CN111477996B - 一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，包括电池包，电池包包括导热框架、相变组件、至少一个电芯、以及至少一个热管；热管上连接有翅片；热管穿过相变组件，并且与相变组件内的相变材料接触；导热框架上设有至少一个电芯安装槽和至少一个热管安装槽；每个电芯对应安装于一个电芯安装槽内，并且电芯的外侧壁与电芯安装槽的内侧壁接触；每个热管对应插接于一个热管安装槽内，并且热管的外侧壁与热管安装槽的内侧壁接触。本实施例的电池热管理系统，通过相变材料相变吸热，以及连接翅片的热管的空气冷却双模式热管理方案，实现动力电池有效热管理，可运用于油电混合动力飞行器的动力电池上。

Description

一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统

技术领域

本公开涉及电池热管理领域，尤其涉及一种电池包及双模式混合动力飞行器电池热管理系统。

背景技术

动力电池在工作时，会释放大量的热量，而温度过高会导致电池工作效率降低甚至无法正常工作，因此通常需要设计相应的散热系统，目前，电池散热主要分为气冷散热和液冷散热两种，对于功率较小的用电设备，可以采用气冷散热，而对于功率较大的设备，气冷难以满足其散热要求，通常需要用液冷散热，而液冷散热由于需要携带大量的散热液、散热电机等，导致其重量较大。

油电混合动力飞行器由于其部分动力是通过电池提供，因此也需要对电池的散热进行有效管理，以使得电池能够处于正常的工作状态，由于飞行器需要在高空飞行，因此其重量有严格的要求，这就导致了飞行器的动力电池热管理系统的设计主要受到以下三点约束：

第一：由于飞行器在高空飞行，不同于地面的电动汽车等应用环境，飞行器的重量是需要严格控制的，因此动力电池热管理系统重量也受到严格限制，无法使用液冷系统；

第二：飞行器在低海拔飞行时气温高，动力电池没有较好的冷源，但是由于重量限制，又无法使用制冷系统作为冷源；

第三：由于飞行器的动力电池经常在大功率高倍率放电工况下工作会产生大功率的热量需要散出，因此无法长时间通过相变材料吸热将热量散出。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种电池包及双模式混合动力飞行器电池热管理系统，具体实现方式：

一种电池包，包括导热框架、相变组件、至少一个电芯、以及至少一个热管；所述热管上连接有翅片；所述热管穿过所述相变组件，并且与所述相变组件内的相变材料接触；所述导热框架上设有至少一个电芯安装槽和至少一个热管安装槽；每个所述电芯对应安装于一个所述电芯安装槽内，并且所述电芯的外侧壁与所述电芯安装槽的内侧壁接触；每个所述热管对应插接于一个所述热管安装槽内，并且所述热管的外侧壁与所述热管安装槽的内侧壁接触。

进一步地，还包括空气流道隔板和电芯隔板，所述空气流道隔板和所述电芯隔板将所述电芯、所述翅片的空气流道和所述相变组件之间相互分隔；所述空气流道隔板和所述电芯隔板均为隔热板。

进一步地，所述相变组件包括相变材料、导热填料、封装容器、以及分别盖设于所述封装容器上端口和下端口的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板均开设有用于穿过所述热管的通孔，所述通孔和所述热管之间的间隙采用密封件进行密封；所述导热填料和所述相变材料填装于所述封装容器内。

进一步地，每根所述热管分别连接有至少一个所述翅片；或每个所述翅片与多个所述热管同时相连。

进一步地，所述电芯的数量为多个，并分为N个电芯组；每个所述电芯组包括M个电芯间隔排列呈设定形状；所述热管对应位于与尽可能多的所述电芯等距的位置；其中N≥1，M≥2。

