CN114079099B - 适用于寒冷地区的电池热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于寒冷地区的电池热管理系统，其中电池组位于热量收集模块的导热壳的空腔中，泡沫金属和相变材料均填充在导热壳和电池组之间，热管嵌设在导热壳的外表面中并与其齐平；保温模块的保温层包覆在热量收集模块外，热量传输及驱散模块的LHP蒸发器位于保温层和热量收集模块之间并设置在热量收集模块上，LHP气管路的一端连接LHP蒸发器，另一端穿设保温层并连接三通换向阀，再通过冷凝器连接LHP液管路的一端，LHP液管路的另一端穿设保温层并连接LHP蒸发器，三通换向阀还连接LHP液管路的中部。本发明既能够解决电池组的散热问题，又能够解决电池组的保温问题，提高控温精度，有效延长电池组使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，更具体地，涉及电池热管理系统技术领域，特别是指一种适用于寒冷地区的电池热管理系统。
背景技术
随着新能源车的迅速普及，使用地域也不断拓展至寒冷地区，环境温度最低可达-30℃。低温环境对电池的充放电性能、容量衰减和使用寿命的影响不断凸显，而电池作为“三大电”核心部件，直接影响着新能源汽车的使用性能，导致对车辆用户最直观的表现为低温车辆快充时间较慢，甚至无法充电，冬季纯电续驶里程衰减严重，这些都极大地影响着新能源汽车用户的满意度和新能源汽车低温地域的推广进度。新能源汽车在极寒环境下存在无法启动、续驶里程锐减、充电困难而且存在安全隐患等问题，已成为新能源汽车全气候规模化应用的主要障碍。
目前，根据新能源汽车国家监测与管理平台数据显示，我国新能源汽车应用聚集区域主要分布于京津冀、江浙沪和珠江三角洲等中东部地区，而广袤的西北与东北地区则几乎成为了新能源汽车推广应用的“真空地带”。这除了与当地经济发展水平、人口聚集、政策等因素密切相关外，新能源汽车低温环境下的适应性，尤其是低温条件下的“续驶里程焦虑”问题成为其规模化推广的掣肘。
现有技术中，如果单纯的对停驶时的新能源汽车电池进行加热将大量消耗电池的电量；如果单纯对新能源汽车电池保温，在汽车行驶时，电池将因为温度过高而损坏；如果单纯应用相变材料进行储能，在低温环境下停驶时间稍长的汽车，将因为相变材料热容过大，启动时间变长。另外，经文献调研发现，新能源电池在25℃～40℃温区时，其使用寿命最长。
因此，希望提供一种适用于寒冷地区的电池热管理系统，其既能够解决电池组在行驶过程中的散热问题，又能够解决电池组在低温环境下的保温问题，提高电池组的控温精度，有效延长电池组在寒冷地区的使用寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的一个目的在于提供一种适用于寒冷地区的电池热管理系统，其既能够解决电池组在行驶过程中的散热问题，又能够解决电池组在低温环境下的保温问题，提高电池组的控温精度，有效延长电池组在寒冷地区的使用寿命，适于大规模推广应用。
本发明的另一目的在于提供一种适用于寒冷地区的电池热管理系统，其设计巧妙，结构简洁，制造简便，制造成本低，适于大规模推广应用。
为达到以上目的，本发明提供了一种适用于寒冷地区的电池热管理系统，包括电池组，其特点是，所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统还包括储能模块、热量收集模块、保温模块和热量传输及驱散模块，其中：
所述储能模块包括泡沫金属和相变材料，所述热量收集模块包括导热壳和热管，所述导热壳具有空腔，所述电池组位于所述空腔中，所述泡沫金属填充在所述导热壳和所述电池组之间，所述相变材料填充在所述泡沫金属、所述导热壳和所述电池组之间，所述热管嵌设在所述导热壳的外表面中并与所述的导热壳的外表面齐平；
