CN113851756A - 一种风冷和液冷混合式电池热管理装置及热管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风冷和液冷混合式电池热管理装置及热管理方法，涉及圆柱形动力电池热管理方案，属于动力电池热管理技术领域，本发明包括空气射流式风冷模块、液冷模块和电池热管理系统等组成，采用空气冲击射流和液流的混合式热管理的协同方案，当电池温度过高时，空气射流管内和液流板或液流管内冷媒介质强制对流带走电池产生的热量，降低电池的温度，当电池温度过低时，空气射流管内和液流板或液流管内热媒介质强制对流对电池进行加热，升高电池的温度以此控制电池在适宜的工作温度范围内。本发明能控制电池模组的温升在合理的温度范围之内，同时能降低电池模组的温差。

Description

一种风冷和液冷混合式电池热管理装置及热管理方法
技术领域
本发明涉及动力电池热管理技术领域，具体是一种风冷和液冷混合式电池热管理装置及热管理方法。
背景技术
锂离子电池是目前最有发展前景的二次动力能源，是学术界和工业界的研究热点，在纯电动、混合动力汽车，便携式电子设备等领域得到广泛应用。然而，锂离子电池对温度非常敏感，20℃-40℃是其适宜的工作温度范围，过低的温度会造成锂离子在阳极和电解质界面的扩散速率变慢，极化内阻变高，过高的温度会导致阳极和电解质界面的SEI膜退化，进而引起电池容量和功率的大幅度下降。另外，锂离子电池在高温高倍率放电过程中会产生大量的热量，这些热又反过来加速锂离子电池的化学反应，进一步导致电池过热，如果随之任之，有可能引发火灾或爆炸。因此，热管理不仅对于锂离子电池性能来说重要，对其安全性也至关重要。通常，锂离子电池的最佳工作温度范围为20℃-40℃，温差在5℃以内。
电池热管理的目的在于使电池的在最佳的温度范围内，同时提高各个电池之间的温度一致性。不同的热管理方法包括空气热管理、液体热管理、相变材料热管理、热管热管理等。总的来说，液体热管理由于具有高的导热系数，得到越来越多的关注。目前方型电池常采用液冷板，液体在液冷板内不循环或一端进口，一端出口进行循环，而圆柱形电池常采用蛇形扁管，扁管贴近电池，热媒或冷媒介质一端进，另一端出。冷媒或热媒介质在流动换热过程中温度升高或降低，电池的温度随流程会产生大的温差。此外，锂离子电池正极极耳产热率较大，导致靠近电池正极区域温度较高，引起锂离子电池单体温度不一致性。单一液冷热管理方案很难简单有效的解决锂离子电池上述问题，还会引起液冷结构复杂，泄露风险增加。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，本发明合理利用液冷热管理方案整体对流换热能力强和风冷热管理方案布置灵活的优点，发挥出两者的协同增效作用，能够控制电池模组的温升在合理的温度范围之内，降低电池模组的温差，解决了现有技术存在的缺陷。
本发明是这样实现的：
一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的装置包括按行列方式整齐排列的若干圆柱形电池，若干圆柱形电池形成电池模组，所述的电池模组顶部和底部分别设置有上支架和下支架，支架四角设有沿轴向方向的通孔；所述的圆柱形电池上部和/或下部设置有风冷模块；所述的风冷模块设置有气体换热介质进气主管道，以及与气体换热介质进气主管道连通的分布式空气射流管；
所述的分布式空气射流管底部设置若干分布式空气射流管节流孔，气体换热介质进气主管道的一端部设置为气体换热介质进气主管道入口；
所述的圆柱形电池侧面还设置有液冷模块，所述的液冷模块包括进液主管道以及出液主管道；所述的进液主管道一端部设置为进液主管道入口，所述的出液主管道一端部设置为出液主管道出口；所述的进液主管道、出液主管道之间通过液冷模块入口连通；
所述的气体换热介质进气主管道入口和电池模组箱体上气体出口分别与车载空调加热或冷却系统相连，气体从节流孔出后再从模组箱体出口返回车载加热或冷却系统，所述的液冷模块进液主管道的入口和出液主管道出口分别与车载加热或制冷系统相连。
