CN114243154A - 一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，包括电池箱壳体、电池箱盖、液冷散热板、液冷散热通道和电池模组，所述电池箱壳体的侧壁设置有空气进口和空气出口，所述空气进口处设置有风扇；所述液冷散热板包括处于底部的中间平台以及关于中间平台对称布置的阶梯式结构，液冷散热板上间隔设置有多块翅片，所述液冷散热通道内置在液冷散热板内，呈与液冷散热板匹配的对称式阶梯状；所述电池模组的各个电池单体匹配式嵌入在各个翅片之间。本申请的散热装置，通过液冷散热板将电池模组呈现对称式阶梯型布局方式，并且通过匹配式布置液冷散热通道，结合空气散热，达到了散热效率高、散热均匀的目的。

Description

一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置
技术领域
本发明涉及电池散热技术领域，具体涉及一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置。
背景技术
随着人们生活水平的日益提高，汽车在人们的日常生活中所扮演的角色越来越重要，汽车的保有量不断增长，这给能源供应带来了巨大的挑战。相比于燃油汽车，电动汽车具有能耗低、能量转换效率高、没有尾气排放以及对环境十分友好等特点。近些年来，电动汽车行业迎来了巨大发展，电动汽车代替燃油汽车的趋势势不可挡。与此同时，电动汽车行业也面临着一些问题，例如：电动汽车在大电流充放电工况下或者环境温度较高时，汽车内电池模组容易囤积热量，极易使得电池热管理失控，使得电池性能下降甚至导致电池发生热失控而起火爆炸。一般而言，电池热管理普遍采用风冷、液冷和相变材料散热，但是风冷的散热效率低，通常无法满足电池高功率充放电时的散热要求；如CN108039534A公开了一种锂离子风冷散热装置，该装置通过设计两个出风口，在两个出风口上设置定时开关阀门，通过两个定时开关阀门交替开启和关闭，实现了空气在电池箱体的变向循环流动，降低了电池组整体的温度，然而该专利仅通过风冷对电池组进行散热，电池在高倍率充放电时，仅通过空气冷却是无法达到其散热要求的，实际应用性不大。液冷散热虽然其散热效率高，但是对于冷却管路的密闭性能要求较高，并且管路液冷散热容易出现散热不均匀，单体电池不同部位温差过大等情况；如CN113363618A公开了一种蜂窝状散热通道的液冷底板电池模块，该专利通过设计液冷散热通道，来提高装置的散热效率，但该专利所设计的液冷散热通道结构复杂，并且仅电池底部接触流道容易出现电池组散热不均匀的问题。相变材料散热是依靠相变潜热将热量吸收，但存在相变材料的导热性能差，无法将吸收的热量及时导出去；如CN109193067A公开了一种锂离子电池的复合相变材料散热装置，通过将相变材料吸收的热量传递到散热片上，从而达到对电池模组的散热，但是该散热装置对于相变材料的导热性能要求高，并且由于中间单体电池距离散热翅片的距离远，必将出现中间电池单体温度高、周围温度低等温度分布不均匀的问题。热管散热效率高，均温性能好，安全性和可靠性都比较高，目前已经有许多热管理行业的学者以及工程师聚焦于热管理技术，并考虑将热管散热运用到电池热管理中，但热管价格高，在电池热管理领域应用较少，单纯使用热管技术仍然面临许多问题亟待解决。有不少的研究尝试将液冷散热与相变材料散热或者热管散热与相变材料相结合的方法，但是该类方法依旧处于实验室研究阶段，并且该类方法所设计的电池散热装置对其密闭性要求高，结构也相对较为复杂，此外，对于相变材料性能的选择要求较高，更为重要的是成本比较高；如CN113140826A公开了一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，该装置通过将石蜡-铜纤维置于液冷散热箱的空腔内，将电芯产生的热量快速的传递到液冷散热板，该装置结构简单，但对于电池箱的密闭性要求高，并且可能出现相变材料融化后，难以恢复原来形状的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，以便提高散热能力、散热效率和散热的均匀性。