所述保温模块包括保温层，所述保温层包覆在所述热量收集模块外，所述热量传输及驱散模块包括LHP蒸发器、LHP气管路、三通换向阀、冷凝器和LHP液管路，所述LHP蒸发器位于所述保温层和所述热量收集模块之间并设置在所述热量收集模块上，所述三通换向阀和所述冷凝器位于所述保温层外，所述LHP气管路的一端连接所述LHP蒸发器，所述LHP气管路的另一端穿设所述保温层并连接所述三通换向阀，所述三通换向阀通过所述冷凝器连接所述LHP液管路的一端，所述LHP液管路的另一端穿设所述保温层并连接所述LHP蒸发器，所述三通换向阀还连接所述LHP液管路的中部。
较佳地，所述泡沫金属为泡沫铜。
较佳地，所述相变材料为十八烷。
较佳地，所述导热壳为铝合金导热壳。
较佳地，所述导热壳的内表面为光滑表面。
较佳地，所述热管和所述的导热壳的外表面低温MIG焊接。
较佳地，所述热管是工质为丙酮的烧结铜热管。
较佳地，所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统还包括导热层，所述导热层设置在所述LHP蒸发器和所述热量收集模块之间。
较佳地，所述保温层为聚氨酯保温层或气凝胶保温层。
较佳地，所述冷凝器为管翅式空冷换热器。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的适用于寒冷地区的电池热管理系统的储能模块包括泡沫金属和相变材料，热量收集模块包括导热壳和热管，电池组位于导热壳的空腔中，泡沫金属填充在导热壳和电池组之间，相变材料填充在泡沫金属、导热壳和电池组之间，热管嵌设在导热壳的外表面中并与其齐平；保温模块包括保温层，包覆在热量收集模块外，热量传输及驱散模块的LHP蒸发器位于保温层和热量收集模块之间并设置在热量收集模块上，LHP气管路的一端连接LHP蒸发器，另一端穿设保温层并连接三通换向阀，再通过冷凝器连接LHP液管路的一端，LHP液管路的另一端穿设保温层并连接LHP蒸发器，三通换向阀还连接LHP液管路的中部，因此，其既能够解决电池组在行驶过程中的散热问题，又能够解决电池组在低温环境下的保温问题，提高电池组的控温精度，有效延长电池组在寒冷地区的使用寿命，适于大规模推广应用。
2、本发明的适用于寒冷地区的电池热管理系统的储能模块包括泡沫金属和相变材料，热量收集模块包括导热壳和热管，电池组位于导热壳的空腔中，泡沫金属填充在导热壳和电池组之间，相变材料填充在泡沫金属、导热壳和电池组之间，热管嵌设在导热壳的外表面中并与其齐平；保温模块包括保温层，包覆在热量收集模块外，热量传输及驱散模块的LHP蒸发器位于保温层和热量收集模块之间并设置在热量收集模块上，LHP气管路的一端连接LHP蒸发器，另一端穿设保温层并连接三通换向阀，再通过冷凝器连接LHP液管路的一端，LHP液管路的另一端穿设保温层并连接LHP蒸发器，三通换向阀还连接LHP液管路的中部，因此，其设计巧妙，结构简洁，制造简便，制造成本低，适于大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明的适用于寒冷地区的电池热管理系统的一具体实施例的主视局部剖视示意图。
图2是图1所示的具体实施例的热量收集模块的立体示意图。
图3是图1所示的具体实施例的工作原理示意图。
图4是图1所示的具体实施例的储能模块的工作原理示意图。
图5是图1所示的具体实施例的热量传输及驱散模块在储能模块储能完成后散热的工作原理示意图。
图6是图1所示的具体实施例的热量传输及驱散模块在储能模块储能过程中切断与外界环境换热的工作原理示意图。
(符号说明)
1电池组；2储能模块；3热量收集模块；4保温模块；5热量传输及驱散模块；6泡沫金属；7相变材料；8导热壳；9热管；10保温层；11LHP蒸发器；12LHP气管路；13三通换向阀；14冷凝器；15LHP液管路。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
请参见图1～图2所示，在本发明的一具体实施例中，本发明的适用于寒冷地区的电池热管理系统包括电池组1、储能模块2、热量收集模块3、保温模块4和热量传输及驱散模块5，其中：
所述储能模块2包括泡沫金属6和相变材料7，所述热量收集模块3包括导热壳8和热管9，所述导热壳8具有空腔，所述电池组1位于所述空腔中，所述泡沫金属6填充在所述导热壳8和所述电池组1之间，所述相变材料7填充在所述泡沫金属6、所述导热壳8和所述电池组1之间，所述热管9嵌设在所述导热壳8的外表面中并与所述的导热壳8的外表面齐平；
