CN113451682B - 一种基于相变传热与自然冷却的电池包 - Google Patents

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Abstract

一种基于相变传热与自然冷却的电池包，采用储热板与水冷板结合形成电池热管理系统，将相变材料和平板式脉动热管结合而成的储热板提高动力电池的传热速率及温度均匀性，同时实现热量储存；采用仿生学设计水冷板结构，提高动力电池的传热速率及温度均匀性；通过BMU电池管理单元，控制汽车运行过程中由车速形成的自然风引入系统内部进行散热，不需额外部件；环境温度较高时，通过BMU电池管理单元启动水冷板冷水模式进行散热；电池温度处于高温工况时，通过BMU电池管理单元启动水冷板冷水模式进行散热；电池温度处于低温工况时，通过BMU电池管理单元启动水冷板热水模式进行加热，对电池模组进行热保护，提高电池可靠性，延长其使用寿命。

Description

一种基于相变传热与自然冷却的电池包
技术领域
本发明涉及一种基于相变传热与自然冷却的电池包，属于动力电池技术领域。
背景技术
为实现我国碳中和的战略目标，国家大力发展电动汽车，促进交通零排放。电动汽车的性能和品质很大程度上依赖其配备的动力电池的性能，尤其是电池的可靠性和循环寿命。
动力电池自身温度的高低和内部温度均匀性对电池的可靠性和寿命影响极大，电池组的工作温度过高或过低都会影响电池的性能，高温会造成电池热失控，引发安全问题，而不合理的温度分布会导致电池容量利用率降低，容量衰减速度加快，因此，在充放电过程中需要让电池保持在一个合适的温度范围。另外，现有的电池放电产生的这部分热量未能回收，甚至在寒冷地区启动车辆时还需要给电池组加热，显然没有合理利用能量。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于相变传热与自然冷却的电池包，该电池包能够提高动力电池的传热速率以及温度的均匀性，提高动力电池的性能、延长其使用寿命；能够充分利用环境冷源进行散热，节约系统能耗；在寒冷地区短时启停时能够通过相变材料中储存的热量进行热保护，实现对能量的合理利用。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于相变传热与自然冷却的电池包，包括储热板、水冷板、电池模组、BMU电池管理单元和感温热电偶；
所述储热板包括热端、冷端和用于连接热端及冷端的平板式脉动热管，储热板热端区域下方设有储热箱，储热箱箱体内填充有相变材料，平板式脉动热管的蒸发段位于相变材料填充区内部；
冷端包括多个冷凝段翅片和平板式脉动热管的冷凝段，冷端位于风冷通道内, 风冷通道为引入自然风进行冷却的通道；
所述水冷板包括水冷板壳体和水冷通道，在水冷板壳体上开设有与水冷系统连通的进水口和出水口；
电池模组设置于上部储热板和下部水冷板之间，感温热电偶一端与电池模组连接，另一端连接BMU电池管理单元；感温热电偶用于实时采集电池模组和外界环境的温度数据，并将采集到的温度数据信号实时发送至BMU电池管理单元；
BMU电池管理单元还与水冷板以及风冷通道的控制系统连接，其对接收到的电池模组和外界环境的温度数据信号进行处理和分析，并将生成的指令发送至水冷板以及风冷通道的控制系统。
进一步地，所述水冷通道包括多段U形管、分别连通U形管两端的横管一和横管二，横管一和横管二的自由端分别连通进水口和出水口。
进一步地，所述水冷通道采用仿生学设计为树形管，包括多段相互连通的类口字形管组成树形管的躯干部分、分别连通类口字形管两端的多段长直管一和长直管二组成树形管的茎干部分，长直管一和长直管二的自由端分别连通进水口和出水口。
进一步地，所述平板式脉动热管包括铜质基座和多段毛细弯管，多段毛细弯管设置于铜质基座内，毛细弯管上端开设注液口，毛细弯管内注有工质，工质为去离子水、醇类工质、酮类工质、微纳胶囊相变材料乳液、纳米流体或磁流体，工质充液率为32％～44％；毛细弯管的直径为2-3mm，蒸发段的毛细弯管弯头数量不小于6。
进一步地，所述储热箱内填充的材料为二十烷有机相变材料、膨胀石墨材料与石蜡复合而成的相变材料或微胶囊相变材料。
本发明通过采用储热板与水冷板结合形成电池热管理系统，一方面利用储热箱内相变材料的高潜热提高储热能力，另一方面通过平板式脉动热管来提升相变材料的热导率，通过两者结合而成的储热板有效提高了动力电池的传热速率以及温度的均匀性，同时实现了热量的储存；采用仿生学设计水冷板结构，提高了动力电池的传热速率以及温度的均匀性，同时可以根据不同工况进行冷水散热模式和热水加热模式的切换；通过BMU电池管理单元，在大部分工况下将汽车运行过程中由车速形成的自然风引入系统内部，采用被动式冷却方式进行散热，不需要额外的部件，具有传热效率高、节能性强的优势；在环境温度较高时，通过 BMU电池管理单元关闭风冷通道，启动水冷板冷水模式进行散热；当电池温度处于高温工况时，通过BMU电池管理单元启动水冷板冷水模式进行散热；当电池温度处于低温工况时，通过BMU电池管理单元启动水冷板热水模式进行加热，对电池模组进行热保护，大大提高了电池的性能可靠性，延长了其使用寿命，同时具有高效性、节能性的优势。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中的平板式脉动热管的结构示意图；
