CN113078386A - 蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统及冷却方法 - Google Patents

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Abstract

一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统及冷却方法，涉及动力锂电池的散热领域，电池由至少两个电池单体组成，相邻两个电池单体间设有耦合冷却板，耦合冷却板包括呈单层蜂窝板状的耦合基板，耦合基板上的房孔内填充有相变材料；设有液冷流道、冷却液入口和冷却液出口，设有将相变材料与耦合基板密封的密封导热层。冷却方法为：将上述冷却系统与空调的制冷剂出口和制冷剂入口相连；电池温度达到液冷启动值时，启动空调，电池温度达到液冷停止值时，关闭空调。本发明具有结构简单，散热效果好等优点。

Description

蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统及冷却方法
技术领域
本发明涉及动力锂电池的散热领域，特别涉及一种用于锂电池散热的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统及冷却方法。
背景技术
我们知道，面对当前能源短缺与环境污染的现状，汽车工业掀起来研发和生产新能源汽车的热潮，其最核心的技术即为其提供动力来源的动力电池系统，即通过电化学反应将电极材料的化学能转化为电能的系统。目前动力电池系统中的动力电池最为常用的是锂离子电池，在锂电池的系统中，温度对锂电池的容量和功率、可靠性和安全性、寿命和循环成本等性能都会产生一定影响，在合适的温度区间内，其工作性能才能达到最佳状态，但在其充放电过程中，其内部会发生复杂的电化学变化并产生大量热量，电池温度在两极和中心处温度较高，严重时会发生剧烈燃烧甚至爆炸，因此降低电池在使用过程中的温度以及保证温度分布均匀具有重要意义。
目前市场上的动力电池普遍采用单独的空气散热或者液冷散热，采用空气冷却对电池进行散热一方面组件繁多，系统复杂而且降温效果不好，液体冷却由于电池单体的尺寸过小而冷却管太细导致能量损耗严重而且单体电池温度分布不均匀，降低了整车的能量效率，与节能相悖。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单，散热效果好的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统及冷却方法。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，电池由至少两个电池单体组成，其特征在于：相邻两个电池单体间设有耦合冷却板，耦合冷却板包括呈单层蜂窝板状的耦合基板，耦合基板上的房孔为冷却填充腔，冷却填充腔内填充有(用于冷却的)相变材料；耦合基板上设有围绕每个冷却填充腔的液冷流道，耦合基板上设有与液冷流道相通的冷却液入口和冷却液出口，耦合基板外侧设有密封导热层，密封导热层将相变材料与耦合基板密封、防止相变材料在融化过程中泄露。
本发明中所述的液冷流道的结构是：耦合基板上横截面呈六边形的冷却填充腔的每一条边的侧壁上设有一条与该条边平行的侧壁冷却孔，每个冷却填充腔的六条侧壁冷却孔首尾相连、相邻两个冷却填充腔共用一条侧壁冷却孔，冷却液入口和冷却液出口分别经缓冲腔与邻近的侧壁冷却孔相连。该结构的散热效果佳，液冷运行频率低，电池使用过程温度分布均匀、不会出现局部(中部)过热的现象。
本发明中所述的密封导热层的材料为铝箔。铝箔包裹在耦合基板外侧形成密封导热层。
本发明中所述的耦合基板为铝蜂窝板，铝蜂窝板四周与密封导热层间设有相变材料。
本发明中所述的电池单体和耦合冷却板呈方形，所述的冷却液入口和冷却液出口分别设置在耦合基板左右两侧的中部，冷却液入口和冷却液出口分别将缓冲腔与密封导热层外部连通。
本发明中所述的相变材料与耦合冷却板的体积比为0.75-0.8，优选0.78。在该体积比下，由相变材料冷却时电池温度较低而且相变材料融化迅速，充分利用了相变材料的吸热冷却效果。在该体积比下，相同的冷却液流量流经液冷流道的流动阻力小，降低冷却液泵的能耗，该体积比为液冷和相变材料结合的最佳体积比。
一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却方法，其特征在于包括如下步骤：
