CN113437399A - 一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统，包括：电池模组、导热垫、水冷模块、复合相变材料层、若干抗重力热管、加热模块、温度采集模块以及控制模块，电极上均布置有导热片，导热垫设置在外壳的底部，水冷模块安装在导热垫底面的中间位置，复合相变材料层设置在水冷模块的底部，各抗重力热管一端连接导热片，各抗重力热管另一端连接复合相变材料层，加热模块布置在导热垫底面的两侧，温度采集模块用于采集电池模组的电极和外壳底面的温度，控制模块用于控制加热模块和水冷模块的启动和关闭，能够快速对电池模组电极进行散热或预热，散热和升温效率高，大幅改善电池模组表面的温度均匀性，有效提高电池模组的寿命和使用性能。

Description

一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统
技术领域
本发明涉及动力电池模组的热管理技术领域，特别涉及一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统。
背景技术
近年来，社会的不断进步和经济的飞速发展加速了全球性能源短缺和环境污染等一系列的问题，采用清洁能源的交通工具成为大势所趋，这就极大地促进了电动汽车的发展。作为电动汽车的核心部件，动力电池模组在充放电过程中会产生大量热量，其中，电极表面附近温度最高。如果不能及时将动力电池模组产生的热量排走，会产生内部热量的聚集，进而影响动力电池模组的使用性能及寿命，甚至在极端条件下出现起火爆炸等安全事故。此外，在低温条件下动力电池模组的快速启动也成为了动力电池热管理中的尖锐问题。
目前，大部分的动力电池模组的热管理一般使用空气或液体热管理系统，空气冷却管理系统是通过被动或主动方式让空气扫掠过电池组，以带走或带来热量，从而实现对电池组散热或者加热的目的。空气冷却热管理系统的优点是结构简单、成本低廉，但由于空气强制对流换热系数低，阻碍了其在高功率、大容量的电池组中的应用。
液体管理系统是利用高导热系数的液体通过对流换热的方式来实现动力电池模组的散热或者预热。液体管理系统一般只作用在动力电池模组的侧面或者底面，散热和加热能耗高的同时还影响了动力电池模组表面的温度均匀性。
因此，有必要设计一种既能在高温和高倍率充放电条件下快速带走动力电池模组的热量，特别是电极处的热量，又能在低温条件下实现快速预热，同时保证电池模组表面温度均匀性的动力电池热管理系统。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统，包括：电池模组、导热垫、水冷模块、复合相变材料层、若干抗重力热管、加热模块、温度采集模块以及控制模块，所述电池模组包括外壳和若干安装在所述外壳内的电芯单元，各所述电芯单元的电极朝向所述外壳顶端设置，各所述电极上均布置有导热片，所述导热垫设置在所述外壳的底部，所述水冷模块安装在所述导热垫底面的中间位置，所述复合相变材料层设置在所述水冷模块的底部，各所述抗重力热管沿着所述外壳的高度方向延伸设置，且各所述抗重力热管一端连接所述导热片，各所述抗重力热管另一端连接所述复合相变材料层，所述加热模块布置在所述导热垫底面的两侧，所述加热模块与各所述抗重力热管接触，所述温度采集模块用于采集所述电池模组的电极和所述外壳底面的温度，所述控制模块用于控制所述加热模块和所述水冷模块的启动和关闭。
有益效果：此动力电池模组电极温度调控的热管理系统，包括：电池模组、导热垫、水冷模块、复合相变材料层、若干抗重力热管、加热模块、温度采集模块以及控制模块，电池模组包括外壳和若干安装在外壳内的电芯单元，各电芯单元的电极朝向外壳顶端设置，各电极上均布置有导热片，导热垫设置在外壳的底部，水冷模块安装在导热垫底面的中间位置，复合相变材料层设置在水冷模块的底部，各抗重力热管沿着外壳的高度方向延伸设置，且各抗重力热管一端连接导热片，各抗重力热管另一端连接复合相变材料层，加热模块布置在导热垫底面的两侧，加热模块与各抗重力热管接触，温度采集模块用于采集电池模组的电极和外壳底面的温度，控制模块用于控制加热模块和水冷模块的启动和关闭，能够快速对电池模组电极进行散热或预热，散热和升温效率高，大幅改善电池模组表面的温度均匀性，有效提高电池模组的寿命和使用性能，适应性强，结构简单。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述抗重力热管包括第一横端、竖管段和第二横端，所述第一横端和所述第二横端分别设置在所述竖管段的两端，所述第一横端与所述导热片连接，所述第二横端与所述复合相变材料层连接，所述竖管段与所述外壳侧壁紧贴。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述电池模组在充放电条件下工作时，所述第一横端为蒸发端，所述第二横端为所述冷凝端，将所述电芯单元的电极处和所述外壳的侧壁的热量传导至所述复合相变材料层中。