CN111682281B - 一种基于热管冷却的圆柱形锂电池单体及电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池技术领域。为了解决由于圆柱形锂离子电池的内部热量无法快速散出，而影响电池使用性能和使用寿命的问题，本发明公开了一种基于热管冷却的圆柱形锂电池单体。该圆柱形锂电池单体包括壳体、电极材料层和热管；其中，所述电极材料层以空心卷形结构固定在所述壳体内部，并且在其中心位置设有空心卷轴；所述热管的蒸发段位于所述空心卷轴内，所述热管的冷凝段伸出至所述壳体外部。本发明的圆柱形锂电池单体，可以实现将位于电池单体内部的热量直接快速引出散热，完成对电池单体的快速冷却降温，从而避免电池单体内部设备长时间处于高温状态而导致使用性能和使用寿命的降低。

Description

一种基于热管冷却的圆柱形锂电池单体及电池组
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种基于热管冷却的圆柱形锂电池单体及电池组。
背景技术
锂离子动力电池因为具有能量密度高、循环寿命长以及环境友好等优势，已经成为新能源汽车动力装置以及大规模储能系统的主要选择。但是，锂离子电池作为一种电化学电源，在其充放电的过程中由于自身产热引起的温度过高以及误用工况引发的热失控，都会造成严重的安全隐患，而这也正是目前锂离子电池在大规模应用过程中所面临的主要问题。
目前，在电池的使用运行过程中，电池内部产生的热量通常需要逐渐扩散传递至电池外部后，再借助外部冷却方式，例如风冷或水冷，将堆积在电池壳体表面的热量带走，从而达到对电池的降温目的，将电池的温度控制在最佳运行温度范围内。
然而，由于圆柱形锂离子电池的内部为层状结构，各层之间的接触热阻以及电极功能层自身较差的导热性能，使得该电池内部整体热阻较大，自主散热性能差。这样，在圆柱形锂电池的实际使用运行过程中，采用常规的外部冷却方式进行降温处理时，虽然电池外表面可以获得及时有效的散热降温，但电池内部产生的热量却由于无法快速散出而出现持续堆积形成内部高温，在这种内外较大温差状态下的长期运行过程中就会导致电池容量衰减速率加快，使电池整体寿命缩短。
发明内容
为了解决由于圆柱形锂离子电池的内部热量无法快速散出，而影响电池使用性能和使用寿命的问题，本发明提出了一种基于热管冷却的圆柱形锂电池单体。该圆柱形锂电池单体，包括壳体、电极材料层、空心卷轴和热管；其中，所述电极材料层和所述空心卷轴位于所述壳体内部，并且所述电极材料层缠绕在所述空心卷轴上；所述热管的蒸发段位于所述空心卷轴内，所述热管的冷凝段伸出至所述壳体外部。
优选的，所述热管的蒸发段与所述空心卷轴之间填充有导热硅脂，用于所述电极材料层与所述热管之间的导热接触。
优选的，所述热管所用工质选用高压低温制冷剂。
进一步优选的，所述热管的蒸发段与所述空心卷轴之间填充有泡沫金属骨架，用于所述电极材料层与所述热管之间的支撑导热。
优选的，所述热管的蒸发段与所述空心卷轴之间设有泡沫金属骨架和导热硅脂，并且所述导热硅脂填充在所述泡沫金属骨架的空隙内。
优选的，所述热管的冷凝段设有翅片。
一种基于热管冷却的圆柱形锂电池组，由多个上述基于热管冷却的圆柱形锂电池单体组成。
优选的，该圆柱形锂电池组包括热管风扇；其中，多个所述圆柱形锂电池单体中所述热管的冷凝段位于相同水平高度，并且与所述热管风扇的直吹高度保持一致。
优选的，该圆柱形锂电池组包括壳体风扇，并且所述壳体风扇与所述圆柱形锂电池单体的壳体保持相同水平高度设置。
