CN112993438A - 一种叉车锂电池半导体热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叉车锂电池半导体热管理系统，包括外壳，外壳内由隔板分隔为上腔体和下腔体，隔板上设置有铝板，电池模组通过导热胶设置在铝板上，隔板与铝板之间设置有绝热垫，底部半导体制冷片的制冷面依次贯穿隔板和绝热垫后与铝板连接，底部半导体制冷片的制热面与底部散热器连接，下腔体内填充有铁砂，底部散热器埋设在铁砂内。本发明充分利用散热材料性能和结构，达到散热效率最大化，及时将电池表面的热量带走，达到降温的目的。

Description

一种叉车锂电池半导体热管理系统
技术领域：
本发明涉及锂电叉车动力电池系统领域，具体为一种叉车锂电池半导体热管理系统。
背景技术：
磷酸铁锂电池因具有快速充电、安全、长循环寿命和高可靠性等优点大量推广应用在电动叉车领域，叉车电池普遍采用低压大容量的电量配置，锂电池在快充过程中的充电电流较大，容易造成电池高温，对电芯的工作可靠性、使用寿命及性能具有极大的影响。同时磷酸铁锂电池受低温影响，石墨嵌锂速度降低，容易在负极表面析出金属锂形成锂枝晶，穿刺隔膜，造成电池内部短路。因此，提高磷酸铁锂低温性能的办法对于在高寒地区推广使用具有重要意义。
常规的散热方式主要有自然冷却、风冷和液冷，液冷由于其结构复杂，成本较高，同时需要外置空压机和水泵，在叉车系统上难以实现。风冷由于叉车作业环境可能存在金属粉尘、木屑等易燃易爆物应用较少，常规的加热方式主要有电阻加热和液冷加热，电阻加热由于只具备加热功能，对散热还需另外增加散热方式。目前锂电叉车市场普遍采用相对密封的自然散热结构对电芯进行散热。
由于传统的自然冷却导热性能不佳，其他热管理方式又导致成本大量增加，导致这种方式的散热的性价比不高。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种叉车锂电池半导体热管理系统，充分利用散热材料性能和结构，合理分布热源，达到散热效率的最大化，及时将电池表面的热量带走，达到降温的目的。同时利用半导体改变正负极输入冷热面交换的原理，在高寒地区对电池进行加热。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种叉车锂电池半导体热管理系统，包括外壳，外壳内由隔板分隔为上腔体和下腔体，隔板上设置有铝板，电池模组通过导热胶设置在铝板上，隔板与铝板之间设置有绝热垫，底部半导体制冷片的制冷面依次贯穿隔板和绝热垫后与铝板连接，底部半导体制冷片的制热面与底部散热器连接，下腔体内填充有铁砂，底部散热器埋设在铁砂内。
如上所述的外壳的侧部外壁设置有侧部散热器，铝板延伸至外壳的内壁，侧部半导体制冷片的制冷面贯穿外壳的侧壁与铝板连接，侧部半导体制冷片的制热面与外壳外部的侧部散热器连接。
一种叉车锂电池半导体热管理系统，还包括蓄电池充电机、充/放电连接器、辅助电路和BMS电池管理系统，
辅助电路包括DC/DC降压模块、保险丝、继电器和电流传感器，
蓄电池充电机通过充/放电连接器、保险丝、继电器与电池模组连接，电流传感器用于测量电池模组的充放电电流，
蓄电池充电机通过充/放电连接器、DC/DC降压模块、第一切换开关与底部半导体制冷片和侧部半导体制冷片连接；或者蓄电池充电机通过充/放电连接器、第二切换开关与底部半导体制冷片和侧部半导体制冷片连接。
当BMS电池管理系统检测到电池模组在充电状态下的温度大于等于第一设定温度阈值，底部半导体制冷片和侧部半导体制冷片通过第二切换开关、充/放电连接器由蓄电池充电机供电；当BMS电池管理系统检测到电池模组在充电状态下的温度小于第一设定温度阈值，则底部半导体制冷片和侧部半导体制冷片不供电；
当BMS电池管理系统检测到电池模组在放电状态下的温度大于等于第二设定温度阈值，底部半导体制冷片和侧部半导体制冷片通过第一切换开关由辅助电路的DC/DC降压模块供电；当BMS电池管理系统检测到电池模组在放电状态下的温度小于第二设定温度阈值，则底部半导体制冷片和侧部半导体制冷片不供电运行。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明散热结构简单，制造成本低，包括外壳、导热胶、散热铝板、半导体制冷片、配重铁砂；相比于现有技术，本发明充分利用散热材料性能和结构，达到散热效率最大化，及时将电池表面的热量带走，达到降温的目的。
附图说明：
图1是本发明的结构内部示意图；
图1中：1-电池模组，2-导热胶，3-铝板，401-底部半导体制冷片，402-侧部半导体制冷片，501-底部散热器，502-侧部散热器，6-绝热垫，7-外壳，8-隔板，801-上腔体，802-下腔体，9-铁砂，10-辅助电路，11-充/放电连接器。