进一步地，还包括外壳，所述导热框架、所述相变组件、所述电芯和所述热管均安装于所述外壳内，所述外壳设有进风口和排风口。

进一步地，所述外壳包括外壳主体和侧盖板，所述侧盖板安装于所述外壳主体上，所述侧盖板与所述外壳主体的内壁设有隔热层。

进一步地，所述电芯与所述电芯安装槽接触的外侧面涂覆有导热硅脂；所述热管与所述热管安装槽接触的外侧面涂敷有导热硅脂。

进一步地，所述相变材料为石蜡，所述导热填料为泡沫铝或泡沫碳。所述泡沫碳为高导热泡沫碳，即具有优良导热性能的泡沫碳。

一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，包括上述任一项所述的电池包。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开的电池包的结构示意图；

导热框架1、相变组件2、电芯3、热管4、翅片5、空气流道隔板6、电芯隔板7、外壳8、电芯安装槽11、热管安装槽12、封装容器21、上盖板22、通孔23、外壳主体82、侧盖板81、进风口83。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

实施例一

参照图1，本实施例提供一种电池包，包括导热框架1、相变组件2、至少一个电芯3、以及至少一个热管4；所述热管4上连接有翅片5；所述热管4穿过所述相变组件2，并且与所述相变组件2内的相变材料接触；所述导热框架1上设有至少一个电芯安装槽11和至少一个热管安装槽12；每个所述电芯3对应安装于一个所述电芯安装槽11内，并且所述电芯3的外侧壁与所述电芯安装槽11的内侧壁接触；每个所述热管4对应插接于一个所述热管安装槽12内，并且所述热管4的外侧壁与所述热管安装槽12的内侧壁接触。

本实施例中，所述导热框架1作用是包裹所述电芯3、安装所述热管4，以便能够尽可能地降低所述电芯3和所述热管4之间的导热热阻。所述导热框架1为高导热框架1，选材要求导热系数高、密度小，本实施例可采用纯铝作为框架材料。所述导热框架1上用于安装所述热管4的热管安装槽12应尽可能深，但是不应打通，这样能够增加所述导热框架1和所述热管4之间的接触面积，增强换热效果。用于安装所述电芯3的电芯安装槽11应该打通，以便所述电芯3两端能够接线。所述导热框架1也可以采用其他材料制作框架，比如高导热石墨、铝基金刚石复合材料。

本实施例中，所述电芯3与所述电芯安装槽11接触的外侧面涂覆有导热硅脂；所述热管4与所述热管安装槽12接触的外侧面涂敷有导热硅脂。所述电芯3和所述热管4在框架中安装之前应该包裹导热硅脂，以便尽可能降低由于存在安装间隙所导致的接触热阻。

本实施例中，所述热管4连接所述翅片5的作用是将所述电芯3产生的热量迅速通过所述热管4传导到相变材料或者翅片5，以便通过相变材料相变或者空气横掠所述翅片5将热量散出。选择热管4作为导热介质是因为其具备的很高的导热性，较之银、铜、铝等高导热系数金属，单位重量的热管4可多传递几个数量级的热量。

所述热管4根据工作温度范围、导热能力等要求不同，可以选择不同的工作介质和壳体材料。由于本实施例中所述热管4需要在所述电芯3、所述相变材料、空气之间换热，因此其工作温度范围应该考虑三者的温度范围。其中所述电芯3允许的工作温度范围为0～40℃，空气温度在不同季节整个飞行包线内的范围是-50～40℃，所述相变材料的相变温度需要保证电芯3工作在其最佳工作温度附近，因此，其相变温度肯定落在0～40℃之间，具体而言是在20℃左右。基于此，考虑10℃的传热温差之后，所述热管4的工作温度应该在-40～30℃之间。与此同时，为了提高所述热管4的导热能力，应该尽可能的选择高相变潜热的工作介质。基于以上考虑，本技术选择采用氟利昂作为热管4的工作介质，包括R21、R11、R113等。考虑到重量和与氟利昂的相容性，所述热管4的壳体选用铝。

