CN113782874A - 动力电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池热管理系统。本发明的动力电池热管理系统实现了冷媒的直接冷却和预热，降低了动力电池热管理系统的复杂性、重量和功耗，实现了动力电池良好的均温性和快速响应特征，维持动力电池高效、安全地运行。

Description

动力电池热管理系统

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种动力电池热管理系统。

背景技术

相关技术中，电动汽车作为战略性新兴产业伴随着低碳经济的浪潮迅速崛起，成为全球汽车行业节能与绿色发展转型的战略选择，且成为促进世界经济持续增长的重要引擎。动力电池作为电动汽车最为核心的部件，其容量、寿命、充放电时间和安全性严重受制于电池工作温度。动力电池工作在高温或低温工况时，将导致电池性能快速下降，寿命加速衰减，甚至引发燃烧、火灾、爆炸等安全事故，因此，建立高效的动力电池热管理系统以解决动力电池超级快充高热流密度散热问题和低温环境下快速预热问题，具有重要意义。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种动力电池热管理系统，能够有效解决动力电池散热和预热问题，使得动力电池可以高效、安全地运行。

根据本发明实施例的动力电池热管理系统，包括动力电池组、第一平板热管、第二平板热管和蒸发冷凝器；第一平板热管设置在所述动力电池组的上表面；第二平板热管设置在所述动力电池组的下表面，所述第一平板热管内和所述第二平板热管内均设置有工质；至少设置有一个蒸发冷凝器，所述蒸发冷凝器设置在所述第一平板热管和所述第二平板热管之间，且所述蒸发冷凝器的第一端的上半部设置有第一进出口，所述蒸发冷凝器的第二端的下半部设置有第二进出口，所述蒸发冷凝器可与所述第一平板热管以及所述第二平板热管进行热交换。

根据本发明实施例的动力电池热管理系统，至少具有如下有益效果：通过设置有工质的第一平板热管和第二平板热管，可以将蒸发冷凝器的热量有效地传递至动力电池组，而且具有高度差的第一进出口和第二进出口使得蒸发冷凝器能够有效地将热量传递至第一平板热管和第二平板热管，从而传递至动力电池组，快速且有效地为动力电池组进行散热和预热，使得动力电池保持良好的均温性和快速响应特征，维持动力电池高效、安全地运行。

根据本发明的一些实施例，所述第一平板热管内和所述第二平板热管内均设置有吸液芯，且所述第一平板热管内和所述第二平板热管内还均设置有支撑柱和固定结构，所述支撑柱用于加强所述第一平板热管和所述第二平板热管的结构强度，所述固定结构用于固定所述吸液芯。

根据本发明的一些实施例，所述吸液芯的厚度为所述第一平板热管的管径的0.01至0.25倍。

根据本发明的一些实施例，所述蒸发冷凝器包括上盖板和下盖板，所述第一进出口设置在所述上盖板的端部，所述第二进出口设置在所述下盖板的端部。

根据本发明的一些实施例，所述上盖板的内壁面设置有第一针肋阵列，且所述第一针肋阵列上设置有疏水层，以实现强化冷凝传热。

根据本发明的一些实施例，所述下盖板的内壁面设置有第二针肋阵列，且所述第二针肋阵列上设置有亲水层，以实现强化蒸发传热。

根据本发明一些实施例，所述上盖板内壁面设置有第一针肋阵列，所述下盖板内壁面设置有第二针肋阵列，所述第一针肋阵列和所述第二针肋阵列内均包括多级支路通道，且每一级所述支路通道的长度与等效直径之比的比值为5～10。

根据本发明一些实施例，下一级所述支路通道的等效直径与上一级所述支路通达的等效直径之比的比值为0.3～0.6。

根据本发明的一些实施例，所述蒸发冷凝器设置在所述动力电池组内或所述动力电池组的一侧，根据动力电池布置方向不同，所述蒸发冷凝器与所述动力电池组内的动力电池平行设置。

根据本发明的一些实施例，所述蒸发冷凝器设置在所述动力电池组一侧，且所述蒸发冷凝器与所述动力电池组内的动力电池垂直设置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例的动力电池热管理系统的示意图；

图2为本发明实施例的动力电池热管理系统的前视图；

图3为本发明实施例的动力电池热管理系统的后视图；

图4为本发明实施例的第一平板热管(第二平板热管)的分解示意图；

图5为本发明另一实施例的动力电池热管理系统的示意图；

图6为本发明实施例的蒸发冷凝器的上盖板的内侧示意图。

附图标记：

第一平板热管110、第二平板热管120、吸液芯111、支撑柱112、固定结构113、动力电池组130、蒸发冷凝器140、第一进出口141、第二进出口142、第一针肋阵列143；第一级支路通道210、第二级支路通道220、第三级支路通道230。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