图2是本发明的电气框图；
图3是本发明的侧部半导体制冷片的设置方式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
一种叉车锂电池半导体热管理系统，包括外壳7，外壳7内由隔板8分隔为上腔体801和下腔体802，隔板8上设置有铝板3，电池模组1通过导热胶2设置在铝板3上，隔板8与铝板3之间设置有绝热垫6，底部半导体制冷片401的制冷面依次贯穿隔板8和绝热垫6后与铝板3连接，底部半导体制冷片401的制热面与底部散热器501连接，下腔体802内填充有铁砂9，底部散热器501埋设在铁砂9内。
作为一种优选方案，外壳7的侧部外壁设置有侧部散热器502，铝板3延伸至外壳7的内壁，侧部半导体制冷片402的制冷面贯穿外壳7的侧壁与铝板3连接，侧部半导体制冷片402的制热面与外壳7外部的侧部散热器502链接。
优选的，导热胶2导热系数大于2W/mK，同时具有优良的电气绝缘性能。
优选的，铝板3厚度不小于3mm，更为优选的，所述铝板3和所述散热器5采用导热率大宇等于200W/mK的铝合金材质。
优选的，半导体制冷片4制冷功率大于60W。
优选的，隔板8与所述外壳7采用焊接成型。
优选的，铁砂9导热系数大于4W/mK，所述铁砂与所述散热器5之间紧密接触。
电池模组1为多个电芯通过串并联组成，电池模组1安装时保证电芯底部为最低位置，电池模组1与铝板3之间涂有导热胶2，由于模组的物理位置摆放不同使得电芯在充放电过程中产生的热量散热不均匀，所述铝板3为一整板将所有电芯底部覆盖，通过铝板3使所有的电芯发热首先通过电芯底部传导至铝板，从而达到温度一致的效果。,
铝板3与底部半导体制冷片401以及侧部半导体制冷片402的制冷面贴合紧密，铝板3与底部半导体制冷片401以及侧部半导体制冷片402的制冷面之间涂有导热胶2，底部半导体制冷片401的制热面与底部散热器501贴合紧密并涂有导热胶2，侧部半导体制冷片402的制热面与侧部散热器502贴合紧密并涂有导热胶2，底部散热器5可通过螺钉紧固在隔板8的底面，同时铝板3与隔板8之间设有绝热垫6，隔板8焊接外壳7在内部，外壳7由隔板8分隔为上腔体801和下腔体802，上腔体801用于电池模组1安装摆放，下腔体802用于铁砂9填充进行配重，同时铁砂9具有良好的导热效果，铁砂9与底部散热器501之间压实紧密，底部半导体制冷片401的制冷面和侧部半导体制冷片402的制冷面通过铝板3吸收所有电芯在充放电过程中产生的热量；底部半导体制冷片401的制热面产生热量通过底部散热器501在通过铁砂9传导至整个外壳7表面，在与外界空气对流换热，侧部半导体制冷片402的制热面产生的热量首先传导至侧面散热器502，在与外界空气对流换热。
如图2所示，一种叉车锂电池半导体热管理系统，还包括蓄电池充电机、充/放电连接器、辅助电路和BMS电池管理系统，
辅助电路包括DC/DC降压模块、保险丝、继电器和电流传感器，
蓄电池充电机的电池充放电接口(强电)通过充/放电连接器、保险丝、继电器与电池模组1连接，电流传感器用于测量电池模组1的充放电电流，蓄电池充电机的电池充放电接口(强电)通过充/放电连接器与DC/DC降压模块连接，
蓄电池充电机通过充/放电连接器、DC/DC降压模块、第一切换开关与底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402连接；或者蓄电池充电机通过充/放电连接器、第二切换开关与底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402连接。
底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402可以通过第一切换开关由DC/DC降压模块供电，底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402也可以通过第二切换开关、充/放电连接器由蓄电池充电机供电。
首先电池模组1往往需要快速充电需求，此时充电电流较大，电芯所产生的热量较多，容易使电芯的温度达到临界值，对电芯的寿命有极大的损伤。因此，当BMS电池管理系统检测到电池模组1在充电状态下的温度大于等于第一设定温度阈值，底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402通过第二切换开关、充/放电连接器由蓄电池充电机供电，辅助电路的DC/DC降压模块只用BMS电池管理系统的正常工作，发热小，避免了充电时辅助电路的DC/DC降压模块热量叠加造成电芯温度进一步上升的问题；当BMS电池管理系统检测到电池模组1在充电状态下的温度小于第一设定温度阈值，则底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402不供电运行。
