CN111864299A - 一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷系统及其控制方法，热缩材料安装于液冷板流道表面，增加冷却液流动的紊流度，其下方与高导热硅材料制备的导热块接触，加热片通过导热块传递热量给热缩材料，在液冷系统散热过程中，控制器根据电池模组的温度信息实时控制冷却液的循环流动和加热片的功率输出，加热片工作时产生高温，通过导热块的热传导，使其上方的热缩材料受热膨胀变形，实现模组间和单个模组内最高温度和最大温差的快速降低，同时，控制器会实时根据模组的温度信息，调节各加热片的输出功率，实现降温过程的温度均衡，本发明增加了动力电池散热的快速性，有效控制了电池模组的温升和温差，提高了电池的使用性能和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车用动力电池热管理技术，特别是一种均衡散热的液冷板、及其组成的液冷散热系统及液冷控制方法。
背景技术
面对日益严重的能源危机和环境污染问题，节能环保的新能源汽车越来越受到人们的关注。各国汽车制造商纷纷加大投入研发纯电动车辆(EV)和混合动力车辆(HEV)。我国早在2011年就在国家层面出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2011-2020)》，使新能源汽车产业得到迅猛发展。目前，制约新能源汽车进一步普及的关键因素之一是里程问题，该问题主要来源于动力电池能量密度较低，我国已将发展高能量密度动力电池作为国家战略，写进了“中国制造2025”计划，而随着电池能量密度的提高，其热稳定性显著下降，对动力电池热管理系统提出了更严格的要求。
目前针对动力电池的热管理方式，按照传热介质主要分为三类：风冷、液冷和相变冷却。其中，风冷系统结构简单，但冷却效果差，相变冷却单相时导热系数较低，离应用尚有一段距离，而液冷具有良好的降温效果，已成为动力电池热管理系统的主流方案。通常将液冷板布置于动力电池模组的下方或侧面，内部划分流道引导冷却液流动，当对动力电池模组进行散热时，水泵开启冷却液从液冷板进口处流入，经内部流道循环流至出口，通过与高温模组的对流换热带走动力电池的热量，流出液冷板的冷却液经散热器，再将热量导出至空气，从而实现液冷系统的循环散热。由于动力电池单体的成组应用，中间区域聚集热量较多，边缘区域较少，增加了电池单体间温度不均衡，而一般结构的液冷系统无法有效解决该问题，长期使用存在严重的安全隐患，显然，需要对液冷系统进行优化设计提高动力电池的均衡散热。
专利授权公开号CN 104253289B，公开日2017年6月9日，发明创造的名称为动力电池模块散热单元及动力电池散热模组，该申请公开了一种动力电池模块散热单元与电池散热模组，通过加装导电片实现动力电池单体温度均匀一致；专利授权公开号CN107403975A，公开日2017年11月28日，发明创造的名称为一种电池储能液冷系统均流装置和方法，该申请公开了一种电池储能液冷系统均流装置，电池模组采用并联，在模组的入口设置节流管，从而在保证散热效果的前提下同时保证模组温度均匀。上述专利不足之处在于：1)不能及时有效降低电池模组间的温差；2)不能有效降低模组内单体电池间的温升和温差；3)散热过程较为缓慢。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点，本发明提出了一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统及其控制方法，用于新能源汽车动力电池组，实现电池单体间的快速均衡散热，维持动力电池组正常工作温度区间，提高动力电池的使用性能和寿命。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统，包括：冷却液循环系统和温度控制系统，所述的冷却液循环系统包括液冷板、进水口、出水口、水泵、泄压阀、储水箱、散热器和水管，所述温度控制系统包括电池模组、蓄电池、控制器、电源线、高压控制接口、高压控制线、低压控制线、温度传感器和温度信息采集线。