所述保温模块4包括保温层10，所述保温层10包覆在所述热量收集模块3外，所述热量传输及驱散模块5包括LHP蒸发器11、LHP气管路12、三通换向阀13、冷凝器14和LHP液管路15，所述LHP蒸发器11位于所述保温层10和所述热量收集模块3之间并设置在所述热量收集模块3上，所述三通换向阀13和所述冷凝器14位于所述保温层10外，所述LHP气管路12的一端连接所述LHP蒸发器11，所述LHP气管路12的另一端穿设所述保温层10并连接所述三通换向阀13，所述三通换向阀13通过所述冷凝器14连接所述LHP液管路15的一端，所述LHP液管路15的另一端穿设所述保温层10并连接所述LHP蒸发器11，所述三通换向阀13还连接所述LHP液管路15的中部。
所述泡沫金属6可以是任何合适材质的泡沫金属，在本发明的一具体实施例中，所述泡沫金属6为泡沫铜。例如，孔隙率为95％的开孔泡沫铜。
所述相变材料7可以是任何合适的相变材料，在本发明的一具体实施例中，所述相变材料7为十八烷。
所述导热壳8可以是任何合适材质的导热壳，在本发明的一具体实施例中，所述导热壳8为铝合金导热壳。
所述导热壳8的内表面可以为光滑表面，也可以为非光滑表面，在本发明的一具体实施例中，所述导热壳8的内表面为光滑表面。
所述热管9嵌设在所述导热壳8的外表面中，可以采用任何合适的结构，在本发明的一具体实施例中，所述热管9和所述的导热壳8的外表面低温MIG焊接。本发明的热量收集模块3的热管9内工质为气液两相状态，温度提升将导致压力快速上升，而热管9内部的高压力将导致热管9变形甚至损坏。为减小热管9与导热壳8之间的接触热阻，并防止热管9因为温度太高导致的变形或损坏，本发明使用低温MIG焊。
所述热管9可以是任何合适的热管，在本发明的一具体实施例中，所述热管9是工质为丙酮的烧结铜热管。
所述LHP蒸发器11设置在所述热量收集模块3上，可以采用任何合适的结构，在本发明的一具体实施例中，所述LHP蒸发器11螺接安装在所述热量收集模块3上。
所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统还可以包括其它任何合适的构成，在本发明的一具体实施例中，所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统还包括导热层，所述导热层设置在所述LHP蒸发器11和所述热量收集模块3之间。
所述导热层可以是任何合适的导热层，在本发明的一具体实施例中，所述导热层是导热硅脂层。
所述保温层10可以是任何合适材质的保温层，较佳地，所述保温层10为聚氨酯保温层或气凝胶保温层。在本发明的一具体实施例中，所述保温层10为气凝胶保温层。
所述保温层10的厚度可以根据需要确定，在本发明的一具体实施例中，所述保温层10的厚度为10mm。
所述保温层10可以是任何合适的保温层，在本发明的一具体实施例中，所述保温层10为VIP真空绝热层。其导热系数例如可以为0.005W/(㎡.K)。
所述冷凝器14可以是任何合适的冷凝器，在本发明的一具体实施例中，所述冷凝器14为管翅式空冷换热器。
所述冷凝器14的换热面积可以根据需要确定，在本发明的一具体实施例中，所述冷凝器14的换热面积为所述电池组1的散热面积的4.2倍。
本发明组装时，将未铣槽的导热壳8的五个面进行焊接连接，形成一面开口的空腔；按照导热壳8与电池组1之间形成的空间尺寸在电池组1外表面粘接具有一定刚度的泡沫金属6；然后将电池组1与泡沫金属6的组合体装入一面开口的导热壳8，装入完成后将导热壳8的未焊接面与导热壳8的开口进行TIG焊焊接连接；在导热壳8(优选不是与汽车安装的安装面，假如充装管焊接在与汽车安装的安装面，将影响本发明的可靠性)上打孔焊接充装管，通过真空充装的方式将处于100℃高温液体状态的相变材料7充装入导热壳8、电池组1和泡沫金属6之间的空隙；在导热壳8的外表面根据热管9尺寸进行铣槽，然后将热管9嵌入槽中并通过低温MIG焊与导热壳8的外表面进行连接，热管9朝外裸露的表面与导热壳8的外表面在同一平面；将热量传输及驱散模块5的LHP蒸发器11设置在热量收集模块3上，将保温模块4的保温层10包覆在热量收集模块3和LHP蒸发器11外，LHP气管路12和LHP液管路15均穿设保温层10。
