CN113285138B - 一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，所述液冷散热装置包括：热传导蒸汽腔、液冷通道和多个动力电池，所述液冷通道呈回行弯折结构，液冷通道的弯折区域之间设置有与其紧密贴合的热传导蒸汽腔，所述热传导蒸汽腔上设置有多个电池安装槽，单个电池电池安装槽内均固定有一个动力电池。本设计采用了蒸汽腔结构进行热量传递，所述蒸汽腔结构散热性能好且灵活简便，能够迅速带走电池组模块产生的局部热量，实现在高热流密度下电动汽车电池高的有效散热，同时使其在运行过程中保持均匀的温度分布，延长了汽车电池的使用寿命和续航能力。

Description

一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置
技术领域
本发明涉及一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，具体适用于提高汽车动力电池组的散热效率。
背景技术
近年来，随着工业的快速发展，汽车产业消耗了巨大化石能源，同时也带来了严重的环境污染问题。通过改进供油系统和尾气净化技术，控制能源消耗和环境污染的效果并不显著。新能源汽车尤其是纯电动汽车因其节能且几乎零排放汽车尾气的优势，受到各国政府和汽车企业的青睐。为推动我国的节能与生态文明建设，国家多次出台相关补贴政策，大力发展新能源汽车产业这一战略性新兴产业。
电动汽车的主要动力来源来自于动力电池，其中锂离子动力电池因其能量密度高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点而应用广泛。然而锂离子电池的工作性能及其使用寿命受温度影响极大，温度过高、温度过低或温差过大都不利于锂离子电池的正常工作，可能出现电池性能下降、汽车动力不足等问题，严重时还可能引起发火、爆炸等安全事故。锂离子电池在其充电放电过程中会产生大量的热，如果不能及时将热量有效转移，电池的性能会受到严重影响，甚至发生电池热失控现象。因此，动力电池散热系统对于确保电池的安全稳定运行十分重要。
现阶段，动力电池的散热方式根据传热介质的不同可以分为空气冷却、液体冷却和相变材料冷却技术。随着电动汽车对功率输出和能量密度的要求逐步提高，散热效率高、冷却速度较快的液体冷却系统开始引起市场的注意。液体冷却系统利用导热系数较高的液体作为散热介质来带走电池产生的热量。目前液体冷却系统所广泛采用的波形液冷扁管结构形式较为复杂，不够灵活且温度分布不均匀，换热效果不佳。因此开发高效的液体冷却散热装置成为汽车动力电池热管理系统亟待解决的关键难题之一。
蒸汽腔（Vapor Chamber）结构是一个内壁具有微结构的蒸汽腔体，当热由热源传导至蒸发区时，腔体内部的少量液态水会在低真空度的环境中开始汽化。此时水吸收热能且体积迅速膨胀，蒸汽很快会充满整个腔体，而当蒸汽接触到较冷区域时便会产生凝结现象，释放出在蒸发时积累的热量。凝结后的液态水因微结构的毛细现象再回到蒸发热源处，此过程在腔体内周而复始地循环进行。蒸汽腔散热系统有着较为简单的结构形式以及优异的导热性能，将其应用于动力电池的液冷散热系统是一个创新性的突破。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的结构复杂、温度均匀性差的问题，提供了一种结构简单、装配灵活、散热效果好的基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，所述液冷散热装置包括：热传导蒸汽腔、液冷通道和多个动力电池，所述液冷通道呈回行弯折结构，液冷通道的弯折区域之间设置有与其紧密贴合的热传导蒸汽腔，所述热传导蒸汽腔上设置有多个电池安装槽，单个电池电池安装槽内均固定有一个动力电池。
所述热传导蒸汽腔为内部填充纯净水并设有毛细芯结构的真空蒸汽腔。
所述热传导蒸汽腔包括：导热壳体、导热毛细芯，所述导热壳体的内壁上设置有与其连接为一体的导热毛细芯，所述导热毛细芯中部沿热传导蒸汽腔中轴线方向开设有至少一个蒸汽空腔；