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，若干的含义是一个以上，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。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

相关技术中，由于空气的导热系数和比热容低，风冷技术难以解决动力电池高倍率充放电的散热问题，存在空气温升较大，电池均温性较差等弊端；液冷技术是目前众多商业电动汽车动力电池主流的热管理方案，液冷需要增加二级冷却装置和泵功输送系统，存在系统复杂、功耗高和重量大等问题，因此，动力电池的直冷技术开始应用在电动汽车上，但目前主要基于原有的水冷板或微通道进行动力电池的冷却，而依旧采次电加热膜等方法进行动力电池的预热，同时，线性结构的水冷板或微通道蒸发器不可避免在通道下游存在流动不稳定、流动阻力大和传热性能低等问题。

因此，本发明提供了一种动力电池热管理系统，实现了冷媒的直接冷却和预热，降低了动力电池热管理系统的复杂性、重量和功耗，实现了动力电池良好的均温性和快速响应特征，维持动力电池高效、安全地运行。

下面参照附图对本发明作进一步阐述。

参照图1、图2和图3，在本发明一些实施例中，动力电池热管理系统中第一平板热管110和第二平板热管120平行设置，第一平板热管110设置在动力电池组130的上表面，第二平板热管120设置在动力电池组130的下表面，即第一平板热管110和第二平板热管120将动力电池组130夹在中间，应当理解的是，动力电池组130包括若干动力电池，即若个动力电池并列排布形成动力电池组130。在第一平板热管110和第二平板热管120内均设置有用于进行热交换的工质，需要说明的是，工质包括去离子水、丙酮、甲醇、庚烷、乙醇、甲醇、氨和二氧化碳。

蒸发冷凝器140则设置在第一平板热管110和第二平板热管120之间，且蒸发冷凝器140至少设置有一个，蒸发冷凝器140与第一平板热管110以及第二平板热管120进行热交换。当蒸发冷凝器140设置有多个，则可以将多个蒸发冷凝器140分散布置，如在多个动力电池组130之间设置，即每两个动力电池组130之间设置一个蒸发冷凝器140。

在蒸发冷凝器140的两端分别设置有第一进出口141和第二进出口142，如蒸发冷凝器140的第一端设置有第一进出口141，且第一进出口141位于蒸发冷凝器140第一端的上半部；蒸发冷凝器140的第二端设置有第二进出口142，且第二进出口142位于蒸发冷凝器140的第二端的下半部，即第一进出口141和第二进出口142是存在高度差，便于冷凝后的液体或蒸发后的气体流出，提高热交换的效率。需要说明的是，蒸发冷凝器140的第一端和第二端是朝向相反的两端。可以理解的是，当动力电池组130高温需要散热，液体冷媒由第二进出口142流入蒸发冷凝器140，蒸发相变后从第一进出口141流出，而当动力电池组130低温需要预热，蒸汽冷媒由第一进出口141流入蒸发冷凝器140，冷凝变相后从第二进出口142流出。

第一进出口141与第二进出口142存在高度差，第一进出口141的位置高于第二进出口142，因此，液体冷媒从位置低的第二进出口142流入，由于蒸发吸热，蒸发后的冷媒会带走热量，蒸发变相后的冷媒密度小，会上升并从位置高的第一进出口141流出；蒸汽冷媒从位置高的第一进出口141流入，由于液化放热，液化后的冷媒会放出热量，则在重力的作用下，液化变相后的冷媒从位置低的第二进出口142流出。通过设置具有高度差的第一进出口141和第二进出口142，冷媒可以在重力的作用下，无需过多地引导冷媒，有助于提升冷媒在蒸发冷凝器140内的流动性以及强化蒸发冷凝器140的性能。

通过设置有工质的第一平板热管110和第二平板热管120，可以将蒸发冷凝器140的热量有效地传递至动力电池组130，而且具有高度差的第一进出口141和第二进出口142使得蒸发冷凝器140能够有效地将热量传递至第一平板热管110和第二平板热管120，从而传递至动力电池组130，快速且有效地为动力电池组130进行散热和预热，使得动力电池保持良好的均温性和快速响应特征，维持动力电池高效、安全地运行。