进一步，所述的气体换热介质从气体换热介质进气主管道入口进入，经过分布式空气射流管节流孔对电池模组顶部和/或底部进行冲击换热，随后从电池模组四周出口流出；
液体换热介质通过进液主管道入口进入进液主管道后流入各个液冷模块入口，随后流经液冷腔体对电池侧面进行对流换热，最后从液冷模块出口进入出液主管道后从出液主管道出口流出。
进一步，所述的若干圆柱形电池之间留有空隙，所述的进液主管道和出液主管道位于电池之间间隙中，并贯穿支架四角通孔。
进一步，所述的进液主管道入口和进液主管道出口位于电池模组的上侧和/或下侧；所述的进气主管道位于圆柱形电池底部正下方或位于圆柱形电池顶部正上方或同时位于圆柱形电池底部正下方或位于圆柱形电池顶部正上方，空气射流管节流孔的数量可以为单个或多个。
进一步，所述的液冷模块为一个或多个液冷单元模块，液冷单元模块贴合圆柱形电池侧面，多个液冷单元模块分别沿轴向分布；液冷模块入口和液冷模块出口为一个或多个，液冷模块入口和液冷模块出口通过连接软管与进液主管道和出液主管道相连；所述的液冷模块采用单进单出方式，或采用两进两出方式，进液主管道进口和进液主管道出口设置在靠近圆柱形电池的正极部位、中间部位或负极部位。
进一步，所述的圆柱形电池模组内部设有温度传感器，温度传感器与电池管理系统相连；当电池温度高于设定值时，电池管理系统控制车载冷却、加热系统工作通入冷媒介质，液冷模块和风冷模块内冷媒介质强制对流带走电池产生的热量，降低电池的温度；当电池温度低于设定值时，电池管理系统控制车载冷却、加热系统工作通入热媒介质，液冷模块和风冷模块内热媒介质强制对流对电池进行加热，升高电池的温度以此控制电池的工作温度范围；所述的气体换热介质进气主管道入口温度和液体换热介质进口的温度设置为相同值或不同值。
本发明还公开了一种风冷和液冷混合式电池热管理装置的热管理方法，其特征在于，所述的热管理方法包括空气冲击射流和液流的混合式热管理协同方案；液冷模块的冷媒或热媒介质与车载冷却和加热系统相连，液冷模块的冷媒或热媒流经换热腔与电池侧面进行间接对流换热带走电池侧面热量；同时，沿电池轴线方向在圆柱形电池正极上方、下方或同时在上方和下方设置有风冷模块，风冷模块中气体换热介质进气主管道进口和出口与车载空调加热和冷却系统相连，空气分布管上设置有节流孔，空气从气体换热介质进气主管道入口进入，经过分布式空气射流管节流孔对电池顶部和底部进行射流冲击换热，从而带走电池顶部和底部热量。
进一步，所述的圆柱形电池为锂离子电池。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明采用一种风冷和液冷混合式热管理方案，液冷具有较高的对流换热性能，空气射流冲击换热能够减薄流动边界层，具有较高的对流换热系数。通过曲面液冷板或螺旋半圆盘管贴合在壳体上，电池位于壳体中，分布式空气射流管位于电池底部中心下方或分别位于电池顶部中心上方和底部中心下方。通过液冷控制锂离子电池的整体温升，利用空气冲击射流均衡锂离子电池的局部高温或局部低温区域。本发明的装置能够减少电池模组中电池之间的温升，提高电池之间的温度一致性，降低液冷结构的复杂度和泄露风险。
附图说明
图1为本发明中一种单侧射流风冷和冷板液冷混合式热管理布置图；
图2为本发明中一种单侧射流风冷和冷板液冷混合式热管理拆解图；
图3为本发明中一种双侧射流风冷和冷板液冷混合式热管理布置图；
图4为本发明中一种单侧射流风冷和螺旋液流液冷混合式热管理布置图；
图5为本发明中一种双侧射流风冷和螺旋液流液冷混合式热管理布置图；
图6为本发明中不同电池热管理下电池最大温度和温差变化；
图7为本发明中不同进口温度下电池最大温度和温差变化；
图8为本发明中电池热管理温度控制系统简图；
图9为本发明中一种风冷和液冷混合式电池热管理装置图；
