CN113675484A - 一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于能量互补的钠‑锂离子电池集成热管理系统，通过钠离子电池模组和锂离子电池模组相间布置形成钠‑锂离子电池组合体，利用钠离子电池高功率和低温性能以及锂离子电池高能量密度，采用热管换热器作为换热媒介，在低温工况下将钠离子电池工作产生的热量从与钠离子电池模组接触的热端传递至与锂离子电池模组接触的冷端，使锂离子电池模组升温至适宜的温度范围内启动并工作，钠离子电池和锂离子电池得以优势互补，协同工作，解决了低温工况下钠离子电池的低能量密度和锂离子电池低性能问题；在高温工况下，通过BMS单元和制冷系统控制水冷板对钠离子电池和锂离子电池进行冷却，使电池在合适的温度下工作，提高电池的安全性、稳定性和适应性。

Description

一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统
技术领域
本发明涉及一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，属于动力电池热管理技术领域。
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。
锂离子电池作作为动力电池具有能量密度高的显著优势，但对于温度较为敏感，其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，环境适用性较低；钠离子电池具有功率高、低温性能好的优势，在较为寒冷的极端环境下能够稳定运行，但其存在能量密度低的劣势。
现有的锂离子电池和钠离子电池均不能同时满足电动汽车在动力电池的性能和品质上的高要求。
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能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，该热管理系统将钠离子电池与锂离子电池进行结合，实现两者之间的能量互补，提高动力电池的适应性、安全性和稳定性，满足电动汽车对动力电池的性能要求。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，包括电池包，还包括钠离子电池模组、锂离子电池模组、微通道热管换热器、导热垫、水冷板、制冷系统、BMS单元、水冷系统总进口和水冷系统总出口，所述电池包包括前舱和后舱，其中，前舱内设置BMS单元、水冷系统总进口和水冷系统总出口，后舱内设置有多个容置槽，各容置槽内设置有钠-锂离子电池组合体，所述钠-锂离子电池组合体为钠离子电池模组和锂离子电池模组沿容置槽长度方向周期性相间布置而成，各钠离子电池模组和锂离子电池模组分别由多个钠离子电池和锂离子电池组成；
各容置槽内的钠-锂离子电池组合体下方为导热垫，导热垫下方为微通道热管换热器，所述微通道热管换热器包括冷端和热端，其冷端位于锂离子电池模组下方区域，其热端位于钠离子电池模组下方区域；
微通道热管换热器下方为多块水冷板，各水冷板的进水口和出水口分别通过水冷管路与水冷系统总进口和水冷系统总出口连接，水冷系统总进口和水冷系统总出口与外部制冷系统连接，制冷系统与BMS单元连接；
BMS单元用于实时采集钠离子电池模组、锂离子电池模组的工作温度，并将温度信号反馈至给制冷系统，当电池模组工作温度超过设定温度时，启动制冷系统控制水冷板对电池模组进行冷却；当电池模组工作温度低于设定温度时，通过启动钠离子电池模组工作对锂离子电池模组进行预热。
一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，包括电池包，还包括钠离子电池模组、锂离子电池模组、微通道热管换热器、导热垫、水冷板、制冷系统、BMS单元、水冷系统总进口和水冷系统总出口，所述电池包包括前舱和后舱，其中，前舱内设置BMS单元、水冷系统总进口和水冷系统总出口，后舱内设置有多个容置槽，各容置槽内对应地设置至少两组钠-锂离子电池组合体，每组钠-锂离子电池组合体均为钠离子电池模组和锂离子电池模组沿容置槽长度方向周期性相间布置而成，各钠离子电池模组和锂离子电池模组分别由多个钠离子电池和锂离子电池组成；
各容置槽内相邻两组钠-锂离子电池组合体之间为微通道热管换热器，微通道热管换热器两侧分别贴合设置导热垫，每侧导热垫均与其所在侧的钠-锂离子电池组合体接触配合；
所述微通道热管换热器包括冷端和热端，其冷端位于锂离子电池模组所在的一端，其热端位于钠离子电池模组所在的一端；
钠-锂离子电池组合体下方为多块水冷板，所述水冷板与导热垫下端接触，各水冷板的进水口和出水口分别通过水冷管路与水冷系统总进口和水冷系统总出口连接，水冷系统总进口和水冷系统总出口与外部制冷系统连接，制冷系统与BMS单元连接；
BMS单元用于实时采集钠离子电池模组、锂离子电池模组的工作温度，并将温度信号反馈至给制冷系统，当电池模组工作温度超过设定温度时，启动制冷系统控制水冷板对电池模组进行冷却；当电池模组工作温度低于设定温度时，通过启动钠离子电池模组对锂离子电池模组进行预热。
进一步地，在每组钠-锂离子电池组合体的一个循环周期内，钠离子电池的数量多于锂离子电池数量。