BMS电池管理系统通过检测电池模组上的温度来控制底部半导体制冷片401或侧部半导体制冷片402的供电回路的通断，实现智能温度控制，始终将电池模组1的所有电芯的温度维持的最佳的工作温度范围。
在一般情况下，电池模组1通过充电过程中散热后可以直接使用，不需要再在放电过程中进行散热处理。特殊的，当电池模组1运行在高温环境时，需要电池模组1在放电过程中对自身进行散热，当BMS电池管理系统检测到电池模组1在放电状态下的温度大于等于第二设定温度阈值，底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402通过第一切换开关由辅助电路的DC/DC降压模块供电，此时底部半导体制冷片401或侧部半导体制冷片402启动，对电池模组1进行散热，从而使电池模组1能够在特定的高温环境中运行；当BMS电池管理系统检测到电池模组1在放电状态下的温度小于第二设定温度阈值，则底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402不供电运行。
电池模组1的低温加热时，只需要通过改变底部半导体制冷片401和侧部半导体制冷片402的正负极输入，此时半导体制冷片的制冷面和制热面位置互换，制热面产生的热量通过铝板均热后整体传递到电芯，制冷面吸收壳体的热量，在与外界空气进行换热，从而达到电池加热的目的。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式。如图3所示半导体制冷片侧面安装以及散热器上增加风扇等，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种叉车锂电池半导体热管理系统，包括外壳(7)，其特征在于，外壳(7)内由隔板(8)分隔为上腔体(801)和下腔体(802)，隔板(8)上设置有铝板(3)，电池模组(1)通过导热胶(2)设置在铝板(3)上，隔板(8)与铝板(3)之间设置有绝热垫(6)，底部半导体制冷片(401)的制冷面依次贯穿隔板(8)和绝热垫(6)后与铝板(3)连接，底部半导体制冷片(401)的制热面与底部散热器(501)连接，下腔体(802)内填充有铁砂(9)，底部散热器(501)埋设在铁砂(9)内。
2.根据权利要求1所述的一种叉车锂电池半导体热管理系统，其特征在于，所述的外壳(7)的侧部外壁设置有侧部散热器(502)，铝板(3)延伸至外壳(7)的内壁，侧部半导体制冷片(402)的制冷面贯穿外壳(7)的侧壁与铝板(3)连接，侧部半导体制冷片(402)的制热面与外壳(7)外部的侧部散热器(502)连接。
3.根据权利要求2所述的一种叉车锂电池半导体热管理系统，其特征在于，还包括蓄电池充电机、充/放电连接器、辅助电路和BMS电池管理系统，
辅助电路包括DC/DC降压模块、保险丝、继电器和电流传感器，
蓄电池充电机通过充/放电连接器、保险丝、继电器与电池模组(1)连接，电流传感器用于测量电池模组(1)的充放电电流，
蓄电池充电机通过充/放电连接器、DC/DC降压模块、第一切换开关与底部半导体制冷片(401)和侧部半导体制冷片(402)连接；或者蓄电池充电机通过充/放电连接器、第二切换开关与底部半导体制冷片(401)和侧部半导体制冷片(402)连接。
4.根据权利要求3所述的一种叉车锂电池半导体热管理系统，其特征在于，当BMS电池管理系统检测到电池模组(1)在充电状态下的温度大于等于第一设定温度阈值，底部半导体制冷片(401)和侧部半导体制冷片(402)通过第二切换开关、充/放电连接器由蓄电池充电机供电；当BMS电池管理系统检测到电池模组(1)在充电状态下的温度小于第一设定温度阈值，则底部半导体制冷片(401)和侧部半导体制冷片(402)不供电；
当BMS电池管理系统检测到电池模组(1)在放电状态下的温度大于等于第二设定温度阈值，底部半导体制冷片(401)和侧部半导体制冷片(402)通过第一切换开关由辅助电路的DC/DC降压模块供电；当BMS电池管理系统检测到电池模组(1)在放电状态下的温度小于第二设定温度阈值，则底部半导体制冷片(401)和侧部半导体制冷片(402)不供电运行。
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