CN110416658A - 一种带有温控热开关的热管-pcm耦合无功耗热管理模块 - Google Patents

一种带有温控热开关的热管-pcm耦合无功耗热管理模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有温控热开关的热管‑PCM耦合热管理模块，包括动力电池组和热管理系统，电池箱体内排列有若干电池单体，相邻电池单体间及最外侧电池表面与箱体间隙填充相变材料；相变材料内布置热管构成相变材料热管耦合散热模块；热管冷凝端装有热开关，底部加装肋板，肋板伸出至风道；风道布置于箱体底部，利用汽车底盘处行驶时存在的自然风，无多余功耗；热开关由上部热管夹板和下部肋板配合而成，动作模式由均布在电池表面及相变材料间的温度传感器电控。本发明具有结构简单稳固、运行稳定性好等优点，能保持电池组温度在工作范围内且均匀性良好，电池组串并联后可适应不同电动设备要求，适用范围广。

Description

一种带有温控热开关的热管-PCM耦合无功耗热管理模块
技术领域
本发明属于电池热管理领域，尤其涉及一种带有温控热开关的热管-PCM耦合热管理模块。
背景技术
电动汽车由于其低能耗、零排放的特点，很好的适应了节能减排的要求，近年来发展迅速。其中，动力电池组的温度一直制约着电动汽车的推广及使用，无论是传统的铅酸电池，还是现行的镍氢、锂离子电池，温度对电池性能都有非常显著的影响，温度过高或过低均不利于电池性能的发挥。考虑到我国大部分地区气温年较差以及气温日较差大，必须要对汽车动力电池进行热管理，旨在使动力电池组温度分布趋于均匀以及工作温度稳定在合理区间，既包括低温工作环境下的保温、也包括高温环境下的冷却及余热利用问题。
目前国内实际应用较多的电池热管理方式主要是风冷散热和液冷散热。但对于大规模的锂离子电池来说，空冷系统热导率较低，电池排列紧密，电池箱体空间有限，热传导的弛豫时间较长，仅用空气冷却不能满足温度要求，且电池组的温度均匀性较差。其次，由于自然对流情况下，空气的换热系数很小，因而实际应用时通常需要增加辅助设备，如风机、风扇等，从而使得散热结构过于庞大和复杂。市场上常用的液冷通过在电池组间布置流道，由冷却液与电池组换热，但需消耗较大的泵送功率，还存在漏液的可能且装置的质量相对较大；需要水套、换热器等部件，结构相对复杂，维修和保养复杂。随着电动汽车轻型化趋势日益突出，对热管理系统提出新的要求。
中国专利申请CN104393366A，公开了一种基于空气、热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其中电池单体置于套筒中，周围填充相变材料，套筒壳盖外密布翅片，在翅片上有热管，所述热管蒸发端埋入相变材料中，冷凝端与所述壳盖上翅片紧密接触；所述翅片纵向布置在壳盖上。该专利提供了一种具体实施方式，即利用相变材料吸收电池单体热量，通过翅片和热管将热量传给外界；该专利的主要不足在于：翅片端需要外加风扇冷却，未能利用行驶时的对流换热；仅实现了散热功能，对低温工况适应性差，不能避免电池过冷。
中国专利申请CN109546260A，公开了一种采用热管-PCM耦合热管理技术的传热装置，该装置包括电池组、电池组携带单元和多个热管，电池组浸入电池组携带单元中。热管嵌入在电池组与电池组携带单元之间的间隙中。电池组承载单元为膨胀石墨复合相变材料。石蜡相变材料被吸附到膨胀石墨微孔中；该专利的主要不足在于：未在热管冷凝段进行强化传热并利用汽车行驶自然风，同时未考虑低温工况对电池的保温和加热。
中国专利申请CN107959090A公开了一种动力电池热管理系统，本发明涉及一种动力电池热管理系统。该动力电池热管理系统包括：电池箱、调温装置、控制器、电源开关和多个半导体制冷片。调温装置与电池箱连接，多个半导体制冷片设直于调温装直上，并通过电源开关与电池箱的电源端连接，控制器与电源开关连接，用于控制电源开关以使多个半导体制冷片制冷。电池箱内设置有多个相变组件和多个电池组件，每个相变组件内设置有与控制器连接的温度传感器。该专利的主要不足之处在于：采用半导体制冷，由于帕尔贴效应的存在，需要对热端进行散热，无异于大大增加了系统热负荷，且半导体陶瓷片片对环境条件要求苛刻，作为动力电池冷却用可靠性无法保障。