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述加热模块工作时，所述第一横端为冷凝端，所述第二横端为蒸发端，所述加热模块产生的热量一部分通过所述导热垫传递到所述电池模组底部，所述加热模块产生的热量另一部分通过所述抗重力热管和所述导热片传递到所述电池模组的侧壁和电极处。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述加热模块包括PCT加热片和辅助电源，所述PCT加热片嵌入到所述导热垫和所述抗重力热管之间，所述辅助电源用于供电，所述控制模块根据所述电池模组的表面温度控制所述加热模块的开启和关闭。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述温度采集模块包括热电偶温度传感器和信号处理模块，所述热电偶温度传感器设置在所述电池模组的电极表面和底面处，所述信号处理模块用于将所述热电偶温度传感器的电信号转换后传输至所述控制模块。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述控制模块与所述水冷模块、所述控制模块与所述加热模块电连接，当所述温度采集模块监测到所述电池模组的底面温度高于所述复合相变材料层的相变温度时，所述控制模块控制所述水冷模块的启动，直至监测到所述电池模组电极处和底部的最低温度低于30℃时，所述控制模块控制所述水冷模块的关闭，当监测到所述电池模组表面最低温度低于0℃时，所述控制模块控制所述加热模块启动，直至所述电池模组的最高温度到达最佳工作温度区间，所述控制模块控制所述加热模块的关闭。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述导热片与所述电芯单元的电极面积相匹配，所述导热垫与所述电池模组底部面积相匹配。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述电芯单元为锂离子电池，所述锂离子电池通过电极串联或并联形成所述电池模组。
根据本发明第一方面实施例所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，所述水冷模块包括口琴管、集流体、进水管、出水管、冷却水箱以及动力泵，所述口琴管的两端分别嵌入到所述集流体中，两侧的所述集流体分别连接所述进水管和所述出水管，所述控制模块控制所述动力泵。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为本发明实施例动力电池模组电极温度调控的热管理系统爆炸示意图；
图2为本发明实施例整体结构剖视图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
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。
参照图1和图2，一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统，包括：电池模组100、导热垫200、水冷模块300、复合相变材料层400、若干抗重力热管500、加热模块600、温度采集模块以及控制模块。
其中，电池模组100包括外壳110和若干安装在外壳110内的电芯单元120，各电芯单元120的电极朝向外壳110顶端设置，各电极上均布置有导热片130。
具体地，动力电芯120采用锂离子电池，锂离子电池通过电极串联或并联形成电池模组100。在本实施例中，电池模组100由多块方形锂离子动力电池通过电极串联或者并联组成，并使用铝合金的外壳110进行封装，最佳工作温度区间为25℃-40℃。其中，导热片130与电芯单元120的电极面积相匹配。
容易理解地，导热片130和导热垫200均需要具备较好的绝缘性能，能够避免工作过程中出现短路风险。导热片130可以采用氮化铝陶瓷导热片，具有优良的导热性能，较低的介电常数以及介质损耗，能够提供可靠的绝缘性能和优良的力学性能。
导热垫200可以为硅胶导热垫，具有良好的热传导率和绝缘性能，而且柔软兼有弹性，适用于电池模组100的底部的大面积表面，能够有效减少电池模组100底面与加热模块以及水冷模块之间的接触热阻。
导热垫200设置在外壳110的底部，导热垫200与电池模组100底部面积相匹配，水冷模块300安装在导热垫200底面的中间位置，复合相变材料层400设置在水冷模块300的底部。加热模块600布置在导热垫200底面的两侧，加热模块600与各抗重力热管500接触，加热模块600沿着外壳110的长度方向横向布置，使得加热模块600与同一侧的各个抗重力热管500都接触。
参照图1，其中，各抗重力热管500沿着外壳110的高度方向延伸设置，且各抗重力热管500一端连接导热片130，各抗重力热管500另一端连接复合相变材料层400。抗重力热管500阵列嵌在导热片130和复合相变材料层400之间，并且紧贴电池模组100的外壳110的外侧壁。
其中，抗重力热管500为内部有吸液芯结构的铜水热管经过压扁和折弯工艺制成，工作温度范围为30℃-200℃。
