CN114243159A - 一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源汽车动力电池模组散热技术领域，公开了一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，包括若干刀片式动力电池、微通道换热器、低温柔性复合相变材料板、循环水泵、带通道的底盘、温度传感器、风扇、翅片管散热器；所述刀片式动力电池与所述微通道换热器均设置在所述带通道的底盘上，所述低温柔性复合相变材料板设置在所述刀片式动力电池与微通道换热器之间。本发明通过提供一种用于汽车动力电池散热的节能复合型冷却系统，能够在减少纯电动汽车电池能量消耗的同时，保证动力电池模组始终处于安全的工作范围内，为电动汽车提供高效的动力电池热安全保障。

Description

一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统
技术领域
本发明涉及电动汽车热管理系统的技术领域，特别是涉及一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统。
背景技术
电动新能源汽车是实现全球碳中和缓解全球气候变暖的一种绿色交通工具。作为电动汽车的重要组成部分，电池组的性能是电动汽车综合性能的重要指标。为了满足电动汽车长续航里程和快速充电及优异加速性能的要求，需要电池组具备能量密度高和和大倍率的充放电性能，这表明电池组工作时会产生大量的热量,然而锂离子电池组对工作的最高温度和和电池间温度均匀性有严格的要求。这影响着电池组的热安全性，循环使用寿命,若热量堆积无法及时散热将导致电池的热失控甚至会引发爆炸等灾难性后果。因此，建立一套高效的动力电池冷却系统，将电池组的工作温度降到安全范围内，是十分必要的。
一般情况下，在市场上应用最多的为主动冷却方式的空气冷却和液体冷却，虽然都能满足电池冷却散热的要求，但是其冷却系统的运行必须需要加装循环驱动装置，并时刻不停的运转，消耗电动汽车电池存储的电量，使得电动汽车的续航时间变短；此外空气冷却方式由于其导热系数低，容易造成电池之间的温度均匀性差，降低电池的循环使用寿命；液体冷却方式的管路复杂，安装和维护困难，且管路与电池之间是刚性接触，传热阻力大，不利于热量的迅速传递。
发明内容
本发明的目的是：针对目前的汽车电池组散热技术不足，提供一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，用于电动汽车的电池管理系统中；以保证动力电池组在任一时刻的工作温度都在安全的温度范围内，电池组之间的温度均匀性保持在5℃以内，从而减少动力电池的热失控风险和电池的工作性能衰减速率，使得电池保持良好的循环使用寿命；在此基础上，通过增加低温相变材料和带通道的底盘等分布式散热方式，减少冷却风扇和循环水泵的工作时间和运行功率，以达到减少纯电动汽车的电池能量消耗，增加电动汽车的续航里程。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，包括若干刀片式动力电池、微通道换热器、低温柔性复合相变材料板、循环水泵、带通道的底盘、温度传感器、风扇、翅片管散热器；所述刀片式动力电池与所述微通道换热器均设置在所述带通道的底盘上，所述低温柔性复合相变材料板设置在所述刀片式动力电池与微通道换热器之间，所述微通道换热器通过管道与所述带通道的底盘连接，所述循环水泵通过管道与所述带通道的底盘、翅片管散热器、微通道散热器连接，所述风扇置于所述翅片管换热器背面，两者垂直布置，并置于带通道的底盘之外。
进一步地，所述低温柔性复合相变材料板包裹在动力电池的侧表面，所述低温柔性复合相变材料板一面与刀片式动力电池表面接触，另一面与微通道换热器接触。
进一步地，所述微通道换热器设置于与所述刀片式动力电池、所述低温柔性复合相变材料板平行的一个侧面上。
进一步地，所述微通道换热器的垂直轴面带有若干的贯通型孔位，所述低温柔性复合相变材料板的垂直轴面一侧分布若干与微通道换热器孔位相对应的相变柱体。
进一步地，所述温度传感器设置于低温柔性复合相变材料板内部，用于采集所述低温柔性相变材料板的温度信息。
进一步地，所述带通道的底盘置于所述刀片式动力电池和微通道换热器的底部，所述微通道换热器出口与第一回路出水管和底盘的通道连通处分别设有1号电子阀门和2号电子阀门；当环境温度大于刀片式动力电池表面的温度时，所述1号电子阀门打开，2号电子阀门关闭，冷却液进入第一回路出水管；当环境温度小于刀片式动力电池表面的温度时，所述2号电子阀门打开，1号电子阀门关闭，冷却液通过带通道的底盘进入第二回路出水管。
进一步地，所述循环水泵用于驱动冷却液以不同流速通过微通道换热器和翅片管换热器，形成循环回路。
进一步地，所述带通道的底盘的底部直接与环境接触，所述底盘前端有翼形空气流速调节装置，汽车行驶时使得空气通过该机构时增大流速，快速的空气流通过整个底部将电池热量散失到环境中，降低进入翅片换热器的冷却液温度，减少风扇的功率输出，减少能量消耗。
