CN110739425A - 一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统及方法，包括电池包内部的立式一组或多组电池和/或电池模组、电池包外壳、外置空冷模块，电池和/或电池模组的正面横向贴合微热管阵列，微热管阵列的长度大于电池和/或电池模组的宽度且两端是弯折的，微热管阵列贴合所述电池和/或电池模组正面的部分为传热段，弯折后的垂直部分分别贴合电池和/或电池模组的两个侧面作为蒸发段和冷凝段，并与对应的电池包外壳贴合；电池包外壳围绕电池包且为封闭结构，电池包外壳至少在对应所述冷凝段处为导热隔板；外置空冷模块紧贴所述导热隔板的外表面，内部为空冷翅片，侧面具有风扇。散热效率高，无液体污染的风险，防护等级高。

Description

一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统及方法，属于电动汽车的电池包散热领域。
背景技术
锂电包的热管理不仅对电池寿命至关重要，也对电池的安全性至关重要。
传统的电池包热管理方法—空冷技术不仅不能满足锂电池包的防护等级的要求，而且由于风冷系统进出口温差大，造成电芯及电芯之间较大的温差，对锂电池的伤害大，因此目前看基本没有使用价值。
传统的具有高防护等级的锂电池包热管理方法一般采用液冷模式，目前大部分厂家采用的液冷底板，即只在电池模组的底部设置单一的液冷板，而电池模组的底部单一液冷板散热方式会造成电池单体内部上下很大的温度差，在快速充放电以及低温预热时，对电池的伤害较大。只有特斯拉采用所有电池全侧表面液冷模式。但目前液冷介质采用防冻液或者制冷介质直接冷却，后者相当于直膨式蒸发器。制冷介质直膨式冷却由于制冷介质温度过低，对电池会造成严重的冷冲击以及造成电池内部极大的温差，对电池造成很大的伤害，也基本没有实用价值。使用较多的是防冻液，防冻液中含有水，对于焊接部位多的液冷底板，在使用过程中，焊接部位容易破损，导致内部防冻液泄露；对于特斯拉使用到全侧面到液冷管，其焊接口虽然位于电池包到外部，一旦撞击，电芯之间的液冷管破坏，也会造成防冻液泄露，且焊接口在全侧面分布，焊接口被破坏的概率大。不论哪种情况，泄露的防冻液如果与电池包中的电池接触则会使电池包短路，都会造成严重的安全事故。
此外，目前的液冷系统是不节能的，因为无论在什么季节开启电动车，只要电池的温度高于设定值，如35℃-42℃，制冷系统都需要开启散热，制冷系统需要消耗较多的电池储电。
发明内容
为了解决现有散热系统安全隐患大、散热效率低、对电池伤害大的问题，本发明提出一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统及方法。
本发明的技术方案：
一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，其特征在于包括电池包内部的一组或多组电池和/或电池模组、电池包外壳、外置空冷模块，
所述电池和/或电池模组为立式，且所述电池和/或电池模组的正面横向贴合微热管阵列，所述微热管阵列的长度大于所述电池和/或电池模组的宽度且两端是弯折的，所述微热管阵列贴合所述电池和/或电池模组正面的部分为传热段，弯折后的垂直部分分别贴合所述电池和/或电池模组的两个侧面作为蒸发段和冷凝段，并与对应的电池包外壳贴合；
所述电池包外壳围绕所述电池包且为封闭结构，所述电池包外壳至少在对应所述冷凝段处为导热隔板；
所述微热管阵列的蒸发段设置有与微热管阵列直接或间接接触的电加热器；
所述外置空冷模块紧贴所述导热隔板的外表面，所述外置空冷模块内部具有空冷翅片，侧面具有风扇。
优选的所述电池和/或电池模组为多组，彼此在水平方向依次叠加且呈一排或多排分布。
进一步优选的每组所述电池和/或电池模组至少贴合一个所述微热管阵列，每个所述微热管阵列与每组所述电池和/或电池模组的正面和两个侧面贴合，每组所述电池和/或电池模组的反面与相邻所述电池和/或电池模组的正面贴合的所述微热管阵列贴合
进一步优选的每个所述微热管阵列横向倾斜布置，倾角不小于1°，且位于上侧且与所述电池和/或电池模组的侧面贴合的一端为冷凝段，位于下侧且与所述电池和/或电池模组的另一侧面贴合的一端为蒸发段。
优选的所述微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通且独立运行的微热管，且每个微热管的水力直径只有0.2-3.0mm，甚至更小，内部相变工质为非导电介质。所述独立热管之间沿热管长度方向根据安装孔的位置尺寸留有宽度3-10mm、长度与所述微热管阵列长度相同的实心金属带可以打安装孔。
