CN112952237B - 电池热管理装置、电池模组及电池热管理方法 - Google Patents

电池热管理装置、电池模组及电池热管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池热管理装置、电池模组及电池热管理方法，包括容纳体、第一温度相变体、第二温度相变体、热管和换热组件，容纳体设置有容纳腔，第一温度相变体设置在容纳腔内并形成至少一个隔热腔和多个电池单体安装腔，隔热腔位于多个电池单体安装腔之间，第二温度相变体的相变温度高于第一温度相变体，第二温度相变体设置在隔热腔内，并将容纳腔分隔成多个热管理区，热管分别与第一温度相变体和第二温度相变体热交换连接，换热组件与第一温度相变体热交换连接。本发明能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。

Description

电池热管理装置、电池模组及电池热管理方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电池热管理装置、电池模组及电池热管理方法。
背景技术
在现有的锂离子电池体系中，电池的工作机制和性能都表现出对温度有较高的依赖性，将锂离子电池保持在合适的温度范围内可以保持最优的工作性能。锂离子电池在工作过程中会产生一定的热量，所以需要将热量合理排出避免热量堆积而影响电池电压、充放电效率和循环寿命等。此外，锂离子电池在低温工况下会使内阻增大，影响放电容量。在极端条件或使用不当等情况下，会发生热失控事件。若局部区域电池发生的热失控事件失去控制，将扩展到周围区域的电池，产生“多米诺骨牌”效应，最终引起热失控事件在电池系统内扩散而导致极大的危害。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电池热管理装置、电池模组及电池热管理方法，能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。
第一方面，根据本发明实施例的电池热管理装置，包括容纳体，设置有容纳腔；第一温度相变体，设置在所述容纳腔内并形成至少一个隔热腔和多个电池单体安装腔，所述隔热腔位于多个所述电池单体安装腔之间；第二温度相变体，相变温度高于所述第一温度相变体，所述第二温度相变体设置在所述隔热腔内，并将所述容纳腔分隔成多个热管理区；热管，分别与所述第一温度相变体和所述第二温度相变体热交换连接；换热组件，与所述第一温度相变体热交换连接。
根据本发明实施例的电池热管理装置，至少具有如下有益效果：
第二温度相变体设置在隔热腔内并将容纳腔分隔成多个热管理区，可以起到对热失控工况下的热缓冲作用，且不会影响常规工况下的散热效果，可以兼顾热失控隔热和常规散热两种工况，而且第二温度相变体的相变温度高于第一温度相变体，在低温加热工况下，第二温度相变体的温度不会达到相变温度，有利于增大第二温度相变体和第一温度相变体之间的温差，从而加快导热速度，进而能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。
根据本发明的一些实施例，所述第一温度相变体的相变温度为30～50℃，所述第二温度相变体的相变温度为70～100℃。
根据本发明的一些实施例，所述第一温度相变体和所述第二温度相变体均包括导热载体和温度相变材料，所述温度相变材料填充在所述导热载体内。
根据本发明的一些实施例，所述热管与所述第一温度相变体的外表面接触连接，且部分插设于所述第二温度相变体；或者，所述第一温度相变体的外表面设置有安装槽，所述安装槽内设置有多个与所述第二温度相变体对应的通孔，所述热管嵌设在所述安装槽内，且部分穿设于所述通孔，以插设于所述第二温度相变体。
根据本发明的一些实施例，所述热管的数量为多段，多段所述热管均嵌设于所述安装槽，且分别穿设于相应的所述通孔，以插设于相应的所述第二温度相变体。
根据本发明的一些实施例，所述第一温度相变体相对的两侧壁上均嵌设有所述热管，位于所述第一温度相变体相对两侧壁的所述热管的弯折朝向相反。
根据本发明的一些实施例，所述容纳体为导热体，所述容纳体第一侧壁的内表面分别连接于所述第一温度相变体和所述热管，所述容纳体第一侧壁的外表面与所述换热组件连接。
根据本发明的一些实施例，所述换热组件包括第一水冷板和第二水冷板，所述第一水冷板和所述第二水冷板分别设置在所述容纳体的相对两侧壁上，且所述第一水冷板内的液体流动方向与所述第二水冷板内的液体流动方向相反。
第二方面，根据本发明实施例的电池模组，包括多个电池单体以及上述的电池热管理装置，所述电池单体安装在所述电池单体安装腔内。
