CN112599888A - 基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统及温控方法 - Google Patents

基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统及温控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统及温控方法，涉及电动汽车电池热管理系统技术领域。利用平板式脉动热管与液冷系统的配合，充分发挥平板式脉动热管均温性能，延后冷却液泵开启时间，降低整个电池模组的最大温差。平板式脉动热管与液冷通道板垂直交错布置，使脉动热管的理论蒸发端与理论冷凝端的温差更明显，增强脉动热管启动性能。本发明与传统液冷系统相比，能减少液冷系统的能耗，使液冷系统进口处与出口处的温度差相近，增强液冷系统整体换热系数，能对电池模组实现更快的降温效果，延长电池的使用寿命。

Description

基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统及温 控方法
技术领域
本发明涉及电动汽车电池热管理系统领域技术，尤其是指一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统。
背景技术
电动汽车是解决碳排放量难题的重要方法之一，由于其不产生燃油废气，对环境没有损坏，且效率更高，行驶过程中换挡的时候没有变速箱突变带来的顿挫感等优点，电动汽车已经成为未来发展的核心方向之一。随着电动汽车的里程数的需求不断地上升，作为动力来源的锂电池所要求的电池容量也随之攀升。电池容量的上升带来的除了增加了电池容量，还增大了电池工作时的发热量，而锂电池是一种工作环境要求相对苛刻的动力元件，其需要电池芯温度最适合的温度是20-30℃温度；当电池芯温度高于45℃时，电池会受热膨胀，降低其寿命的同时增加安全风险；而当电池芯温度低于0℃时，其充放电倍率受到极大的影响，使整个电池模组无法提供足够的动能，且整个电池模组的温差控制在5℃内，最大温度差不超过8℃。这就使得对锂离子电池模组进行热管理的系统成为电动汽车的核心问题。
目前市面上的新能源电动车电池热管理方式主要分为风冷和液冷两种。风冷又包含空气自然对流及鼓风强制对流，其主要采用气体（空气）作为传热介质，有着结构简单，质量轻，有害气体产生时能有效通风，成本较低等优点，但由于其换热效率低，冷却速度慢，密封性差等缺点，风冷式电池热管理系统局限用于动力大巴，大型货车等可允许大空间鼓风的大型新能源汽车。为了解决风冷式的缺点，采用液体作为传热介质的液冷式电池热管理主要优点有：与动力电池壁面之间换热系数高，冷却速度快。因此液冷式电池热管理系统常用于普通乘用车，而在新能源乘用汽车续航能力增加，电池快速充电的时间减短的大环境下，电池对热管理系统的散热要求越来越高，液冷式电池热管理的散热能力也逐渐力不从心。
相变式电池热管理是目前仍难以普及但潜力极大的另一种电池热管理方式。其利用物质相变时吸收大量热而温度却不上升的特点，可以将电池充放电产生的热量吸收后，仍保持电池的工作环境温度。目前相变式电池热管理分为液-固类相变材料，如石蜡，和气-液类相变材料，如热管。相变物质仅吸收热量，其仍需要冷却手段带走电池产生的热量，因此其多与风冷式、液冷式系统组合。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统及温控方法，利用相变物质，解决液冷式电池热管理的不足，利用脉动热管的均温性的特点，与液冷系统组合成整体热管理系统，降低电池模组的最大温差的同时，能对液冷流道进行简化，增强液冷系统的安全性。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，包括电池模组、导热绝缘垫片、液冷系统，三个部件由上至下依次层叠式紧贴布置，通过螺丝固定；所述液冷系统是由平板式脉动热管、隔离板、液冷通道板组成；所述隔离板具有进液口和出液口；所述平板式脉动热管具有工质充液口、一个或多个冲压制成的矩形回路通道，该工质充液口与回路通道相通，该工质充液口在充注工质后通过焊接封死；所述液冷通道板具有流通管道；所述平板式脉动热管与液冷通道板之间用隔离板分离，以扩散焊接的方式将三板组合并成整体，焊接后该流通管道连通进液口和出液口，所述平板式脉动热管的管径轴向方向与液冷通道板流道方向垂直交错，形成错流分布。
