CN113675499A - 基于l型脉动热管的车用电池快充热管理系统及温控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统及温控方法,利用L型脉动热管与电池模组和液冷系统的配合,脉动热管的竖直端配合接触键通过与电池模组的侧面接触,水平端与水冷板接触,充分发挥L型脉动热管抗重力传输热量的特点,增强热管理系统的换热系数,降低电池模组快充状态下的温度,解除电池的电压电流限制。本发明对电池模组的快充模式提出脉动热管的温控方案,降低液冷系统的能耗,扩大车用电池热管理系统的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池热管理系统技术领域,尤其涉及一种基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统及温控方法。
背景技术
电动汽车是解决交通出行中产生的大量碳排放的主要方法之一,我国提出要在2060年前实现碳中和,使得电动汽车产业得到大力地发展。而且电动汽车不产生燃油废气,对环境没有损害,能量转换率高,电动汽车已经成为汽车行业未来发展的翘楚。
随着电动汽车的发展,其能量的来源——电池,成为了电动汽车发展的重要难题之一。由于车用锂电池普遍需要充电桩充电,且在正常电压电流下,需要1-2个小时的充电时间,这成为了电动汽车普及的主要难题。因此,车用快速充电桩应运而生。然而快速充电桩使用的高压电必然会使得电池在充电过程中造成大量的热量,从而导致电池急速升温,一旦达到电池最高承受温度或者电池之间形成高温差,则会引起充电爆炸,酿成火灾。因此,目前锂电池电动汽车快速充电桩仅能少量使用,且都对充电最大电压进行了严格限制。
目前对于车用电池热管理系统主要分为液冷式、风冷式和相变式,而大多数汽车均采用的是液冷式电池热管理系统。然而液冷式电池热管理系统多数均采用电池底部与液冷板贴合进行散热,使得电池在快充状态下形成的侧面高热量无法及时被转移,而如果再在电池侧面增加冷板回路,则会增加整体热管理模组的能量消耗,和整车重量,这些问题都使得液冷式电池热管理解决电池快充的能力显得力不从心。而风冷式电池热管理虽然可以直接通过对电池直接鼓风,对电池侧面实行对流换热,但是由于风冷本身的换热能力不高,无法应对电池产生的大量热量,使得风冷式电池热管理在目前车用电池热管理系统中的占比越来越少。风冷式电池热管理对车用电池正常放电产生的热量都力不从心,则对于快充时电池产生的高额热量则更是无能为力。
目前仍未有妥善解决汽车电池快速充电时带来的高热量的技术方案,更多的解决方法都是对充电最大电压进行大幅度限制,以维持电池的最高温度不超过额定温度。这样的限制使得电池快充技术无法在新能源汽车领域充分得到发展,也使得新能源汽车的电池充电问题仍无法妥善解决。
发明内容
本发明的目的在于利用L型脉动热管进行相变式换热的特点,辅助液冷式电池热管理系统,通过将L型脉动热管与液冷系统组合成整体热管理系统,利用L型脉动热管高传热性能,将电池快充时产生的热量从电池的侧面传至L型脉动热管,L型脉动热管通过本身的特性将热量快速传至底部的液冷板,解决车用电池快充时带来的大量热量的问题。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,包括电池模组,配合接触键,L型脉动热管和液冷通道板,L型脉动热管与配合接触键经过弯角后与液冷通道板接触;所述L型脉动热管的竖直端配合接触键通过与电池模组的侧面接触,L型脉动热管的水平端与水冷板接触。
优选的,所述配合接触键、L型脉动热管同时分布于电池模组和也液冷通道板两侧。
优选的,所述L型脉动热管为闭环回路热管,其形成回环的连接管一端贴合与液冷通道板一侧,而多弯头的一端贴合电池模组一端;所述L型脉动热管进行真空注液操作。
优选的,配合接触键和L型脉动热管布置于电池模组与液冷通道板的两侧。
优选的,所述L型脉动热管的热管结构采用铜-水结构。
优选的,所述配合接触键与L型脉动热管之间填充导热硅脂。