进一步优选的，该圆柱形锂电池组还设有风扇控制单元，所述风扇控制单元包括温度监测模块，控制模块和风扇调速模块；其中，所述温度监测模块用于检测所述圆柱形锂电池单体的温度，并将检测结果发送至所述控制模块；所述控制模块与所述温度监测模块连接，接收温度检测结果并进行分析判断，同时将温度分析结果发送至所述风扇调速模块；所述风扇调速模块同时与所述控制模块和所述风扇连接，用于接收所述控制模块发送的温度分析结果并发送风扇转速控制指令至所述风扇。
本发明的圆柱形锂电池与常规电池相比较，具有以下有益效果：
1、在本发明中，通过借助圆柱形锂离子电池单体内部自身已有的空心卷轴进行热管安装，并且将热管的蒸发段伸入至空心卷轴内部，将热管的冷凝段伸出至壳体的外部，此时利用将电池单体内部与电池单体外部连通的热管就可以直接快速的将电池单体内部的热量引出至电池单体外部，实现对电池单体内部热量的直接快速释放。这样，就可以对电池使用过程中产生于电池单体内部的热量直接进行引出散热降温，达到对圆柱形锂离子电池单体内部的快速降温效果，从而避免电池单体内部热量堆积导致电池单体内部长时间处于高温状态而使电池容量衰减速率加快，使电池整体寿命缩短的问题。
2、在本发明中，在采用高压低温制冷剂作为热管工质进行热量传递，从而提高热交换效率的情况下，进一步通过在热管与空心卷轴之间采用泡沫金属骨架进行两者之间固定，不仅可以提高热管在空心卷轴内位置的稳定性，使电池使用过程中热管可以持续稳定的进行热量交换，保证热管工作的可靠性，而且在热管出现破损且高压低温制冷剂瞬间形成高压气体泄漏至空心卷轴内时，就可以借助泡沫金属骨架所具有的孔隙作为高压气体泄漏通道，将高压气体快速引出至电池单体外部，避免瞬间泄漏的高压气体对电池单体造成冲击震动破坏，从而提高采用热管直接伸入至电池单体内部进行热量引出操作时的安全可靠性。
3、本发明的圆柱形锂离子电池单体，直接选用合适直径尺寸的热管插装固定在已有的空心卷轴内即可实现对电池单体内部热量的快速引出，结构简单，制造方便，陈本低，便于广泛推广使用。
附图说明
图1为本实施例中基于热管冷却的圆柱形锂电池单体的结构示意图；
图2为本实施例中电极材料层与热管连接的外形结构示意图；
图3为本实施例中电极材料层与热管之间连接的局部横截面示意图；
图4为本实施例中基于热管冷却的圆柱形锂电池组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
结合图1至图3所示，本实施例中基于热管冷却的圆柱形锂电池单体1，包括壳体11、电极材料层12和热管13。壳体11位圆柱形桶状结构，用于安装和固定电极材料层12。电极材料层12为片层形状并且缠绕在空心卷轴121上，电极材料层12和空心卷轴121同时固定在壳体11内部。热管13的蒸发段131位于空心卷轴121内并且与电极材料层12保持直接接触，热管13的冷凝段132则穿过正极端盖14后伸出至壳体11的外部。
在本实施例中，通过借助圆柱形锂离子电池单体内部自身已有的空心卷轴进行热管安装，并且将热管的蒸发段伸入至空心卷轴内部，将热管的冷凝段伸出至壳体的外部，就可以利用热管将圆柱形锂离子电池单体运行过程中积聚于电极材料层内部的热量直接快速的引出至位于锂离子电池单体外部，进而借助冷凝段进行热量释放冷却，达到对圆柱形锂离子电池单体内部的直接降温效果。与现有电池的常规散热技术相比较，本实施例中的圆柱形锂离子电池单体就可以直接借助热管将其内部热量进行引出释放，从而避免了电池单体内部热量堆积导致电池单体内部长时间处于高温状态而使电池容量衰减速率加快，使电池整体寿命缩短的问题。
