CN113178639B

CN113178639B - 分形网络流道冷却板

Info

Publication number: CN113178639B
Application number: CN202110460173.1A
Authority: CN
Inventors: 冉艳; 苏岳锋; 陈来; 李宁; 王萌
Original assignee: Chongqing Innovation Center of Beijing University of Technology
Current assignee: Chongqing Innovation Center of Beijing University of Technology
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2041-04-27
Also published as: CN113178639A

Abstract

本发明公开了一种分形网络流道冷却板，涉及电子元件冷却技术领域，它包括壳体，其内部开设有至少一个且遍布壳体的流道组，其包括相互连通的入液主流道和第一支流道、连通于第一支流道的第二支流道和第三支流道、连通于第二支流道的第一出液主流道、连通于第三支流道的第二出液主流道。冷却液由两个入口进入壳体内部，并沿第一支流道进行汇流，再分别沿第二支流道、第三支流道分流，并分别沿第一出液主流道、第二出液主流道输出。支流道将冷却液的热点分散在第一支流道、第一出液主流道和第二出液主流道内，没有局部较大的集中现象，使得整个冷却板的温度较均匀，进而使得其对应的热力元件的温度均匀。

Description

分形网络流道冷却板

技术领域

本发明涉及电子元件冷却技术领域，具体涉及一种分形网络流道冷却板。

背景技术

环境污染和能源短缺导致对高能量密度电池储能系统的需求日益增长。锂离子电池因其自放电率低、寿命长、功率大和能量密度高而被大力支持。但锂离子电池在大电流的快速充放电循环中会产生大量热量，随着电池组中热能的增加，过热、燃烧和爆炸等安全风险最大。此外，温度一致性差会导致电池局部劣化。长期存在较大的温差会降低电池模块中电池的一致性，包括内阻、容量等属性，而这种不一致性会降低电池组的整体性能。由于将锂离子电池的工作温度保持在25℃到40℃之间，温度均匀性保持在5℃以下是安全、长寿和整体性能的关键参数，因此动力电池需要开发高效的热管理系统。

根据冷却介质不同，电池热管理系统分为风冷、相变材料、热管、液冷，或者它们的混合技术。风冷系统具有成本低、简单紧凑优点，但冷却效率低。相变材料具有高潜热，但热导率低，其额外的体积会降低能量密度、单位体积，且其泄漏问题和易燃性障碍其在电池热管理系统中的应用。电池模块大电流放电时，热管系统能维持电池温度在适宜的范围内，然而，热管的冷却成本、有限的工作温度范围和冷却功率限制了其在大型电池组中的应用。

反观液冷，在实际应用中，间接液冷比直接液冷更好，由于电池包空间有限，冷板式液冷是首选。除了流道几何形状外，对冷板性能有显著影响的另一个参数是流道结构，即冷却液流道延伸的路径。可以广义的分为：并行流道和蛇形流道，由于流动路径的单一性，并行流道和蛇形流道温度梯度较大，两者在出口附近产生很大的热点，使得整个冷却板温度不均匀，导致其对应的电池温度不均匀，影响电池的使用性能和寿命。另外，冷却液在冷却板中流动，需要驱动泵提供动力，并行流道和蛇形流道的单一流道设计，使得驱动泵的耗能高。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种多流道式，不同于并行流道和蛇形流道，改变两者固有的温度梯度，并消耗驱动泵较低能量的分形网络流道冷却板。

本发明采用的技术方案如下：

一种分形网络流道冷却板，包括壳体，其内部开设有至少一个且遍布壳体的流道组，其包括相互连通的入液主流道和第一支流道、连通于第一支流道的第二支流道和第三支流道、连通于第二支流道的第一出液主流道、连通于第三支流道的第二出液主流道；入液主流道、第一支流道、第二支流道、第一出液主流道的液力直径分别为D₁、D₂、D₃、D₄，且满足：2D₁ ³＝D₂ ³＝2D₃ ³＝D₄ ³；第二支流道与第三支流道的液力直径相同，第一出液主流道与第二出液主流道的液力直径相同。