进一步地，所述低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体20-25％wt、聚乙烯辛烯共弹性体20-25％wt、石蜡35-45％wt、碳化硅15-25％wt；
进一步地，所述低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体20％wt、聚乙烯辛烯共弹性体20％wt、石蜡40％wt、碳化硅20％wt。
进一步地，所述低温柔性相变材料板在常温下可保持良好的柔软性和弹性，可根据所述动力电池不同的电池形状改变外形以贴合电池表面，易于装配且能减少电池的传热热阻，并吸收所述动力电池充放电产生的热量；所述温度传感器用于检测电池与相变材料的温度，在相变材料温度不超过相变温度，且环境温度低于相变材料温度时，不启动液体冷却系统，采用自然冷却的方式向外部散热。
进一步地，当动力电池表面温度超过低温柔性相变材料板相变温度，且环境温度高于低温柔性相变材料板温度时，所述循环水泵启动与所述1号电子阀门打开，微通道换热器内已吸收电池热量冷却液通过所述第一回路出水管进入所述翅片管换热器进行冷却。
进一步，微通道换热器的垂直轴面带有若干的贯通型孔位，孔位的存在可以改变换热器内部流场的结构，减少边界层厚度，增大导热速率；同时，贯通的孔位可以嵌入低温柔性相变材料板上的柱体，增大换热面积，使得低温柔性相变材料板所吸收的电池热量可以迅速传递到冷却液中。
进一步，当动力电池表面温度超过低温柔性相变材料板相变温度，且环境温度低于低温柔性相变材料板温度时，所述循环水泵启动与所述2号电子阀门打开，微通道换热器内已吸收电池热量的冷却液通过所述底盘的通道，汽车行驶时底盘前端机构使得空气气流加速通道底盘，快速带走热量，然后第二回路出水管进入所述翅片管换热器进行最后的冷却。
进一步，所述带通道的电池底盘的底面直接与外界环境接触。
进一步，所述带通道的电池底盘通过底盘前端的导流装置，使得空气加速进入底盘内部且不需额外效率能量，空气快速掠过底盘内部的冷却液管道散热器，带走热量。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的汽车动力电池热管理系统，低温柔性复合相变材料板与电池紧密贴合，当电池工作放出热量时，所述低温柔性复合相变材料板可以恒温吸收电池放出的热量，当电池所放出的热量为超过低温柔性复合相变材料板的蓄热量时，液体冷却系统无需启动，避免电池能量的消耗。
2、本发明的汽车动力电池热管理系统，将低温柔性复合相变材料板置于微通道换热器与电池之间，复合相变材料与电池紧密贴合，减少电池的传热阻力，且起到蓄热和电池在受外力冲击时起缓冲作用；有效避免了微通道换热器与电池直接接触导致的接触面不均匀和接触面积小而导致的电池散热不均匀，容易造成电池局部过热的问题，提高微通道换热的散热效率和动力电池的循环使用寿命。
3、本发明的汽车动力电池热管理系统，将微通道换热器的结构进行改造，在垂直轴面上的分布若干的贯通型孔位，可以改变内部流场结构，增大传热系数；同时增大换热面积，通过孔位与相变材料更加紧密的结合，提高传热效率。
4、本发明的汽车动力电池热管理系统，采用电池底盘作为散热器的方式，吸收电池热量的冷却液进入底盘，由于底盘较大的传热面积和底盘上的翼形空气流速调节装置，汽车行驶时使得通过底盘的气流流速大大增加，高速气流将冷却液的大部分热量通过底盘底面的散入环境中，可以有效的降低冷却液进入翅片换热器时的进口温度，降低风扇和循环水泵的运行功率以及减少运行时间，大大节省了纯电动汽车的电池能量，提高电动汽车的续航里程；
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的部分结构示意图。
图3是图1的局部放大的示意图。
图4是本发明实施的俯视角度冷却液流动示意图。
图5是本发明实施的侧视角度冷却液流动示意图。
图6是本发明实施的微通道换热器与相变材料结合的示意图。
图7是本发明实施的微通道换热器内部的冷却液流动的示意图。
图8是本发明实施的电池底盘通道冷却液和空气的流动示意图。
图9为本发明所述的基于分布式冷却动力电池热管理系统工程流程图。
图中，1、刀片式动力电池；2、温度传感器；3、冷却液进水管；4、循环水泵；5、风扇；6、翅片管式换热器；7、第一回路出水管；8、第二回路出水管；9、带通道的底盘；10、低温柔性复合相变材料板；11、微通道换热器；12、1号电子阀门；13、2号电子阀门；14、翼形空气流速调节装置；15、柱体；16、贯通型孔位。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“1号”、“2号”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1、2、3所示，本发明的一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，包括刀片式动力电池1、温度传感器2、微通道换热器11、低温柔性复合相变材料板10、循环水泵4、带通道的底盘9、温度传感器2、风扇5、翅片管散热器6；所述刀片式动力电池1与所述微通道换热器11均设置在所述带通道的底盘9上，所述低温柔性复合相变材料板10设置在所述刀片式动力电池1与微通道换热器11之间，所述微通道换热器11通过管道与所述带通道的底盘9连接，所述循环水泵4通过管道与所述带通道9的底盘、翅片管散热器6、微通道散热器11连接，所述风扇5置于所述翅片管换热器6背面，两者垂直布置，并置于带通道的底盘9之外。