参照图4，在本发明一些实施例中，在第一平板热管110和第二平板热管120内均设置有吸液芯111，且还均设置支撑柱112，支撑柱112穿过吸液芯111并在内部支撑第一平板热管和第二平板热管，增强硬度，以防止第一平板热管和第二平板热管塌陷。且第一平板热管110和第二平板热管120内还均设置固定结构113，固定结构113是用于支撑吸液芯111，使得吸液芯111与第一平板热管110、第二平板热管120的内壁之间存在间隙，从而使得热量的传递更加快速。可以理解的是，固定结构113可以是固定柱，如在第一平板热管110和第二平板热管120内壁通过注塑的方式设置多个固定柱；固定结构113还可以是微纳结构，如在第一平板热管110和第二平板热管120内壁加工微纳结构，即采用纳米尺度的工艺加工形成微纳结构，微纳结构与吸液芯111双层耦合衔接，从而增强第一平板热管110和第二平板热管120的传热性能，且微纳结构的尺度小，能够使得热量分布更均匀。需要说明的是，吸液芯111内浸满工质，同样的，工质也可在固定柱或微纳结构间流动，起到引流作用。

在本发明一些实施例中，吸液芯111的厚度为第一平板热管110的管径的0.01至0.25倍，应当想到的是，吸液芯111的厚度也可以是第二平板热管120的管径的0.01至0.25倍。当吸液芯111的厚度第一平板热管110的管径的0.01倍，吸液芯111能够吸附足够的工质，使得热量的传递快速，有助于为动力电池组130散热和预热；当吸液芯111的厚度第一平板热管110的管径的0.25倍，吸液芯111在第一平板热管110内的厚度比重较大，因此，吸液芯111能够吸附足够多的工质，能够更加快速地将热量传递，加快动力电池组130的散热和预热，有效缩短动力电池组130的散热时长和预热时长。

在本发明一些实施例中，蒸发冷凝器140包括上盖板和下盖板，第一进出口141设置在上盖板的端部，而第二进出口142设置在下盖板的端部，应当想到的是，第一进出口141是设置在上盖板的第一端，则第二进出口142设置在下盖板的第二端，下盖板第二端的朝向与上盖板第一端的朝向相同。

参照图6，在本发明一些实施例中，上盖板内壁面设置有第一针肋阵列143，且在第一针肋阵列143上设置疏水层。第一针肋阵列143通过多个针肋呈阵列布置，使得流体可以在第一针肋阵列143中流动，且针肋之间还可以形成供流体流动的通道，将流体均匀地分配。疏水层可以是采用疏水性涂料形成的涂层，如氟碳涂料、聚氨酯涂料等；疏水层还可以是采用氟化聚乙烯、氟碳蜡等含氟聚合物制作的超疏水涂膜。通过疏水层的设置，可以提升冷凝的效率，以强化蒸发冷凝器140冷凝换热的效果。

在本发明一些实施例中，下盖板内壁面设置有第二针肋阵列，且在第二针肋阵列上设置有亲水层。同样的，第二针肋阵列也是通过多个针肋呈阵列布置，使得流体可以在第二针肋阵列中流动，且针肋之间还可以形成供流体流动的通道，将流体均匀地分配。亲水层可以是亲水绵、亲水纤维或亲水皮革。通过亲水层的设置，可以提升蒸发的效率，以强化蒸发冷凝器140蒸发换热的效果。

在本发明一些实施例中，蒸发冷凝器的上盖板的内壁面上设置有第一针肋阵列143，而下盖板的内壁面上设置有第二针肋阵列，在第一针肋阵列143和第二针肋阵列中均包括多级支路通道，可以理解的是，支路通道是供流体流动的通道。第一针肋阵列143和第二针肋阵列均包括多组针肋，且多组针肋呈阵列排布，则在每一组针肋之间形成支路通道，以使得流体在能够均匀的分配、流动。每一级支路通道的长度和等效直径之比的比值为5～10，应当想到的是，等效直径表示支路通道容纳流体流通的最大流通宽度。通过支路通道，可以将流体均匀地分配在蒸发冷凝器中，提升热交换的效率，使得蒸发冷凝器与第一平板热管、第二平板热管更好地进行热交换。