一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统的温控方法，当电池模组最高温度未达到液冷系统标定温度时，各电池之间产生不同的热量使电池模组内部产生温度差，传递给与其紧贴的板式脉动热管，脉动热管内部工质受温度差的影响，高温部分工质吸收高温电池带来的热后气化，产生或扩大气泡，管内压力上升，与低温段工质形成压力差，由压力差形成动力，将高温工质推向低温处，高温工质加热低温段，然后将热量导向电池模组中相对低温的部分，使电池模组中发热较大的电池的热量传向发热较少的电池，实现整个电池模组的最大温度差降低，体现整体温度的一致性；
当电池模组最高温度达到液冷系统标定温度时，低温液冷工质通过进液口流进液冷板，板式脉动热管中对应于进液口流道的理论冷凝段与对应于出液口流道的理论蒸发段形成温度差，处在理论冷凝段的气态工质受冷液化收缩，处在理论蒸发段的工质由于远离进液口，虽然也受冷收缩，但其收缩速度比理论冷凝段的更慢，使理论蒸发段的工质与理论冷凝段的工质形成正压力差，将对应出液口的较高温工质推向对应于进液口的理论冷凝段，同时，对应进液口的较低温工质推向对应于出液口的理论蒸发段，形成工质的循环；较高温工质在经过理论冷凝段后受冷收缩，形成再一次循环，同时实现整体的热交换，达到降低液冷板出液口的温度的目的，增强液冷系统整体热交换系数，并同时实现电池系统的降温和均温的两个目的。
优选的，温控方法是应用于新能源汽车的动力电池。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，（1）本发明的脉动热管回路与电池模组直接接触，当电池模组放电升温时，不同电池之间形成的温度差使脉动热管内部工质气化形成压力差，推动高温工质流向低温位置，使电池之间的温度差降低，增强电芯间温度的一致性，延长电池寿命。（2）电芯间温度的一致性有利于延长电池最高温度超过电池热管理启动温度，可推迟液冷系统启动时间，减少液泵工作时间，节约能量。（3）电芯最高温度达到电池热管理启动的温度后，脉动热管带来的均温性能可提高冷却流道进口处温度，降低冷却流道出口处温度，增强液冷系统的换热效率。（4）当电动汽车处于低温环境，需要对电池模组加热至工作温度时，加热垫片加热电池导致形成电池之间的温差，且出现部分电池达到工作温度，但部分电池仍未达到的情况，利用脉动热管的均温性能，可以有效保证加热过程中电池的升温曲线，缩短整体的加热时间，节约加热能耗。（5）平板式脉动热管将液冷系统与电池模组分隔开，增加了液冷系统的安全性。（6）汽车在行进过程中会产生颠簸等机械冲击的状况，平板式脉动热管的抗压能力强，能增强整个动力系统的机械结构强度。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明之第一实施例的电池热管理系统的示意图。
图2是本发明之第一实施例的液冷系统的整体结构俯视图。
图3是本发明之第一实施例的液冷板结构俯视图。
图4是本发明之第二实施例液冷系统的整体结构俯视图。
附图标识说明：
1、电池模组 2、导热绝缘垫片
3、平板式脉动热管 4、隔离板
5、液冷通道板 6、进液口
7、出液口 8、工质充液口
9-1、一个矩形回路通道 9-2、多个矩形回路通道
10、凹槽 11、流通管道
a、论冷凝段 b、理论蒸发段。
具体实施方式
实施例1
请参照图1至图3所示，其显示出了本发明之第一实施例的具体结构，是一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统。旨在弥补目前液冷系统耗能大的不足点。
其中，本发明的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，包括电池模组1、导热绝缘垫片2、液冷系统，三个部件由上至下依次层叠式紧贴布置，通过螺丝固定。