优选的所述电池包外壳为IP67级别。
优选的所述微热管阵列与所述电池和/或电池模组之间设置有可压缩变形的导热垫片。
优选的所述微热管阵列的蒸发段和/或传热段设置有加热器。
进一步优选的包括自动控制系统和电芯温度检测单元，所述自动控制系统分别与所述电芯温度检测单元、所述风扇和所述加热器连接。
优选的所述外置空冷模块的风道为静压箱方式或风机均匀分布方式。
一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理方法，采用前述的热管理系统，每组电池和/或电池模组的一个侧面的蒸发段和正面贴合的微热管阵列的传热段吸收每个电池单元的热量，将热量传导至与每组电池和/或电池模组的另一个侧面贴合的冷凝段，然后通过导热隔板将热量传导至外置空冷模块。
优选的当所检测的电芯温度高于第一设定值时，控制系统自动启动风扇，由外置空冷模块的翅片进行自动散热；当电芯温度低于第一设定值时，风扇停止运行；当电池温度低于第二设定值时，控制系统启动直接或间接与微热管阵列接触的加热器，所述微热管阵列与电池和/或电池模组热交换，此时风扇停止运行。
本发明的有益技术效果：
本发明的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，采用空气冷却的方式管理电芯的温度，在立式电池(电芯)和/或电池模组的表面横向贴合微热管阵列导热体，将热量通过导热隔板传输给外置空冷模块，后者结合自动控制系统和电芯温度检测单元。一方面，每组微热管阵列与立式电池(电芯)和/或电池模组的正面贴合部分作为传热段，且两端弯折后垂直部分与电池和/或电池模组的两个侧面贴合分别作为蒸发段和冷凝段，冷凝段再与导热隔板贴合，从而通过蒸发段和传热段将电池热量传递至冷凝段，微热管与电池和/或电池模组以及导热隔板的接触面积增大，极大的增加导热效率；另一方面，多组依次叠加排列时，每组所述电池和/或电池模组仅正面贴合所述微热管阵列，反面则与相邻组的正面贴合的所述微热管阵列贴合，确保使用更少的微热管使每组电池和/或电池模组的正面和反面和两个侧面均贴合微热管阵列，从而实现使用更少的微热管即可将位于内部的电芯热量传递出来，保证立式放置的电池包的温度均匀，散热效率高、成本低；而且由于微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通的微热管，且每个微热管的水力直径只有0.2-3.0mm，甚至更小，管壁承压能力极高，因此泄露问题几乎可以忽略，且相变工质为微量、不导电介质，即使极端情况下被损坏泄露，也不会引起电池的损坏；且导热隔板同时作为电芯的保护外壳，将外置空冷模块的基板与电池包隔开，并通过密封圈或者焊接等密封措施将外置空冷模块的基板密封，实现与所述外壳体内的电芯完全物理隔离，保证电池包的防护等级达到IP67防水和防尘等级。
本发明的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，当锂电池的温度高于第一设定值时，如35℃-42℃，风扇自动启动，在电池和/或电池模组的一侧面贴合的微热管阵列蒸发段和正面贴合的微热管阵列传热段吸收热量，并传导至位于电池和/或电池模块另一侧面与导热隔板接触的微热管阵列冷凝段，冷凝段将热量通过电池包外壳传导至与之贴合的外置空冷翅片将热量换出，实现非制冷节能散热，从而实现均匀散热和大幅的节能。无论电动汽车处于开车还是停车状态，空冷系统都处于待机状态，即在电动汽车停车期间电池发热时也能自动启动风扇进行散热，大幅抑制热失控等重大安全风险；当电池温度低于第二设定值时，控制系统给微热管阵列蒸发段处设置的电加热器通电，电加热器通电后快速发热，热量由微热管阵列蒸发段快速均匀地传递至微热管阵列的传热段和冷凝段，进而快速均匀地预热电池和/或电池模块，此时冷却系统停止运行。
综上，本发明有效的将具有高效传热的微热管阵列与空冷方式结合，进一步通过微热管阵列与电池单元的位置和排列关系，使得每个电池包的外部设置一个外置风冷模块，能够有效将电池内部的温度传导出去，防止温度过高，保证电池的温度均匀，散热效率高，而且外置空冷模块也不会具有液体污染的风险，防护等级高，解决了液冷模块安全隐患大、对电池伤害大、单独风冷模块散热效率低的问题。
所述导热垫片具有导热、电绝缘及保证微热管阵列与电池良好接触的功能。