中国一篇文献(王立舒,党舒俊,苏继恒,侯瑞雯,李莹,刘爽.热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率[J].农业工程学报,2018,34(14):196-204.)中介绍了一种用于控制光伏电池散热和发电的热开关装置，该热开关部分主要包括传送带、主从动齿轮、啮合齿轮组、电机等部件。传送带与主从动齿轮嵌合，固定在支撑架的上下两端，上端为从动齿轮，下端为主动齿轮。主动齿轮通过连接杆与啮合齿轮组配合，控制器控制电动机转动带动啮合齿轮组，热开关的托板与联合发电装置的托架相固定，由此实现调距(开关)功能。该系统的主要不足之处在于：1.该系统开关界面的接触热阻无法保证，首先，该系统未考虑热开关在“闭合”时TEG部分与电池板部分难以紧密接触导致空气存在从而导致两界面间有较大的接触热阻；另一方面，该系统采用皮带传动，皮带系统难以保证热开关“闭合”时锁合的稳定性，从而保证其上下界面的紧密接触。2.该系统传动结构复杂度高，稳定性难以保障。而本发明采用的螺杆传动具有自锁特性可保证热开关“闭合”时的接触紧密性及稳定性，同时，螺杆传动还具有传动比稳定和传力强度高的特点，总体来说螺杆系统更适用于行车时的多振动复杂工况，工作可靠性更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有温控热开关的热管-相变耦合的被动热管理模块，以解决电动汽车冷却效果不佳且温度不均匀的问题，还能降低热管理系统的能耗。
本发明所采取的技术方案是：
提供一种带热开关的动力电池模块，该模块包括电池组和耦合热管理系统；所述电池组包括电池箱体、若干电池单体、相变材料、热管、肋板、底部风道及热开关部分：在箱体内排布有若干电池单体，单体由电池固定装置与箱体底部固定，相变材料均匀地填充在电池组周围，其中等距布置热管，热管下部通过热管夹板固定，热管夹板与肋板配合，由“热开关”控制热管夹板和肋板的接触与分离，肋板位于底部风道，作为整个散热系统的冷凝端，“热开关”位于热管冷凝端，由上部热管夹板和下部肋板配合而成，通过机械传动完成开闭状态的切换。
所述热管理系统包括温度传感器，热开关动作模式由温度传感器电控，实现高温散热/低温保温两种工况的切换。电信号传递至电机，所述电机通过斜齿轮与螺杆连接，由此将电机输出的转动经由螺杆转化为肋板的平行移动。
优选方案进一步包括如下任一技术特征:
优选的，所述相变材料可以为无机相变材料或有机相变材料。
优选的，所述相变材料可以填充于泡沫骨架中或胶囊化，泡沫骨架由金属或非金属材料制成
优选的，所述热管为非重力热管，上部布置于相变材料中，底部与肋板充分接触。
优选的，所述肋板，铺设柔性导热垫片以减小上下两部分接触时的接触热阻。
优选的，所述导热垫片，由柔软、高弹性的金属或非金属材料制成，通过导热硅胶粘在肋板上。
优选的，所述导热硅胶，具有高粘性及强导热性。
优选的，所述热开关位于热管冷凝端，由上部热管夹板和下部肋板配合而成，接触部位加装有柔性导热垫片以实现上下两板的紧密接触。
优选的，所述热开关通过齿轮机械传动完成开闭，由电机带动。
优选的，所述热管夹板上装有螺杆，螺杆受电机带动可实现转动，控制热管夹板与底部风道的接触程度，螺杆传动具有自锁特性可保证热开关“闭合”时的接触紧密性及稳定性，同时，螺杆传动还具有传动比稳定和传力强度高的特点，可保证热开关系统的工作可靠性。
有益效果，热开关的存在使系统根据温度传感器得到的温度信号，编程实现自主切换工况的功能，既能发挥高温使用环境的散热作用，又兼具低温使用环境的保温作用，适用温度范围广。
热管是一种高效相变换热元件，热阻小，换热能力强，相变材料是一种高效储能材料，有利于维持电池组温度稳定和一致性，而采用膨胀石墨封装后制的复合相变材料解决了相变材料相变后的泄露、体积变化问题。由于采用了上述热管-PCM耦合热管理方案，兼具二者优点。
优点，本发明具有良好的均温及控温能力，利用自然风道将热量导走，无多余功耗。
系统成本较低，结构简单，节能环保，且控温效果好，可广泛应用于电动汽车，以提高续航里程，改善动力性能和安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍；下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
附图1是本发明的整体结构示意图。
附图2是本发明的左视结构示意图。
附图3是本发明的正视结构示意图。
附图4是本发明的俯视结构示意图。
附图5是本发明热开关传动结构示意图。
附图6时本发明柔性导热垫片布置位置示意图。