所述导热壳体上开设有一排到两排电池安装槽，所述电池安装槽的顶部与导热壳体的顶板密封连接，所述电池安装槽的槽壁为密封结构，所述电池安装槽的槽壁与导热壳体内部对应位置的导热毛细芯紧密接触。
所述导热毛细芯中部沿热传导蒸汽腔中轴线方向开设有三个平行设置的蒸汽空腔，其中位于正中的蒸汽空腔横截面积大于其余蒸汽空腔的横截面积。
所述动力电池通过导热胶或石墨片固定于电池安装槽内。
所述液冷通道包括至少两个平行设置的冷却横管和至少一个冷却连接管，所述冷却横管的端部通过冷却连接管与其相邻的冷却横管相连通，所述冷却横管与冷却连接管垂直连接，所述热传导蒸汽腔设置于相邻的冷却横管与冷却连接管围成的开口区域内，所述热传导蒸汽腔导热壳体的侧壁与其对应位置的冷却横管或冷却连接管的管壁紧密贴合。
所述电池安装槽、导热壳体采用微合金化高强高热导铜材料或无氧铜材料制造。
所述导热毛细芯为直径5-20μm的铜粉烧结而成。
所述导热毛细芯采用仿生植物导管结构的梯度有序孔径在0.2-1μm的多孔铜材料制造而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置采用间接接触式的液冷方法进行电池热系统的冷却管理，冷却效率高，安全可靠，且散热装置结构简单、布局紧凑，制作材料易获取，制造成本低。因此，本设计结构安全可靠、冷却效率高。
2、本发明一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置中采用蒸汽腔散热技术，将热量传递由一维或二维高效扩展到了三维，有效地扩散了电池产生的局部热量；电池在运行过程中产生的局部散热量大且分布集中，采用蒸汽腔散热技术将局部热量均匀分散，提高了温度分布的均匀性，从而保证电池安全性，延长其使用寿命和续航能力，同时热传导蒸汽腔内为真空环境，减小传热热阻、加快传热速率、大幅度提高传热效率，拥有良好的散热性能。因此，本设计的热传导蒸汽腔能够快速带走电池表面热量，有效提高温度分布的均匀性，延长电池的使用寿命和续航能力。
3、本发明一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置中在热传导蒸汽腔内采用导热毛细芯与蒸汽空腔相配合，增强了毛细力作用，提高了毛细循环动力，进而更好控制冷却液回流过程，同时增多了汽化核心，强化了沸腾换热。因此，本设计利用毛细芯的结构、加速了换热速度，强化了沸腾换热。
4、本发明一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置中的电池安装槽通过导热胶或石墨片与动力电池的外表面触导热，导热胶和石墨片有着良好的导热性能，减少了动力电池与热传导蒸汽腔外壁之间产生的接触热阻，进一步提高热传导效率；同时其绝缘、减震、密封的特性也提高了动力电池的安全性。因此，本设计热传导效率高，动力电池安全性好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中热传导蒸汽腔的结构示意图。
图3是图1中热传导蒸汽腔端部的截面示意图。
图4是图1中液冷通道的结构示意图。
图中：热传导蒸汽腔1、电池安装槽11、导热壳体12、导热毛细芯13、蒸汽空腔14、液冷通道2、冷却横管21、冷却连接管22、动力电池3。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图4，一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，所述液冷散热装置包括：热传导蒸汽腔1、液冷通道2和多个动力电池3，所述液冷通道2呈回行弯折结构，液冷通道2的弯折区域之间设置有与其紧密贴合的热传导蒸汽腔1，所述热传导蒸汽腔1上设置有多个电池安装槽11，单个电池电池安装槽11内均固定有一个动力电池3。
所述热传导蒸汽腔1为内部填充纯净水并设有毛细芯结构的真空蒸汽腔。
所述热传导蒸汽腔1包括：导热壳体12、导热毛细芯13，所述导热壳体12的内壁上设置有与其连接为一体的导热毛细芯13，所述导热毛细芯13中部沿热传导蒸汽腔1中轴线方向开设有至少一个蒸汽空腔14；