所述外置空冷模块的风道为静压箱方式或风机均匀分布方式，保证风冷模块的进出风温度差小，以实现所有电池的温差不高于5℃。
附图说明
图1为单个电池的热管理结构示意图；
图2为单个电池的热管理结构在另一视角下的示意图；
图3为由两个电芯串联而成的电池模块的热管理结构示意图；
图4为由两个电芯串联而成的电池模块的热管理结构在另一视角下的示意图；
图5为电池包内所有模组热管理结构示意图；
图6为电池包内所有模组热管理结构在另一视角下的示意图；
图7为单个电池的微热管阵列摆放平面图；
图8为由两个电芯串联而成的电池模块的微热管阵列摆放平面图；
图9为本发明的高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统的实施例的分解结构示意图；
图10为图9组装后的示意图；
图11为单个电池或电池模块的俯视放大图；
图12为本发明的高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统组装后的另一实施例的示意图。
1-单体电芯；2-电池模块；3-微热管阵列蒸发段；4-微热管阵列传热段；5-微热管阵列冷凝段；6-电池包外壳；7-外置空冷模块；8-翅片；9-风扇；10-导热垫片；11-电加热器；12-静压箱。
具体实施方式
为了更清楚理解本发明的内容，将通过附图1-12和具体实施例详细说明。
如图1-10所示，本实施例的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，包括电池包和贴附于电池包外壳6外侧的外置空冷模块7。所述电池包由两个单体电芯1和三个电池模块2依次叠加形成，其中前后各一个单体电芯1，中间夹着三个电池模块2，共计八个电芯串联，单体电芯1、电池模组2可以换成软质封装单体电池组合构成的外部有结构强度外壳的软包装电池模组。八个电芯中，每个电芯立式放置，电池电极朝上，每个电芯的表面贴合有至少一个微热管阵列，微热管阵列是一种传热效果强化的导热体，为由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通的微热管，微热管内部封装有相变工质。本实施例中两个所述微热管阵列通过导热硅胶粘贴在每组单体电芯1和电池模块2的表面，彼此间隔分布，也可以紧密排在一起。如图1-4所示，所述表面包括每个电芯的正面和两个侧面，并且每个电芯的反面与相互叠加的相邻单体电芯1或电池模块2的正面贴合的所述微热管阵列贴合，其中贴合在电芯正面和相邻电芯的反面的部分为微热管阵列传热段4，微热管阵列传热段4在电池需要冷却散热时为蒸发段，在电池需要加热升温时作为冷凝段，微热管阵列的长度大于单体电芯1和电池模块2的宽度且两端是弯折的，弯折后的垂直部分与单体电芯1或电池模组2的左、右两个侧面贴合分别为微热管阵列蒸发段3、微热管阵列冷凝段5，并与对应的电池包外壳6内侧贴合。所述电池包外壳6在电池包的外部围成封闭结构，其中与对应所述微热管阵列冷凝段5相贴合的电池包外壳6为导热隔板。电池包外设置外置空冷模块7，外置空冷模块7至少与导热隔板的外表面贴合，从而通过所述导热隔板与所述微热管阵列冷凝段5进行热交换，其基板的一侧表面与电池包外壳6的外表面焊接，也可通过密封圈连接，实现外置空冷模块7与内部电芯的完全物理隔离，保证电池包的防护等级达到IP67。
如图11所示，在所述微热管阵列与单体电芯1、电池模组2之间设置有可压缩变形的导热垫片10，所述导热垫片10具有导热、电绝缘及保证微热管阵列与电池良好接触的功能；在微热管阵列蒸发段3的外表面还设置有电加热器11，当电加热器11启动时，微热管蒸发段也可以看做微热管加热段。
本实施例的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，还包括自动控制系统和电芯温度检测单元，自动控制系统与所述电芯温度检测单元和电加热器11相连接。
采用上述热管理系统的一种高防护等级的空冷式电池包热管理方法，在单体电芯1和电池模块2的正面贴合的微热管阵列传热段4和侧面贴合的微热管阵列传热段吸收单体电芯1和电池模块2的热量蒸发，并传导至位于单体电芯1和电池模块2另一侧面的微热管阵列冷凝段5，然后冷凝段将热量传导至与之贴合的导热隔板，导热隔板将热量传导至与导热隔板的外表面贴合的外置空冷模块7，当检测单元所检测的电芯的温度高于35℃时，控制系统自动启动外置空冷模块7，开启风扇9，从而利用外置空冷模块7、导热隔板和微热管阵列对电芯进行散热，将电芯的热量换出；当电芯的温度低于35℃时，外置空冷模块6关闭，不再散热。