为了强化所述热管4向空气的散热，增加有效散热面积，必须在所述热管4上加装所述翅片5。每根所述热管4分别连接有至少一个所述翅片5；也可以每个所述翅片5与多个所述热管4同时相连。本实施例中，优选用将所述翅片5与数根所述热管4相连的方案，并且采用铝作为翅片5的材料。考虑到传热性能、机械性能以及制造难度，本技术采用焊接技术连接翅片5和热管4，焊接方法采用钎焊或者高频感应焊。

需要说明的是，所述热管4的布置方式是根据电芯3的布置方式决定的，本实施例中，所述电芯3的数量为多个，并分为N个电芯3组；每个所述电芯3组包括M个电芯3间隔排列呈设定形状；所述热管4对应位于与尽可能多的所述电芯3等距的位置；其中N≥1，M≥2。

举例来说，将数个电芯3分为3组，所述电芯3组的6个电芯3排布成正六边形时，所述热管4的数量为3个，每个所述热管4对应位于与尽可能多的所述电芯3等距的位置，以便能够保证每个电芯3能够均匀散热。

本实施例中，所述电芯3可选用18650型电芯3，也可以采用方型电芯3或软包电芯3等。需要说明的是，所述热管4的截面形状和排布方式可以根据电芯3的不同而不同，比如采用矩形截面热管4对齐排列的方案以适应方形电芯3或者软包电芯3的散热需求。另外，翅片5形状可以根据热管4截面形状的变化而做出调整，比如采用翅片5各自加在每根热管4上的方案。

所述相变组件2包括相变材料、导热填料、封装容器21、以及分别盖设于所述封装容器21上端口和下端口的上盖板22和下盖板，所述上盖板22和下盖板均开设有用于穿过所述热管4的通孔23，所述通孔23和所述热管4之间的间隙采用密封件进行密封；所述导热填料和所述相变材料填装于所述封装容器21内。其安装过程如下：将所述上盖板22套进所述热管4，在所述通孔23与所述热管4之间的间隙安装所述密封件，将所述封装容器21与所述上盖板22通过螺丝组装固定，在所述封装容器21内放入所述导热填料，将所述石蜡注入所述封装容器21，将经安装好密封件的所述下盖板通过螺丝组装到所述封装容器21上。

所述相变材料的作用是在飞行器低空飞行时通过固液相变吸收所述电芯3散出的主要热量，以维持所述电芯3在其安全工作温度范围内工作。所述相变材料的选择要求相变温度合适并且相变潜热大。本实施例选用石蜡作为相变材料。但是石蜡作为相变材料存在导热系数小的缺点，为了增加相变材料的导热系数，本实施例采用的所述导热填料包括泡沫铝或者高导热泡沫碳。可以采用翅片、蜂窝结构替代本技术中所采用的泡沫铝或者高导热泡沫碳。

本实施例所述的电池包还包括空气流道隔板6和电芯隔板7，所述空气流道隔板6和所述电芯隔板7将所述电芯3、所述翅片5的空气流道和所述相变组件2之间相互分隔；所述空气流道隔板6和所述电芯隔板7均为隔热板，以实现对三个区域的隔热，之所以要隔热是为了防止所述相变材料通过从所述翅片5区或者所述电芯3区吸热提前融化。所述隔热板选用泡沫塑料。选用泡沫塑料作为隔热材料能够隔热而且绝缘，从而其与电池电极接触不会造成短路。所述泡沫塑料可以是聚氨酯泡沫或者聚酰亚胺泡沫。

本实施例所述的电池包还包括外壳8，所述导热框架1、所述相变组件2、所述电芯3和所述热管4均安装于所述外壳8内，所述外壳8设有进风口83和排风口。所述外壳8包括外壳主体82和侧盖板81，所述侧盖板81安装于所述外壳主体82上，所述侧盖板81与所述外壳主体82的内壁设有隔热层。所述隔热层通过黏贴的方式安装在外壳主体82和侧盖板81的内壁上，起到隔热保温的作用，隔热材料选择泡沫塑料材料。