优选的,所述L型脉动热管包含一个或多个回路。
优选的,所述配合接触键通过焊接的方式与液冷通道板接触与固定。
优选的,所述液冷通道板在单个电池模块上包括进液口和出液口。
一种所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统的温控方法:
当电池模组进行常压充电时,电池处于正常工作温度,且液冷系统不工作,当部分电池急速升温时,电池与配合接触键形成高温差,L型脉动热管的竖直端及时响应,局部工质受到温度差的影响,形成大于重力与阻力的气泡推动力,将高温工质推向L型脉动热管的水平端,并使低温工质回流补充,形成局部脉动效果;
当电池模组进行高压快速充电时,此时液冷系统正常工作,L型脉动热管贴合电池模组的竖直段与贴合液冷通道板的水平段形成较大温度差,内部整体工质受到温度差的影响,液态工质蒸发为气态,气态工质膨胀形成大于重力与流动阻力的气泡推动力,将蒸发端的高温工质推向冷凝端,冷凝后的低温液态工质受惯性作用沿反重力方向向上逆流回蒸发端,形成整体循环脉动效果,实现电池模组、L型脉动热管、液冷通道板三者的热交换系统。
优选的,脉动热管需要电池快充产生的热量实现抗重力传输热量,该方法应用于具有快充模式的汽车电池热管理系统。
本发明中三维L型脉动热管的蒸发端与冷凝端与传统重力热管的位置相反,三维L型脉动热管在上部加热,底部受冷,这会使得管内工质气化后相对集中于上部,在热量不足的情况下,工质的气压推动力总是等于管内流动阻力于重力之和,将难以推动整体内部工质形成循环,也即无法到达L型脉动热管的启动状态;当热量增大,内部气态工质持续膨胀到气压推动力大于重力与管内流动阻力时,三维L型脉动热管将体现抗重力效果,推动内部工质,而得益于L型脉动热管本身内部气液塞流动时各气塞压力不等的特点,各直管之间出现压力共振现象,压力共振后由于惯性作用,内部流体实现循环流动,达到脉动热管的启动状态。
只有电池模组快充状态的热量能使L型脉动热管形成逆重力循环流动,因此只应用于具有快充模式的新能源汽车动力电池系统。
本发明技术方案的具体实施过程为:
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)电动汽车正常行驶的过程中,电池发热量带动L型脉动热管内部工质形成局部脉动,对液冷系统形成辅助作用;
(2)汽车电池开始快速充电过程,高电压高电流充电带来大量的热,带动L型脉动热管实现启动状态,电池的温度将显著降低10-20℃,并形成温度振荡,对电池达到降温的效果;
(3)汽车电池达到稳定快速充电的过程时,得益于L型脉动热管在启动后,热功率的上升反而会减少脉动热管的热阻,增强L型脉动热管的传热性能,汽车电池快速充电时,电池的平均温度可以控制在一定范围内,且随电池功耗的改变而影响的幅度不大,达到一定的温度恒定效果;
(4)由于脉动热管的高效传热和高温度使用特性,电池快充模式的电压与电流得到相应的提升,增强电池快充能力,减少快充时间;
(5)当电池模组出现异常状况而发出大量的热时,脉动热管的高热量承受能力将延缓电池异常升温的时间,提高电池安全性;
(6)依靠电池热量实现脉动热管启动散热的方案,减少了增加主动冷却的能耗,体现绿色环保的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明中结构拆分图;
图3为本发明中三维L型脉动热管示意图;
其中1-电池模组,2-配合接触键,3-三维L型脉动热管、4-液冷通道板,5-进液口,6-出液口,7-蒸发端,8-冷凝端,9-气态高温工质流向,10-液态低温工质流向。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种将脉动热管与液冷系统组合的主要应用于车用电池快充的热管理系统。主要对应目前车用电池快速充电时带来的大量热量使电池温度急剧升温,而液冷式电池热管理系统无法完善地解决此问题,使用脉动热管的特点,解决电池快充的电压限制、电池安全等问题。下面结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步说明。