电池模组坐落于液冷板上方，温度传感器布置于各电池模组内单体电池的表面，温度信息采集线将采集的温度信息传输给控制器用于分析和处理，蓄电池经电源线给控制器供电，控制器通过低压控制线分别与水泵和泄压阀连接，实现对冷却液流动状态的控制，同时高压控制线连接到高压控制接口，控制器依据电池温度信息分析和处理结果调节高压控制线输出电压，实现对快速均衡散热过程的控制，冷却液进水口和出水口位于液冷板的两侧，高压控制接口与出水口位于同一侧，但相对垂直高度较低，冷却液循环系统通过水管将液冷板出水口依次与散热器、水箱、泄压阀、水泵和进水口相连。
其中，本发明中所述的液冷板包括液冷板上盖和液冷板底座，由铝合金等轻质高导热材料制成，通过超声波焊接无缝粘接在一起，所述的液冷板底座包括进水口、出水口、流道隔板、隔层、导热块、热缩材料、制冷片、散热翅片、固定装置、高压控制接口和高压控制线，液冷板底座通过隔层分为上下两层，上层为液体流动区域，下层为散热控制区域，进水口和出水口分别位于液冷板两侧，冷却液从进水口流入，流经流道隔板划分出的流道，再从出水口流出，在各流道对应的隔层上开有多个方形凹洞，洞口大小呈现上大下小，导热块由高导热石墨材料制成，坐落于凹洞的上部，四周涂有密封防水胶体，在导热块的上部安装有热缩材料，增强了冷却液的紊流度，提高了冷却液与固体的对流换热系数，在凹洞的下部安装有制冷片，通过固定装置固定在隔层上，制冷片的冷端与导热块接触，接触表面涂有导热硅胶，热端伸出位于液冷板底座下层，在制冷片热端的表面安装有散热翅片，配合液冷板底座四周开设的风洞，实现制冷片热端热量的快速消散，制冷片通过高压控制线与控制接口连接，各制冷片可彼此相互独立工作。
结合所述的基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统，本发明提供的液冷系统控制方法如下：
温度传感器将采集到的温度信息实时传输给控制器，控制器分析和处理后得出两类温度数据，一类是单个电池模组内最高温度Tmax.si(i＝1,2,3..；代表模组序号)和最大温差Tdif.si(i＝1,2,3..；代表模组序号)，另一类是电池模组间最大温差Tmax.wj(j代表高温模组的序号)，与设定的单个模组内最高温度上限值Tmax.s、最大温差上限值Tdif.s以及模组间最大温差上限值Tmax.w进行对比，若某个电池模组内的最高温度或最大温差超过上限值，控制器控制水泵打开使冷却液循环流动，每个电池模组对应一条液冷板内部流道，该电池模组最高温位置下方对应的制冷片工作，在制冷片的冷端迅速产生低温，经导热块热传导，热缩材料变形，冷却液紊流度增加，周围冷却液温度迅速降低，模组内高温电芯与冷却液热交换增强，使该电池模组内最高温度和最大温差变大趋势达到快速有效的抑制，同时，控制器根据实时采集到的温度信息，通过计算分析给出该流道内多个制冷片合理的输出电压，控制制冷片的制冷功率，实现该电池模组的快速均衡散热，直至模组内各温度数据处于合理的温度范围，若电池模组间最大温差超过上限值，控制器控制冷却液循环流动，该高温模组下方对应的流道内多个制冷片同时工作，整个流道内冷却液温度迅速降低，模组整体热量被迅速均匀带走，控制器根据实时采集的温度信息，通过计算分析合理调整模组散热过程中各制冷片的制冷功率，实现模组间最大温差的快速降低，同时，不造成电池模组内最大温差的升高，当电池的两类温度数据都满足要求时，液冷散热过程结束，各制冷片停止工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷系统，利用不同流道内安装的热缩材料，合理调节加热片的加热功率，可及时有效降低电池模组间的温差，有效解决中间模组温度积聚的问题；