参照图6，示出了上盖板内壁面上第一针肋阵列143的排布示意图，在第一针肋阵列143中包括了三级支路通道，依等效直径由大至小次序分为第一级支路通道210、第二级支路通道220、第三级支路通道230，第一级支路通道210和第三级支路通道230平行设置，第二级支路通道220则垂直于第一级支路通道210和第三级支路通道230。其中第一级支路通道210的长度为L1、等效直径为D1；第二级支路通道220的长度为L2、等效直径为D2；第三级支路通道230的长度为L3、等效直径为D3，则每一级支路通道的长度与等效直径之比的比值为5～10，即L1与D1的比值为5～10，L2与D2的比值为5～10，L3与D3的比值为5～10，应当想到的是，第一级支路通道210的长度与等效直径之比的比值、第二级支路通道220的长度与等效直径之比的比值以及第三级支路通道230的长度与等效直径之比的比值可以相等，也可以是其中任意两个相等，也可以是三者均不相等，满足上述的范围即可。应当想到的是，支路通道的数量可根据设计的需求增添或减少，且支路通道的长度和等效直径的大小均符合分形原理。

当支路通道的长度与等效直径之比的比值为5，则表示该支路通道的长度为等效直径的5倍，该支路通道可以适配于常规的动力电池，且等效直径占比较大，则使得单位时间内可以流通更多冷媒流体，加快对动力电池组的散热和预热过程。

当支路通道的长度与等效直径之比的比值为10，则表示该支路通道的长度为等效直径的10倍，该支路通道狭长，适配于长度较长的动力电池，能够延迟冷媒流体在蒸发冷凝器内的时间，从而延长热交换的时长，更充分地进行热量交换。

在本发明一些实施例中，下一级支路通道与上一级支路通道的等效直径之比的比值为0.3～0.6，可以理解的是，参照图6，第三级支路通道230的等效直径D3与第二级支路通道220的等效直径D2之比的比值为0.3～0.6，第二级支路通道220的等效直径D2与第一级支路通道210的等效直径D1之比的比值为0.3～0.6。

当下一级支路通道与上一级支路通道的等效直径之比的比值为0.3，则下一级的支路通道的等效直径相比于上一级较小，即第一针肋阵列143(或第二针肋阵列)内不同组针肋之间的间距小，使得流体在蒸发冷凝器中的流动速度下降，延长换热时长，更好地利用流体的热量。

当下一级支路通道与上一级支路通道的等效直径之比的比值为0.6，则下一级的支路通道的等效直径相比于上一级小，但第一针肋阵列143(或第二针肋阵列)内不同组针肋之间的间距变宽，可以容纳更大量的流体进入蒸发冷凝器，使得换热的效果更佳。

参照图1，在本发明一些实施例中，蒸发冷凝器140设置在动力电池组130内或动力电池组130的一侧，且蒸发冷凝器140与动力电池组130内的动力电池平行设置，可以理解的是，蒸发冷凝器140可以设置动力电池组130的动力电池之间，例如每一动力电池的一侧均设置有蒸发冷凝器140，或相隔多个动力电池设置蒸发冷凝器140，也可以是在两个动力电池组130之间，还可以是在动力电池组130的侧边，应当想到的是，将蒸发冷凝器140夹在中间的两个动力电池组130也可以看作一个动力电池组130的分割。蒸发冷凝器140与动力电池平行设置，可以使蒸发冷凝器140与动力电池朝向一致，则蒸发冷凝器140的第一进出口141和第二进出口142平行于动力电池，能够使得流体的流动方向平行于动力电池，更好地进行热交换。需要说明的是，蒸发冷凝器140的数量可以根据设计需要设置，但至少设置有一个。

参照图5，在本发明一些实施例中，蒸发冷凝器140设置在动力电池组130的一侧，且蒸发冷凝器140与动力电池组130内的动力电池垂直设置，可以理解的是，蒸发冷凝器140位于两个动力电池组130的中间或一个动力电池组130的一侧，但蒸发冷凝器140还与动力电池是垂直的，即蒸发冷凝器140的第一进出口141和第二进出口142垂直于动力电池，能使得流体的流动方向垂直于动力电池，更快地将热量交换至多个动力电池，实现快速散热和预热。

在本发明一些实施例中，蒸发冷凝器140设置有多个，且多个蒸发冷凝器140设置在动力电池组130的中间或一侧。例如，多个蒸发冷凝器140设置在动力电池组130的中间，即动力电池组130内的动力电池的一侧，或两个蒸发冷凝器140设置在动力电池组130的两端，在蒸发冷凝器140的一侧继续放置蒸发冷凝管器140，即多个蒸发冷凝器140依次排布；还可以是动力电池组130之间设置蒸发冷凝器140，如两个动力电池组130之间均设置有若干个蒸发冷凝器140；或者上述两种方式的结合，从而可以实现对多个动力电池组130进行热量交换。