本发明利用L型脉动热管与电池模组和液冷系统的配合,L型脉动热管的竖直端配合接触键通过与电池模组的侧面接触,水平端与水冷板接触,充分发挥L型脉动热管抗重力传输热量的特点,增强热管理系统的换热系数,降低电池模组快充状态下的温度,解除电池的电压电流限制。本发明首度对电池模组的快充模式提出L型脉动热管的温控方案,降低液冷系统的能耗,扩大车用电池热管理系统的适用范围。
如图1~图3所示,一种三维L型脉动热管应用于车用电池快充散热结构包括电池模组1、配合接触键2、脉动热管、液冷通道板4。所述脉动热管为L型脉动热管3,经过90°的弯管形成三维L型外观;所述L型脉动热管3通过配合接触键2与电池模组1和液冷通道板4接触传热。所述脉动热管3的竖直端配合接触键2通过与电池模组1的侧面接触,水平端与水冷板4接触。
所述脉动热管3通过导热硅脂与配合接触键2贴合,以减少接触热阻,并通过焊接的方式固定。
所述配合接触键2通过焊接的方式与液冷通道板4接触与固定。
所述L型脉动热管3通过配合接触键2与电池模组1和液冷通道板4接触传热,贴合电池模组1的竖直段作为脉动热管的蒸发端7,贴合液冷通道板4的水平段作为冷凝端8。
所述液冷通道板4在单个电池模块上包括进液口5和出液口6,以有利于电池模组的拆卸。
作为优选的实施例,所述维L型脉动热管3为闭环回路热管,其形成回环的连接管一端贴合与液冷通道板4一侧,而多弯头的一端贴合电池模组1一端。
作为优选的实施例,所述L型脉动热管3的热管结构采用潜热高,表面张力大的铜-水结构,以解决电池快充时产生的大量热量。所述配合接触键2采用质量较小,结构强度较好的铝材。
电池温度未达到脉动热管理论启动温度时,由于L型脉动热管3的蒸发端7在上部,冷凝端8在下部,对液态工质形成循环回路流动需要抵抗重力影响,所需热量较大,此时热量虽无法启动脉动热管,但通过将蒸发端7的液态工质加热蒸发成气态,形成气体推动力,将剩余液态工质挤压至冷凝端8受冷后,内部气液形成准稳态,内部工质蒸发端7与冷凝端8的温差所所形成的气体推动力应正好等于管路阻力和重力之和,此时将辅助液冷通道板4对电池模组1进行冷却。
当电池模组1进行常压充电时,电池基本处于正常工作温度,且液冷系统不工作,当出现个别电池急速升温时,电池与配合接触键2形成高温差,脉动热管3的竖直端及时响应,局部工质受到温度差的影响,形成大于重力与阻力的气泡推动力,将高温工质推向水平端,并使低温工质回流补充,形成局部脉动效果,降低电池模组1的最高温度,减少液冷系统的启动频率。
电动汽车正常行驶的过程中,由于电池发热给予的能量不足以让脉动热管内部工质形成循环流动,此时脉动热管未启动,但由于脉动热管内部部分液态工质受电池加热后蒸发为气态膨胀后往液冷通道板方向流动,受冷后冷凝为液态,形成脉动热管局部脉动,此效果具有较金属更好的导热性能,能辅助底部液冷通道板降低电池温度。
当电池模组进行快速充电时,高电压高电流充电带来大量的热,会使电池温度急剧升高,此时热量较大,使得内部工质中气体推动力大于流动阻力和重力之和时,脉动热管实现抗重力运行效果,内部工质在贴合电池模组1的蒸发端7吸热,液态工质蒸发为气态,气态工质吸热膨胀,热管内部工质运动形成加速度,工质在管内毛细作用和重力的作用下,形成塞状流或者环状流,将工质推向贴合液冷通道板4的冷凝端8,工质放热,气态工质液化为液态,气态工质同时放热收缩,气态工质膨胀形成大于重力与流动阻力的气泡推动力,由于惯性作用,受冷后的工质再次被加热膨胀,将蒸发端7的高温工质推向冷凝端8,冷凝后的低温液态工质受惯性作用沿反重力方向向上逆流回蒸发端7,内部工质形成循环流动,工质在蒸发端7吸热,在冷凝端8放热,将电池模组1快充时产生的大量热量运输至液冷通道板4,实现电池模组1、脉动热管3、液冷通道板4三者的热交换系统,增强液冷系统的热交换系数,对电池系统实现快充模式下的降温和恒温作用,电池的温度将显著降低10-20℃,并形成温度振荡,对电池达到降温的效果。