2、本发明的一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷系统，利用各流道内前后不同位置安装的热缩材料，合理调节加热片的加热功率，可及时有效降低模组内单体电池间的温升和温差，维持模组内单体电池温度分布的一致性；
3、本发明的一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷系统，利用热缩材料的变形特性，可有效增加冷却液流动的紊流度，提高冷却液的对流换热系数，实现散热过程的快速性。
附图说明
图1为本发明的均衡散热液冷装置系统图；
图2为本发明的液冷板侧面剖视图；
图3为本发明的液冷板底座俯视图；
图4为本发明的液冷板立体示意图；
图5为本发明的散热系统工作流程图；
图中，1-液冷板、2-水泵、3-泄压阀、4-储水箱、5-散热器、6-控制器、7-蓄电池、8-电池模组、9-高压控制接口、10-出水口、11-进水口、12-水管、13-低压控制线、14-高压控制线、15-温度信息采集线、16-温度传感器、17-电源线、18-液冷板上盖、19-液冷板底座、20-流道隔板、21-隔层、22-风洞、23-导热块、24-热缩材料、25-固定装置、26-加热片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷装置的结构和工作原理作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于帕尔贴效应的动力电池用快速均衡散热液冷系统，包括：冷却液循环系统和温度控制系统，所述的冷却液循环系统包括液冷板1、进水口11、出水口10、水泵2、泄压阀3、储水箱4、散热器5和水管12，所述温度控制系统包括电池模组8、蓄电池7、控制器6、电源线17、高压控制接口9、高压控制线14、低压控制线13、温度传感器16和温度信息采集线15。电池模组8坐落于液冷板1上方，温度传感器16布置于各电池模组8内单体电池的表面，温度信息采集线15将采集的温度信息传输给控制器6用于分析和处理，蓄电池7经电源线17给控制器6供电，控制器6通过低压控制线13分别与水泵2和泄压阀3连接，实现对冷却液流动状态的控制，同时高压控制线14连接到高压控制接口9，控制器6依据电池温度信息分析和处理结果调节高压控制线14输出电压，实现对快速均衡散热过程的控制，冷却液进水口11和出水口10位于液冷板1的两侧，高压控制接口9与出水口10位于同一侧，但相对垂直高度较低，冷却液循环系统通过水管12将液冷板出水口10依次与散热器5、储水箱4、泄压阀3、水泵2和进水口11相连。
如图2和图3所示，本发明实施例提供的一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统所述的液冷板1包括液冷板上盖18和液冷板底座19，由铝合金等轻质高导热材料制成，通过超声波焊接无缝粘接在一起，所述的液冷板底座19包括进水口11、出水口10、流道隔板20、隔层21、导热块23、热缩材料24、制冷片27、散热翅片26、固定装置25、高压控制接口9和高压控制线14，液冷板底座19通过隔层21分为上下两层，上层为液体流动区域，下层为散热控制区域，进水口11和出水口10分别位于液冷板1两侧，冷却液从进水口11流入，流经流道隔板20划分出的流道，再从出水口10流出，在各流道对应的隔层21上开有多个方形凹洞，洞口大小呈现上大下小，导热块23由高导热石墨材料制成，坐落于凹洞的上部，四周涂有密封防水胶体，在导热块23的上部安装有热缩材料24，实现导热块23与冷却液换热面积的进一步增大，同时，突出的热缩材料24增强了冷却液的紊流度，提高了冷却液与固体的对流换热系数，在凹洞的下部安装有制冷片27，通过固定装置25固定在隔层21上，制冷片27的冷端与导热块23接触，接触表面涂有导热硅胶，热端伸出位于液冷板底座19下层，在制冷片27热端的表面安装有散热翅片26，配合液冷板底座19四周开设的风洞22，实现制冷片27热端热量的快速消散，制冷片27通过高压控制线14与控制接口9连接，各制冷片可彼此相互独立工作。