根据本发明实施例的电池模组，至少具有如下有益效果：第二温度相变体设置在隔热腔内并将容纳腔分隔成多个热管理区，可以起到对热失控工况下的热缓冲作用，且不会影响常规工况下的散热效果，可以兼顾热失控隔热和常规散热两种工况，而且第二温度相变体的相变温度高于第一温度相变体，在低温加热工况下，第二温度相变体的温度不会达到相变温度，有利于增大第二温度相变体和第一温度相变体之间的温差，从而加快导热速度，进而能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。
第三方面，根据本发明实施例的电池热管理方法，包括：
利用第一温度相变体包裹多个电池单体，并利用第二温度相变体将多个所述电池单体分隔在多个热管理区内，所述第二温度相变体的相变温度高于所述第一温度相变体的相变温度；
在所述第一温度相变体和所述第二温度相变体之间连接热管，以及使所述第一温度相变体热交换连接一换热组件；
当所述电池单体充放电产生热量时，所述第一温度相变体以显热和潜热的方式吸热，并通过所述热管与所述第二温度相变体进行热交换，以及通过所述换热组件进行散热，所述第二温度相变体以显热方式吸热；
当所述电池单体的温度低于充放电温度时，所述第一温度相变体通过所述换热组件进行加热，并通过所述热管与所述第二温度相变体进行热交换，以对所述电池单体进行加热和保温；
当任意一个所述热管理区内的所述电池单体发生热失控时，所述第一温度相变体以显热和潜热的方式吸热，并通过所述热管与所述第二温度相变体进行热交换以及通过所述换热组件进行散热，所述第二温度相变体以显热和潜热的方式吸热，以在相邻的两个所述热管理区之间构成热缓冲段。
根据本发明实施例的热管理方法，至少具有如下有益效果：第二温度相变体设置在隔热腔内并将容纳腔分隔成多个热管理区，可以起到对热失控工况下的热缓冲作用，且不会影响常规工况下的散热效果，可以兼顾热失控隔热和常规散热两种工况，而且第二温度相变体的相变温度高于第一温度相变体，在低温加热工况下，第二温度相变体的温度不会达到相变温度，有利于增大第二温度相变体和第一温度相变体之间的温差，从而加快导热速度，进而能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的电池模组的结构爆炸示意图；
图2为本发明实施例的电池热管理装置的结构爆炸示意图；
图3为图2中圈示位置A的局部放大图；
图4为图1示出的电池模组的部分结构爆炸俯视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
请参照图1，本实施例公开了一种电池模组，包括电池热管理装置和多个电池单体600，多个电池单体600之间可以通过汇流排700实现串并联连接，汇流排700的上方连接有绝缘板800，用以对电池单体600进行绝缘保护。
请参照图1和图2，电池热管理装置包括容纳体、第一温度相变体200、第二温度相变体300、热管400和换热组件，其中本实施例的容纳体包括底板110、第一侧板120、第二侧板130、第一端板140、第二端板150和上盖板160，容纳体设置有容纳腔，第一温度相变体200设置在容纳腔内并形成至少一个隔热腔210和多个电池单体安装腔220，电池单体600安装在电池单体安装腔220内，使第一温度相变体200包裹在电池单体600的外侧，隔热腔210位于多个电池单体安装腔220之间，第二温度相变体300的相变温度高于第一温度相变体200，第二温度相变体300设置在隔热腔210内，并将容纳腔分隔成多个热管理区，热管400分别与第一温度相变体200和第二温度相变体300热交换连接，换热组件与第一温度相变体200热交换连接。需要说明的是，第一温度相变体200与第二温度相变体300可以直接接触以进行热交换，以及通过热管400间接接触以进行热交换。热管400依靠内部的工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管400可多传递几个数量级的热量。
下面对电池模组和电池热管理装置在三种不同工况下的工作状态进行说明，以便于对本实施例的技术方案进行理解。
常规散热工况：电池模组进行充放电时产生热量，热量传导至第一温度相变体200和第二温度相变体300，由于第二温度相变体300的相变温度高于第一温度相变体200，在此工况下，第二温度相变体300因温度未达到相变温度而一直以显热方式吸收热量，第一温度相变体200在温度达到相变温度前以显热方式吸热，而在温度达到相变温度后以潜热方式吸热。此时，热管400的蒸发端位于第二温度相变体300处，并对第二温度相变体300进行吸热，热管400的冷凝端位于第一温度相变体200处，并对第一温度相变体200进行放热，换热组件与第一温度相变体200热交换连接，可以将第一温度相变体200的热量带走，避免第一温度相变体200潜热耗尽。