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，包括电池箱壳体、电池箱盖、液冷散热板、液冷散热通道和由多个电池单体拼装构成的电池模组，所述电池箱壳体的侧壁设置有空气进口和空气出口，所述空气进口处设置有通过电机驱动的风扇；所述液冷散热板固定安装在电池箱壳体内，液冷散热板包括处于底部的中间平台以及关于中间平台对称布置的阶梯式结构，液冷散热板上间隔设置有多块翅片，所述液冷散热通道内置在液冷散热板内，呈与液冷散热板匹配的对称式阶梯状；所述电池模组放置在液冷散热板上，其各个电池单体匹配式嵌入在各个翅片之间。
进一步，所述液冷散热通道设置有液冷散热通道冷却液进口和液冷散热通道冷却液出口，所述电池箱壳体的侧壁设置有用于液冷散热通道冷却液进口和液冷散热通道冷却液出口与外界管路连接的电池箱壳体侧壁管道接口。
进一步，所述液冷散热板的两端通过支架及螺栓结合的方式与电池箱壳体对应的侧壁固定连接。
进一步，所述阶梯式结构包括顶层阶梯、中间层阶梯和底层阶梯，所述液冷散热通道包括干路和支路，所述干路设置在顶层阶梯、底层阶梯以及液冷散热板的中间平台上。
进一步，所述液冷散热通道冷却液进口设置在处于顶层阶梯上的干路的一端，所述液冷散热通道冷却液出口设置在处于液冷散热板中间平台的干路的一端。
进一步，所述顶层阶梯上设置有液冷散热板冷却液进口，其与对应干路连通，所述中间平台上设置有液冷散热板冷却液出口，其也与对应的干路连通。
进一步，所述电池箱壳体由泡沫铝材料制成。
进一步，所述液冷散热板由铝合金材料制成。
本发明的有益效果：
本发明通过对称式阶梯型液冷散热板将电池模组呈现中间低两侧高的对称式阶梯型布局，液冷散热板内置对称式阶梯型液冷散热通道，并且液冷散热板上放置金属翅片将电池单体产生的热量传递到液冷散热板上；此外，电池箱壳体采用泡沫铝材料制成，在其侧面的空气进口处设置风扇，风扇正对着电池模组的中间位置，通过直接向电池模组吹入空气进行强制风冷，带走电池模组的热量。该混合散热装置将液冷和风冷两种方式有效的结合起来，并采用泡沫铝等轻质材料，在散热装置整体结构简单以及质量轻的前提下，有效提高了散热能力和散热效率，并且使得电池模组温度分布更加均匀，提高了散热的均匀性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的分解示意图；
图3为本发明的内部结构示意图；
图4为本发明的电池箱壳体的示意图；
图5为本发明的电池箱盖的示意图；
图6为本发明的电池模组的装配示意图；
图7为本发明的电池模组的示意图；
图8为本发明的电池单体示意图；
图9为本发明的液冷散热板及翅片装配的示意图；
图10为本发明的液冷散热板的结构示意图；
图11为本发明的液冷散热通道的结构示意图；
图12为本发明的支架的示意图；
图13为本发明的螺栓的示意图；
图14为电池模组的散热模拟图；
图15为锂离子电池箱的一种示意图。
其中：1-电池箱壳体；2-电池箱盖；3-电池模组；4-液冷散热板；5-液冷散热通道；6-风扇；7-空气进口；8-空气出口；9-支架；10-螺栓；11-螺栓孔；12-翅片；13-液冷散热板冷却液进口；14-液冷散热板冷却液出口；15-液冷散热通道冷却液进口；16-液冷散热通道冷却液出口；17-电池箱壳体侧壁管道接口；18-干路；19-支路；20-顶层阶梯；21-底层阶梯。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图1-13所示，本实施例的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，包括电池箱壳体1、电池箱盖2、电池模组3、液冷散热板4、液冷散热通道5、风扇6、空气进口7、空气出口8、支架9、螺栓10、螺栓孔11、翅片12、液冷散热板冷却液进口13、液冷散热板冷却液出口14、液冷散热通道冷却液进口15、液冷散热通道冷却液出口16、电池箱壳体侧壁管道出口17、干路18、支路19、顶层阶梯20以及底层阶梯21。