a、在由至少两个电池单体组成的电池中的相邻两个电池单体间设置包括耦合基板的耦合冷却板，耦合基板呈单层蜂窝板状，耦合基板上的房孔为冷却填充腔，冷却填充腔内填充有用于冷却的相变材料，耦合基板上设有围绕每个冷却填充腔的液冷流道，设有与液冷流道相通的冷却液入口和冷却液出口，耦合冷却板外侧设有密封导热层，密封导热层将相变材料与耦合冷却板间密封、防止相变材料在融化过程中泄露；
b、将冷却液入口和冷却液出口分别与空调的制冷剂出口和制冷剂入口相连；
c、相变材料作为被动式热管理冷却系统，不需要消耗额外动力能量；当电池发热而温度没达到液冷系统工作温度时，利用相变材料潜热大的特点，相变材料液化吸收热量，使电池温度保持相对稳定，防止温度过高造成事故；
d、当检测到电池温度达到液冷启动值时，启动空调，冷却液由冷却液入口进入液冷流道，快速的吸收相变材料和电池过高的温度后由冷却液出口排出，此时相变材料因温度降低而凝固，用于重复为电池降温；
e、当检测到电池温度达到液冷停止值时，关闭空调。
本发明中所述的液冷启动值通常为60°-70℃；液冷停止值通常为相变材料凝固温度以下，一般为35℃左右。保护电池性能的前提下，可对相变材料进行充分降温，可大大提高电池在高放电倍率情况下的最大功率工作时长。
蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统应用于电动汽车，冷却液入口经循环泵与汽车空调的制冷剂出口相连，冷却液出口与汽车空调的制冷剂入口相连，通过汽车BMS温控系统获得电池温度、控制循环泵(和汽车空调)的工作状态。当汽车动力电池温度高于液冷启动值时，汽车空调制冷、循环泵工作，将相变材料聚集的温度迅速转移；冬季寒冷季节当电池温度低于0℃时，汽车空调制热、循环泵工作，加热电池使之恢复到正常温度范围。
本发明通过蜂窝状相变材料与液冷耦合的方式，对由多个电池单体组成动力电池进行降温或预热，蜂窝的形状配合有多个通道，具有超轻量、高刚度比、高比表面积和高热导率的优势，使电池热量通过蜂窝结构与相变材料间的热量交换均匀快速，而且启动液冷系统时蜂窝房孔四周的液冷流道中的冷却液(制冷剂)能使电池温度分布均匀，大大提高了电池温度控制的效率，液冷效果佳的同时，此种蜂窝结构的液冷流道对冷却液的压力降非常低，节约能源，更适合电动汽车使用；未进行液冷时相变材料与液冷流道中的冷却液(制冷剂)间高效的导热可使电池整体温度均匀，避免产生局部过热现象。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中耦合冷却板的结构示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是使用相变材料(未启动液冷系统)电池在大功率倍率放电(10C)时的电池表面温度图。
图5为本发明中相变材料和耦合冷却板不同体积比时，电池表面中心温度和相变材料融化液相分数的对比图。
图6为不同类型流道液冷和相变材料耦合系统电池最大温度和电池内部温差对比图。
图7为冷却液在不同流道流动时的压降对比图。
具体实施方式
一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，电池由至少两个电池单体1组成，相邻两个电池单体1间设有耦合冷却板2，耦合冷却板2包括呈单层蜂窝板状的耦合基板12，耦合基板12上的房孔为冷却填充腔，所述的房孔即为单层蜂窝板的蜂窝房孔、为正六边形的贯通孔。冷却填充腔内填充有用于冷却的相变材料10；耦合基板12上设有围绕每个冷却填充腔的液冷流道，耦合基板12上设有与液冷流道相通的冷却液入口3和冷却液出口6，耦合基板外侧设有密封导热层8，密封导热层8的材料为铝箔；密封导热层8将相变材料与耦合基板密封、防止相变材料在融化过程中泄露。
本发明所述的液冷流道的结构是：耦合基板12上的横截面呈六边形的冷却填充腔的每一条边的侧壁上设有一条与该条边平行的侧壁冷却孔9，每个冷却填充腔的六条侧壁冷却孔9首尾相连、相邻两个冷却填充腔共用一条侧壁冷却孔9，冷却液入口3和冷却液出口6分别经缓冲腔7、11与邻近的侧壁冷却孔9相连。该结构的散热效果佳，液冷运行频率低，电池使用过程温度分布均匀、不会出现局部(中部)过热的现象。所述的耦合基板为铝蜂窝板，铝蜂窝板四周与密封导热层间设有相变材料。所述的电池单体和耦合冷却板呈方形，所述的冷却液入口和冷却液出口分别设置在耦合基板左右两侧的中部，冷却液入口和冷却液出口分别将缓冲腔与密封导热层外部连通。所述的相变材料与耦合冷却板的体积比为0.78；在该体积比下，由相变材料冷却时电池温度较低而且相变材料融化迅速，充分利用了相变材料的吸热冷却效果。在该体积比下，相同的冷却液流量流经液冷流道的流动阻力小，降低冷却液泵的能耗，该体积比为液冷和相变材料结合的最佳体积比。