所述导热壳体12上开设有一排到两排电池安装槽11，所述电池安装槽11的顶部与导热壳体12的顶板密封连接，所述电池安装槽11的槽壁为密封结构，所述电池安装槽11的槽壁与导热壳体12内部对应位置的导热毛细芯13紧密接触。
所述导热毛细芯13中部沿热传导蒸汽腔1中轴线方向开设有三个平行设置的蒸汽空腔14，其中位于正中的蒸汽空腔横截面积大于其余蒸汽空腔的横截面积。
所述动力电池3通过导热胶或石墨片固定于电池安装槽11内。
所述液冷通道2包括至少两个平行设置的冷却横管21和至少一个冷却连接管22，所述冷却横管21的端部通过冷却连接管22与其相邻的冷却横管21相连通，所述冷却横管21与冷却连接管22垂直连接，所述热传导蒸汽腔1设置于相邻的冷却横管21与冷却连接管22围成的开口区域内，所述热传导蒸汽腔1导热壳体12的侧壁与其对应位置的冷却横管21或冷却连接管22的管壁紧密贴合。
所述电池安装槽11、导热壳体12采用微合金化高强高热导铜材料或无氧铜材料制造。
所述导热毛细芯13为直径5-20μm的铜粉烧结而成。
所述导热毛细芯13采用仿生植物导管结构的梯度有序孔径在0.2-1μm的多孔铜材料制造而成。
本发明的原理说明如下：
圆柱形的动力电池3通过导热胶或石墨片与蒸汽腔体相连接。所述蒸汽腔体外壁与导热胶或石墨片直接接触。
动力电池3在运行过程中会产生局部热量，局部热流密度高，热量迅速通过导热胶或石墨片传递至蒸汽腔。电池与导热胶或石墨片充分接触，增大了电池的散热面积，利于电池的有效散热。所述电池安装槽11和导热壳体12采用微合金化高强高热导铜材料或无氧铜材料，具有高导热系数以及优异的机械强度。传导蒸汽腔1内部在填充纯净水作为相变工质前被抽取成高度真空。传导蒸汽腔1内壁有小粒径铜粉烧结结构，烧结结构可以为微型烧结片或微型烧结柱，紧铺在蒸汽腔内壁，增强毛细力作用，提高毛细循环动力，进而更好控制冷却液回流过程；同时微型烧结结构增多了汽化核心，强化了沸腾换热。
动力电池3产生的局部热量传递至蒸汽腔内的蒸发区域，靠近蒸发区域的液态水受热后开始汽化。此时水吸收热能且体积迅速膨胀，蒸汽很快会向四周扩散并充满整个腔体。而当蒸汽接触到较冷区域时便会产生凝结现象，释放出在蒸发时积累的热量。凝结后的液态水因重力作用和小粒径铜粉烧结结构的毛细现象再回到蒸发热源处。在液态水的两相转化过程中，在较大传热温差下将热量从蒸发区域传递到冷凝区域（靠近液冷通道2附近的区域），实现高效的散热过程。
具体地，蒸汽遇冷凝结为液态水后，液态水在冷凝区域中多向流动，将热量均匀地在蒸汽腔体内传递，提高了温度分布的均匀性，从而保证电池组的均温性安全性，延长其使用寿命和续航能力。
所述导热毛细芯13也可采用仿生植物导管结构的梯度有序孔径（孔径0.2-1μm）多孔铜材料，其中较小的孔隙提供了强大的毛细力，有利于将液体输送至热源附近，而较大的孔隙则为蒸发的水蒸气提供了输运路径。同时，该纳米结构内部含有三维流动通道，进一步提高了其吸芯能力。
所述电池安装槽11、导热壳体12采用微合金化高强高热导铜材料。例如LiTeCu合金，一种高热导率的铜合金材料，由以下组分组成：0.0010% - 0.0050%重量百分比的Li，0.10% - 0.20%重量百分比的Te，余量为Cu，并以纯铜、纯锂、纯硫为原料经真空熔炼制得。
实施例1：
一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，所述液冷散热装置包括：热传导蒸汽腔1、液冷通道2和多个动力电池3，所述液冷通道2呈回行弯折结构，液冷通道2的弯折区域之间设置有与其紧密贴合的热传导蒸汽腔1，所述热传导蒸汽腔1上设置有多个电池安装槽11，单个电池电池安装槽11内均固定有一个动力电池3；所述热传导蒸汽腔1为内部填充纯净水并设有毛细芯结构的真空蒸汽腔；所述动力电池3通过导热胶或石墨片固定于电池安装槽11内；所述液冷通道2包括至少两个平行设置的冷却横管21和至少一个冷却连接管22，所述冷却横管21的端部通过冷却连接管22与其相邻的冷却横管21相连通，所述冷却横管21与冷却连接管22垂直连接，所述热传导蒸汽腔1设置于相邻的冷却横管21与冷却连接管22围成的开口区域内，所述热传导蒸汽腔1导热壳体12的侧壁与其对应位置的冷却横管21或冷却连接管22的管壁紧密贴合；所述电池安装槽11、导热壳体12采用微合金化高强高热导铜材料或无氧铜材料制造；所述导热毛细芯13为直径5-20μm的铜粉烧结而成。