CN114552066B - 自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统及方法，系统包括刀片电池组、微热管阵列和液冷板，刀片电池组有多层，每层包含多个刀片电池；微热管阵列间距均匀地插入到刀片电池层与层之间，冷凝段伸出刀片电池组与所述液冷板贴合；微热管阵列具有多个并排排列的互不连通的矩形微槽道，矩形微槽道内部封有工质蒸汽和不凝结气体；液冷板为蛇型设计，同侧设有两组冷却循环回路，内部流向始终相反。当刀片电池组发热时，蒸发段输入的热功率增加，热管内工质蒸汽的温度和压力升高，压缩由不凝结气体形成的弹性气塞，有效冷凝长度增加。本发明能维持刀片电池长时间处在最佳温度范围内。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统及方法，属于电池组热管理技术领域。
背景技术
刀片电池是在无模组技术的基础上开发的一种新型磷酸铁锂电池，单体电池可以直接固定在电池包内，提升封装效率。在传统刀片电池液冷系统中，通常根据温度采集装置反馈的信号来控制冷却水泵的转速，以实现不同的冷却效果，但控制水泵转速变化具有迟滞性，当刀片电池处于瞬时高功率充放电的工况下会导致冷却量不足，同样，当刀片电池处于低功率充放电的工况下会导致冷却量过度，不能对刀片电池进行快速、精准的温度调节。刀片电池是由多个电芯串联而成，其电压、内阻、容量等参数存在一定的差别，导致刀片电池之间工作温度不均匀，由此引发的不一致性严重降低了刀片电池的工作效率和使用寿命。刀片电池对温度高度敏感，高效的工作温度区间为25～40℃。当刀片电池在低温环境下充放电时，其内阻增加，充放电功率明显下降，严重影响刀片电池的放电能力和使用寿命。因此，本发明提供一种基于自适应热导率微热管阵列的刀片电池热管理系统，融合高效散热、智能均温和快速预热特性，以满足刀片电池复杂工况下的热管理要求。
发明内容
本发明提出自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统及方法，充分利用自适应热导率热管的高导热系数及热流密度可变的特征，实现高响应、自适应地调控刀片电池的温度，以满足刀片电池在复杂工况下的热管理需求。该发明涉及的热管理系统不仅工作效率高而且节能效果明显，有效解决已有技术方案中的不足。
本发明的技术方案如下：
自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统，包括刀片电池组、微热管阵列和液冷板。
所述刀片电池组由多个刀片电池多层叠放，呈矩形排列。刀片电池组至少包含两层，每层至少包含一个或多个刀片电池。同层刀片电池间的空隙填有绝缘的导热粘合剂降低接触热阻。
所述微热管阵列间距均匀地插入到刀片电池层与层之间，微热管阵列的蒸发段紧贴上层刀片电池的下表面和下层刀片电池的上表面，冷凝段伸出刀片电池组与所述液冷板贴合。
所述微热管阵列是由金属材料经挤压成型的扁平状结构，具有多个并排排列的互不连通的矩形微槽道，矩形微槽道内部封有一定比例的工质蒸汽和不凝结气体。工质蒸汽可以是水、甲醇、丙酮等，不凝结气体可以是惰性气体，如氦、氖、氩、氪、氙或氮气等。
所述液冷板为蛇型设计，贴合布置于所述微热管阵列冷凝段的上表面，同侧设有四个流道，构成两组冷却循环回路，内部流向始终相反，冷媒介质为水和乙二醇的混合液。
基于自适应热导率微热管阵列的刀片电池热管理系统的管理方法为，包括以下步骤：
当刀片电池组发热时，热量通过蒸发段传入微热管阵列，管内工质蒸汽和不凝结气体一同向冷凝段移动。其中，工质蒸汽在冷凝段放热变成工作液，由矩形微槽道提供的毛细力返回蒸发段，继续工作；而不凝结气体在冷凝段内聚集、停滞，形成不同长度的弹性气塞，此时工质蒸汽难以进入弹性气塞内，形成压力敏感的可移动分界面。
当刀片电池组处在高倍率放电或快充工况下，蒸发段输入的热功率增加，热管内工质蒸汽的温度和压力升高，压缩由不凝结气体形成的弹性气塞，即热管内工质蒸汽与液冷板的接触面积增大，有效冷凝长度增加，热管的导热率随之增大；
同理，当刀片电池组处在低倍率放电等工况下，蒸发段输入的热功率减小，热管内工质蒸汽的温度和压力降低，由不凝结气体形成的弹性气塞膨胀，即热管内工质蒸汽与液冷板的接触面积减小，有效冷凝长度缩短，热管的导热率随之降低。
还包括，在低温环境下快速地为刀片电池组预热，当刀片电池温度低于某一设定阈值，水泵开始运转，温度较高的水和乙二醇混合液流经所述液冷板，将热量传至微热管阵列的冷凝段，其中的工质蒸汽吸热，移动至蒸发段，刀片电池组作为热沉吸收来自工质蒸汽释放的热量，实现提高自身温度，实现低温环境下对刀片电池快速预热的有益效果，延长刀片电池的使用寿命，工质蒸汽放热后变成冷凝液，并通过矩形微槽道提供的毛细力返回至冷凝段，继续循环工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用自适应热导率的微热管阵列，内部封有一定比例的工质蒸汽和不凝结气体，实现热管的导热率能够根据蒸发段输入的热功量即时变化，起到自适应调控热源温度的作用，有效降低刀片电池因瞬时高功率充放电引起的温度波动，并且能够维持刀片电池长时间处在最佳温度范围内工作。