具体地，抗重力热管500包括第一横端、竖管段和第二横端，第一横端和第二横端分别设置在竖管段的两端，第一横端与导热片130连接，第二横端与复合相变材料层400连接，竖管段与外壳110侧壁紧贴。在电池模组100在高温或者充放电条件下工作的时候，此时第一横端为蒸发端，第二横端为冷凝端，将电芯单元120的电极处和外壳110的侧壁的热量传导至复合相变材料层400中。蒸发端在上方，冷凝端在下方，可以把电池模组100的电极处和外壳110的侧壁的热量不断地传导到复合相变材料层400中。下方的冷凝的工质能够通过吸液芯的毛细作用克服重力的影响重新回到热端，形成气液循环，从而将电池模组100的电极和侧壁的热量传导到下方的复合相变材料层400中。
加热模块600紧贴布置在导热垫200底面的两侧，并且和抗重力热管500接触。在低温环境下，加热模块600工作时，第一横端为冷凝端，第二横端为蒸发端，加热模块600产生的热量一部分通过导热垫200传递到电池模组100底部，加热模块600产生的热量另一部分通过抗重力热管500和导热片130传递到电池模组100的侧壁和电极处。此时，抗重力热管500的蒸发端在下方，冷凝端在上方，产生的热量一部分通过导热垫200传递到电池模组100的底部，另一部分通过抗重力热管500和导热片130传递到电池模组100的侧壁和电极处，从而实现了电池模组100的均匀快速预热。蒸发端在下方，冷凝端在上方，管内的工质受热汽化上升，并在冷凝端凝结形成液态工质，通过吸液芯回流至蒸发端形成循环。
加热模块600包括PCT加热片和辅助电源，PCT加热片嵌入到导热垫200和抗重力热管500之间，辅助电源用于供电，控制模块根据电池模组100的表面温度控制加热模块600的开启和关闭。PCT加热片具有恒温发热、尺寸小、热转换率高、节能和寿命长等优点。
复合相变材料层400由一定比例的膨胀石墨和石蜡组成，石蜡的相变温度在电池模组100最佳工作温度以内，在电池模组100工作时，复合相变材料层400利用其相变潜热吸收电池模组100产生的热量，并将一部分热量传导至作为热沉的外壳110的底板中，当电池模组100的温度低于一定值时，复合相变材料层400能够释放大量潜热对电池模组100进行保温，保证电池模组100温度维持在合适的工作温度范围内。
复合相变材料层400采用膨胀石墨和相变石蜡按一定比例机械混合压制而成，其特点是热传导率比纯相变材料的石蜡更大，可以有效地抑制石蜡相变熔化后导致的形变甚至泄漏风险，其潜热值的吸收与释放可以用于电池模组100的散热及保温。
温度采集模块用于采集电池模组100的电极和外壳110底面的温度。温度采集模块包括热电偶温度传感器和信号处理模块，热电偶温度传感器设置在电池模组100的电极表面和底面处，信号处理模块用于将热电偶温度传感器的电信号转换后传输至控制模块。热电偶温度传感器用于实时监测电池模组100的工作温度和表面温度的均匀性。
控制模块用于控制加热模块600和水冷模块300的启动和关闭。
具体地，控制模块与水冷模块300、控制模块与加热模块600电连接，当温度采集模块监测到电池模组100的底面温度高于复合相变材料层400的相变温度时，控制模块控制水冷模块300的启动，直至监测到电池模组100电极处和底部的最低温度低于30℃时，控制模块控制水冷模块300的关闭，当监测到电池模组100表面最低温度低于0℃时，控制模块控制加热模块600启动，直至电池模组100的最高温度到达最佳工作温度区间，控制模块控制加热模块600的关闭。
在其中的一些实施例中，水冷模块300包括口琴管、集流体、进水管、出水管、冷却水箱以及动力泵，口琴管的两端分别嵌入到集流体中，两侧的集流体分别连接进水管和出水管，控制模块控制动力泵。水冷主流道可以连接多个水冷的口琴管，口琴管整体厚度在4-6mm之间，布置在电池模组100的底部，冷却或者预热水流通过水冷主流道流经口琴管，利用水冷对流换热将热量散发。
当动力泵收到控制模块的信号后，将冷却水箱的冷却水通过进水管泵入到集流体重，再流经口琴管通过对流换热带走热量，出水管件冷却水重新通入冷却水箱以达到循环冷却效果。
在电池模组100进行高倍率充放电的时候，电磁模组100的温度升高，其中，电极处出现最高温度，产生的热量通过导热片和抗重力热管快速传递到复合相变材料层中，复合相变材料层利用其相变潜热吸收热量，其中，一部分热量经过复合相变材料层的底面传导到电池模组100的外壳底板中。当温度采集模块监测到电池模组100底部最高温度高于复合相变材料的相变温度时，说明复合相变材料的相变潜热值已经耗尽，控制模块控制水冷模块启动，将多余的热量带走，直至电池模组监测到最高温度低于30℃，水冷模块关闭。在电池模组100表面温度低于一定值的时候，复合相变材料层能够释放潜热对电池模组100进行保温，延缓电池模组表面温度下降趋势，在电池模组100冷启动过程中，当温度采集模块监测到电池模组100的最低温度低于0℃的时候，控制模块控制加热模块的启动，对整个电池模组进行均匀加热直至监测温度达到电池正常工作温度范围。
此热管理系统的工作原理示意如下：
电池模组100正常工作，导热片、导热垫以及抗重力热管传导热量，复合相变材料层和外壳吸热，电池模组100在恶劣工况下工作，控制模块控制水冷模块启动，通过对流换热将多余热量带走，电池模组100停止工作，复合相变材料层释放潜热对电池模组进行保温，电池模组100在低温条件下工作，控制模块控制加热模块启动，通过抗重力热管使电池模组100整体均与受热。
