括散热单元400，
所述散热单元400包括阻流形通孔泡沫金属401、导流罩402和阻流风道403，所述阻流形通孔泡沫金属401固定在导流罩402内壁，所述阻流形通孔泡沫金属401内孔形成阻流风道403，所述阻流风道403包括阻流增压段403.1和扰流段403.2。阻流增压段403.1横截面由大连续变小，最小横截面为喉部，所述喉部横截面为入口横截面的
更为优选的是，还包括喇叭状导流板407，所述喇叭状导流板407入口为自由端，出口固定连接阻流增压段403入口。喇叭状导流板407入口横截面面积为出口横截面面积的3～6倍。
更为优选的是，所述传热单元30的热管31的冷凝段弯成与导流罩402内壁相同圆弧半径的圆弧形并固定在导流罩402的内壁；然后将阻流形通孔泡沫金属401放入导流罩402内孔中，在导流罩402以一定速度旋转的条件下，将液体焊锡导入到导流罩402内壁，降低温度，凝固焊锡，这样，在导流罩402内壁和阻流形通孔泡沫金属401之间一体成型焊锡层404，所述焊锡层将热管冷凝部与阻流形通孔泡沫金属401一体连接，减小热界面系数。所述焊锡层404的厚度优选为3-5mm。
更为优选的是，当热管31横置地插入到储热单元20中时，冷凝段弯成与导流罩402内壁相同圆弧半径的圆弧形并固定在导流罩402的内壁，冷凝段仅向上弯曲到最高点。
其他特征与实施例一相同。
实验数据
下面给出实施例1、2的矩形电池叠置的冷却装置的实验数据，电池组收纳单元设有4组并排且串联设置的电池组在动力汽车底盘上，将所述冷却装置装设在比亚迪E6的电池结构中，比亚迪E6的磷酸铁锂电池容量达到57KWh。将实施例1的磷酸铁锂电池组的编号1#、实施例2的磷酸铁锂电池组编号2#，试验条件要求环境温度20℃，湿度40％～50％，光照1000W/K·m2，如路试，要求光照充足，平直路面，风速小于10km/h。对比亚迪E6电池组进行快速充电，荷电状态(SOC)从电量最小状态充到满电状态，将满电状态的电池组进行放电散热测试，使得比亚迪E6从满电状态按以下既定工况运行到最小荷电状态，以80A进行快速充电直到充满为止测试时按如下极限工况进行试验直到电池管理系统发出低电量报警。
1)爬坡工况:以50km/h在山区大转弯防火道上连续爬坡路面行驶直到低电量报警；
2)高速工况:车速120km/h匀速行驶，直到低电量报警。
4)城市拥堵路况:选择拥堵程度为6-8的中度拥堵的城市路况，直到低电量报警。
拟定好合适路线，以爬坡、高速、城市拥堵路况分别单独进行满电极限放电散热测试，每隔半小时记录一次温度。
如图6所示，从温度曲线图中可看出，安装实施例一的冷却装置的1#电池组、安装实施例二的冷却装置的2#电池组均满足电池单体温差小于5℃的要求，高速工况放电功率最大，爬坡工况次之，城市拥堵路况放电功率相对最小，因此高速工况的冷却装置最先到达上限50℃，然后强制冷却结构50工作迅速降低到30℃。1#、2#电池组冷却装置均满足“电池组的最高温度要低于55℃，且各电池单体的温度均方差(SDT)小于5℃”的设计目标，强制冷却结构50的功劳不小，保证了热管散热的高效运行，保证了储热单元20的循环使用，为电池组提供了冷却性能良好且有效的充放电环境。
所述矩形电池叠置的冷却装置，良好地将原位相变吸热和异位相变散热整合在一起，一方面为电池组大功率放电提供了相变储热的慢速温升缓冲，另一方面又以恒定速率将所述储热转移并散失，同时设计了阻流形泡沫金属作为传热单元的散热岐片，电池单元温度一致性好，散热速度快。

Claims (10)

1.一种矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，
包括储热单元(20)、传热单元(30)、散热单元(40)，多个储热单元(20)以矩形动力电池的厚度为间隔平行设置在散热单元(40)底部，储热单元(20)热界面结合地、交替地与矩形动力电池叠置，储热单元(20)吸收并储存矩形动力电池的热量并确保储热单元(20)各点温度之差小于5℃；
至少3个传热单元(30)竖直/水平间隔设置在储热单元(20)中，传热单元(30)的蒸发部插入到储热单元(20)中，传热单元(30)的冷凝部连接散热单元(40)；传热单元(30)将储热单元(20)中的热量转移给散热单元(40)并确保储热单元(20)的温度不超过50℃；