除此之外，本发明采用具有矩形微槽道结构的吸液芯，具有较高的渗透率，冷凝液体回路阻力较小，且槽道结构与管壁一体，不存在接触热阻，具有更高的沸腾极限，即以最少的热管数量传输最大的热流量。
另一方面，本发明采用的液冷板为四个流道、双进双出设计，构成两条循环回路，内部冷媒流向始终相反，可缓解冷媒在流动过程中因温度逐渐升高，造成靠近液冷板出口区域散热能力不佳的问题，有助于保持刀片电池组温度的一致性。
附图说明
图1为本发明提供的刀片电池热管理系统示意图；
图2a为所述微热管阵列俯视图；
图2b为所述微热管阵列A-A断面的剖视图；
图3为所述液冷板结构示意图；
图4为微热管阵列工作原理图；
附图标记：1-刀片电池组；2-微热管阵列，201-蒸发段，202-冷凝段，203-矩形微槽道，204-工质蒸汽，205-不凝结气体；3-液冷板，301-第一进口，302-第一出口，303-第二进口，304-第二出口，305隔板；401-压力敏感的可移动分界面，402弹性气塞。
具体实施方式
为了更好的描述和理解本发明的系统结构和技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明提出自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统，如图1所示，包括刀片电池组1、微热管阵列2和液冷板3。所述刀片电池组1由多个刀片电池层叠构成，呈矩形排列，刀片电池组1至少包含两层，每层至少包含一个或多个刀片电池。本发明实施例中，刀片电池组1布置形式为5层3块，共15块刀片电池，同层刀片电池间的空隙填有绝缘的导热粘合剂降低接触热阻，一方面可以降低接触热阻，另一方面可以起到减震的作用。
如图2a和图2b所示，所述微热管阵列2是由金属材料经挤压成型的扁平状结构，包括蒸发段201和冷凝段202，蒸发段201紧贴上层刀片电池的下表面和下层刀片电池的上表面，将刀片电池组1产生的热量传递至微热管阵列2，冷凝段202延伸出刀片电池组1与所述液冷板3紧贴。所述微热管阵列2内部具有多个并排排列的、互不连通且独立运行的矩形微槽道203，矩形微槽道203连通蒸发段201和冷凝段202，矩形微槽道203内部封有一定比例的工质蒸汽204和不凝结气体205，图2a和图2b中仅示意一条槽道内的工质。其中，工质蒸汽204可以是水、甲醇、丙酮等，不凝结气体205可以是惰性气体，如氦、氖、氩、氪、氙或氮气等。
如图3所示，所述液冷板3为蛇形设计，贴合布置于所述微热管阵列2冷凝段202的上表面,同侧设有两个流道，双进双出，构成两组冷却循环回路。第一进口301与第一出口302构成第一冷却循环回路；第二进口303与第二出口304构成第二冷却循环回路，两条回路间设有隔板305，且内部流向始终相反，缓解冷媒在流动过程中温度逐渐升高，造成液冷板3出口散热能力不佳，有助于电池组温度的一致性。
定导热率热管的工作方法，可参照图4理解。定导热率热管内部工作液在蒸发段201吸热，蒸发或沸腾，生成的工质蒸汽204，由于压力差的作用向冷凝段202移动，放出热量变成冷凝液，并通过管内毛细力的作用流回蒸发段201，完成一个工作循环。
本发明提供的微热管阵列工作方法，如图4所示。当刀片电池组1充放电时，热量通过蒸发段201传入微热管阵列2，管内工质蒸汽204和不凝结气体205一同向冷凝段202移动。其中，工质蒸汽204在冷凝段202放热变成工作液，由矩形微槽道203提供的毛细力返回蒸发段201，继续工作；而不凝结气体205在冷凝段202内聚集、停滞，形成不同长度的弹性气塞402，此时工质蒸汽204难以进入弹性气塞402内，形成压力敏感的可移动分界面401。
图4给出刀片电池在不同发热条件下自适应热导率热管内工质蒸汽204和不凝结气体205的分布示意图，由上至下，刀片电池的产热量依次降低，不凝结弹性气塞402长度依次增加，热管的导热率依次降低，即散热能力依次降低。具体地，当刀片电池组1处在高倍率放电或快充等工况下，蒸发段201输入的热功率增加，热管内工质蒸汽204的温度和压力升高，压缩由不凝结气体205形成的弹性气塞402，即热管内工质蒸汽204与液冷板3的接触面积增大，有效冷凝长度增加，热管的导热率随之增大；同理，当刀片电池组1处在低倍率放电等工况下，蒸发段201输入的热功率减小，热管内工质蒸汽204的温度和压力降低，由不凝结气体205形成的弹性气塞402膨胀，即热管内工质蒸汽204与液冷板3的接触面积减小，有效冷凝长度缩短，热管的导热率随之降低。
所述微热管阵列2不工作时，其内部工质蒸汽204和不凝结气体205为混合状态分散于矩形微槽道203内。