优选的，入液主流道的两端均与壳体外部连通，为两个入口；第一出液主流道、第二出液主流道与壳体外部连通口为两个出口。

优选的，壳体贴合在发热元件表面。

优选的，相邻两个流道组的第一出液主流道、第二出液主流道为同一个。

优选的，相对两个流道组为镜像对称。

优选的，入口和出口均开设在壳体的相对两侧。

优选的，热力元件为锂离子电池，其一侧设置有极耳和极耳连接器，热力元件的该侧与壳体设置入口、出口的两侧均不为同一侧。

优选的，入液主流道、第一出液主流道、第二出液主流道均位于壳体边缘；第二支流道和第三支流道位于壳体中部位置；入口至出口方向单向流通有冷却液，冷却液由壳体边缘流经壳体中部，再由壳体边缘流出。

优选的，热力元件的两面各贴合一个分形网络流道冷却板。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：冷却液由两个入口进入壳体内部，并沿第一支流道进行汇流，再分别沿第二支流道、第三支流道分流，并分别沿第一出液主流道、第二出液主流道输出。主流道和支流道的设计完全不同于并行流道和蛇形流道，使冷却液的流动路径不单一。支流道将冷却液的热点分散在第一支流道、第一出液主流道和第二出液主流道内，没有局部较大的集中现象，即没有集中较大的热点，使得整个冷却板的温度较均匀，进而使得其对应的热力元件的温度均匀，不会因温度均匀性问题影响热力元件的使用性能和寿命。入液主流道、第一支流道、第二支流道、第一出液主流道的液力直径的关系，保证驱动泵较小的耗能对冷却液产生较平稳的流速，分形流道设计使得驱动泵的耗能较低。

附图说明

图1为分形网络流道冷却板与热力元件配合的结构示意图。

图2为实施例1的分形网络流道冷却板的截面图，其中，箭头方向为冷却液流向。

图3为实施例1的分形网络流道冷却板的第一流道组的平面图，标示出液力直径。

图4为实施例1的分形网络流道冷却板的第二流道组的平面图，标示出液力直径。

图5为实施例2的分形网络流道冷却板的截面图，其中，箭头方向为冷却液流向。

图6为实施例2的分形网络流道冷却板的第一流道组平面图，标示出液力直径。

图7为实施例2的分形网络流道冷却板的第二流道组平面图，标示出液力直径。

图8为并行流道冷却板的截面图。

图9为蛇形流道冷却板的截面图。

图10为实验中实施例1的分形网络流道冷却板出入口之间冷却液的压降随时间变化的函数图。

图11为实验中实施例2的分形网络流道冷却板出入口之间冷却液的压降随时间变化的函数图。

图12为实验中并行流道冷却板出入口之间冷却液的压降随时间变化的函数图。

图13为实验中蛇形流道冷却板出入口之间冷却液的压降随时间变化的函数图。

图中标记：壳体-1、第一流道组-11、入液主流道-111、第一支流道-112、第二支流道-113、第三支流道-114、第一出液主流道-115、第二出液主流道-116、第二流道组-12、第三流道组-13、第四流道组-14、热力元件-9、极耳-91、极耳连接器-92。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参看图1，一种分形网络流道冷却板，包括矩形壳体1，壳体1包括相对对接的矩形盖板和底板，两者完全相同，盖板和底板上均开设有相同的流道组，两者的流道组正对形成遍布壳体的冷却液腔室。

请参看图1，进一步的，壳体1与热力元件9的形状尺寸相同，其贴合在热力元件9的表面，热力元件9的两面各贴合一个分形网络流道冷却板。两个分形网络流道冷却板共同配合冷却一个热力元件9，热力元件9正反两面同时使用间接液冷的方式进行冷却，加快热力元件9的冷却速率。

请参看图1，进一步的，热力元件9为锂离子电池，其一侧设置有极耳91和极耳连接器92，用于通电。

请参看图2至图7，进一步的，以盖板为例进行叙述。流道组包括第一流道组11，其包括纵向贯通盖板的入液主流道111，入液主流道111的两端为两个入口，分别位于盖板的第一侧和第二侧，沿入液主流道111中部向盖板中心开设的第一支流道112，沿第一支流道112的端部向其两个垂直方向分别开设有互为镜像L型第二支流道113和第三支流道114，分别沿第二支流道113端部、第三支流道114端部纵向向盖板边缘开设的第一出液主流道115、第二出液主流道116，两者位于同一条直线上且均与入液主流道111平行，第一出液主流道115、第二出液主流道116的端部均连通盖板外部，且连通处分别为两个出口，分别位于盖板的第一侧和第二侧。