低温加热工况：当电池模组的温度过低，不能达到正常放电的温度条件时，通过换热组件对第一温度相变体200进行加热。此时，热管400的蒸发端位于第一温度相变体200处，并对第一温度相变体200进行吸热，热管400的冷凝端位于第二温度相变体300处，并对第二温度相变体300进行放热，从而使换热组件的热量通过热管400快速传递到第二温度相变体300，而第一温度相变体200以显热和潜热的方式吸热，从而对电池模组起到加热和保温的作用。
热失控工况：当某一热管理区内的电池单体600发生热失控时，第一温度相变体200以显热和潜热的形式吸热，构成第一道热缓冲段，当热失控电池单体600附近区域的第一温度相变体200潜热耗尽时，温度快速上升，热量通过第一温度相变体200快速传递到更远的区域，以及传递到第二温度相变体300，而第二温度相变体300在达到相变温度前会以显热方式吸热，在达到相变温度时，以潜热方式吸热，以在相邻的两个热管理区之间构成第二道热缓冲段，可以对邻近的热管理区起到热缓冲的作用，减缓热量向邻近区域电池单体600的传递速度，同时为换热组件提供更多的时间对第一温度相变体200进行散热，降低高温对邻近区域电池单体600的影响。需要说明的是，根据实际应用的需求，一个热管理区内可以设置一个电池单体安装腔220或多个电池单体安装腔220。在本实施例中，一个热管理区内设置有两个电池单体安装腔220，即一个热管理区内安装有两个电池单体600，共设有6个热管理区。值得理解的是，每个热管理区内的电池单体600的数量可以不相等，例如，当电池单体600的总数为奇数时，其中一个热管理区内的电池单体600数量为奇数个，剩余的热管理区内的电池单体600的数量均为偶数个。
本实施例的第一温度相变体200、第二温度相变体300、热管400和换热组件有机组合形成一个电池热管理系统，可以对电池单体600在常规散热、低温加热和热失控等工况下进行全温度区间的热管理。其中，第二温度相变体300设置在隔热腔210内并将容纳腔分隔成多个热管理区，能够作为热失控工况下的传热阻隔层，可以起到对热失控工况下的热缓冲作用，且不会影响常规工况下的散热效果，可以兼顾热失控隔热和常规散热两种工况，而且第二温度相变体300的相变温度高于第一温度相变体200，在低温加热工况下，第二温度相变体300的温度不会达到相变温度，有利于增大第二温度相变体300和第一温度相变体200之间的温差，从而加快导热速度，进而能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。
根据电池单体600的种类不同，第一温度相变体200和第二温度相变体300的相变温度可以进行适应性选择。在本实施例中，第一温度相变体200的相变温度为30～50℃，第二温度相变体300的相变温度为70～100℃，例如，第一温度相变体200和第二温度相变体300的相变温度分别为40℃和85℃。第一温度相变体200的相变温度在电池单体600的最佳工作温度范围内，可以实现在常规散热工况下对电池单体600进行散热，在低温加热工况下对电池单体600进行加热保温，确保电池单体600工作在最佳的工作温度条件下，而第二温度相变体300的相变温度略低于电池单体600发生明显高温化学反应的触发温度，用以起到热阻隔的作用以及兼顾热失控隔热和常规散热两种工况。
在本实施例中，第一温度相变体200和第二温度相变体300均包括导热载体(未图示)和温度相变材料(未图示)，温度相变材料填充在导热载体内，温度相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，例如固相-液相之间的改变，导热载体可以对温度相变材料进行装载，避免液相状态下的温度相变材料泄漏，导热载体可以采用碳材料制成，有利于增强第一温度相变体200和第二温度相变体300的导热能力。
为了使热管400分别与第一温度相变体200和第二温度相变体300之间导热良好，在一些实施例中，热管400与第一温度相变体200的外表面接触连接，且部分插设于第二温度相变体300，可以确保热管400分别与第一温度相变体200和第二温度相变体300之间接触良好，从而增强导热效果。热管400的两端分别为蒸发端和冷凝端，在不同的工况下与热管400接触区域的第一温度相变体200和第二温度相变体300的温度情况不同，热管400的蒸发端和冷凝端的相对位置可以相互交换。例如，在常规散热工况下，第二温度相变体300的温度高于第一温度相变体200，热管400与第二温度相变体300接触的一端为蒸发端，热管400与第一温度相变体200接触的一端为冷凝端；在低温加热工况下，换热组件对第一温度相变体200进行加热，第一温度相变体200的温度高于第二温度相变体300，热管400与第一温度相变体200接触的一端为蒸发端，热管400与第二温度相变体300接触的一端为冷凝端。热管400可以在第一温度相变体200和第二温度相变体300之间进行热量传导，配合换热组件可以对第一温度相变体200和第二温度相变体300进行常规散热和低温加热，从而实现电池热管理装置和电池模组的热管理。
