CN111106411B - 一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，包括电池模块、冷却系统和相变系统；电池模块包括多个左右并排设置的电池单体；冷却系统包括蒸发板和冷凝器；蒸发板为多个，并对应设置在相邻的电池单体之间；相变系统包括固固相变板，固固相变板为多个，并对应设置在蒸发板与电池单体之间；每个蒸发板上端先通过导气管与位于电池箱体上方的冷凝器内的冷凝腔连通，再通过冷凝腔侧边的导液管与蒸发板下端连通形成流通环路。本基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，结构简单紧凑，不仅通过环路和相变材料相互结合实现对电池模块的高效均匀散热，而且实现蒸发工质的循环利用，降低能耗。

Description

一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块
技术领域
本发明涉及动力电池领域，具体涉及一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块。
背景技术
新能源电动汽车在节能减排等方面具有明显的优势，而受到国内外市场的欢迎，作为新能源电动汽车的关键技术之一的动力电池，在充放电过程中，动力电池内部复杂的化学反应使得电池内部迅速产生大量的热，导致电池温度升高、性能下降，散热性差或不均匀的动力电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时发生剧烈燃烧甚至爆炸，存在安全隐患。
目前，动力电池热管理方式主要有风冷和液冷；风冷热管理系统主要依靠空气流过电池箱，将电池产生的热量散发到外界环境。虽然风冷热管理系统造价低、结构简单，但是空气与电池的对流换热系数较低，冷却效果不理想，中国专利CN109599638A公布了一种用于车辆电池的热管理系统，主要在垂直于入流空气流动方向的方向上，电池单体以非均匀性布置，虽然在一定程度上提高了风冷热管理系统的性能，但是空气与电池的对流换热系数较低限制了其冷却效果，且占用的空间更大；
现有的液冷方式主要是将整个电池组浸入冷却槽内，或将流通有冷却液的冷板包覆在电池表面，通过冷却液的循环流动吸收电池组产生的热量，冷却效果好，但是液冷热管理系统结构复杂，存在漏液风险，需要定期维护，造价、维护成本高，中国专利CN109599640A公布了一种圆柱形动力电池模组液体热管理方案，主要将螺旋盘管盘绕在电池圆柱形壳体上，再与电池模组的冷却系统和加热系统相连，但是数量众多的螺旋盘管的制作难度较大，成本较高，且需要额外为循环泵提供动力。
此外，一些动力电池热管理方式采用相变材料、热管或半导体制冷器冷却，中国专利CN109301365A公布了一种热管结合相变材料形成复合板的电池热管理系统，主要将若干电池单体的表面紧贴地平行设置有若干列可弯曲变形的复合板，但是其只是简单的将蒸发段贴合在电池表面，冷凝段设在电池组外，虽然能将电池产生的热量导出电池组，但冷凝效果较差，且弯曲的热管不利于工质的循环。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，结构简单紧凑，不仅通过环路热管和相变材料相互结合实现对电池模块的高效均匀散热，而且实现蒸发工质的循环利用，降低能耗。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块包括电池模块、冷却系统和相变系统；
冷却系统包括蒸发板和冷凝器；蒸发板为多个，多个蒸发板间隙、左右并排设置；
相变系统包括固固相变板，固固相变板为多个，并对应紧贴设置在每个蒸发板左右两侧；
所述电池模块包括多个电池单体；每个电池单体设置在相邻的固固相变板之间；
每个蒸发板上端先通过导气管与位于电池模块上方的冷凝器内的冷凝腔连通，再通过冷凝腔侧边的导液管与蒸发板下端连通形成流通环路。
进一步的，所述蒸发板内部的蒸发工质通过多个上下贯穿的槽道进行隔开，每个槽道表面做亲水处理，蒸发板内部上端设有气池、下端设有液池。
进一步的，所述冷凝腔底部设置为倾斜坡度，导气管与冷凝腔底部高处连通，导液管与冷凝腔底部低处连通。