其中，1-气体换热介质进气主管道入口，2-气体换热介质进气主管道，3-进液主管道入口，4-进液主管道，5-上支架，6-液冷模块，7-下支架，8-圆柱形电池，9-分布式空气射流管节流孔，10-出液主管道出口，11-液冷模块入口，12-液冷模块出口，13-出液主管道，14-分布式空气射流管，15-风冷模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图9所示，本发明的装置包括按行列方式整齐排列的若干圆柱形电池8，若干圆柱形电池8形成电池模组，所述的电池模组顶部和底部分别设置有上支架5和下支架7，支架四角设有沿轴向方向的通孔；所述的圆柱形电池8上部和/或下部设置有风冷模块15；所述的风冷模块15设置有气体换热介质进气主管道2，以及与气体换热介质进气主管道2连通的分布式空气射流管14；所述的分布式空气射流管14底部设置若干分布式空气射流管节流孔9，气体换热介质进气主管道2的一端部设置为气体换热介质进气主管道入口1；所述的圆柱形电池8侧面还设置有液冷模块6，所述的液冷模块6包括进液主管道4以及出液主管道13；所述的进液主管道4一端部设置为进液主管道入口3，所述的出液主管道13一端部设置为出液主管道出口10；所述的进液主管道4、出液主管道13之间通过液冷模块入口11连通；所述的气体换热介质进气主管道2的进口和电池模组箱体上气体出口分别与车载空调加热或冷却系统相连，所述的液冷模块6进液主管道的入口3和出液主管道出口10分别与车载加热或制冷系统相连。
所述的气体换热介质从气体换热介质进气主管道入口1进入，经过分布式空气射流管节流孔9对电池模组顶部和/或底部进行冲击换热，随后从电池模组四周出口流出；液体换热介质通过进液主管道入口3进入进液主管道4后流入各个液冷模块入口11，随后流经液冷腔体对电池侧面进行对流换热，最后从液冷模块出口12进入出液主管道13后从出液主管道出口10流出。
实施例1
如图1(a)所示，圆柱形锂离子电池模组通常由若干锂离子电池单体通过支架拼接而成，在电池之间以及电池模组的上方和下方存在一定的空间。如果利用电池模组中电池之间的间隙，将热管理部件布置在其中，能够有效的提高电池模组的空间利用率。而电池上下两端固定支架会导致液冷热管理难以有效覆盖电池正、负极端区域，造成锂离子电池单体不同部位温度不一致。风冷具有布置灵活特点，能够有效应对正、负极端区域复杂结构换热的难题。
本发明提出一种主动混合式电池热管理方法如图1(b)所示，在圆柱形电池8之间间隙布置液冷模块6，在电池模组上方和下方布置风冷模块15，以此发挥液冷与风冷相结合时协同增效作用。由于这一主动混合式电池热管理方案为并行式结构，每个锂离子电池单体的情况基本一致。为进一步解释实施例1中液冷和风冷的详细结构，选取一个电池的热管理结构进行叙述，如图2所示。主动混合式电池热管理方案主要包括锂离子电池、固定支架、液体换热介质进、出主管道、液冷模块、分布式空气射流管等，其中液冷模块主要包括，液冷模块包括顶部卡扣、内层弧形冷却板、外层弧形冷却板、底部卡扣。液冷模块分上下两个，底部卡扣和顶部卡扣可以采用橡胶材质，双层弧形冷却板可以采用铝材质。
当电池的温度低于合理的温度范围时，热媒流体介质从各个液体换热介质主管道入口进入，分流到液冷模块的入口。对于上侧的液冷模块6，热媒液体介质从底部卡扣进入内层弧形冷却板从下往上流动，经过顶部卡扣折流后从上往下流动，随后从底部卡扣出口流出，热媒液体介质在内层弧形冷却板从下往上流动过程中和电池进行热交换带走电池的热量；对于下侧的液冷模块，热媒液体介质从底部卡扣进入外层弧形冷却板从顶部卡扣折流后从上往下流动，随后从底部卡扣出口流出，热媒液体介质在内层弧形冷却板从上往下流动过程中和电池进行热交换带走电池的热量；同时热媒气体介质从空气分布管入口进入，经过节流孔后对锂离子电池顶部和底部进行加热，随后沿电池模组四周出口流出。当电池的温度高出合理的温度范围时，冷媒液体介质从各个液体换热介质主管道入口进入，在流动过程中和锂离子电池进行热交换后从出口流出。冷媒气体介质从空气分布管入口进入，对锂离子电池顶部和底部进行射流冲击换热，随后沿电池模组四周出口流出。
实施例2