附图1中标记如下：1-电池箱体；2-热管；3-电池；4-间隙空气；9-肋板；10热管夹板；11-肋板控制螺杆；12-风道；13复合相变材料；14-柔性导热垫片。
附图2中标记如下：8-格栅控制齿轮；9-肋板；13复合相变材料；14-柔性导热垫片。
附图3中标记如下：1-电池箱体；2-热管；3-电池；4-间隙空气；5-进气导流格栅；6-格栅转轴；
附图4中标记如下：3-电池；9-肋板；10热管夹板；11-肋板控制螺杆；12-风道；13复合相变材料
附图5中标记如下：9-肋板；11-螺杆；16-电动机；17锥齿轮。
附图6中标记如下：9-肋板；14-柔性导热垫片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种带有温控热开关的热管-PCM耦合热管理模块，包括电池箱体1，其内部包含若干均匀排列的电池单体3，复合相变材料13均匀地填充在电池3与箱体1内部的空隙间，相变材料中等距布置非重力热管2，热管下部通过热管夹板10固定，热管夹板10与肋板9配合，肋板9伸入底部风道12，作为整个散热系统的冷凝端。风道12位于汽车底盘处，利用了汽车在行驶过程中存在的自然风对肋板9进行强制对流冷却。
本发明使用的复合相变材料13为51％肉豆蔻酸和49％棕榈酸的共晶混合物，相变温度为39.8℃，潜热为174kJ/kg。共晶混合物的相变温度较单一组分降低，并可以有效减小过冷度。
进一步的，本发明使用膨胀石墨对相变材料进行封装制成复合相变材料。复合相变材料可以克服相变材料导热差和相变时的体积变化及泄露问题。复合相变材料制备方法如下：将棕榈酸和肉豆蔻酸按比例混合，80℃水浴加热至固体颗粒全部转变成澄清溶液；将可膨胀石墨至于微波炉中以700W功率微波加热，每次1g，加热时间4分钟，将颗粒状石墨膨胀成蠕虫状，体积大大增加；将制成的膨胀石墨与相变材料13：1混合置于恒温箱中60摄氏度恒温加热8小时，每两小时搅拌一次，制得复合相变材料；将复合相变材料置于滤纸上进行加热，加热后复合相变材料外观无明显变化，无流动现象，且滤纸未被浸润，证明膨胀石墨的封装效果良好。
本发明提供的热开关位于热管2冷凝端下方，由上部热管夹板10和下部肋板9配合而成，通过机械传动完成开闭。肋板由布置在平板上的全部肋板及平板机构共同构成，与螺杆连接。在接触部位加装有柔性导热垫片14以实现热开关闭合时上下两板的紧密接触，在两肋板9间也铺设柔性导热垫14以减小上下两部分接触时的接触热阻。螺杆11与肋板9连接，通过螺杆11的转动可以实现肋板9的上下平动，从而实现热开关的开闭的切换，螺杆由电机16驱动。热开关的动作模式由温度传感器电控完成，由此控制热开关高温散热时闭合，和低温保温时断开并形成保温空气层两种工况的切换。具体的，下部肋板9与螺杆11通过螺纹连接，螺杆11上部通过锥齿轮17与步进电机16连接，由此将电机16输出的动力转化为肋板9平行移动。采用螺杆传动传动比稳定，可实现肋板与上部热板的间距的精确控制，且传力强度高，可实现自锁的优点。
请参阅图2，进气格栅5控制风道12开合程度，以适应不同工况下的散热或保温需求。具体的，进气格栅5开闭采用固定在栅格转轴6上的齿轮8啮合传动，齿轮传动优点在于可实现格栅的同步运动，并能精确控制格栅5开闭角，以适应不同工况下对格栅5开闭角度不同的要求。同时格栅5形状进行了特殊设计，使导流风向吹向肋板。
本发明的工作过程如下：
高温工况下，电动汽车电池工作产热温度升高需要散热，电池3向相变材料13传递热量，相变材料13吸热后温度升高，到达熔点后，相变材料13温度基本保持不变，电池3的温度上升也会变缓，而后趋于稳定。
在相变材料13全部完成相变之后，其温度继续上升，到达热管2的工作温度以后，热管2内液体在蒸发端蒸发吸热带走热量，蒸汽在冷凝端冷凝释放热量，通过冷凝端壁面与底部风道12的对流换热将热量传递出去。由于热管2导热性很高，热量传递迅速，故整个电池组均温性较好。同时冷凝端壁面加装肋板9，强化与空气的换热效果。电池组箱体1置于汽车底盘，底部风道12利用了汽车行驶时的自然风速使换热效果进一步提升。
位于热管冷凝端的热开关，由装置中的温度传感器控制，高温散热时，热开关闭合，热管夹板10和肋板9紧密配合，并通过在接触部位加装柔性导热垫片14以实现上下两板的紧密接触，降低接触热阻。