请参照图3，在另一些实施例中，第一温度相变体200的外表面设置有安装槽201，安装槽201内设置有多个与第二温度相变体300对应的通孔(未图示)，热管400嵌设在安装槽201内，且部分穿设于通孔，以插设于第二温度相变体300。具体的，热管400的形状呈L型，热管400嵌设在安装槽201内的部分为扁平状，当热管400嵌设在安装槽201内后，热管400露出安装槽201的一面与第一温度相变体200的外表面平齐，可以确保热管400和第一温度相变体200均与容纳体的内壁或换热组件接触良好。
请参照图2和图3，热管400的数量为多段，多段热管400均嵌设于安装槽201，且分别穿设于相应的通孔，以插设于相应的第二温度相变体300，多段热管400保持在第一温度相变体200的同一高度位置，便于安装槽201的加工，且有利于提高美观程度。
请参照图4，为了使第一温度相变体200相对各个部分的温度相对均衡，第一温度相变体200相对的两侧壁上均嵌设有热管400，位于第一温度相变体200相对两侧壁的热管400的弯折朝向相反，可以将第二温度相变体300的热量传递到第一温度相变体200相对的两侧壁以及相对的两端部，从而使第一温度相变体200的各个部分的温度相对均衡。
在本实施例中，容纳体为导热体，容纳体第一侧壁的内表面分别连接于第一温度相变体200和热管400，容纳体第一侧壁的外表面与换热组件连接。根据电池热管理装置和电池模组的工作环境的不同，以及根据容纳体的防尘防水、结构防护、轻量化以及散热等应用需求，容纳体采用铝合金材料制成，容纳体的内壁均喷涂绝缘漆，以实现电气隔离，第一温度相变体200的热量通过容纳体传递到换热组件，并通过换热组件带走。
为了提高换热效率，本实施例采用水冷方式进行换热。其中，请参照图1，换热组件包括第一水冷板510和第二水冷板520，第一水冷板510和第二水冷板520分别设置在容纳体的相对两侧壁上，且第一水冷板510内的液体流动方向与第二水冷板520内的液体流动方向相反，使热量传递的方向相反，从而使第二温度相变材料两端的温度相对均衡，有利于改善电池模组的均温性能。需要说明的是，根据工况的需求，第一水冷板510和第二水冷板520内的工作液体可以是冷却液体或加热液体。在一些应用中，水冷板的工作液循环系统可以与汽车空调系统进行整合，有利于电池模组和车辆的融合，从而提高电池模组与车辆的其它系统的协同作用，进而降低能耗，有利于提高车辆的性能。
本发明实施例还公开一种热管理方法，包括：
利用第一温度相变体200包裹多个电池单体600，并利用第二温度相变体300将多个电池单体600分隔在多个热管理区内，第二温度相变体300的相变温度高于第一温度相变体200的相变温度；
在第一温度相变体200和第二温度相变体300之间连接热管400，以及使第一温度相变体200热交换连接一换热组件。需要说明的是，第一温度相变体200与第二温度相变体300可以直接接触以进行热交换，以及通过热管400间接接触以进行热交换。热管400依靠内部的工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管400可多传递几个数量级的热量。
当电池单体600充放电产生热量时，第一温度相变体200以显热和潜热的方式吸热，并通过热管400与第二温度相变体300进行热交换，以及通过换热组件进行散热，第二温度相变体300以显热方式吸热；
当电池单体600的温度低于充放电温度时，第一温度相变体200通过换热组件进行加热，并通过热管400与第二温度相变体300进行热交换，以对电池单体600进行加热和保温；
当任意一个热管理区内的电池单体600发生热失控时，第一温度相变体200以显热和潜热的方式吸热，并通过热管400与第二温度相变体300进行热交换以及通过换热组件进行散热，第二温度相变体300以显热和潜热的方式吸热，以在相邻的两个热管理区之间构成热缓冲段。
本实施例通过第一温度相变体200、第二温度相变体300、热管400和换热组件有机组合形成一个电池热管理系统，可以对电池单体600在常规散热、低温加热和热失控等工况下进行全温度区间的热管理。其中，第二温度相变体300多个电池单体600分隔在多个热管理区内，第二温度相变体300能够作为热失控工况下的传热阻隔层，可以起到对热失控工况下的热缓冲作用，且不会影响常规工况下的散热效果，可以兼顾热失控隔热和常规散热两种工况，而且第二温度相变体300的相变温度高于第一温度相变体200，在低温加热工况下，第二温度相变体300的温度不会达到相变温度，有利于增大第二温度相变体300和第一温度相变体200之间的温差，从而加快导热速度，进而能够实现对电池常规散热、低温加热和热失控扩散抑制的热管理，提高电池的热性能和热安全。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种电池热管理装置，其特征在于，包括：