结合图3所示，在本实施例中热管13的蒸发段131与空心卷轴121之间填充有导热硅脂21，用于空心卷轴121与热管13之间的导热接触。这样，不仅可以借助导热硅脂的高导热性直接提高热管与电极材料层之间的热交换效率，而且还可以利用导热硅脂的脂膏态实现热管与空心卷轴之间的间隙填充，增加热管与空心卷轴之间的接触面积，进一步提高热管与电极材料层之间的热交换效率，加快对电池单体内部热量的引出速度。
在本实施例中，选用高压低温制冷剂作为热管内部的工质，可以提高热管对热量的吸收和释放效率，提高整个热管对电池单体内部热量的引出速度。
优选的，结合图3所示，在本实施例中热管13的蒸发段131与空心卷轴121之间还设有泡沫金属骨架22，形成电极材料层12与热管13之间的支撑导热。
这样，不仅可以借助导热性能更好、结构形状更稳定的泡沫金属骨架提高电极材料层与热管之间的热交换效率，以及增强热管在空心卷轴内位置的支撑牢固性，从而提高电池单体工作过程中热管位置的稳定性，保证热管可以持续稳定运行，而且还可以同时借助泡沫金属骨架上的孔隙作为导热硅脂的固定载体，避免导热硅脂长时间在自身重力和高温共同作用下发生流动偏移问题，而在热管与电极材料层之间出现局部间隙，导致热管与电极材料层之间出现分布不均匀的热量交换，从而稳定导热硅脂在空心卷轴内的位置，保证导热硅脂进行热量传递的均匀稳定性，提高电池单体温度分布的均匀性。
与此同时，结合图1和图3所示，当位于空心卷轴121内部的热管13发生破裂而导致内部高压低温制冷剂外泄而瞬间形成高压气体并进入空心卷轴121内时，就可以利用泡沫金属骨架22上的孔隙形成气体排放通道，将位于空心卷轴121内的高压气体快速排出至电极材料层12外部，进而通过安全阀15排出至电池单体1的外部。这样，就可以有效避免热管发生破裂而外泄的高压气体对电池单体造成冲击震动和破坏，提高使用高压低温制冷剂作为热管内部工质并将热管伸入至电池单体内部使用时的安全可靠性。
结合图2所示，在本实施例热管13的冷凝段132处还设有多个相互平行间隔布置的翅片133。这样，利用表面积更大的翅片就可以增加热管冷凝段与外界环境的接触面积，从而提高热管与外界环境之间的热交换效率。
此外，在本实施例中，热管的外表面还设有绝缘导热涂层，以避免热管与正极端盖或电极材料层之间出现意外接触而发生导电危险，从而保证热管以及整个电池单体的正常运行工作，提高电池单体使用的安全可靠性。
结合图1所示，在热管13与正极端盖14之间还设有一个紧固件16，用于热管13穿过正极端盖14时的连接固定，固定热管13的位置。同时，在本实施例中，由于热管13从正极端盖14的中心位置伸出，从而将正极极耳17进行了偏置固定，以保证整个电池单体的正常使用，同样，在其他实施例中，根据需要也可以将正极极耳设置在其他位置，以便于方便连接使用。
结合图4所示，本实施例基于热管冷却的圆柱形锂电池组3，包括多个依次排列连接的圆柱形锂电池单体1以及对其进行风冷降温的热管风扇31和壳体风扇32，其中，圆柱形锂电池单体1以及热管风扇31和壳体风扇32全部放置固定在箱体33内，以便于对整个电池组进行搬运和固定安装使用。
在本实施例中，位于箱体33内部的所有圆柱形锂电池单体1中热管的冷凝段处于同一水平高度，并且与热管风扇31的直吹高度保持一致。这样，借助热管风扇输出的冷却风就可以对所有圆柱形锂电池单体中的冷凝段提供风冷却，从而提高对圆柱形锂电池单体内部热量的快速释放降温。与此同时，借助与圆柱形锂电池单体1的壳体保持相同水平高度设置的壳体风扇32，还可以对每一个电池单体1的壳体表面进行风冷降温处理，从而达到对电池单体内外同时散热降温效果，降低电池单体内外温差，进一步降低电池容量衰减速率，提高整个电池组的使用寿命。