进一步地，在水冷板与其下方的容置槽壳体之间还设有保温隔热垫。
进一步地，所述水冷板壳体内部设有水冷通道，在水冷板壳体上开设的进水口和出水口分别与与内部水冷通道连通，进水口和出水口还与水冷管路连通；进水口所在侧为水冷板主要冷却区域，其位于锂离子电池模组所属区域，出水口所在侧为水冷板次要冷却区域，其位于钠离子电池模组所属区域。
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，所述微通道热管换热器采用平板式脉动热管、均热板、环路热管、分离式热管或平板式热管中的一种。
进一步地，所述微通道热管换热器为平板式脉动热管，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，工质采用甲醇、丙酮或戊烷，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。
本发明通过钠离子电池模组和锂离子电池模组周期性相间布置形成钠-锂离子电池组合体，采用微通道热管换热器作为换热媒介，利用钠离子电池的高功率和低温性能，在极端的低温工况下将钠离子电池工作产生的热量从与钠离子电池模组接触的热端传递至与锂离子电池模组接触的冷端，使得锂离子电池模组升温至适宜的温度范围内启动并工作，钠离子电池和锂离子电池得以优势互补，协同工作，从而解决了低温工况下钠离子电池的低能量密度和锂离子电池的低性能问题；在高温工况下，通过BMS单元和制冷系统控制水冷板对钠离子电池和锂离子电池进行冷却，其中水冷板采用仿生学设计，并使其主要冷却区域与对温度更为敏感的锂离子电池接触，次要冷却区域与对温度相对敏感度较低的钠离子电池接触，使电池在合适的温度下工作，提高了电池的安全性和稳定性，满足了电动汽车对电池性能和品质的高要求；另外，在大部分工况下利用微通道热管换热器自身材料的高导热起到平衡热量分布的作用，能够保持电池工作区温度分布相对均匀，不需要额外的能耗，具有明显的节能优势。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是图1的俯视结构示意图；
图3是本发明的另一种结构示意图；
图4是图3的俯视结构示意图；
图5是水冷板的结构示意图；
图6是微通道热管换热器的结构示意图。
图中：1、电池包，2、钠离子电池模组，3、锂离子电池模组，4、微通道热管换热器，5、导热垫，6、水冷板，7、制冷系统，8、BMS单元，9、水冷系统总进口，10、水冷系统总出口，11、前舱，12、后舱，13、容置槽，14、冷端，15、热端，16、进水口，17、出水口，18、水冷管路，19、保温隔热垫，20、水冷通道，21、主要冷却区域，22、次要冷却区域，23、类口字形管，24、长直管一，25、长直管二，26、铜质基座，27、毛细弯管，28、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和图2所示，一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，包括电池包1，还包括钠离子电池模组2、锂离子电池模组3、微通道热管换热器4、导热垫5、水冷板6、制冷系统7、BMS单元8、水冷系统总进口9和水冷系统总出口10，所述电池包包括前舱11和后舱12，其中，前舱11内设置BMS单元8、水冷系统总进口9和水冷系统总出口10，后舱12内设置有多个容置槽13，各容置槽13内设置有钠-锂离子电池组合体，所述钠-锂离子电池组合体为钠离子电池模组2和锂离子电池模组3沿容置槽13长度方向周期性相间布置而成，各钠离子电池模组2和锂离子电池模组3分别由多个钠离子电池和锂离子电池组成；
各容置槽13内的钠-锂离子电池组合体下方为导热垫5，导热垫5下方为微通道热管换热器4，所述微通道热管换热器4包括冷端14和热端15，其冷端14位于锂离子电池模组3下方区域，其热端15位于钠离子电池模组2下方区域；
微通道热管换热器4下方为多块水冷板6，各水冷板6的进水口16和出水口17分别通过水冷管路18与水冷系统总进口9和水冷系统总出口10连接，水冷系统总进口9和水冷系统总出口10与外部制冷系统7连接，制冷系统7与BMS单元8连接；
BMS单元8用于实时采集钠离子电池模组2、锂离子电池模组3的工作温度，并将温度信号反馈至给制冷系统7，当电池模组工作温度超过设定温度时，启动制冷系统7控制水冷板6对电池模组进行冷却；当电池模组工作温度低于设定温度时，通过启动钠离子电池模组2工作对锂离子电池模组3进行预热。
如图3和图4所示，本发明还提供了一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，包括电池包1，还包括钠离子电池模组2、锂离子电池模组3、微通道热管换热器4、导热垫5、水冷板6、制冷系统7、BMS单元8、水冷系统总进口9和水冷系统总出口10，所述电池包1包括前舱11和后舱12，其中，前舱11内设置BMS单元8、水冷系统总进口9和水冷系统总出口10，后舱12内设置有多个容置槽13，各容置槽13内对应地设置至少两组钠-锂离子电池组合体，每组钠-锂离子电池组合体均为钠离子电池模组2和锂离子电池模组3沿容置槽13长度方向周期性相间布置而成，各钠离子电池模组2和锂离子电池模组3分别由多个钠离子电池和锂离子电池组成；