进一步的，所述冷凝腔底部中处高于其底部的前后两处，并且中处通过导气管与蒸发板连通，前后两处对应通过一对导液管与蒸发板连通。
进一步的，所述冷凝器上设有充液口，冷凝腔的内壁进行疏水处理。
进一步的，所述固固相变板内部被金属肋片分割成多个均匀分布的方型区域，每个方型区域内设有相变材料。
进一步的，所述蒸发板外侧尺寸与电池单体外侧尺寸相同并贴合设置，电池单体、蒸发板和固固相变板彼此相邻之间采用高导热系数的导热胶粘合。
进一步的，所述电池模块设置在电池箱体内，电池箱体上端通过盖板将电池模块进行密封；所述电池箱体由具有导热性能的金属板制成，其内设有对蒸发板、电池模块和固固相变板限位放置的盲腔，盲腔与电池箱体内壁形成凸台，并且盲腔底部设有绝缘材料。
进一步的，所述冷凝器上部设有翅片或者冷凝腔内设有冷凝柱。
进一步的，所述冷凝腔顶部设有多个凸起的二级腔体。
与现有技术相比，本一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块具有以下优点：
（1）本发明由于将多个蒸发板对应设置在相邻的电池单体之间，多个固固相变板对应设置在蒸发板与电池单体之间，整体结构紧凑，通过固固相变板吸收部分电池单体的热量，蒸发板内的蒸发工质吸收其他热量并从导气管进入冷凝腔再通过导液管回到蒸发板内形成环路，满足动力电池模块在较小的温度区间内和在狭小的空间内实现高热流密度的换热的要求，使得对电池模块散热更加高效均匀，避免其局部温度过大，并且蒸发工质形成环路，实现资源的循环利用，有效降低能耗；
（2）本发明由于蒸发工质通过多个槽道进行隔开，蒸发板内部上端设有气池、下端设有液池，当蒸发时蒸发工质可以沿着不同的槽道进入气池内进行缓存，并且冷凝后通过液池对蒸发工质进行缓存，因此有效提升蒸发、冷凝、回流形成的环路散热极限，有效对整体进行散热；另外槽道可以设置成微小型结构，蒸发时产生的毛细力可以提供蒸发工质循环的动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，竖直的导液管中的液柱对蒸发板中的蒸发工质起推动作用，冷却系统通过耦合毛细力和重力驱动，无需额外提供动力，降低能耗；
（3）本发明冷凝腔的底板设置成带有倾斜坡度，避免蒸发气体冷凝后倒流，将冷凝腔的底部中处高于其前后两处，蒸发气体冷凝后从冷凝腔前后两处对应的一对导液管内回流，使得散热部分集中，散热均匀性好；并且冷凝器可增加翅片、冷凝柱或复合式多种形式，可对应实现增大冷凝器的散热面积、可强化工质冷凝及回流、有利于工质冷凝后的回流的作用，并且再电动汽车行驶过程中不可避免的出现振动，可以促进冷凝液滴的脱离，形成回流。
（4）本发明由于相变材料被金属肋片分割成多个均匀分布的方型区域，实现对其区域设置，避免区域间的互相干扰，提高其导热系数；另外蒸发板与电池单体贴合设置，电池单体、蒸发板和固固相变板彼此相邻之间采用高导热系数的导热胶粘合，不仅整体更加美观，而且通过导热胶粘合实现其相互之间的高效传导，而且避免其之间因高温而分离。
附图说明
图1是本发明的整体示意图；
图2是本发明的整体主视图；
图3是本发明的整体俯视图；
图4是本发明的整体左视图（增画电池箱体）；
图5是本发明图2的A-A剖面图；
图6是本发明图3的B-B蒸发板剖面图；
图7是本发明图蒸发板另一方案剖面图；
图8是本发明的图3的C-C剖面图；
图9是本发明的图3的D-D固固相变板剖面图；
图10是本发明的冷凝器示意图；
图11是本发明的冷凝器左视图；
图中：1、电池单体，2、冷却系统，21、蒸发板，211、槽道，212、液池，213、气池，22、导液管，23、导气管，24、冷凝器，241、冷凝腔，242、翅片，25、充液口，26、冷凝柱，3、固固相变板，31、金属肋片，32、相变材料，4、电池箱体，41、凸台，42、绝缘材料，43、盖板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1至图5、图8所示，本一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块包括电池模块、冷却系统2和相变系统；