结合图4所示，本实施例基于热管冷却的圆柱形锂电池组3还设有风扇控制单元34，包括温度监测模块341，控制模块342和风扇调速模块343。其中，温度监测模块341由多个温度传感器组成，并且多个温度传感器均匀分布在电池单体的多个位置处进行温度检测。控制模块342与温度监测模块341连接，用于接收温度监测模块341检测获得的温度数据，并且与预先设定的标准温度进行比对，根据比对结果发出风扇转速控制信号，其中标准温度指的是通过冷却处理后电池单体的最佳运行温度。风扇调速模块343同时与控制模块342和风扇连接，用于接收控制模块342发送的风扇转速控制信号并且根据该风扇转速控制信号准确控制和调整热管风扇和外壳风扇的转速。这样，通过风扇控制单元就可以根据电池单体的实时温度准确控制风扇的转动速度，从而对电极材料层和电池壳体的冷却速度进行精准控制，进而将电池单体的整个内外温度维持着预设范围内，保证整个电池组的持续稳定运行。

Claims (9)

1.一种基于热管冷却的圆柱形锂电池单体，其特征在于，包括壳体、电极材料层、空心卷轴和热管；其中，所述电极材料层和所述空心卷轴位于所述壳体内部，并且所述电极材料层缠绕在所述空心卷轴上；所述热管的蒸发段位于所述空心卷轴内，所述热管的冷凝段伸出至所述壳体外部；所述热管的蒸发段与所述空心卷轴之间填充有泡沫金属骨架，用于所述电极材料层与所述热管之间的支撑导热；所述热管的外表面设有绝缘导热涂层。
2.根据权利要求1所述的圆柱形锂电池单体，其特征在于，所述热管的蒸发段与所述空心卷轴之间填充有导热硅脂，用于所述电极材料层与所述热管之间的导热接触。
3.根据权利要求1所述的圆柱形锂电池单体，其特征在于，所述热管所用工质选用高压低温制冷剂。
4.根据权利要求1所述的圆柱形锂电池单体，其特征在于，所述热管的蒸发段与所述空心卷轴之间设有泡沫金属骨架和导热硅脂，并且所述导热硅脂填充在所述泡沫金属骨架的空隙内。
5.根据权利要求1所述的圆柱形锂电池单体，其特征在于，所述热管的冷凝段设有翅片。
6.一种基于热管冷却的圆柱形锂电池组，其特征在于，由多个权利要求1-5中任意一项所述基于热管冷却的圆柱形锂电池单体组成。
7.根据权利要求6所述的圆柱形锂电池组，其特征在于，该圆柱形锂电池组包括热管风扇；其中，多个所述圆柱形锂电池单体中所述热管的冷凝段位于相同水平高度，并且与所述热管风扇的直吹高度保持一致。
8.根据权利要求6所述的圆柱形锂电池组，其特征在于，该圆柱形锂电池组包括壳体风扇，并且所述壳体风扇与所述圆柱形锂电池单体的壳体保持相同水平高度设置。
9.根据权利要求7-8中任意一项所述的圆柱形锂电池组，其特征在于，该圆柱形锂电池组还设有风扇控制单元，所述风扇控制单元包括温度监测模块，控制模块和风扇调速模块；其中，所述温度监测模块用于检测所述圆柱形锂电池单体的温度，并将检测结果发送至所述控制模块；所述控制模块与所述温度监测模块连接，接收温度检测结果并进行分析判断，同时将温度分析结果发送至所述风扇调速模块；所述风扇调速模块同时与所述控制模块和所述风扇连接，用于接收所述控制模块发送的温度分析结果并发送风扇转速控制指令至所述风扇。
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