各容置槽13内相邻两组钠-锂离子电池组合体之间为微通道热管换热器4，微通道热管换热器4两侧分别贴合设置导热垫5，每侧导热垫5均与其所在侧的钠-锂离子电池组合体接触配合；
所述微通道热管换热器4包括冷端14和热端15，其冷端14位于锂离子电池模组3所在的一端，其热端15位于钠离子电池模组2所在的一端；
钠-锂离子电池组合体下方为多块水冷板6，所述水冷板6与导热垫5下端接触，各水冷板6的进水口16和出水口17分别通过水冷管路18与水冷系统总进口9和水冷系统总出口10连接，水冷系统总进口9和水冷系统总出口10与外部制冷系统7连接，制冷系统7与BMS单元8连接；
BMS单元8用于实时采集钠离子电池模组2、锂离子电池模组3的工作温度，并将温度信号反馈至给制冷系统7，当电池模组工作温度超过设定温度时，启动制冷系统7控制水冷板6对电池模组进行冷却；当电池模组工作温度低于设定温度时，通过启动钠离子电池模组2对锂离子电池模组进行预热。
优选地，在每组钠-锂离子电池组合体的一个循环周期内，钠离子电池的数量多于锂离子电池数量。
为对水冷板6起到隔热保温的作用，在水冷板6与其下方的容置槽壳体之间还设有保温隔热垫19。
为进一步提高对锂离子电池模组3的温度控制，使系统更为安全稳定的工作，如图5所示，所述水冷板6壳体内部设有水冷通道20，在水冷板6壳体上开设的进水口16和出水口17分别与与内部水冷通道20连通，进水口16还与水冷管路18的出水端连通；进水口16所在侧为水冷板主要冷却区域21，其位于锂离子电池模组3所属区域，出水口17所在侧为水冷板次要冷却区域22，其位于钠离子电池模组2所属区域。
优选地，所述水冷通道20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23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一24和长直管二25组成树形管的茎干部分，长直管一24和长直管二25的自由端分别连通进水口16和出水口17。
所述微通道热管换热器4可以采用平板式脉动热管、均热板、环路热管、分离式热管或平板式热管，在本发明中优选地采用平板式脉动热管，如图6所示，所述微通道热管换热器为平板式脉动热管，所述平板式脉动热管包括铜质基座26和多段毛细弯管27，多段毛细弯管27设置于铜质基座26内，毛细弯管27上端开设注液口28，毛细弯管内注有工质，工质采用甲醇、丙酮或戊烷，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。
使用时，在极端的低温工况下首先启动耐低温的钠离子电池模组工作，以微通道热管换热器作为换热媒介，将钠离子电池模组工作产生的热量从热端传递至与锂离子电池模组接触的冷端，使得锂离子电池模组升温至适宜的温度范围启动工作，从而在低温工况下能够使钠离子电池和锂离子电池共同工作，解决了钠离子电池的低能量密度和锂离子电池的低性能问题；在大部分工况下，利用微通道热管换热器自身材料的高导热即可起到平衡热量分布的作用，能够保持钠-锂离子电池组合体的电池工作区温度分布相对均匀，作为一种被动式热管理方式，在低温工况下不需要消耗额外的能量。
BMS单元实时采集钠离子电池模组、锂离子电池模组的工作温度，并反馈给制冷系统。在高温工况下，此时电池工作温度超过设定温度(通常为35～40℃)，BMS单元启动制冷系统打开水冷板进水口对电池模组进行冷却。

Claims (8)

1.一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，包括电池包(1)，其特征在于，还包括钠离子电池模组(2)、锂离子电池模组(3)、微通道热管换热器(4)、导热垫(5)、水冷板(6)、制冷系统(7)、BMS单元(8)、水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)，所述电池包(1)包括前舱(11)和后舱(12)，其中，前舱(11)内设置BMS单元(8)、水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)，后舱(12)内设置有多个容置槽(13)，各容置槽(13)内设置有钠-锂离子电池组合体，所述钠-锂离子电池组合体为钠离子电池模组(2)和锂离子电池模组(3)沿容置槽(13)长度方向周期性相间布置而成，各钠离子电池模组(2)和锂离子电池模组(3)分别由多个钠离子电池和锂离子电池组成；
各容置槽(13)内的钠-锂离子电池组合体下方为导热垫(5)，导热垫(5)下方为微通道热管换热器(4)，所述微通道热管换热器(4)包括冷端(14)和热端(15)，其冷端(14)位于锂离子电池模组(3)下方区域，其热端(15)位于钠离子电池模组(2)下方区域；
微通道热管换热器(4)下方为多块水冷板(6)，各水冷板(6)的进水口(16)和出水口(17)分别通过水冷管路(18)与水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)连接，水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)与外部制冷系统(7)连接，制冷系统(7)与BMS单元(8)连接；