实施例二

参照图1，本实施例提供一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，包括实施例一所述的电池包。

本实施例的电池热管理系统，通过所述相变材料相变吸热，以及连接翅片5的热管4的空气冷却双模式热管理方案，实现动力电池有效热管理，可运用于油电混合动力飞行器的动力电池上。

电池产生的热量经所述导热框架1传递给所述热管4，所述热管4可将热量分别传递给所述相变组件2以及所述翅片5。当油电混合动力飞行器在低空飞行时，环境气温较高，热量主要由所述相变组件2中的相变材料融化吸收，即采用相变材料吸热模式进行热管理；当飞行器爬升至高空时，相变材料全部融化无法大量吸热，而此时环境气温也下降到0℃以下，切换为空气冷却模式进行热管理，此时热量可以通过空气冷却带所述翅片5的所述热管4散出，并且随着所述热管4被空气冷却，与之接触的相变材料又能重新凝固，使之能够在飞行器下降阶段吸热。

飞行器高空飞行时采用基于带所述翅片5的所述热管4的空气冷却模式，避免了电池组大功率散热条件下液冷系统的使用，最大限度地减小了电池热管理系统重量；

飞行器低空飞行时利用所述相变组件2的所述相变材料吸收电池释放的热量，但是热量是通过所述导热框架1以及所述热管4导出后再由所述相变材料吸收，而非将所述相变材料直接作为导热介质。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，包括电池包；所述电池包包括导热框架、相变组件、至少一个电芯、以及至少一个热管；所述热管上连接有翅片；所述热管穿过所述相变组件，并且与所述相变组件内的相变材料接触；所述导热框架上设有至少一个电芯安装槽和至少一个热管安装槽；每个所述电芯对应安装于一个所述电芯安装槽内，并且所述电芯的外侧壁与所述电芯安装槽的内侧壁接触；每个所述热管对应插接于一个所述热管安装槽内，并且所述热管的外侧壁与所述热管安装槽的内侧壁接触。

2.如权利要求1所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述电池包还包括空气流道隔板和电芯隔板，所述空气流道隔板和所述电芯隔板将所述电芯、所述翅片的空气流道和所述相变组件之间相互分隔；所述空气流道隔板和所述电芯隔板均为隔热板。

3.如权利要求1所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述相变组件包括相变材料、导热填料、封装容器、以及分别盖设于所述封装容器上端口和下端口的上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板均开设有用于穿过所述热管的通孔，所述通孔和所述热管之间的间隙采用密封件进行密封；所述导热填料和所述相变材料填装于所述封装容器内。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，每根所述热管分别连接有至少一个所述翅片；或每个所述翅片与多个所述热管同时相连。

5.如权利要求1-3任一项所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述电芯的数量为多个，并分为N个电芯组；每个所述电芯组包括M个电芯间隔排列呈设定形状；所述热管的数量为N个，并且每个所述热管对应位于一个电芯组构成的所述设定形状的中心位置；其中N≥1，M≥2。

6.如权利要求1-3任一项所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述电池包还包括外壳，所述导热框架、所述相变组件、所述电芯和所述热管均安装于所述外壳内，所述外壳设有进风口和排风口。

7.如权利要求6所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述外壳包括外壳主体和侧盖板，所述侧盖板安装于所述外壳主体上，所述侧盖板与所述外壳主体的内壁设有隔热层。

8.如权利要求1-3任一项所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述电芯与所述电芯安装槽接触的外侧面涂覆有导热硅脂；所述热管与所述热管安装槽接触的外侧面涂敷有导热硅脂。

9.如权利要求3所述的一种双模式混合动力飞行器电池热管理系统，其特征在于，所述相变材料为石蜡，所述导热填料为泡沫铝或泡沫碳。

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