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述热传导蒸汽腔1包括：导热壳体12、导热毛细芯13，所述导热壳体12的内壁上设置有与其连接为一体的导热毛细芯13，所述导热毛细芯13中部沿热传导蒸汽腔1中轴线方向开设有至少一个蒸汽空腔14；所述导热壳体12上开设有一排到两排电池安装槽11，所述电池安装槽11的顶部与导热壳体12的顶板密封连接，所述电池安装槽11的槽壁为密封结构，所述电池安装槽11的槽壁与导热壳体12内部对应位置的导热毛细芯13紧密接触；所述导热毛细芯13采用仿生植物导管结构的梯度有序孔径在0.2-1μm的多孔铜材料制造而成。
实施例3：
实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：
所述导热毛细芯13中部沿热传导蒸汽腔1中轴线方向开设有三个平行设置的蒸汽空腔14，其中位于正中的蒸汽空腔横截面积大于其余蒸汽空腔的横截面积。

Claims (6)

1.一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，其特征在于：
所述液冷散热装置包括：热传导蒸汽腔（1）、液冷通道（2）和多个动力电池（3），所述液冷通道（2）呈回行弯折结构，液冷通道（2）的弯折区域之间设置有与其紧密贴合的热传导蒸汽腔（1），所述热传导蒸汽腔（1）上设置有多个电池安装槽（11），单个电池电池安装槽（11）内均固定有一个动力电池（3）；
所述热传导蒸汽腔（1）为内部填充纯净水并设有毛细芯结构的真空蒸汽腔；
所述热传导蒸汽腔（1）包括：导热壳体（12）、导热毛细芯（13），所述导热壳体（12）的内壁上设置有与其连接为一体的导热毛细芯（13），所述导热毛细芯（13）中部沿热传导蒸汽腔（1）中轴线方向开设有至少一个蒸汽空腔（14）；
所述导热壳体（12）上开设有一排到两排电池安装槽（11），所述电池安装槽（11）的顶部与导热壳体（12）的顶板密封连接，所述电池安装槽（11）的槽壁为密封结构，所述电池安装槽（11）的槽壁与导热壳体（12）内部对应位置的导热毛细芯（13）紧密接触；
所述导热毛细芯（13）中部沿热传导蒸汽腔（1）中轴线方向开设有三个平行设置的蒸汽空腔（14），其中位于正中的蒸汽空腔横截面积大于其余蒸汽空腔的横截面积。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，其特征在于：
所述动力电池（3）通过导热胶或石墨片固定于电池安装槽（11）内。
3.根据权利要求2所述的一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，其特征在于：
所述液冷通道（2）包括至少两个平行设置的冷却横管（21）和至少一个冷却连接管（22），所述冷却横管（21）的端部通过冷却连接管（22）与其相邻的冷却横管（21）相连通，所述冷却横管（21）与冷却连接管（22）垂直连接，所述热传导蒸汽腔（1）设置于相邻的冷却横管（21）与冷却连接管（22）围成的开口区域内，所述热传导蒸汽腔（1）导热壳体（12）的侧壁与其对应位置的冷却横管（21）或冷却连接管（22）的管壁紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，其特征在于：
所述电池安装槽（11）、导热壳体（12）采用微合金化高强高热导铜材料或无氧铜材料制造。
5.根据权利要求4所述的一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，其特征在于：
所述导热毛细芯（13）为直径5-20μm的铜粉烧结而成。
6.根据权利要求4所述的一种基于蒸汽腔散热技术的汽车电池液冷散热装置，其特征在于：
所述导热毛细芯（13）采用仿生植物导管结构的梯度有序孔径在0.2-1μm的多孔铜材料制造而成。
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