冷却系统2包括蒸发板21和冷凝器24；蒸发板21为多个，多个蒸发板21间隙、左右并排设置；
相变系统包括固固相变板3，固固相变板3为多个，并对应紧贴设置在每个蒸发板21左右两侧；
所述电池模块包括多个电池单体1；每个电池单体1设置在相邻的固固相变板3之间；
每个蒸发板21上端先通过导气管23与位于电池模块上方的冷凝器24内的冷凝腔241连通，再通过冷凝腔241侧边的导液管22与蒸发板21下端连通形成流通环路；
本一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块使用时，电池模块的中多个电池单体1工作将产生热量，由于多个蒸发板21对应设置在相邻的电池单体1之间、多个固固相变板3对应设置在蒸发板21与电池单体1之间，即其排列关系为固固相变板3、蒸发板21、固固相变板3、电池单体1、固固相变板3，依次循环，电池单体1产生的热量一部分被固固相变板3通过潜热吸收、储存和释放，其余部分被冷却系统2中的蒸发板21吸收，蒸发板21的内部设有采用丙酮等低沸点的物质作为蒸发用的蒸发工质，蒸发工质将吸收一定热量而蒸发，蒸发气体从导气管23进入冷凝器24的冷凝腔241内进行冷凝处理，冷凝后的蒸发工质通过导液管22回流至蒸发板21内，在蒸发工质循环的同时实现将热量从电池组传递到外界环境中，实现对电池模块的整体散热，更加高效。
如图6所示，进一步的，所述蒸发板21内部的蒸发工质通过多个上下贯穿的槽道211进行隔开，每个槽道211表面做亲水处理，蒸发板21内部上端设有气池213、下端设有液池212；
通过在蒸发板21内设有槽道211、气池213和液池212，蒸发工质可以沿着不同的槽道211进入气池213内，通过气池213可以作为暂且的储存，避免气体无法及时排出而堆积在蒸发板21上部进行冷凝，并且冷凝后通过导液管22进入液池212内，通过液池212对蒸发工质进行储存，因此有效提升蒸发、冷凝、回流形成的环路散热极限，有效对整体进行散热；
并且槽道211可以设置成微小型结构，当进行蒸发时产生的毛细力可以提供蒸发工质循环的动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，蒸汽在冷凝器24冷凝后通过导液管22回流，由于导液管22为竖直布置，蒸发工质在重力作用下更容易回流，且导液管22中的液柱对蒸发板21中的蒸发工质起推动作用。冷却系统2通过耦合毛细力和重力驱动，无需额外提供动力，降低能耗；
如图6、图7所示，进一步的，可以对冷凝腔241的结构进行设置；比如所述冷凝腔241底部带有坡度倾斜设置，导气管23与冷凝腔241底部高处连通，导液管22与冷凝腔241底部低处连通；
进一步的，每个蒸发板21对应导液管22为一对，冷凝器24内冷凝腔241底部中处高于其底部的前后两处，并且中部通过导气管23与蒸发板21连通，前后两处对应通过一对导液管22与蒸发板21连通；
将冷凝腔241的底板设置成带有倾斜坡度，蒸发气体在冷凝腔241内冷凝，避免其进行倒流，即避免从导气管23内倒流至蒸发板21内而影响蒸发效果，因此实现冷凝后液体从冷凝腔241的坡度通过导液管22回流至蒸发板21的下方；
并且将冷凝腔241的底部中处高于其前后两处，前后两处对应通过一对导液管22与蒸发板21连通，蒸发气体冷凝后从一对导液管22内回流，使得散热部分集中，散热均匀性好；
另外可以在冷凝器24上设有充液口25，便于对蒸发板21内蒸发工质的添加，避免长时间使用蒸发工质的减少，冷凝腔241的内壁进行疏水处理；
如图9所示，进一步的，所述固固相变板3内部被金属肋片31分割成多个均匀分布的方型区域，每个方型区域内设有相变材料32；实现将固固相变板3内的相变材料32进行区域设置，避免相变材料32区域间的互相干扰，提高其导热系数；
进一步的，所述蒸发板21外侧尺寸与电池单体1外侧尺寸相同并贴合设置，电池单体1、蒸发板21和固固相变板3彼此相邻之间采用高导热系数的导热胶粘合；使得电池单体1、蒸发板21和固固相变板3外形成以整体，更加美观，并且之间通过导热胶粘合，不仅实现其相互之间的高效传导，而且避免其之间因高温而分离；