本发明的储能模块2用于对汽车行驶过程中电池组1产生的热量进行存储，对低温环境下停驶的新能源汽车的电池组1进行加热，具体地，利用相变材料7融化相变潜热吸热实现对电池组1发热量的存储；利用相变材料7凝固放热实现对停止工作的电池组1的加热与保温。由于相变材料7的导热系数较低，在电池组1与热量收集模块3之间填充泡沫金属6，提升储能模块2的热扩散系数，使储能模块2实现储能与放热过程的快速响应。
当储能模块2内相变材料7吸热融化储能完成后，需要将新能源汽车的电池组1产生的热量迅速收集并排散，以防电池组1温度快速上升，导致电池组1寿命降低或者故障，因此，本发明提供了热量收集模块3和热量传输及驱散模块5，热量收集模块3用于快速收集新能源汽车的电池组1在行驶过程中产生的储能模块2存储热量以外的热量，防止电池组1在汽车行驶过程产生过热现象；热量传输及驱散模块5在新能源汽车行驶过程中将电池组1产生的多余热量进行驱散，在新能源汽车停驶后，应用三通换向阀13对热量传输及驱散模块5进行阻断，防止储能模块2储存热量向低温环境的排散，具体地，当电池组1温度超过设定值时，导通三通换向阀13，LHP蒸发器11内工质气化吸收电池组1工作时产生的热量，依次通过LHP气管路12、三通换向阀13进入冷凝器14冷凝放热对大气环境进行散热；当电池组1温度低于设定值时，对三通换向阀13关电进行换向，LHP蒸发器11内工质不流向冷凝器14，阻断热量传输及驱散模块5通过冷凝器14对大气环境散热通道。
为尽量增大热量传输及驱散模块5中LHP蒸发器11与热量收集模块3的接触热阻，本发明的热管9朝外裸露的表面与导热壳8的外表面在同一平面，充分利用了导热壳8的本体导热，并提升了LHP蒸发器11与热量收集模块3的连接强度与可靠性。
保温模块4的主要作用是当新能源汽车停驶时，阻断电池组1与低温环境的热量交换，还阻断储能模块2储存热量向低温环境的排散。
请参见图3～图6所示，本发明的工作原理为：利用相变材料7的相变潜热吸收新能源汽车的电池组1在工作时产生的热量，保持器件的温度。其中为减小相变材料7的热响应时间，在导热壳8与电池组1之间填充泡沫金属6；利用热管9与导热壳8低温MIG焊的连接方法，制作具备高强度、轻量化、高导热性能的导热壳8实现对相变材料7储能外多余热量的快速收集；利用LHP柔性被动传热的特点，将电池组1工作时多余的热量进行传输与排散；在LHP气管路12上设置三通换向阀13，当电池组1工作时，接通LHP蒸发器11与LHP冷凝器14，对外界环境进行热排散。当由于新能源汽车停驶，电池组1不工作时，阻断LHP蒸发器11与LHP冷凝器14，避免相变材料7存储热能的散失；利用保温模块4阻断电池组1与低温环境的直接散热，提升汽车停驶时电池组1储存热量的利用效率。
通过合理的设计，相变材料7在电池组1工作时吸收的热量能够满足新能源汽车在极端低温环境下的长时间停放；另外，通过LHP冷凝器14的间接散热方式，消除了电池组1散热面不足的限制，在高温环境下能够降低电池组1的温度，将电池组1的温度控制在更优的范围内，提升电池组1的使用寿命。
与现有的控温技术往往在仪器不工作时，通过电加热的方式保持仪器的温度不致过低的技术方案相比较，本发明以相变储能的方式，节省了电池组1宝贵的电能源。
新能源汽车电池组热管理的现有方案为：利用电池组1的外壁面进行散热，对电池组1不进行任何保温处理。为充分说明本发明的优势，按照现有新能源汽车的电池组1的常用规格。假定电池组1尺寸为1000mm*1000mm*200mm，环境温度为-35℃，新能源汽车的电池组1停驶时的温度为39℃，电池组1的重量为200kg。设计相变材料7为50kg的十八烷，保温材料为10mm厚度的气凝胶保温层10。对停驶的新能源汽车从39℃降低到0℃进行了分析计算。分析结果如下表所示。
通过对比分析可以发现，采用本发明，可以在-35℃极端低温环境下，在汽车停驶的情况下，可以维持电池组1温度时间高达146小时，维持电池组1在其最长使用寿命温区时间达100.8小时，满足绝大多数的新能源汽车的电池组1于极端低温环境下的使用要求。