低温工况下，电池3需要保温，此时温度传感器测得电池表面温度较低，向电机16发送电信号，电机驱动锥齿轮17，带动螺杆11转动，从而使得与螺杆连接的肋板9向下平动，热管夹板10和肋板9分离，热开关断开，肋板板隙间的空气层4使得电池3与外界低温环境的导热热阻大大增加，可以保持电池3温度处于合理区间，有效避免低温下电池性能的下降。

Claims (14)

1.一种温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：包括动力电池组和耦合热管理系统；所述电池组包括电池箱体、若干电池单体、相变材料、热管、肋板、底部风道及热开关部分：在箱体内排布有若干电池单体，单体由电池固定装置与箱体底部固定，相变材料均匀地填充在电池组周围，热管等距布置在相变材料中，热管下部与肋板连接，肋板伸入底部自然风道，作为整个散热系统的冷凝端，该风道位于汽车底盘处，利用了汽车在行驶过程中存在的自然风对肋板进行强制对流冷却。“热开关”位于热管冷凝端，由上部热管夹板和下部肋板配合而成，热管夹板与肋板间铺设柔性导热垫片以实现紧密接触，螺杆与肋板连接，通过螺杆的转动可以实现肋板的上下平动，改变肋板与热管夹板的接触程度，从而实现热开关的开闭的切换，螺杆由电机驱动。所述热管理系统包括温度传感器，其测点均匀地布置在电池表面及相变材料中，热开关动作模式由温度传感器的温度信号控制，编程实现高温散热/低温保温两种工况的切换。
2.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述相变材料为相变过程中吸收或释放潜热的材料，可以是无机相变材料或有机相变材料。
3.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述热管为非重力热管，上部蒸发端布置于相变材料中，下部冷凝端与热管夹板充分接触。
4.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述风冷散热肋板布置于汽车底盘处，利用汽车行驶时的自然风进行冷却，无需额外耗功。
5.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述肋板为布置在位于自然风道侧的直肋片，与螺杆连接，起到扩大系统与空气换热面积的作用，直接与汽车行驶中的自然风进行换热。
6.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述进气格栅布置于汽车风道入口处，采用固定在栅格转轴上的齿轮啮合传动实现格栅的同步运动，并能精确控制格栅开闭角，从而精确适应不同工况下风量需求。
7.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述热管夹板，位于热管冷凝端，将热管冷凝段紧紧夹住，起到扩大热管与肋板换热面积的作用，增强换热能力。
8.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述热开关位于热管冷凝端，由上部热管夹板和下部肋板配合而成。由电机带动，接触部位加装有柔性导热垫片以实现上下两板的紧密接触。
9.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述机械传动受电信号控制，从而带动螺杆上下动作，实现热管夹板和底部风道的不同程度结合与分离。
10.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述热管夹板上有螺杆，螺杆受电机带动可实现上下移动，控制热管夹板与底部肋板的接触程度，螺杆传动具有传动比稳定、传力强度高以及可实现自锁以保证热开关闭合时紧密性。
11.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述柔性导热垫片由导热硅胶粘在肋板上，具有柔软、高导热系数的特点。
12.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述导热硅胶，具有高粘性及高导热性。
13.根据权利要求1所述的带有温控热开关的耦合热管理模块，其特征在于：所述温度传感器，其测点布置于电池表面及相变材料中，其温度信号经编程处理后向电机发出指令，控制热开关的动作，实现工况的切换。
14.一种热管理系统，其特征在于，包括如权利要求1至13中任一项所述的热管理单元。
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