本实施例2电池热管理布置方式按照图3所示，主要包括锂离子电池、固定支架、液体换热介质进、出主管道、液冷模块、分布式空气射流管等，液冷模块为一个，主要包括顶部卡扣、内层弧形冷却板、外层弧形冷却板、底部卡扣。当电池的温度低于合理的温度范围时，热媒流体介质从各个液体换热介质主管道入口进入，分流到液冷模块的入口。热媒液体介质从底部卡扣进入外层弧形冷却板从顶部卡扣折流后从上往下流动，随后从底部卡扣出口流出，热媒液体介质在内层弧形冷却板从上往下流动过程中和电池进行热交换带走电池的热量；当电池的温度高出合理的温度范围时，冷媒液体介质从各个液体换热介质主管道入口进入，在流动过程中和锂离子电池进行热交换后从出口流出。冷媒气体介质从空气分布管入口进入，对锂离子电池顶部和底部进行射流冲击换热，随后沿电池模组四周出口流出。
实施例3
冷却液沿程传热温差会导致锂离子电池底部存在高温聚集区，因此在锂离子电池的底部引入射流式风冷对锂离子电池进行射流冲击换热，以降低锂离子电池沿轴向方向存在的温差。本实施例3一种射流式风冷和螺旋液流式液冷混合热管理方案如图4。主要包括锂离子电池、固定支架、液体换热介质进、出主管道、螺旋半圆盘管、空气射流管。螺旋半圆管分支数量为1，螺旋半圆管上端为进口，下端为出口。空气射流管位于锂离子电池底部，空气从进口进入经节流孔，随后经过电池模组间隙从锂离子电池上部出口流出。
实施例4
如图5所示，为进一步提高锂离子电池的温度一致性，采用两支螺旋半圆管分别缠绕在锂离子电池的上半部分和下半部分，两支螺旋半圆管的进口设置在锂离子电池的中间部位，出口分别设置在锂离子电池的正极端；空气分布管分别设置在电池顶部中心上方和底部中心下方。在一定的简化条件下，在冷却液进口质量流量为3×10-4kg/s和空气进口流速为4m/s时，单纯液冷热管理、单侧射流风冷和螺旋液流液冷混合式热管理(标记为混合式热管理-case1)和双侧射流风冷和螺旋液流液冷混合式热管理(标记为混合式热管理-case2)情况下，锂离子电池的最大温度和温差如图6所示，可以看出，射流风冷的引入会同时降低锂离子电池的最大温度和温差，相比于混合式热管理-case1，锂离子电池的最大温度在混合式热管理-case2下，从30.8℃下降为29.0℃，温差5.0℃下降为3.4℃，锂离子电池的温度一致性明显提高。
实施例5
螺旋液流和空气射流混合式电池热管理方案中，冷却液进口温度和空气进口温度为独立的，基于此，可以设置差异化的进口温度，冷却液进口温度和空气进口温度设置一定的梯度。在冷却液进口质量流量为3×10-4kg/s和空气进口流速为4m/s时，冷却液进口温度为25℃、27℃(标记为w_25℃和w_27℃)，空气进口温度为23℃、25℃(标记为w_23℃和w_25℃)，相比与冷却液和空气相同的进口温度时，锂离子电池最大温度和温差变化如图6所示，可以看出，锂离子电池的最大温度和温差都有一定程度的下降，在冷却液进口温度为27℃，空气进口温度为23℃，锂离子电池的最大温度虽有所升高但在31℃以内，温差最小在3℃以内。
如图8所示，当电池温度过高时，主动混合式电池热管理系统冷媒介质带走电池产生的热量，降低电池的温度，主动混合式电池热管理系统热媒介质对电池进行加热，升高电池的温度以此控制电池在适宜的工作温度范围内。
本发明针对具有圆柱形状的电池组进行散热都有效果，例如本发明中的18650型圆柱电池或者是26650、18490和42110等圆柱形电池。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的装置包括按行列方式整齐排列的若干圆柱形电池(8)，若干圆柱形电池(8)形成电池模组，所述的电池模组顶部和底部分别设置有上支架(5)和下支架(7)，支架四角设有沿轴向方向的通孔；所述的圆柱形电池(8)上部和/或下部设置有风冷模块(15)；所述的风冷模块(15)设置有气体换热介质进气主管道(2)，以及与气体换热介质进气主管道(2)连通的分布式空气射流管(14)；
所述的分布式空气射流管(14)底部设置若干分布式空气射流管节流孔(9)，气体换热介质进气主管道(2)的一端部设置为气体换热介质进气主管道入口(1)；
所述的圆柱形电池(8)侧面还设置有液冷模块(6)，所述的液冷模块(6)包括进液主管道(4)以及出液主管道(13)；所述的进液主管道(4)一端部设置为进液主管道入口(3)，所述的出液主管道(13)一端部设置为出液主管道出口(10)；所述的进液主管道(4)、出液主管道(13)之间通过液冷模块入口(11)连通；