一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却方法，其特征在于包括如下步骤：
a、在由至少两个电池单体组成的电池中的相邻两个电池单体间设置包括耦合基板的耦合冷却板，耦合基板呈单层蜂窝板状，耦合基板上的房孔为冷却填充腔，冷却填充腔内填充有用于冷却的相变材料，耦合基板上设有围绕每个冷却填充腔的液冷流道，设有与液冷流道相通的冷却液入口和冷却液出口，耦合冷却板外侧设有密封导热层，密封导热层将相变材料与耦合冷却板间密封、防止相变材料在融化过程中泄露；
b、将冷却液入口和冷却液出口分别与空调制冷机组的制冷剂出口和制冷剂入口相连；
c、相变材料作为被动式热管理冷却系统，不需要消耗额外动力能量；当电池发热而温度没达到液冷系统工作温度时，利用相变材料潜热大的特点，相变材料液化吸收热量，使电池温度保持相对稳定，防止温度过高造成事故；
d、当检测到电池温度达到液冷启动值时，启动空调，冷却液由冷却液入口进入液冷流道，快速的吸收相变材料和电池过高的温度后由冷却液出口排出，此时相变材料因温度降低而凝固，用于重复冷却电池；
e、当检测到电池温度达到液冷停止值时，关闭空调。
本发明中所述的液冷启动值通常为60°-70℃；液冷停止值通常为相变材料凝固温度以下，一般为35℃左右。保护电池性能的前提下，可对相变材料进行充分降温，可大大提高电池在高放电倍率情况下的最大功率工作时长。
蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统应用于电动汽车，冷却液入口3经循环泵4与汽车空调制冷机组5的制冷剂出口相连，冷却液出口6与汽车空调制冷机组5的制冷剂入口相连，通过汽车BMS温控系统获得电池温度、控制循环泵(和汽车空调)的工作状态。当汽车动力电池温度高于液冷启动值时，汽车空调制冷、循环泵工作，将相变材料聚集的温度迅速转移；冬季寒冷季节当电池温度低于0℃时，汽车空调制热、循环泵工作，加热电池使之恢复到正常温度范围。
本发明通过蜂窝状相变材料与液冷耦合的方式，对由多个电池单体组成动力电池进行降温或预热，蜂窝的形状有多个通道，具有超轻量，高比刚度和强度以及高比表面积和高热导率的优势，使电池热量通过蜂窝结构与相变材料间的热量交换均匀快速，而且启动液冷系统时蜂窝流道中的冷却液(制冷剂)能使电池温度分布均匀，大大提高了电池温度控制的效率；未进行液冷时相变材料与液冷流道中的冷却液(制冷剂)间高效的导热可使电池整体温度均匀，避免产生局部过热现象。
图4是使用相变材料(未启动液冷系统)电池在大功率倍率放电(10C)时的电池表面温度图，从图4可以看出，无冷却系统的温度最高，电池最高温度能达到63.7℃，远超过电池运行的舒适温度区间，其次是相变材料冷却系统，最高温度能达到54.3℃，温度下降9.4℃，但是也超过了电池运行的舒适温度区间，相变材料加蜂窝结构冷却系统电池温度最低，最高温度为48.5℃，温度下降15.2℃，能将电池温度控制在50℃以下，相比于无蜂窝冷却系统，加入蜂窝结构能使电池最高温降增加61％。
从图5中可以看出，使用本发明的结构时，相变材料和耦合冷却板的体积比在0.72和0.78左右电池温度很低而且电池温度接近，但是0.72相变材融化效率不佳，综合来看，选择0.78的体积比能将相变材料的功效发挥到最大。
图6为使用相变材料与不同类型的液冷流道耦合形成的电池冷却系统对电池冷却时，电池最大温度和电池内部温差对比图；以液冷流道的形状命名三种电池冷却系统为蛇形管+相变材料、蜂窝管+相变材料、平行管+相变材料；蜂窝管+相变材料即本发明提供的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，蛇形管+相变材料是将本发明的电池冷却系统中的耦合基板替换成蛇形液冷流道耦合基板而形成的，蛇形液冷流道耦合基板是在基板上设置蛇形液冷流道，蛇形液冷流道间空隙处设置冷却填充腔、冷却填充腔内填充相变材料；平行管+相变材料是将本发明的电池冷却系统中的耦合基板替换成平行液冷流道耦合基板而形成的，平行液冷流道耦合基板是在基板上设置平行液冷流道，平行液冷流道间空隙处设置冷却填充腔、冷却填充腔内填充相变材料；三种电池冷却系统中的相变材料和耦合冷却板的的体积比相同，液冷流道的总长度、截面的形状和尺寸相同。