流道组还包括第二流道组12，第二流道组12由第一流道组11向左旋转90°得到，两者不同之处在于：第二流道组12的入液主流道111为U型，其两端均连通盖板外部，为两个入口，且均位于盖板的第一侧；第二流道组12的第二出液主流道116与第一流道组11的第一出液主流道115形成同一个流道。在一较佳的实施例1中，第二流道组12与第一流道组11还有不同之处在于：第二流道组12的第二支流道113和第三支流道114互为镜像对称的Z型。在另一较佳的实施例2中，第二流道组12与第一流道组11还有不同之处在于：第二流道组12的第二支流道113和第三支流道114连通为一个横向流道。

流道组还包括镜像沿盖板中心对称于第一流道组11的第三流道组13，第三流道组13的第一出液主流道115与第二流道组12的第一出液主流道115形成同一个流道。

流道组还包括镜像对称于第二流道组12的第四流道组14，第四流道组14的第一出液主流道115与第三流道组13的第二出液主流道116形成一个流道，第四流道组14的第二出液主流道116与第一流道组11的第二出液主流道116形成同一个流道。在实施例1中，第一流道组11、第二流道组12、第三流道组13、第四流道组14都延伸至盖板的中心。在实施例2中，仅第一流道组11、第三流道组13延伸至盖板的中心，第二流道组12、第四流道组14位于靠近盖板第一侧和第二侧的位置。

盖板的第一侧和第二侧为相对的两侧，极耳91和极耳连接器92位于盖板的第三侧，便于入口和出口的使用。

入口总计为8个，盖板的第一侧和第二侧各设置有4个入口；出口总计为4个，盖板的第一侧和第二侧各设置有2个出口。每个出口位于两个入口之间。

请参看图2、图5，进一步的，第一流道组11和第三流道组13的入液主流道111均平行于壳体1的长边，第二流道组12和第三流道组13的入液主流道111均平行于壳体1的短边。

请参看图3、图4、图6、图7，进一步的，入液主流道111、第一支流道112、第二支流道113、第一出液主流道115的液力直径分别为D₁、D₂、D₃、D₄，且满足：2D₁ ³＝D₂ ³＝2D₃ ³＝D₄ ³；第二支流道113与第三支流道114的液力直径相同，第一出液主流道115与第二出液主流道116的液力直径相同。

若流道增加，则各流道内的液力直径满足Murray定律，层流状态下的液力直径满足：2D₁ ³＝D₂ ³＝2D₃ ³＝D₄ ³＝2D_2n-1 ³＝D_2n ³，其中，n为自然数。湍流状态下的液力直径满足：2D₁ ^7/3＝D₂ ^7/3＝2D₃ ^7/3＝D₄ ^7/3＝2D_2n-1 ^7/3＝D_2n ^7/3,其中，n为自然数。一般湍流状态下消耗的驱动泵能量大于层流状态下消耗的驱动泵能量。层流和湍流为流体的流动状态，由流体的雷诺数来判断，雷诺数小于2300时，采用层流；雷诺数大于2300时，采用湍流。雷诺数越大，液体流速越大。在实际应用中，先根据热力元件9的散热需求确定冷却液的流量，再根据该流量计算出流速，再根据流速、冷却液的密度和黏性系数计算出雷诺数，最后根据雷诺数判断采用层流还是湍流。

请参看图3、图5，进一步的，入口至出口方向单向流通有冷却液，冷却液由壳体1边缘流经壳体1中部，再由壳体1边缘流出。冷却液由入口进入，被分成多份，等份的数量与入口的数量相等。冷却液由8个入口分别进入4个入液主流道111，先汇流到第一支流道112上，再沿第二支流道113和第三支流道114分流，第一流道组11与第二流道组12、第四流道组14分别汇流到第一出液主流道115、第二出液主流道116，并沿出口输出，第三流道组13与第二流道组12、第四流道组14分别汇流到第一出液主流道115、第二出液主流道116，并沿出口输出。冷却液遍布整个分形网络流道冷却板，无论加热还是冷却，热力元件9都能快速与分形网络流道冷却板进行热量交换，分形网络流道冷却板提供良好的热性能，并且其热传递能力较高。