图4为本发明的液冷板立体示意图。
如图5所示，本发明实施例提供的一种基于帕尔贴效应的动力电池用快速均衡散热液冷系统控制方法如下：温度传感器16将采集到的温度信息实时传输给控制器6，控制器6分析和处理后得出两类温度数据，一类是单个电池模组内最高温度Tmax.si(i＝1,2,3..；代表模组序号)和最大温差Tdif.si(i＝1,2,3..；代表模组序号)，另一类是电池模组间最大温差Tmax.wj(j代表高温模组的序号)，与设定的单个模组内最高温度上限值Tmax.s、最大温差上限值Tdif.s以及模组间最大温差上限值Tmax.w进行对比，若某个电池模组8内的最高温度或最大温差超过上限值，控制器6控制水泵2打开使冷却液循环流动，每个电池模组8对应一条液冷板内部流道，该电池模组8最高温位置下方对应的制冷片27工作，在制冷片27的冷端迅速产生低温，经导热块23热传导，热缩材料24变形，冷却液紊流度增加，周围冷却液温度迅速降低，模组8内高温电芯与冷却液热交换增强，使该电池模组8内最高温度和最大温差变大趋势达到快速有效的抑制，同时，控制器6根据实时采集到的温度信息，通过计算分析给出该流道内多个制冷片27合理的输出电压，控制制冷片27的制冷功率，实现该电池模组8的快速均衡散热，直至模组内各温度数据处于合理的温度范围，若电池模组8间最大温差超过上限值，控制器6控制冷却液循环流动，该高温模组8下方对应的流道内多个制冷片27同时工作，整个流道内冷却液温度迅速降低，模组8整体热量被迅速均匀带走，控制器6根据实时采集的温度信息，通过计算分析合理调整模组8散热过程中各制冷片27的制冷功率，实现模组8间最大温差的快速降低，同时，不造成电池模组8内最大温差的升高，当电池的两类温度数据都满足要求时，液冷散热过程结束，各制冷片27停止工作。
综上，本发明的一种基于热缩材料的动力电池用均衡散热液冷系统及其控制方法，热缩材料安装于液冷板流道表面，增加了冷却液流动的紊流度，其下方与高导热硅材料制备的导热块接触，加热片通过导热块传递热量给热缩材料，在液冷系统散热过程中，控制器根据电池模组的温度信息实时控制冷却液的循环流动和加热片的功率输出，加热片工作时产生高温，通过导热块的热传导，使其上方的热缩材料受热膨胀变形，实现模组间和单个模组内最高温度和最大温差的快速降低，同时，控制器会实时根据模组的温度信息，调节各加热片的输出功率，实现降温过程的温度均衡，本发明增加了动力电池散热的快速性，有效控制了电池模组的温升和温差，提高了电池的使用性能和寿命。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统，其特征在于，包括冷却液循环系统和温度控制系统；
所述的冷却液循环系统包括依次通过水管(12)连接的液冷板(1)、散热器(5)、储水箱(4)、泄压阀(3)、水泵(2)；
所述温度控制系统包括电池模组(8)、蓄电池(7)、控制器(6)、电源线(17)、高压控制接口(9)、高压控制线(14)、低压控制线(13)、温度传感器(16)和温度信息采集线(15)；电池模组(8)坐落于液冷板(1)上方，温度传感器(16)布置于各电池模组(8)内单体电池的表面，温度信息采集线(15)将温度传感器(16)采集的温度信息传输给控制器(6)用于分析和处理，蓄电池(7)经电源线(17)给控制器(6)供电，控制器(6)通过低压控制线(13)分别与水泵(2)和泄压阀(3)连接，实现对冷却液流动状态的控制，同时高压控制线(14)连接到液冷板(1)的高压控制接口(9)，控制器(6)依据电池温度信息分析和处理结果调节高压控制线(14)输出电压，实现对快速均衡散热过程的控制，冷却液进水口(11)和出水口(10)位于液冷板(1)的两侧，高压控制接口(9)与出水口(10)位于同一侧，但相对垂直高度较低，冷却液循环系统通过水管(12)将液冷板出水口(10)依次与散热器(5)、储水箱(4)、泄压阀(3)、水泵(2)和进水口(11)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统，其特征在于，所述的液冷板(1)包括液冷板上盖(18)和液冷板底座(19)，由铝合金轻质高导热材料制成，通过超声波焊接无缝粘接在一起。