从图6可以看出；在电池以12C相同放电倍率工况下，液冷初始温度为20℃，初始流量均为0.05g/s，使用平行管+相变材料电池冷却系统对电池冷却降温时，电池最高温度最大；使用蛇形管+相变材料和蜂窝管+相变材料电池冷却系统对电池冷却降温时，电池温度接近，但使用蜂窝管+相变材料电池冷却系统对电池冷却降温时，电池最高温度和最低温度之差最小，蜂窝管+相变材料电池冷却系统使电池温度分布均匀，避免局部区域温度过高。
图7为冷却液在不同流道流动时的压降对比图。从图7可以看出冷却液在蛇形管内压降最大，其次是平行管，最小是蜂窝管，说明同样的流量下蜂窝管结构的流通通道能使水泵功耗最小，符合节能特性。

Claims (8)

1.一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，电池由至少两个电池单体组成，其特征在于：相邻两个电池单体间设有耦合冷却板，耦合冷却板包括呈单层蜂窝板状的耦合基板，耦合基板上的房孔为冷却填充腔，冷却填充腔内填充有相变材料；耦合基板上设有围绕每个冷却填充腔的液冷流道，耦合基板上设有与液冷流道相通的冷却液入口和冷却液出口，耦合基板外侧设有密封导热层，密封导热层将相变材料与耦合基板密封、防止相变材料在融化过程中泄露。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，其特征在于所述的液冷流道的结构是：耦合基板上横截面呈六边形的冷却填充腔的每一条边的侧壁上设有一条与该条边平行的侧壁冷却孔，每个冷却填充腔的六条侧壁冷却孔首尾相连、相邻两个冷却填充腔共用一条侧壁冷却孔，冷却液入口和冷却液出口分别经缓冲腔与邻近的侧壁冷却孔相连。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，其特征在于所述的密封导热层的材料为铝箔。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，其特征在于所述的耦合基板为铝蜂窝板，铝蜂窝板四周与密封导热层间设有相变材料。
5.根据权利要求1所述的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，其特征在于所述的电池单体和耦合冷却板呈方形，所述的冷却液入口和冷却液出口分别设置在耦合基板左右两侧的中部，冷却液入口和冷却液出口分别将缓冲腔与密封导热层外部连通。
6.根据权利要求1所述的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统，其特征在于所述的相变材料与耦合冷却板的体积比为0.75-0.8。
7.一种蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却方法，其特征在于包括如下步骤：
a、在由至少两个电池单体组成的电池中的相邻两个电池单体间设置包括耦合基板的耦合冷却板，耦合基板呈单层蜂窝板状，耦合基板上的房孔为冷却填充腔，冷却填充腔内填充有用于冷却的相变材料，耦合基板上设有围绕每个冷却填充腔的液冷流道，设有与液冷流道相通的冷却液入口和冷却液出口，耦合冷却板外侧设有密封导热层，密封导热层将相变材料与耦合冷却板间密封、防止相变材料在融化过程中泄露；
b、将冷却液入口和冷却液出口分别与空调的制冷剂出口和制冷剂入口相连；
c、相变材料作为被动式热管理冷却系统，不需要消耗额外动力能量；当电池发热而温度没达到液冷系统工作温度时，利用相变材料潜热大的特点，相变材料液化吸收热量，使电池温度保持相对稳定，防止温度过高造成事故；
d、当检测到电池温度达到液冷启动值时，启动空调，冷却液由冷却液入口进入液冷流道，快速的吸收相变材料和电池过高的温度后由冷却液出口排出，此时相变材料因温度降低而凝固，用于重复为电池降温；
e、当检测到电池温度达到液冷停止值时，关闭空调。
8.权利要求1所述的蜂窝状相变材料与液冷耦合的电池冷却系统应用于电动汽车，冷却液入口经循环泵与汽车空调的制冷剂出口相连，冷却液出口与汽车空调的制冷剂入口相连，通过汽车BMS温控系统获得电池温度、控制循环泵和汽车空调的工作状态。
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