容纳体，设置有容纳腔；
第一温度相变体(200)，设置在所述容纳腔内并形成至少一个隔热腔(210)和多个电池单体安装腔(220)，所述隔热腔(210)位于多个所述电池单体安装腔(220)之间；
第二温度相变体(300)，相变温度高于所述第一温度相变体(200)，所述第二温度相变体(300)设置在所述隔热腔(210)内，并将所述容纳腔分隔成多个热管理区；
热管(400)，分别与所述第一温度相变体(200)和所述第二温度相变体(300)热交换连接；
换热组件，与所述第一温度相变体(200)热交换连接，所述换热组件能够在电池模组的温度过低而不能达到正常放电的温度条件的情况下对所述第一温度相变体(200)进行加热；
其中，所述第一温度相变体(200)的外表面设置有安装槽(201)，所述安装槽(201)内设置有多个与所述第二温度相变体(300)对应的通孔，所述热管(400)嵌设在所述安装槽(201)内，且部分穿设于所述通孔，以插设于所述第二温度相变体(300)，其中所述热管(400)的形状呈L型，所述热管(400)嵌设在所述安装槽(201)内的部分为扁平状，当所述热管(400)嵌设在所述安装槽(201)内后，所述热管(400)露出所述安装槽(201)的一面与所述第一温度相变体(200)的外表面平齐；
所述第一温度相变体(200)相对的两侧壁上均嵌设有所述热管(400)，位于所述第一温度相变体(200)相对两侧壁的所述热管(400)的弯折朝向相反；
其中，所述容纳体为采用铝合金材料制成的导热体，所述容纳体的第一侧壁的内表面分别连接于所述第一温度相变体(200)和所述热管(400)，且所述容纳体的内壁均喷涂绝缘漆，所述容纳体的第一侧壁的外表面与所述换热组件连接。
2.根据权利要求1所述的电池热管理装置，其特征在于，所述第一温度相变体(200)的相变温度为30～50℃，所述第二温度相变体(300)的相变温度为70～100℃。
3.根据权利要求1或2所述的电池热管理装置，其特征在于，所述第一温度相变体(200)和所述第二温度相变体(300)均包括导热载体和温度相变材料，所述温度相变材料填充在所述导热载体内。
4.根据权利要求1所述的电池热管理装置，其特征在于，所述热管(400)的数量为多段，多段所述热管(400)均嵌设于所述安装槽(201)，且分别穿设于相应的所述通孔，以插设于相应的所述第二温度相变体(300)。
5.根据权利要求4所述的电池热管理装置，其特征在于，所述换热组件包括第一水冷板(510)和第二水冷板(520)，所述第一水冷板(510)和所述第二水冷板(520)分别设置在所述容纳体的相对两侧壁上，且所述第一水冷板(510)内的液体流动方向与所述第二水冷板(520)内的液体流动方向相反。
6.一种电池模组，其特征在于，包括多个电池单体(600)以及如权利要求1至5中任意一项所述的电池热管理装置，所述电池单体(600)安装在所述电池单体安装腔(220)内。
7.一种电池热管理方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任意一项所述的电池热管理装置，所述电池热管理方法包括：
利用第一温度相变体(200)包裹多个电池单体(600)，并利用第二温度相变体(300)将多个所述电池单体(600)分隔在多个热管理区内，所述第二温度相变体(300)的相变温度高于所述第一温度相变体(200)的相变温度；
在所述第一温度相变体(200)和所述第二温度相变体(300)之间连接热管(400)，以及使所述第一温度相变体(200)热交换连接一换热组件；
当所述电池单体(600)充放电产生热量时，所述第一温度相变体(200)以显热和潜热的方式吸热，并通过所述热管(400)与所述第二温度相变体(300)进行热交换，以及通过所述换热组件进行散热，所述第二温度相变体(300)以显热方式吸热；
当所述电池单体(600)的温度低于充放电温度时，所述第一温度相变体(200)通过所述换热组件进行加热，并通过所述热管(400)与所述第二温度相变体(300)进行热交换，以对所述电池单体(600)进行加热和保温；
当任意一个所述热管理区内的所述电池单体(600)发生热失控时，所述第一温度相变体(200)以显热和潜热的方式吸热，并通过所述热管(400)与所述第二温度相变体(300)进行热交换以及通过所述换热组件进行散热，所述第二温度相变体(300)以显热和潜热的方式吸热，以在相邻的两个所述热管理区之间构成热缓冲段。
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