当环境温度低于第二设定值，如0℃时，此时控制系统自动关闭冷却系统，并为微热管阵列蒸发段3处设置的电加热器11通电，如PTC热敏电阻或者电加热膜通电，PTC热敏电阻或者电加热膜通电后快速发热热量，热量由微热管阵列蒸发段3快速均匀地传递至微热管阵列的传热段4和冷凝段5，进而快速均匀地预热单体电芯1和电池模块2。
实施例2
为了保证外置空冷模块7的进出风温差小，以实现所有电池的温差不高于5℃，本实施例外置空冷模块7的风道为静压箱12方式，如图12所示，其它结构和工作方式类似实施例1。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的防伪塑封尺寸的变化或纵向撕裂线的尺寸和数目等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，其特征在于包括电池包内部的一组或多组电池和/或电池模组、电池包外壳、外置空冷模块，
所述电池和/或电池模组为立式，且所述电池和/或电池模组的正面横向贴合微热管阵列，所述微热管阵列的长度大于所述电池和/或电池模组的宽度且两端是弯折的，所述微热管阵列贴合所述电池和/或电池模组正面的部分为传热段，弯折后的垂直部分分别贴合所述电池和/或电池模组的两个侧面作为蒸发段和冷凝段，并与对应的电池包外壳贴合；
所述电池包外壳围绕所述电池包且为封闭结构，所述电池包外壳至少在对应所述冷凝段处为导热隔板；
所述外置空冷模块紧贴所述导热隔板的外表面，所述外置空冷模块内部具有空冷翅片，侧面具有风扇。
2.根据权利要求1所述的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，其特征在于所述电池和/或电池模组为多组，彼此在水平方向依次叠加且呈一排或多排分布。
3.根据权利要求2所述的一种高防护等级的空冷式锂电池包热管理系统，其特征在于每组所述电池和/或电池模组至少贴合一个所述微热管阵列，每个所述微热管阵列与每组所述电池和/或电池模组的正面和两个侧面贴合，每组所述电池和/或电池模组的反面与相邻所述电池和/或电池模组的正面贴合的所述微热管阵列贴合。
4.根据权利要求3所述的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，其特征在于每个所述微热管阵列横向倾斜布置，倾角不小于1°，且位于上侧且与所述电池和/或电池模组的侧面贴合的一端为冷凝段，位于下侧且与所述电池和/或电池模组的另一侧面贴合的一端为蒸发段。
5.根据权利要求1所述的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，其特征在于所述微热管阵列是由金属材料经挤压形成的具有多孔结构的扁平状的导热体，内部具有多个并排排列的互不连通且独立运行的微热管，且每个微热管的水力直径为0.2-3.0mm，内部相变工质为非导电介质。
6.根据权利要求1所述的一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理系统，其特征在于所述微热管阵列与所述电池和/或电池模组之间设置有可压缩变形的导热垫片。
7.根据权利要求1所述的一种安全节能的立式锂电池包双模式热管理系统，其特征在于所述微热管阵列的蒸发段和/或传热段设置有加热器。
8.根据权利要求7所述的安全节能的立式锂电池包双模式热管理系统，其特征在于包括自动控制系统和电芯温度检测单元，所述自动控制系统分别与所述电芯温度检测单元、所述风扇和所述加热器连接。
9.一种高防护等级的立式锂电池包空冷式热管理方法，其特征在于采用权利要求1-8任一所述的热管理系统，每组电池和/或电池模组的一个侧面的蒸发段和正面贴合的微热管阵列的传热段吸收每个电池单元的热量，将热量传导至与每组电池和/或电池模组的另一个侧面贴合的冷凝段，然后通过导热隔板将热量传导至外置空冷模块。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所检测的电芯温度高于第一设定值时，控制系统自动启动风扇，由外置空冷模块的翅片进行自动散热；当电芯温度低于第一设定值时，风扇停止运行；当电池温度低于第二设定值时，控制系统启动直接或间接与微热管阵列接触的加热器，所述微热管阵列与电池和/或电池模组热交换，此时风扇停止运行。
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