如图1-2所示，所述电池箱盖2设置在电池箱壳体1的顶部，所述电池箱壳体1由密度小、抗冲击能力强的泡沫铝材料制成，如图4所示，电池箱壳体1为矩形框架式结构，电池箱壳体的前、后侧壁分别设置有空气进口7以及空气出口8；如图1-3所示，所述风扇6通过螺栓10固定在空气进口7的位置，空气进口7附近装有电机，电机驱动风扇6转动进行送风，实现对电池箱壳体内电池模组3的空气散热，风扇6正对着电池模组3的中间位置，通过直接向电池模组吹入空气进行强制风冷，带走电池模组的热量。优选地，当电池箱壳体1内布置多组电池模组3时，如本实施例中，电池箱壳体1内布置有两组电池模组3，则其中靠近空气进口7的电池模组3在电池箱壳体1内悬挂的高度更低，以保证空气对后排电池模组的冷却效果。
如图4所示，电池箱壳体的内壁设置有螺栓孔11，如图12所示，所述支架为L型板，支架的竖向板体开设有螺栓孔11，装配时，支架的竖向板体与电池箱壳体对应的侧壁贴合，并通过螺栓10实现二者的稳固连接。
如图9-10所示，所述液冷散热板4是一种对称式阶梯型结构，其材质为铝合金，包括处于底部的中间平台以及关于中间平台对称布置的阶梯式结构，所述阶梯式结构包括顶层阶梯20、中间层阶梯和底层阶梯21，其中中间层阶梯的台阶数量根据需要自由调整，所述顶层阶梯上开设有螺栓孔11，如图12所示，支架的水平板体上也开设有螺栓孔，装配时，支架的水平板体与顶层阶梯贴合，并通过螺栓10实现二者的稳固连接。所述液冷散热板4上间隔设置有多块翅片12，优选地，翅片的布置与阶梯匹配，即阶梯的两端布置翅片；同时，中间平台上根据电池单体厚度间隔布置多块翅片。
如图7所示，将多个电池单体拼装构成电池模组3，如图6所示，电池模组放置在液冷散热板4上，并将各个电池单体匹配式嵌入在各个翅片12之间，电池单体之间通过镍片实现电池单体的串并联，相邻电池单体之间通过翅片12相互隔开，翅片上方留有一定的空气间隙，使得电池单体之间存有一定的空气间隙。
如图11所示，所述液冷散热通道5内置在液冷散热板4内，呈与液冷散热板4匹配的对称式阶梯状，包括干路18和支路19，本实施例中，液冷散热通道5包括三条干路18和五条支路19，干路18设置在顶层阶梯20、底层阶梯21以及液冷散热板4的中间平台上，处于顶层阶梯上的干路的一端设置有液冷散热通道冷却液进口15，顶层阶梯20、底层阶梯21上的干路18起到支路19流量再分配的作用，而液冷散热板4中间平台的干路18起到冷却液汇集的作用，该干路的一端设置有液冷散热通道冷却液出口16；另外每条支路19管道宽度以及之间间距根据液冷散热通道冷却液进口距离以及冷却液流量大小进行设计；液冷散热通道5中的冷却液采用比例为1：1的水和乙二醇混合液。
如图9-10所示，所述顶层阶梯20上设置有液冷散热板冷却液进口13，其与对应干路连通，所述中间平台上设置有液冷散热板冷却液出口14，其也与对应的干路连通；如图4所示，所述电池箱壳体的左、右侧壁以及空气出口的下方设置有电池箱壳体侧壁管道接口17，以便液冷散热通道冷却液进口15和液冷散热通道冷却液出口16从其中穿过与外界管路连接。
本申请的散热装置，通过设计对称式阶梯型液冷散热板及其液冷散热通道，改变电池模组的布局方式，并根据液冷散热以及空气散热的特点，通过将液冷散热作为整个电池散热装置的主体，空气冷却散热为辅助的做法，将液冷散热和风冷散热进行巧妙地结合，有效地改善了在单一液冷散热模式下，电池模组温度分布不均匀，电池底部与电池顶部温差过大等问题，使得电池散热装置在整体结构简单、整体成本较为低廉的基础上，提高了电池模组的散热效率，并且使整个电池散热装置的散热效果更加均匀。
实施例1：
为了验证本发明所提出的一种对称式阶梯型布局的电池混合散热装置的散热效果，将在专业3D建模软件进行建模，考虑到计算机性能以及计算时间，在进行建模过程中对模型进行适当的简化，去掉了风扇、螺栓、外接管路、支架以及螺栓孔等对于仿真过程影响不大的部件。该仿真案例过程在25℃的环境中进行，其中冷却液温度与环境温度均为25℃，电池单体考虑在在大功率放电时发热热功率为10W，放电时间为1000s，冷却液进口流速为0.5m/s，空气流速为2m/s。具体仿真结果如图14所示，可以看出，本发明所提出的一种基于对称式阶梯型布局的电池散热装置具有很好的散热效果，在经历了1000s高倍率放电后，电池模组的整体温度控制在34℃左右，电池模组的温差均在5℃以内，达到了预期设计的目标。后期随着放电时间的增加，可以通过增加冷却液以及空气流速进行进一步控温。