所述微热管阵列2，可根据蒸发段201输入的热功率不同，自适应调节热管的热导率，在无外部驱动的情况下，有效降低刀片电池组1因瞬时高功率充放电引起的温度波动。
另一方面，本发明提出的一种基于自适应热导率微热管阵列的刀片电池热管理系统具备在低温环境下快速地为刀片电池组预热方法，参照图1-3，当刀片电池温度低于某一设定阈值，水泵开始运转，温度较高的水和乙二醇混合液流经所述液冷板3，将热量传至微热管阵列2的冷凝段202，其中的工质蒸汽204吸热，移动至蒸发段201，刀片电池组1作为热沉吸收来自工质蒸汽204释放的热量，实现提高自身温度，实现低温环境下对刀片电池快速预热的有益效果，延长刀片电池的使用寿命，工质蒸汽204放热后变成冷凝液，并通过矩形微槽道203提供的毛细力返回至冷凝段201，继续循环工作。
本发明涉及的刀片电池热管理系统，结构紧凑，质量轻，无运动部件，可靠性高。采用模块化设计能够拼接或适用不同电池数量的刀片电池组。
最后所应说明的是，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该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统，其特征在于，包括刀片电池组(1)、微热管阵列(2)和液冷板(3)；所述刀片电池组(1)由多个刀片电池层叠构成，呈矩形排列，刀片电池组(1)至少包含两层，每层至少包含一个或多个刀片电池；
所述微热管阵列(2)是由金属材料经挤压成型的扁平状结构，包括蒸发段(201)和冷凝段(202)，蒸发段(201)紧贴上层刀片电池的下表面和下层刀片电池的上表面，将刀片电池组(1)产生的热量传递至微热管阵列(2)，冷凝段(202)延伸出刀片电池组(1)与所述液冷板(3)紧贴；所述微热管阵列(2)内部具有多个并排排列的、互不连通且独立运行的矩形微槽道(203)，矩形微槽道(203)连通蒸发段(201)和冷凝段(202)，矩形微槽道(203)内部封有一定比例的工质蒸汽(204)和不凝结气体(205)；
所述液冷板(3)为蛇形设计，贴合布置于所述微热管阵列(2)冷凝段(202)的上表面,同侧设有两个流道，双进双出，构成两组冷却循环回路；第一进口(301)与第一出口(302)构成第一冷却循环回路；第二进口(303)与第二出口(304)构成第二冷却循环回路，两条回路间设有隔板(305)，且内部流向始终相反。
2.根据权利要求1所述的自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统，其特征在于，同层刀片电池间的空隙填有绝缘的导热粘合剂降低接触热阻。
3.根据权利要求1或2所述的自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统的管理方法为，其特征在于，包括以下步骤：
当刀片电池组(1)发热时，热量通过蒸发段(201)传入微热管阵列(2)，管内工质蒸汽(204)和不凝结气体(205)一同向冷凝段(202)移动；其中，工质蒸汽(204)在冷凝段(202)放热变成工作液，由矩形微槽道(203)提供的毛细力返回蒸发段(201)，继续工作；而不凝结气体(205)在冷凝段(202)内聚集、停滞，形成不同长度的弹性气塞(402)，此时工质蒸汽(204)难以进入弹性气塞(402)内，形成压力敏感的可移动分界面(401)；
当刀片电池组(1)处在高倍率放电或快充工况下，蒸发段(201)输入的热功率增加，热管内工质蒸汽(204)的温度和压力升高，压缩由不凝结气体(205)形成的弹性气塞(402)，即热管内工质蒸汽(204)与液冷板(3)的接触面积增大，有效冷凝长度增加，热管的导热率随之增大；
同理，当刀片电池组(1)处在低倍率放电等工况下，蒸发段(201)输入的热功率减小，热管内工质蒸汽(204)的温度和压力降低，由不凝结气体(205)形成的弹性气塞(402)膨胀，即热管内工质蒸汽(204)与液冷板(3)的接触面积减小，有效冷凝长度缩短，热管的导热率随之降低。
4.根据权利要求3所述的自适应热导率微热管阵列刀片电池热管理系统的管理方法为，其特征在于，还包括在低温环境下快速地为刀片电池组预热，当刀片电池温度低于某一设定阈值，水泵开始运转，温度较高的水和乙二醇混合液流经所述液冷板(3)，将热量传至微热管阵列(2)的冷凝段(202)，其中的工质蒸汽(204)吸热，移动至蒸发段(201)，刀片电池组(1)作为热沉吸收来自工质蒸汽(204)释放的热量，实现提高自身温度，实现低温环境下对刀片电池快速预热的有益效果，延长刀片电池的使用寿命，工质蒸汽(204)放热后变成冷凝液，并通过矩形微槽道(203)提供的毛细力返回至冷凝段(202)，继续循环工作。
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