所述低温柔性复合相变材料板10包裹在刀片式动力电池1的侧表面，所述低温柔性复合相变材料板10一面与刀片式动力电池1表面接触，另一面与微通道换热器11接触。
所述刀片动力电池1外侧与低温柔性复合相变材料板10紧密贴合，所述带通道的底盘9内部设置通道，底盘9上设有第一回路出水管7和第二回路出水管8，第一回路出水管7和第二回路出水管8均与底盘9外的翅片管换热器6连通；所述微通道换热器11上部与冷却液进水管3连通，下部与第一回路出水管7和第二回路出水管8连通，第一回路出水管7、第二回路出水管8、冷却液进水管3与翅片管换热器6以及循环水泵4连通形成闭环；
所述温度传感器2用于检测低温柔性复合相变材料板10和刀片式动力电池1表面的温度；所述1号电子阀门12和2号电子阀门13，根据温度传感器2的数值来决定阀门的开闭；所述低温柔性复合相变材料板10吸收电池充放电时产生的热量；所述循环水泵4，在温度传感器2检测到刀片式动力电池1表面的温度超过低温柔性复合相变材料板10的相变温度时，循环水泵4启动驱动冷却液在系统内循环；所述翅片管换热器6与冷却液进水管3、第一回路出水管7、第二回路出水管8连通，通过风扇5吹动空气快速带走翅片管换热器6的热量。
所述低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体20％wt、聚乙烯辛烯共弹性体20％wt、石蜡40％wt、碳化硅20％wt；
如图4、5、8所示的冷却液流动循环，所述循环水泵4与冷却液进水管3和翅片管换热器6连通，所述冷却液进水管3与微通道换热器11的进水口连通，所述微通道换热器11出口与第一回路出水管7和底盘的通道连通处分别设有1号电子阀门12和2号电子阀门13；当环境温度大于刀片式动力电池1表面的温度时，所述1号电子阀门12打开，2号电子阀门13关闭，冷却液进入第一回路出水管7；当环境温度小于刀片式动力电池1表面的温度时，所述2号电子阀门13打开，1号电子阀门12关闭，冷却液通过带通道的底盘9进入第二回路出水管8；所述带通道的底盘9的内部流道以及冷却液的流向如图8所示。
如图6、7所示，微通道换热器11的垂直轴面带有若干的贯通型孔位16，贯通型孔位的存在可以改变换热器内部流场的结构，减少边界层厚度，增大导热速率；同时，贯通型孔位16可以嵌入低温柔性复合相变材料板10上的柱体15，增大换热面积，使得低温柔性复合相变材料板10所吸收的电池热量可以迅速传递到冷却液中。
如图9所示，本发明所述的一种分布式冷却的汽车动力电池热管理系统的工作流程具体如下：
刀片式动力电池1充放电放热，低温柔性复合相变材料板10吸收电池放出的热量，低温柔性复合相变材料板10在相变温度时恒温相变蓄热，温度传感器2检测电池表面的温度以及外部环境的温度，若两者都没有超过低温柔性复合相变材料板10相变温度，则低温柔性复合相变材料板10将所吸收的热量通过汽车底盘等结构自然散热；无需启动循环水泵4和风扇5，避免电池能量的消耗。
刀片式动力电池1工作时，温度传感器2检测电池表面的温度以及外部环境的温度，若两者均超过低温柔性复合相变材料板10相变温度，启动循环水泵4和风扇5，1号电子阀门12打开，冷却液在循环水泵4的驱动下，流过冷却液进水管3进入微通道换热器11吸热后，通过1号电子阀门12流入第一回路出水管7，然后进入翅片管换热器6，及时将热量排出。
刀片式动力电池1工作时，温度传感器2检测电池表面的温度以及外部环境的温度，若只有电池表面温度超过低温柔性复合相变材料板10相变温度，启动循环水泵4和风扇5，2号电子阀门13打开，冷却液在循环水泵4的驱动下，流过冷却液进水管3进入微通道换热器11吸热后，通过2号电子阀门13流入带通道的底盘，冷却液经底盘散热后，汇集在第二回路出水管8，然后进入翅片管换热器6，对外散热。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于所用低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体100％wt；
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于所用低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：聚乙烯辛烯共弹性体100％wt；
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于所用低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体50％wt、聚乙烯辛烯共弹性体50％wt；