下面示出动力电池热管理系统的工作流程：

当动力电池组130需要高温散热，动力电池组130的热量通过其上下表面传递至第一平板热管110和第二平板热管120内，通过第一平板热管110和第二平板热管120的导热性能，将热量传递至蒸发冷凝器140内，则使得热量被蒸发冷凝器140的冷媒带走，例如，将蒸发冷凝器140的第二进出口142连接车载液体冷媒，液体冷媒从蒸发冷凝器140的第二进出口142流入，升温变成蒸汽后，从第一进出口141流出，最后热量通过车载空调系统的冷凝器释放至环境中，降温后的冷媒可以继续进入蒸发冷凝器140内，实现循环。在散热的过程中，第一平板热管110和第二平板热管120采用长蒸发段和短冷凝段，第一平板热管110和第二平板热管120上与动力电池组130进行热交换的区域为蒸发段，而第一平板热管110和第二平板热管120上与蒸发冷凝器140进行热交换的区域为冷凝段，则蒸发冷凝器140起到蒸发器的作用。

当动力电池组130需要预热，将蒸发冷凝器140的第一进出口141连接车载气态冷媒，通过车载热泵系统等加热装置加热气化冷媒，气态冷媒从第一进出口141流入蒸发冷凝器140内，降温后液化放热，并从第二进出口142流出，冷媒的热量在蒸发冷凝器140内传递至第一平板热管110和第二平板热管120内，在第一平板热管110和第二平板热管120的导热性能的作用下，进一步地将热量传递至动力电池组130，从而实现动力电池的预热，还可以使动力电池组130的维持在适宜的工作温度范围内。通过再次加热冷媒并继续流入蒸发冷凝器140内实现循环。在预热过程中，第一平板热管110和第二平板热管120采用短蒸发段和长冷凝段，第一平板热管110和第二平板热管120上与动力电池组130进行热交换的区域为冷凝段，而第一平板热管110和第二平板热管120上与蒸发冷凝器140进行热交换的区域为蒸发段，则蒸发冷凝器140起到冷凝器的作用。

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，在所属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。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.动力电池热管理系统，其特征在于，包括：

动力电池组；

第一平板热管，设置在所述动力电池组的上表面；

第二平板热管，设置在所述动力电池组的下表面，所述第一平板热管内和所述第二平板热管内均设置有工质；

蒸发冷凝器，至少设置有一个，所述蒸发冷凝器设置在所述第一平板热管和所述第二平板热管之间，且所述蒸发冷凝器的第一端的上半部设置有第一进出口，所述蒸发冷凝器的第二端的下半部设置有第二进出口，所述蒸发冷凝器可与所述第一平板热管以及所述第二平板热管进行热交换。

2.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述第一平板热管内和所述第二平板热管内均设置有吸液芯，且所述第一平板热管内和所述第二平板热管内还均设置有支撑柱和固定结构，所述支撑柱用于加强所述第一平板热管和所述第二平板热管的结构强度，所述固定结构用于固定所述吸液芯。

3.根据权利要求2所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述吸液芯的厚度为所述第一平板热管的管径的0.01至0.25倍。

4.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述蒸发冷凝器包括上盖板和下盖板，所述第一进出口设置在所述上盖板的端部，所述第二进出口设置在所述下盖板的端部。

5.根据权利要求4所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述上盖板的内壁面设置有第一针肋阵列，且在所述第一针肋阵列上设置疏水层。

6.根据权利要求4或5所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述下盖板的内壁面设置有第二针肋阵列，且在所述第二针肋阵列上设置亲水层。

7.根据权利要求4所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述上盖板内壁面设置有第一针肋阵列，所述下盖板内壁面设置有第二针肋阵列，所述第一针肋阵列和所述第二针肋阵列内均包括多级支路通道，且每一级所述支路通道的长度与等效直径之比的比值为5～10。

8.根据权利要求7所述的动力电池热管理系统，其特征在于，下一级所述支路通道的等效直径与上一级所述支路通达的等效直径之比的比值为0.3～0.6。

9.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述蒸发冷凝器设置在所述动力电池组内或所述动力电池组的一侧，且所述蒸发冷凝器与所述动力电池组内的动力电池平行设置。

10.根据权利要求1所述的动力电池热管理系统，其特征在于，所述蒸发冷凝器设置在所述动力电池组一侧，且所述蒸发冷凝器与所述动力电池组内的动力电池垂直设置。

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