图3是本发明中的水冷板的一种结构示意图；
图4是本发明中的水冷板的另一种的结构示意图。
图中：1、储热板，2、水冷板，3、电池模组，4、BMU电池管理单元，5、感温热电偶，6、热端，7、冷端，8、平板式脉动热管，9、冷凝段翅片，10、风冷通道，11、水冷板壳体，12、水冷通道，13、进水口，14、出水口，15、U形管，16、横管一，17、横管二，18、类口字形管，19、长直管一，20、长直管二， 21、铜质基座，22、毛细弯管，23、注液口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于相变传热与自然冷却的电池包，包括储热板1、水冷板2、电池模组3、BMU电池管理单元4和感温热电偶5；
所述储热板1包括热端6、冷端7和用于连接热端6及冷端7的平板式脉动热管8，储热板热端区域下方设有储热箱，储热箱箱体内填充有相变材料，平板式脉动热管8的蒸发段位于相变材料填充区内部；
冷端7包括多个冷凝段翅片9和平板式脉动热管8的冷凝段，冷端7位于风冷通道10内,风冷通道10为引入自然风进行冷却的通道；
所述水冷板2包括水冷板壳体11和水冷通道12，在水冷板壳体11上开设有与水源连通的进水口13和出水口14；
电池模组3设置于上部储热板1和下部水冷板2之间，感温热电偶5一端与电池模组3连接，另一端连接BMU电池管理单元4；感温热电偶5用于实时采集电池模组3和外界环境的温度数据，并将采集到的温度数据信号实时发送至BMU 电池管理单元4；
BMU电池管理单元4还与水冷板2以及风冷通道10的控制系统连接，其对接收到的电池模组3和外界环境的温度数据信号进行处理和分析，并将生成的指令发送至水冷板2以及风冷通道10控制系统。
如图3所示，优选地，所述水冷通道12包括多段U形管15、分别连通U 形管15两端的横管一16和横管二17，横管一16和横管二17的自由端分别连通进水口13和出水口14。
如图4所示，优选地，所述水冷通道12采用仿生学设计为树形管，包括多段相互连通的类口字形管18组成树形管的躯干部分、分别连通类口字形管18 两端的多段长直管一19和长直管二20组成树形管的茎干部分，长直管一19和长直管二20的自由端分别连通进水口13和出水口14。
如图2所示，优选地，所述平板式脉动热管8包括铜质基座21和多段毛细弯管22，多段毛细弯管22设置于铜质基座21内，毛细弯管22上端开设注液口 23，毛细弯管22内注有工质，工质为去离子水、醇类工质、酮类工质、微纳胶囊相变材料乳液、纳米流体或磁流体，工质充液率为32％～44％；毛细弯管的直径为2-3mm，蒸发段的毛细弯管弯头数量不小于6。
进一步地，所述储热箱内填充的材料为二十烷有机相变材料、膨胀石墨材料与石蜡复合而成的相变材料或微胶囊相变材料。
使用前，从注液口23将毛细弯管22经过排污、抽真空后注入工质，当充液率达到32～44％后，封闭注液口23。
使用过程中，首先设定第一设定温度，第二设定温度以及临界环境温度。第一设定温度对应低温工况，此时电池工作性能降低，对于锂电池通常为0-20℃；第二设定温度为高温工况，此时电池工作性能降低，对于锂电池通常为35℃左右；环境温度低于临界环境温度为自然冷却模式对应的高效工作区间，根据不同结构通常为23℃左右。BMU电池管理单元4根据感温热电偶5采集及发送的温度数据信号可以将系统工作模式切换为加热模式、自然冷却模式或制冷模式：当感温热电偶5发送的电池模组3的温度数据低于第一设定温度时，BMU电池管理单元4启动加热模式通过水冷板输送热水对电池模组3进行加热，对电池进行热保护；当感温热电偶5发送的电池模组温度数据高于第一设定温度且低于第二设定温度时，系统不采取措施；当感温热电偶5发送的电池模组3的温度数据高于第二设定温度，而环境温度低于临界环境温度，开启风冷通道10启动自然冷却模式，通过引入车辆运行过程中的自然风进入风冷通道冲刷平板式脉动热管8的冷凝段以及冷凝段翅片9进行散热；在自然冷却模式下，当感温热电偶 5发送的电池模组3的温度数据仍旧高于第二设定温度时，开启制冷模式通过水冷板输送冷水进行散热；当感温热电偶5发送的电池模组3的温度数据高于第二设定温度，且环境温度高于临界环境温度，关闭风冷通道，开启制冷模式通过水冷板输送冷水进行散热。