如图4所示，进一步的，所述电池模块设置在电池箱体4内，电池箱体4上端通过盖板43将电池模块进行密封；
所述电池箱体4由具有导热性能的金属板制成，其内设有对蒸发板21、电池模块和固固相变板3限位放置的盲腔，盲腔与电池箱体4内壁形成凸台41，并且盲腔底部设有绝缘材料42；将蒸发板21、电池模块和固固相变板3限位放置在盲腔内，实现对其整体固定，避免其使用过程中因为使用环境，比如车辆振动等而且造成整体安装不稳定，并且盲腔底部设有绝缘材料42，对整体进行绝缘，避免电池模块进行漏电的情况；
如图10、图11所示，进一步的，所述冷凝器24上部设有翅片242或者冷凝腔241内设有冷凝柱26；
进一步的，所述冷凝腔241顶部设有多个凸起的二级腔体；
冷凝器24可设计为冷凝腔241上部加翅片242、冷凝腔241顶部设有冷凝柱26以及复合式冷凝器24（二级腔体）等多种形式，翅片242有效增大冷凝器24的散热面积，凸起的二级腔体增加的竖直壁面更有利于工质冷凝后的回流。冷凝腔241顶部设有冷凝柱26，可强化工质冷凝及回流。此外，电动汽车行驶过程中不可避免的出现振动，可以促进冷凝液滴的脱离，形成回流。

Claims (7)

1.一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，包括电池模块，其特征在于，还包括冷却系统(2)和相变系统；
冷却系统(2)包括蒸发板(21)和冷凝器(24)；蒸发板(21)为多个，多个蒸发板(21)间隙、左右并排设置；
相变系统包括固固相变板(3)，固固相变板(3)为多个，并对应紧贴设置在每个蒸发板(21)左右两侧；
所述电池模块包括多个电池单体(1)；每个电池单体(1)设置在相邻的固固相变板(3)之间；
每个蒸发板(21)上端先通过导气管(23)与位于电池模块上方的冷凝器(24)内的冷凝腔(241)连通，再通过冷凝腔(241)侧边的导液管(22)与蒸发板(21)下端连通形成流通环路；
所述蒸发板(21)内部的蒸发工质通过多个上下贯穿的槽道(211)进行隔开，每个槽道(211)表面做亲水处理，蒸发板(21)内部上端设有气池(213)、下端设有液池(212)；
所述冷凝腔(241)底部中处高于其底部的前后两处，并且中处通过导气管(23)与蒸发板(21)连通，前后两处对应通过一对导液管(22)与蒸发板(21)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其特征在于，所述冷凝器(24)上设有充液口(25)，冷凝腔(241)的内壁进行疏水处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其特征在于，所述固固相变板(3)内部被金属肋片(31)分割成多个均匀分布的方型区域，每个方型区域内设有相变材料(32)。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其特征在于，所述蒸发板(21)外侧尺寸与电池单体(1)外侧尺寸相同，电池单体(1)、蒸发板(21)和固固相变板(3)彼此相邻之间采用高导热系数的导热胶粘合。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其特征在于，所述电池模块设置在电池箱体(4)内，电池箱体(4)上端通过盖板(43)将电池模块进行密封；所述电池箱体(4)由具有导热性能的金属板制成，其内设有对蒸发板(21)、电池模块和固固相变板(3)限位放置的盲腔，盲腔与电池箱体(4)内壁形成凸台(41)，并且盲腔底部设有绝缘材料(42)。
6.根据权利要求5所述的一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其特征在于，所述冷凝器(24)上部设有翅片(242)或者冷凝腔(241)内设有冷凝柱(26)。
7.根据权利要求6所述的一种基于环路热管和相变材料耦合冷却的动力电池模块，其特征在于，所述冷凝腔(241)顶部设有多个凸起的二级腔体。
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