本发明利用脉动热管在热量足够大的情况下,内部工质流动具有抗重力能力的特性,通过脉动热管将在电池快充时产生的大量热量吸收,通过内部工质抗重力循环流动的特性,将热量传输至液冷通道板板上,对电池实现降温的效果。同时由于脉动热管启动后,热量的上升,对脉动热管振荡的平均温度影响较小的特性,对电池形成一定的恒温效果。本发明为目前车用电池快充模式提出新的散热方案,能在不增加液冷能耗和液冷通道的情况下对电池进行散热,具有节能性和实用性。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:包括电池模组(1),配合接触键(2),L型脉动热管(3)和液冷通道板(4),L型脉动热管(3)与配合接触键(2)经过弯角后与液冷通道板(4)接触;所述L型脉动热管(3)的竖直端配合接触键(2)通过与电池模组(1)的侧面接触,L型脉动热管(3)的水平端与水冷板(4)接触。
2.根据权利要求1所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于,所述配合接触键(2)、L型脉动热管(3)同时分布于电池模组和也液冷通道板两侧。
3.根据权利要求2所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:所述L型脉动热管(3)为闭环回路热管,其形成回环的连接管一端贴合与液冷通道板(4)一侧,而多弯头的一端贴合电池模组(1)一端;所述L型脉动热管(3)进行真空注液操作。
4.根据权利要求3所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:配合接触键(2)和L型脉动热管(3)布置于电池模组(1)与液冷通道板(4)的两侧。
5.根据权利要求4所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:所述L型脉动热管(3)的热管结构采用铜-水结构。
6.根据权利要求5所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:所述配合接触键(2)与L型脉动热管(3)之间填充导热硅脂。
7.根据权利要求6所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:所述L型脉动热管(3)包含一个或多个回路。
8.根据权利要求7所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统,其特征在于:所述配合接触键(2)通过焊接的方式与液冷通道板(4)接触与固定。
9.一种所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统的温控方法:其特征在于:
当电池模组(1)进行常压充电时,电池处于正常工作温度,且液冷系统不工作,当部分电池急速升温时,电池与配合接触键(2)形成高温差,L型脉动热管(3)的竖直端及时响应,局部工质受到温度差的影响,形成大于重力与阻力的气泡推动力,将高温工质推向L型脉动热管(3)的水平端,并使低温工质回流补充,形成局部脉动效果;
当电池模组(1)进行高压快速充电时,此时液冷系统正常工作,L型脉动热管贴合电池模组(1)的竖直段与贴合液冷通道板(4)的水平段形成较大温度差,内部整体工质受到温度差的影响,液态工质蒸发为气态,气态工质膨胀形成大于重力与流动阻力的气泡推动力,将蒸发端(7)的高温工质推向冷凝端(8),冷凝后的低温液态工质受惯性作用沿反重力方向向上逆流回蒸发端(7),形成整体循环脉动效果,实现电池模组(1)、L型脉动热管(3)、液冷通道板(4)三者的热交换系统。
10.根据权利要求9所述的基于L型脉动热管的车用电池快充热管理系统的温控方法,其特征在于:脉动热管需要电池快充产生的热量实现抗重力传输热量,该方法应用于具有快充模式的汽车电池热管理系统。
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