因此，采用本发明，利用相变材料液固相变过程的吸放热特性，将汽车行驶过程中电池组产生的热量进行存储，当汽车停驶时，对电池组进行加热；利用保温材料的绝热特性减小电池组在低温环境下停驶时对外界的热量交换；利用LHP高导热传热特性，对新能源汽车在行驶过程中电池组产生的热量进行传输和排散；利用LHP可通断的特性，导通LHP对行驶的新能源汽车的电池组进行热排散，阻断LHP对低温环境下停驶的新能源汽车的电池组进行保温，可应用于高寒地区新能源汽车的电池热管理系统，具有热响应速度快、温控精度高、适应高寒环境、系统可靠性高等优点。
本发明的适用于寒冷地区的电池热管理系统适应环境温度宽、重量轻、制造成本低廉、热响应快、传热性能高、零耗能、加工方便、运行稳定。
综上所述，本发明的适用于寒冷地区的电池热管理系统既能够解决电池组在行驶过程中的散热问题，又能够解决电池组在低温环境下的保温问题，提高电池组的控温精度，有效延长电池组在寒冷地区的使用寿命，设计巧妙，结构简洁，制造简便，制造成本低，适于大规模推广应用。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种适用于寒冷地区的电池热管理系统，包括电池组，其特征在于，所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统还包括储能模块、热量收集模块、保温模块和热量传输及驱散模块，其中：
所述储能模块包括泡沫金属和相变材料，所述热量收集模块包括导热壳和热管，所述导热壳具有空腔，所述电池组位于所述空腔中，所述泡沫金属填充在所述导热壳和所述电池组之间，所述相变材料填充在所述泡沫金属、所述导热壳和所述电池组之间，所述热管嵌设在所述导热壳的外表面中并与所述的导热壳的外表面齐平；
所述保温模块包括保温层，所述保温层包覆在所述热量收集模块外，所述热量传输及驱散模块包括LHP蒸发器、LHP气管路、三通换向阀、冷凝器和LHP液管路，所述LHP蒸发器位于所述保温层和所述热量收集模块之间并设置在所述热量收集模块上，所述三通换向阀和所述冷凝器位于所述保温层外，所述LHP气管路的一端连接所述LHP蒸发器，所述LHP气管路的另一端穿设所述保温层并连接所述三通换向阀，所述三通换向阀通过所述冷凝器连接所述LHP液管路的一端，所述LHP液管路的另一端穿设所述保温层并连接所述LHP蒸发器，所述三通换向阀还连接所述LHP液管路的中部。
2.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述泡沫金属为泡沫铜。
3.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述相变材料为十八烷。
4.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述导热壳为铝合金导热壳。
5.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述导热壳的内表面为光滑表面。
6.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述热管和所述的导热壳的外表面低温MIG焊接。
7.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述热管是工质为丙酮的烧结铜热管。
8.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统还包括导热层，所述导热层设置在所述LHP蒸发器和所述热量收集模块之间。
9.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述保温层为聚氨酯保温层或气凝胶保温层。
10.根据权利要求1所述的适用于寒冷地区的电池热管理系统，其特征在于，所述冷凝器为管翅式空冷换热器。
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