BMS单元(8)用于实时采集钠离子电池模组(2)、锂离子电池模组(3)的工作温度，并将温度信号反馈至给制冷系统(7)，当电池模组工作温度超过设定温度时，启动制冷系统(7)控制水冷板(6)对电池模组进行冷却；当电池模组工作温度低于设定温度时，通过启动钠离子电池模组(2)工作对锂离子电池模组(3)进行预热。
2.一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，包括电池包(1)，其特征在于，还包括钠离子电池模组(2)、锂离子电池模组(3)、微通道热管换热器(4)、导热垫(5)、水冷板(6)、制冷系统(7)、BMS单元(8)、水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)，所述电池包(1)包括前舱(11)和后舱(12)，其中，前舱(11)内设置BMS单元(8)、水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)，后舱(12)内设置有多个容置槽(13)，各容置槽(13)内对应地设置至少两组钠-锂离子电池组合体，每组钠-锂离子电池组合体均为钠离子电池模组(2)和锂离子电池模组(3)沿容置槽(13)长度方向周期性相间布置而成，各钠离子电池模组(2)和锂离子电池模组(3)分别由多个钠离子电池和锂离子电池组成；
各容置槽(13)内相邻两组钠-锂离子电池组合体之间为微通道热管换热器(4)，微通道热管换热器(4)两侧分别贴合设置导热垫(5)，每侧导热垫(5)均与其所在侧的钠-锂离子电池组合体接触配合；
所述微通道热管换热器(4)包括冷端(14)和热端(15)，其冷端(14)位于锂离子电池模组(3)所在的一端，其热端(15)位于钠离子电池模组(2)所在的一端；
钠-锂离子电池组合体下方为多块水冷板(6)，所述水冷板(6)与导热垫(5)下端接触，各水冷板(6)的进水口(16)和出水口(17)分别通过水冷管路(18)与水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)连接，水冷系统总进口(9)和水冷系统总出口(10)与外部制冷系统(7)连接，制冷系统(7)与BMS单元(8)连接；
BMS单元(8)用于实时采集钠离子电池模组(2)、锂离子电池模组(3)的工作温度，并将温度信号反馈至给制冷系统(7)，当电池模组工作温度超过设定温度时，启动制冷系统(7)控制水冷板(6)对电池模组进行冷却；当电池模组工作温度低于设定温度时，通过启动钠离子电池模组(2)对锂离子电池模组(3)进行预热。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，其特征在于，在每组钠-锂离子电池组合体的一个循环周期内，钠离子电池的数量多于锂离子电池数量。
4.根据权利要求3所述的一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，其特征在于，在水冷板(6)与其下方的容置槽(13)壳体之间还设有保温隔热垫(19)。
5.根据权利要求4所述的一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，其特征在于，所述水冷板壳体内部设有水冷通道(20)，在水冷板壳体上开设的进水口(16)和出水口(17)分别与与内部水冷通道(20)连通，进水口(16)和出水口(17)还与水冷管路(18)连通；进水口(16)所在侧为水冷板主要冷却区域(21)，其位于锂离子电池模组(3)所属区域，出水口(17)所在侧为水冷板次要冷却区域(22)，其位于钠离子电池模组(2)所属区域。
6.根据权利要求5所述的一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，其特征在于，所述水冷通道(20)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(23)组成树形管的躯干部分、分别连通类口字形管(23)两端的多段长直管一(24)和长直管二(25)组成树形管的茎干部分，长直管一(24)和长直管二(25)的自由端分别连通进水口(16)和出水口(17)。
7.根据权利要求6所述的一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，其特征在于，所述微通道热管换热器(4)采用平板式脉动热管、均热板、环路热管、分离式热管或平板式热管中的一种。
8.根据权利要求7所述的一种基于能量互补的钠-锂离子电池集成热管理系统，其特征在于，所述微通道热管换热器(4)为平板式脉动热管，所述平板式脉动热管包括铜质基座(26)和多段毛细弯管(27)，多段毛细弯管(27)设置于铜质基座(26)内，毛细弯管(27)上端开设注液口(28)，毛细弯管(27)内注有工质，工质采用甲醇、丙酮或戊烷，工质充液率为32％～44％；毛细弯管(27)的直径为2-3mm，蒸发段的毛细弯管(27)弯头数量不小于6。
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