分形网络流道冷却板热性能及压降对比实验：

实验材料：

1.4个完全相同的锂离子电池模块，每个模组包括6块方形电芯串联，额定容量10Ah，标称电压3.66V；

2.如图2所示的实施例1所述的分形网络流道冷却板、如图5所示的实施例2所述的分形网络流道冷却板，厚度均为1mm，流道厚度均为0.6mm，流道占用体积均为30％。作为实验例；

3.如图8所示的并行流道冷却板、如图9所示的蛇形流道冷却板，厚度均为1mm，流道厚度均为0.6mm，流道占用体积均为30％。作为对比例；

4.水作为冷却液。

5.连通水的驱动泵。

实验方法：

1.在第一个锂离子电池模块的每两块电芯之间固定一块实施例1所述的分形网络流道冷却板，保证每块电芯的两面各固定一块实施例1所述的分形网络流道冷却板；

2.在第二个锂离子电池模块的每两块电芯之间固定一块实施例2所述的分形网络流道冷却板，保证每块电芯的两面各固定一块实施例2所述的分形网络流道冷却板；

3.在第三个锂离子电池模块的每两块电芯之间固定一块并行流道冷却板，保证每块电芯的两面各固定一块并行流道冷却板；

4.在第四个锂离子电池模块的每两块电芯之间固定一块蛇形流道冷却板，保证每块电芯的两面各固定一块蛇形流道冷却板；

5.所有锂离子电池模块以5C放电，直到电池SOC值等于50％；

6.在四种冷却板内分别通入水，环境温度和电池初始温度为25℃，入口处水温为25℃，打开驱动泵，保证每一块冷却板的冷却水流量为0.1L/min，冷却水流动状态为层流。

实验结果：

表1：锂离子电池模块的最高温度及最大温差记录

表2：冷却板沿垂直页面方向截面上水的最大流速、出入口之间冷却液的压降随时间变化的函数图在附图中的编号

实验例的两个分形网络流道冷却板能够将锂离子电池模块的工作温度维持在25℃～40℃内，最大温差小于5℃；出入口之间水的总压降较低；对应消耗的驱动泵能量较低；

对比例的并行流道冷却板出入口之间水的总压降较高，在两个实施例的3倍左右，对应消耗的驱动泵能量较高；对比例的蛇形流道冷却板出入口之间水的总压降最高，在两个实施例的40倍左右，对应消耗的驱动泵能量最高。

实验结论：

实验例的两个分形网络流道冷却板冷却锂离子电池的效果满足要求，满足锂离子电池散热需求，并且在冷却过程中消耗较低的驱动泵能量。相较对比例的两个冷却板更适用于锂离子电池。

本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种分形网络流道冷却板，其特征在于，包括壳体，其内部开设有至少一个且遍布壳体的流道组，其包括相互连通的入液主流道和第一支流道、连通于第一支流道的第二支流道和第三支流道、连通于第二支流道的第一出液主流道、连通于第三支流道的第二出液主流道；入液主流道、第一支流道、第二支流道、第一出液主流道的液力直径分别为D₁、D₂、D₃、D₄，且满足：2D₁ ³=D₂ ³=2D₃ ³=D₄ ³；第二支流道与第三支流道的液力直径相同，第一出液主流道与第二出液主流道的液力直径相同；所述入液主流道的两端均与壳体外部连通，为两个入口；第一出液主流道、第二出液主流道与壳体外部连通口为两个出口；所述壳体贴合在发热元件表面。

2.如权利要求1所述的分形网络流道冷却板，其特征在于，相邻两个所述流道组的第一出液主流道、第二出液主流道为同一个。

3.如权利要求1或2所述的分形网络流道冷却板，其特征在于，相对两个所述流道组为镜像对称。

4.如权利要求1所述的分形网络流道冷却板，其特征在于，所述入口和出口均开设在壳体的相对两侧。

5.如权利要求4所述的分形网络流道冷却板，其特征在于，所述发热元件为锂离子电池，其一侧设置有极耳和极耳连接器，发热元件的该侧与壳体设置入口、出口的两侧均不为同一侧。

6.如权利要求4所述的分形网络流道冷却板，其特征在于，所述入液主流道、第一出液主流道、第二出液主流道均位于壳体边缘；第二支流道和第三支流道位于壳体中部位置；入口至出口方向单向流通有冷却液，冷却液由壳体边缘流经壳体中部，再由壳体边缘流出。

7.如权利要求1所述的分形网络流道冷却板，其特征在于，所述发热元件的两面各贴合一个分形网络流道冷却板。