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于所用低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：聚乙烯辛烯共弹性体100％wt；
分别在30℃、60℃下，用同样压力对实施例1及对比例1-4制得的板进行弯曲试验；
表1
实施例 30℃ 60℃
实施例1 未折断 未折断
对比例1 折断 未折断
对比例2 折断 未折断
对比例3 折断 未折断
对比例4 折断 未折断
如表1所示，如果分别利用苯乙烯类热塑性弹性体,聚乙烯辛烯共弹性体、苯乙烯类热塑性弹性体50％wt、聚乙烯辛烯共弹性体50％wt作为支撑材料的复合相变材料，其在常温或者低温环境下(<30℃)，机械性能差，表现出较强的刚性，弯曲或者拉伸时极容易折断；只有温度达到石蜡(PA)的相变温度时，开始表现出柔性效果，这不利用复合相变材料在电池组中的装配和应用。
如表1所示，本实施例的所述低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体20％wt、聚乙烯辛烯共弹性体20％wt、石蜡40％wt、碳化硅20％wt；利用苯乙烯类热塑性弹性体和聚乙烯辛烯共弹性体是为了实现复合相变材料的低温柔性性能，该材料可以是复合相变材料在低温下拥有良好的机械性能，可弯曲性和600％的拉伸断裂伸长率。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，包括若干刀片式动力电池、微通道换热器、低温柔性复合相变材料板、循环水泵、带通道的底盘、温度传感器、风扇、翅片管散热器；所述刀片式动力电池与所述微通道换热器均设置在所述带通道的底盘上，所述低温柔性复合相变材料板设置在所述刀片式动力电池与微通道换热器之间，所述微通道换热器通过管道与所述带通道的底盘连接，所述循环水泵通过管道与所述带通道的底盘、翅片管散热器、微通道散热器连接，所述风扇置于所述翅片管换热器背面，两者垂直布置，并置于带通道的底盘之外。
2.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述低温柔性复合相变材料板包裹在动力电池的侧表面，所述低温柔性复合相变材料板一面与刀片式动力电池表面接触，另一面与微通道换热器接触。
3.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述微通道换热器设置于与所述刀片式动力电池、所述低温柔性复合相变材料板平行的一个侧面上。
4.根据权利要求2所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述微通道换热器的垂直轴面带有若干的贯通型孔位，所述低温柔性复合相变材料板的垂直轴面一侧分布若干与微通道换热器孔位相对应的相变柱体。
5.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述温度传感器设置于低温柔性复合相变材料板内部，用于采集所述低温柔性相变材料板的温度信息。
6.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述带通道的底盘置于所述刀片式动力电池和微通道换热器的底部，所述微通道换热器出口与第一回路出水管7和底盘的通道连通处分别设有1号电子阀门和2号电子阀门；当环境温度大于刀片式动力电池表面的温度时，所述1号电子阀门打开，2号电子阀门关闭，冷却液进入第一回路出水管；当环境温度小于刀片式动力电池表面的温度时，所述2号电子阀门打开，1号电子阀门关闭，冷却液通过带通道的底盘进入第二回路出水管。
7.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述循环水泵用于驱动冷却液以不同流速通过微通道换热器和翅片管换热器，形成循环回路。
8.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述带通道的底盘的底部直接与环境接触，所述底盘前端有翼形空气流速调节装置，汽车行驶时使得空气通过该机构时增大流速，快速的空气流通过整个底部将电池热量散失到环境中，降低进入翅片换热器的冷却液温度，减少风扇的功率输出，减少能量消耗。
9.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体20-25％wt、聚乙烯辛烯共弹性体20-25％wt、石蜡35-45％wt、碳化硅15-25％wt。
10.根据权利要求1所述的基于分布式冷却的汽车动力电池热管理系统，其特征在于，所述低温柔性复合相变材料板由以下组份组成：苯乙烯类热塑性弹性体20％wt、聚乙烯辛烯共弹性体20％wt、石蜡40％wt、碳化硅20％wt。
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