所述液冷系统是由平板式脉动热管3、隔离板4、液冷通道板5组成。所述隔离板4具有进液口6和出液口7。所述平板式脉动热管3具有工质充液口8、一个冲压制成的矩形回路通道9-1，该工质充液口8与回路通道9相通，该工质充液口8在充注工质后通过焊接封死。所述液冷通道板5具有流通管道11。所述平板式脉动热管3与液冷通道板5之间用隔离板4分离，以扩散焊接的方式将三板组合并成整体，焊接后该流通管道11连通进液口6和出液口7。所述平板式脉动热管3的管径轴向方向与液冷通道板5流道方向垂直交错，形成错流分布。
本发明所述平板式脉动热管3没有传统热管定义的蒸发段、绝热段和冷凝段。所述平板式脉动热管的冷凝工质入口流道的宽度定义为脉动热管的理论冷凝段a，冷凝工质出口流道的宽度定义为脉动热管的理论蒸发段b。
如图2所示，所述平板式脉动热管由基板冲压制成。该平板式脉动热管内部回路通道9-1采用增强机械强度，降低整体高度的矩形流道。
如图3所示，所述液冷通道板5使用蛇形通道，在通道内部冲压可增强机械强度的凹槽10。凹槽的数量有多个，等间距地排布于蛇形通道中。优选的，所述平板式脉动热管、隔离板、液冷通道板均采用导热系数较高，质量较轻，机械强度较好的铝板。本实施例中，所述平板式脉动热管内部注入制冷剂工质。具体而言，所述制冷剂工质采用低潜热，低沸点，高饱和压力梯度的冷却液。
实施例2
如图4所示，其显示出了本发明之第二实施例的具体结构，是一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统。本实施例与上述第一实施例基本相同，不同之处在于：所述平板式脉动热管上有多个矩形回路通道9-2，具体为两个，从而注入的工质是相互隔离的，实现了局部的均温。
基于第一实施例和第二实施例的电池热管理系统，本发明提出一种温控方法，以及，这种温控方法主要应用于新能源汽车的动力电池。具体方式如下:
当电池模组1最高温度未达到液冷系统标定温度时，各电池之间产生不同的热量使电池模组1内部产生温度差，传递给与其紧贴的板式脉动热管3，脉动热管内部工质受温度差的影响，高温部分工质吸收高温电池带来的热后气化，产生或扩大气泡，管内压力上升，与低温段工质形成压力差，由压力差形成动力，将高温工质推向低温处，高温工质加热低温段，然后将热量导向电池模组中相对低温的部分，使电池模组1中发热较大的电池的热量传向发热较少的电池，实现整个电池模组的最大温度差降低，体现整体温度的一致性；
当电池模组1最高温度达到液冷系统标定温度时，低温液冷工质通过进液口6流进液冷板5，板式脉动热管3中对应于进液口流道的理论冷凝段a与对应于出液口流道的理论蒸发段b形成温度差，处在理论冷凝段a的气态工质受冷液化收缩，处在理论蒸发段b的工质由于远离进液口6，虽然也受冷收缩，但其收缩速度比理论冷凝段的更慢，使理论蒸发段b的工质与理论冷凝段a的工质形成正压力差，将对应出液口7的较高温工质推向对应于进液口6的理论冷凝段a，同时，对应进液口的较低温工质推向对应于出液口的理论蒸发段b，形成工质的循环；较高温工质在经过理论冷凝段a后受冷收缩，形成再一次循环，同时实现整体的热交换，达到降低液冷板5出液口7的温度的目的，增强液冷系统整体热交换系数，并同时实现电池系统的降温和均温的两个目的。
综上所述，本发明的设计重点在于，利用脉动热管与液冷系统的配合，充分发挥脉动热管均温性能，延后冷却液泵开启时间，降低整个电池模组的最大温差。脉动热管与液冷通道板垂直交错布置，使脉动热管的理论蒸发端与理论冷凝端的温差更明显，增强脉动热管启动性能。