所述散热单元(40)包括阻流形通孔泡沫金属(41)、导流罩(42)和阻流风道(43)，所述阻流形通孔泡沫金属(41)以过中间对称平面(ω)为对称轴对称设置在导流罩(42)内孔，在阻流形通孔泡沫金属(41)和导流罩(42)内孔之间形成所述阻流风道(43)；所述散热单元(40)确保所述阻流形通孔泡沫金属(41)的温度低于传热单元冷凝部的介质相变温度。
2.如权利要求1所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，
所述散热单元(40)替换为散热单元(400)，所述散热单元(400)包括阻流形通孔泡沫金属(401)、导流罩(402)和阻流风道(403)，所述阻流形通孔泡沫金属(401)固定在导流罩(402)内壁，所述阻流形通孔泡沫金属(401)内孔形成阻流风道(403)，所述阻流风道(403)包括阻流增压段(403.1)和扰流段(403.2)。
3.如权利要求1或2所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，储热单元(20)包括左散热板(21)、右散热板(22)和储热腔(23)，左散热板(21)和右散热板(22)密封地压装在一起形成储热腔(23)，储热腔(23)内设有多孔介质(24)和储热介质(25)，所述储热介质灌装高度至少大于矩形动力电池的高度。
4.如权利要求1或2所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，所述传热单元(30)包括热管(31)，热管(31)中装有热管工质(32)，所述热管工质(32)的启动温度比储热介质(25)的固液相变温度高5-10℃。
5.如权利要求1所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，所述阻流形通孔泡沫金属(41)包括头部分流段(41.1)、阻流增压段(41.2)和扰流段(41.3)，头部分流段(41.1)为凸锥形，阻流增压段(41.2)横截面由入口横截面连续变大，扰流段(41.3)横截面由大连续变小。
6.如权利要求4所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，阻流增压段(41.2)和扰流段(41.3)连接处形成阻流风道(43)的喉部，所述喉部横截面为入口横截面的
7.如权利要求6所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，阻流增压段(41.2)沿气流方向的横截面得到上表面曲线(44)、下表面(45)，以入口点(A)为起点，以最大横截面为出口点(B)建立X轴，以气流方向为X轴正向，所述上表面曲线(44)的入口点与X轴夹角α为5°～10°，出口点(B)与X轴夹角为30°～60°。
8.如权利要求2所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，传热单元(30)的冷凝部插入到阻流形通孔泡沫金属(41)中并与之钎焊连接，传热单元(30)的蒸发部插入到多孔介质(24)中并与之钎焊连接。
9.如权利要求1-8任一所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，还包括强制冷却结构(50)，所述强制冷却结构(50)包括轴流风扇(51)、多个冷却水喷淋头(52)和导流槽(53)，轴流风扇(51)设置在导流罩(40)的末端，冷却水喷淋头(52)间隔布置在倒流罩(42)内壁，多个导流槽(53)沿轴向间隔设置在导流罩(40)的内壁。
10.如权利要求9所述矩形动力电池叠置的冷却装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括安装在储热腔厚度一半的横截面中心位置的温度传感器，测量出储热腔中心温度T核，并发送给控制系统，满足条件：T核≥50℃，满足条件则启动强制冷却结构(50)，迅速将储热腔(25)中的液态石蜡转变成固态石蜡，直到满足条件：T核≤30℃，则强制冷却结构(50)。
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