所述的气体换热介质进气主管道入口(1)和电池模组箱体上气体出口分别与车载空调加热或冷却系统相连，所述的液冷模块(6)的进液主管道的入口(3)和出液主管道出口(10)分别与车载加热或制冷系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的气体换热介质从气体换热介质进气主管道入口(1)进入，经过分布式空气射流管节流孔(9)对电池模组顶部和/或底部进行冲击换热，随后从电池模组四周出口流出；
液体换热介质通过进液主管道入口(3)进入进液主管道(4)后流入各个液冷模块入口(11)，随后流经液冷腔体对电池侧面进行对流换热，最后从液冷模块出口(12)进入出液主管道(13)后从出液主管道出口(10)流出。
3.根据权利要求1所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的若干圆柱形电池(8)之间留有空隙，所述的进液主管道(4)和出液主管道(13)位于电池之间间隙中，并贯穿支架四角通孔。
4.根据权利要求1所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的进液主管道入口(3)和进液主管道出口(10)位于电池模组的上侧和/或下侧；所述的进气主管道(2)位于圆柱形电池(8)底部正下方或位于圆柱形电池(8)顶部正上方或同时位于圆柱形电池底部正下方或位于圆柱形电池顶部正上方，空气射流管节流孔(9)的数量可以为单个或多个。
5.根据权利要求1所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的液冷模块(6)为一个或多个液冷单元模块，液冷单元模块贴合圆柱形电池(8)侧面，多个液冷单元模块分别沿轴向分布；液冷模块入口(11)和液冷模块出口(12)为一个或多个，液冷模块入口(11)和液冷模块出口(12)通过连接软管与进液主管道(4)和出液主管道(13)相连；所述的液冷模块(6)采用单进单出方式，或采用两进两出方式，进液主管道进口(3)和进液主管道出口(10)设置在靠近圆柱形电池(8)的正极部位、中间部位或负极部位。
6.根据权利要求1所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置，其特征在于，所述的圆柱形电池模组内部设有温度传感器，温度传感器与电池管理系统相连；当电池温度高于设定值时，电池管理系统控制车载冷却、加热系统工作通入冷媒介质，液冷模块(6)和风冷模块(15)内冷媒介质强制对流带走电池产生的热量，降低电池的温度；当电池温度低于设定值时，电池管理系统控制车载冷却、加热系统工作通入热媒介质，液冷模块(6)和风冷模块(15)内热媒介质强制对流对电池进行加热，升高电池的温度以此控制电池的工作温度范围；所述的气体换热介质进气主管道入口温度和液体换热介质进口(3)的温度设置为相同值或不同值。
7.根据权利要求1～6任一所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置的热管理方法，其特征在于，所述的热管理方法包括空气冲击射流和液流的混合式热管理协同方案；液冷模块(6)的冷媒或热媒介质与车载冷却和加热系统相连，液冷模块(6)的冷媒或热媒流经换热腔与电池侧面进行间接对流换热带走电池侧面热量；同时，沿电池轴线方向在圆柱形电池正极上方、下方或同时在上方和下方设置有风冷模块(15)，风冷模块(15)中气体换热介质进气主管道(2)进口和出口与车载空调加热和冷却系统相连，空气分布管上设置有节流孔，空气从气体换热介质进气主管道入口(1)进入，经过分布式空气射流管节流孔(9)对电池顶部和底部进行射流冲击换热，从而带走电池顶部和底部热量。
8.根据权利要求7所述的一种风冷和液冷混合式电池热管理装置的热管理方法，其特征在于，所述的圆柱形电池(8)为锂离子电池。
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