本发明与传统液冷系统相比，能减少液冷系统的能耗，使液冷系统进口处与出口处的温度差相近，增强液冷系统整体换热系数，能对电池模组实现更快的降温效果，延长电池的使用寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：包括电池模组、导热绝缘垫片、液冷系统，三个部件由上至下依次层叠式紧贴布置，通过螺丝固定；所述液冷系统是由平板式脉动热管(3)、隔离板(4)、液冷通道板(5)组成；所述隔离板(4)具有进液口(6)和出液口(7)；所述平板式脉动热管(3) 具有工质充液口(8)、一个或多个冲压制成的矩形回路通道，该工质充液口(8)与回路通道相通，该工质充液口(8) 在充注工质后通过焊接封死；所述液冷通道板(5) 具有流通管道(11)；所述平板式脉动热管（3）与液冷通道板（5）之间用隔离板（4）分离，以扩散焊接的方式将三板组合并成整体，焊接后该流通管道(11)连通进液口(6)和出液口(7)，所述平板式脉动热管（3）的管径轴向方向与液冷通道板（5）流道方向垂直交错，形成错流分布。
2.根据权利要求1所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述平板式脉动热管的冷凝工质入口流道的宽度定义为脉动热管的理论冷凝段（a），冷凝工质出口流道的宽度定义为脉动热管的理论蒸发段(b)。
3.根据权利要求1所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述液冷通道板(5)使用蛇形通道，在通道内部冲压可增强机械强度的凹槽(10)。
4.根据权利要求1所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述平板式脉动热管(3)、隔离板(4)、液冷通道板(5)均采用导热系数高，质量轻，机械强度好的铝板。
5.根据权利要求1所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述平板式脉动热管(3)内部注入制冷剂工质。
6.根据权利要求5所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述制冷剂工质采用冷却液。
7.根据权利要求1所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述平板式脉动热管内部回路通道采用矩形流道。
8.根据权利要求1所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统，其特征在于：所述平板式脉动热管由基板冲压制成。
9.一种基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统的温控方法，其特征在于：
当电池模组（1）最高温度未达到液冷系统标定温度时，各电池之间产生不同的热量使电池模组（1）内部产生温度差，传递给与其紧贴的板式脉动热管（3），脉动热管内部工质受温度差的影响，高温部分工质吸收高温电池带来的热后气化，产生或扩大气泡，管内压力上升，与低温段工质形成压力差，由压力差形成动力，将高温工质推向低温处，高温工质加热低温段，然后将热量导向电池模组中相对低温的部分，使电池模组（1）中发热较大的电池的热量传向发热较少的电池，实现整个电池模组的最大温度差降低，体现整体温度的一致性；
当电池模组（1）最高温度达到液冷系统标定温度时，低温液冷工质通过进液口（6）流进液冷板（5），板式脉动热管（3）中对应于进液口流道的理论冷凝段（a）与对应于出液口流道的理论蒸发段（b）形成温度差，处在理论冷凝段（a）的气态工质受冷液化收缩，处在理论蒸发段（b）的工质由于远离进液口（6），虽然也受冷收缩，但其收缩速度比理论冷凝段的更慢，使理论蒸发段（b）的工质与理论冷凝段（a）的工质形成正压力差，将对应出液口（7）的较高温工质推向对应于进液口（6）的理论冷凝段（a），同时，对应进液口的较低温工质推向对应于出液口的理论蒸发段(b)，形成工质的循环；较高温工质在经过理论冷凝段(a)后受冷收缩，形成再一次循环，同时实现整体的热交换，达到降低液冷板(5)出液口(7)的温度的目的，增强液冷系统整体热交换系数，并同时实现电池系统的降温和均温的两个目的。
10.根据权利要求9所述的基于平板式脉动热管和液冷系统组合的电池热管理系统温控方法，其特征在于：应用于新能源汽车的动力电池。
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