Claims (5)

1.一种基于相变传热与自然冷却的电池包，其特征在于，包括储热板(1)、水冷板(2)、电池模组(3)、BMU电池管理单元(4)和感温热电偶(5)；
所述储热板(1)包括热端(6)、冷端(7)和用于连接热端(6)及冷端(7)的平板式脉动热管(8)，储热板热端区域下方设有储热箱，储热箱箱体内填充有相变材料，平板式脉动热管(8)的蒸发段位于相变材料填充区内部；
冷端(7)包括多个冷凝段翅片(9)和平板式脉动热管(8)的冷凝段，冷端(7)位于风冷通道(10)内 ,风冷通道(10)为引入自然风进行冷却的通道；
所述水冷板(2)包括水冷板壳体(11)和水冷通道(12)，在水冷板壳体(11)上开设有与水冷系统连通的进水口(13)和出水口(14)，水冷板(2)根据不同工况进行冷水散热模式和热水加热模式；
电池模组(3)设置于上部储热板(1)和下部水冷板(2)之间，感温热电偶(5)一端与电池模组(3)连接，另一端连接BMU电池管理单元(4)；感温热电偶(5)用于实时采集电池模组(3)和外界环境的温度数据，并将采集到的温度数据信号实时发送至BMU电池管理单元(4)；
BMU电池管理单元(4)还与水冷板(2)以及风冷通道(10)的控制系统连接，其对接收到的电池模组(3)和外界环境的温度数据信号进行处理和分析，并将生成的指令发送至水冷板(2)以及风冷通道(10)的控制系统；
当感温热电偶(5)发送的电池模组(3)的温度数据低于第一设定温度时，BMU电池管理单元(4)启动加热模式通过水冷板输送热水对电池模组(3)进行加热，对电池进行热保护；
当感温热电偶(5)发送的的电池模组温度数据高于第一设定温度且低于第二设定温度时，系统不采取措施；
当感温热电偶(5)发送的的电池模组(3)的温度数据高于第二设定温度，而环境温度低于临界环境温度，开启风冷通道(10)启动自然冷却模式，通过引入车辆运行过程中的自然风进入风冷通道冲刷平板式脉动热管(8)的冷凝段以及冷凝段翅片(9)进行散热。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变传热与自然冷却的电池包，其特征在于，所述水冷通道(12)包括多段U形管(15)、分别连通U形管(15)两端的横管一(16)和横管二(17)，横管一(16)和横管二(17)的自由端分别连通进水口(13)和出水口(14)。
3.根据权利要求1所述的一种基于相变传热与自然冷却的电池包，其特征在于，所述水冷通道(12)采用仿生学设计为树形管，包括多段相互连通的类口字形管(18)组成树形管的躯干部分、分别连通类口字形管(18)两端的多段长直管一(19)和长直管二(20)组成树形管的茎干部分，长直管一(19)和长直管二(20)的自由端分别连通进水口(13)和出水口(14)。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变传热与自然冷却的电池包，其特征在于，所述平板式脉动热管(8)包括铜质基座(21)和多段毛细弯管(22)，多段毛细弯管(22)设置于铜质基座(21)内，毛细弯管(22)上端开设注液口(23)，毛细弯管(22)内注有工质，工质为去离子水、醇类工质、酮类工质、微纳胶囊相变材料乳液、纳米流体或磁流体，工质充液率为32％～44％；毛细弯管(22)的直径为2-3mm，蒸发段的毛细弯管(22)弯头数量不小于6。
5.根据权利要求4所述的一种基于相变传热与自然冷却的电池包，其特征在于，所述储热箱内填充的材料为二十烷有机相变材料、膨胀石墨材料与石蜡复合而成的相变材料或微胶囊相变材料。
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