3.根据权利要求2所述的一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统，其特征在于，所述的液冷板底座(19)包括流道隔板(20)、隔层(21)、导热块(23)、热缩材料(24)、制冷片(27)、散热翅片(26)、固定装置(25)，液冷板底座(19)通过隔层(21)分为上下两层，上层为液体流动区域，下层为散热控制区域，进水口(11)和出水口(10)分别位于液冷板(1)两侧，冷却液从进水口(11)流入，流经流道隔板(20)划分出的流道，再从出水口(10)流出，在各流道对应的隔层(21)上开有多个方形凹洞，洞口大小呈现上大下小，导热块(23)坐落于凹洞的上部，四周涂有密封防水胶体，在导热块(23)的上部安装有热缩材料(24)，实现导热块(23)与冷却液换热面积的进一步增大，在凹洞的下部安装有制冷片(27)，通过固定装置(25)固定在隔层(21)上，制冷片(27)的冷端与导热块(23)接触，接触表面涂有导热硅胶，热端伸出位于液冷板底座(19)下层，在制冷片(27)热端的表面安装有散热翅片(26)，配合液冷板底座(19)四周开设的风洞(22)，实现制冷片(27)热端热量的快速消散，制冷片(27)通过高压控制线(14)与控制接口(9)连接，各制冷片可彼此相互独立工作。
4.根据权利要求3所述的一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统，其特征在于，导热块(23)由高导热石墨材料制成。
5.一种基于热缩材料的动力电池用快速均衡散热液冷系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，温度传感器(16)将采集到的温度信息实时传输给控制器(6)，控制器(6)分析和处理后得出两类温度数据，一类是单个电池模组内最高温度Tmax.si，i＝1,2,3..；代表模组序号和最大温差Tdif.si，i＝1,2,3..；代表模组序号，另一类是电池模组间最大温差Tmax.wj，j代表高温模组的序号；
步骤2，上述两类温度数据与设定的单个模组内最高温度上限值Tmax.s、最大温差上限值Tdif.s以及模组间最大温差上限值Tmax.w进行对比，若某个电池模组(8)内的最高温度或最大温差超过上限值，控制器(6)控制水泵(2)打开使冷却液循环流动，每个电池模组(8)对应一条液冷板内部流道，该电池模组(8)最高温位置下方对应的制冷片(27)工作，在制冷片(27)的冷端迅速产生低温，经导热块(23)热传导，热缩材料(24)变形，冷却液紊流度增加，周围冷却液温度迅速降低，电池模组(8)内高温电芯与冷却液热交换增强，使该电池模组(8)内最高温度和最大温差变大趋势达到快速有效的抑制；
步骤3，同时，控制器(6)根据实时采集到的温度信息，通过计算分析给出该流道内多个制冷片(27)合理的输出电压，控制制冷片(27)的制冷功率，实现该电池模组(8)的快速均衡散热，直至模组内各温度数据处于合理的温度范围，若电池模组(8间最大温差超过上限值，控制器(6)控制冷却液循环流动，该高温模组(8)下方对应的流道内多个制冷片(27)同时工作，整个流道内冷却液温度迅速降低，模组(8)整体热量被迅速均匀带走，控制器(6)根据实时采集的温度信息，通过计算分析合理调整模组(8)散热过程中各制冷片(27)的制冷功率，实现模组(8)间最大温差的快速降低，同时，不造成电池模组(8)内最大温差的升高，当电池的两类温度数据都满足要求时，液冷散热过程结束，各制冷片(27)停止工作。
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