此动力电池模组电极温度调控的热管理系统，通过在产热最多的电极表面上方设置导热片，并且引入抗重力热管和复合相变材料层用于热量的快速传递和吸收，在低温条件下能使用加热模块对电池模组整体进行加热，能够快速对电池模组100的电极进行散热或者预热，散热和升温效率高，大幅改善了电池模组100表面温度的均匀性，有效提高了电池模组100的使用寿命和使用性能，具有适应性强，结构简单的特点。
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，在所述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 (10)

1.一种动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于，包括：
电池模组，所述电池模组包括外壳和若干安装在所述外壳内的电芯单元，各所述电芯单元的电极朝向所述外壳顶端设置，各所述电极上均布置有导热片；
导热垫，所述导热垫设置在所述外壳的底部；
水冷模块，所述水冷模块安装在所述导热垫底面的中间位置；
复合相变材料层，所述复合相变材料层设置在所述水冷模块的底部；
若干抗重力热管，各所述抗重力热管沿着所述外壳的高度方向延伸设置，且各所述抗重力热管一端连接所述导热片，各所述抗重力热管另一端连接所述复合相变材料层；
加热模块，所述加热模块布置在所述导热垫底面的两侧，所述加热模块与各所述抗重力热管接触；
温度采集模块，所述温度采集模块用于采集所述电池模组的电极和所述外壳底面的温度；以及
控制模块，所述控制模块用于控制所述加热模块和所述水冷模块的启动和关闭。
2.根据权利要求1所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述抗重力热管包括第一横端、竖管段和第二横端，所述第一横端和所述第二横端分别设置在所述竖管段的两端，所述第一横端与所述导热片连接，所述第二横端与所述复合相变材料层连接，所述竖管段与所述外壳侧壁紧贴。
3.根据权利要求2所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述电池模组在充放电条件下工作时，所述第一横端为蒸发端，所述第二横端为所述冷凝端，将所述电芯单元的电极处和所述外壳的侧壁的热量传导至所述复合相变材料层中。
4.根据权利要求2所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述加热模块工作时，所述第一横端为冷凝端，所述第二横端为蒸发端，所述加热模块产生的热量一部分通过所述导热垫传递到所述电池模组底部，所述加热模块产生的热量另一部分通过所述抗重力热管和所述导热片传递到所述电池模组的侧壁和电极处。
5.根据权利要求4所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述加热模块包括PCT加热片和辅助电源，所述PCT加热片嵌入到所述导热垫和所述抗重力热管之间，所述辅助电源用于供电，所述控制模块根据所述电池模组的表面温度控制所述加热模块的开启和关闭。
6.根据权利要求1所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述温度采集模块包括热电偶温度传感器和信号处理模块，所述热电偶温度传感器设置在所述电池模组的电极表面和底面处，所述信号处理模块用于将所述热电偶温度传感器的电信号转换后传输至所述控制模块。
7.根据权利要求6所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述控制模块与所述水冷模块、所述控制模块与所述加热模块电连接，当所述温度采集模块监测到所述电池模组的底面温度高于所述复合相变材料层的相变温度时，所述控制模块控制所述水冷模块的启动，直至监测到所述电池模组电极处和底部的最低温度低于30℃时，所述控制模块控制所述水冷模块的关闭，当监测到所述电池模组表面最低温度低于0℃时，所述控制模块控制所述加热模块启动，直至所述电池模组的最高温度到达最佳工作温度区间，所述控制模块控制所述加热模块的关闭。
8.根据权利要求1所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述导热片与所述电芯单元的电极面积相匹配，所述导热垫与所述电池模组底部面积相匹配。
9.根据权利要求1所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述电芯单元为锂离子电池，所述锂离子电池通过电极串联或并联形成所述电池模组。
10.根据权利要求1所述的动力电池模组电极温度调控的热管理系统，其特征在于：所述水冷模块包括口琴管、集流体、进水管、出水管、冷却水箱以及动力泵，所述口琴管的两端分别嵌入到所述集流体中，两侧的所述集流体分别连接所述进水管和所述出水管，所述控制模块控制所述动力泵。
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