实施例2：
如图15所示，该电池箱内置8组锂离子电池模组，其中左右两侧分别放置4组，每组电池模组由10块电池单体组成；电池箱内部结构设计采用了本专利所设计的对称式阶梯型的布局方式，通过在每组电池模组底部放置对称式阶梯型液冷散热板，使电池模组呈现对称式阶梯型的布局方式；并且液冷散热板内置本专利所设计的阶梯型液冷散热通道，并在电池箱侧面放置风扇装置进行空气散热。此外，该电池箱壳体采用本专利所提的泡沫铝材料，该材料密度小、吸收冲击能力强，不仅降低了电池包重量，而且能够吸收外界冲击力从而对内部电池进行很好的保护。在该大型锂离子电池箱进行高倍率充放电时，箱内的混合散热系统能够对其进行高效的散热，并且各个电池单体之间的温差较小，整体的散热效果良好，验证了本发明所设计的对称性阶梯型混合散热装置能够应用在大型电池模组热管理系统设计中。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：包括电池箱壳体(1)、电池箱盖(2)、液冷散热板(4)、液冷散热通道(5)和由多个电池单体拼装构成的电池模组(3)，所述电池箱壳体的侧壁设置有空气进口(7)和空气出口(8)，所述空气进口处设置有通过电机驱动的风扇(6)；所述液冷散热板固定安装在电池箱壳体内，液冷散热板包括处于底部的中间平台以及关于中间平台对称布置的阶梯式结构，液冷散热板上间隔设置有多块翅片(12)，所述液冷散热通道内置在液冷散热板内，呈与液冷散热板匹配的对称式阶梯状；所述电池模组放置在液冷散热板上，其各个电池单体匹配式嵌入在各个翅片之间。
2.根据权利要求1所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述液冷散热通道设置有液冷散热通道冷却液进口(15)和液冷散热通道冷却液出口(16)，所述电池箱壳体的侧壁设置有用于液冷散热通道冷却液进口和液冷散热通道冷却液出口与外界管路连接的电池箱壳体侧壁管道接口(17)。
3.根据权利要求2所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述液冷散热板的两端通过支架(9)及螺栓(10)结合的方式与电池箱壳体对应的侧壁固定连接。
4.根据权利要求3所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述阶梯式结构包括顶层阶梯(20)、中间层阶梯和底层阶梯(21)，所述液冷散热通道包括干路(18)和支路(19)，所述干路设置在顶层阶梯(20)、底层阶梯(21)以及液冷散热板的中间平台上。
5.根据权利要求4所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述液冷散热通道冷却液进口(15)设置在处于顶层阶梯上的干路的一端，所述液冷散热通道冷却液出口(16)设置在处于液冷散热板中间平台的干路的一端。
6.根据权利要求5所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述顶层阶梯上设置有液冷散热板冷却液进口(13)，其与对应干路连通，所述中间平台上设置有液冷散热板冷却液出口(14)，其也与对应的干路连通。
7.根据权利要求6所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述电池箱壳体(1)由泡沫铝材料制成。
8.根据权利要求7所述的基于对称式阶梯型布局的电池混合散热装置，其特征在于：所述液冷散热板(4)由铝合金材料制成。
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