CN114639866A - 一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，包括电池包，电池包上设有底座和顶盖；电池包内设有翅片和多个锂离子电池，翅片将电池包、底座和顶盖形成的密闭空间分隔为多个独立空间单元，多个锂离子电池布置在独立空间单元内，多个锂离子电池通过线排电性连接；电池包内还设有液冷板，液冷板与翅片连接；电池包内还设有复合相变材料，复合相变材料设置在电池包、底座和顶盖形成的密闭空间内，与翅片、锂离子电池充分接触。本发明的优点在于：其设置的翅片将复合相变材料吸收的热量从电池模组中传递到液冷板，而液冷板中的冷却剂则将热量从整个系统中传递到外界环境当中。

Description

一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地指一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置。

背景技术

随着电动汽车的不断发展，锂离子电池作为动力电池，已发展成为最成功的二次电池之一。锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、无污染等优点。

然而，锂离子电池的寿命、性能和安全性主要受工作时的温度影响。锂离子电池允许的放电温度范围是-20℃至60℃，这意味着锂离子电池的最高工作温度应低于60℃。为了避免电池单元内部可能出现的短路现象，电池组的温度必须均匀分布，且电池组内部的最大温差不应超过5℃。

因此，相变材料凭借其相变过程中可以吸收电池组在充放电过程中产生的热量，并保持电池组之间的温度均匀性，是替代传统电池热管理技术的最有前途的方法之一。然而，当采用相变材料作为电池组的主要冷却策略时，由于相变材料的低导热性以及在高温环境中二次储热能力有限，所以在实际应用中仍有一些不足之处。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，以解决上述技术问题，其解决了由于采用相变材料的低导热率，而导致电池组内部积热，和长时间充放电过程中受到二次储热的问题。

为实现上述目的，本发明所设计的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，包括电池包，所述电池包上设有底座和顶盖；所述电池包内设有翅片和多个锂离子电池，所述翅片将电池包、底座和顶盖形成的密闭空间分隔为多个独立空间单元，所述多个锂离子电池布置在独立空间单元内，所述多个锂离子电池通过线排电性连接；所述电池包内还设有液冷板，所述液冷板与翅片连接；所述电池包内还设有复合相变材料，所述复合相变材料设置在电池包、底座和顶盖形成的密闭空间内，与翅片、锂离子电池充分接触，这样，可以通过所述复合相变材料从锂离子电池吸收热量，并通过所述翅片传导热量。

进一步地，所述翅片端部设置在液冷板上，这样，可以通过所述翅片从复合相变材料吸收热量，并通过所述液冷板传出热量。

进一步地，所述多个锂离子电池垂直设置在底座和顶盖之间，所述底座上表面设有多个底座安装孔，所述顶盖下底面设有多个顶盖安装孔，所述锂离子电池底端设置在对应的底座安装孔内，所述锂离子电池顶端设置在对应的顶盖安装孔内，所述线排设置在底座安装孔和顶盖安装孔内与锂离子电池的极片连接，所述底座安装孔、顶盖安装孔内周尺寸与锂离子电池的外周尺寸相同，这样，通过锂离子电池与底座安装孔、锂离子电池与顶盖安装孔之间的过盈配合，防止复合相变材料液化后与锂离子电池的极片接触。

再进一步地，所述液冷板垂直设置在底座和顶盖之间。

进一步地，所述复合相变材料由石蜡和膨胀石墨混合而成，所述膨胀石墨的质量占比为10-15％。

作为优选项，所述电池包内设有多个电池组和多个液冷板，所述电池组分别设置在多个相邻液冷板之间，所述锂离子电池并排设置在电池组内，所述翅片与液冷板连接，将各个锂离子电池隔离为独立空间单元。

作为优选项，所述电池包内设有第一电池组、第二电池组、第一液冷板、第二液冷板、第三液冷板，所述第一电池组设置在第一液冷板与第二液冷板之间，所述第二电池组设置在第二液冷板与第三液冷板之间，所述第一电池组和第二电池组内的锂离子电池设置为两行，所述翅片设置为“Y”形，将各个锂离子电池隔离为独立空间单元。

作为优选项，所述第一液冷板与第三液冷板内冷却液流向相同，所述第二液冷板与第一液冷板、第三液冷板内冷却液流向相反。

作为优选项，所述翅片、液冷板设置在底座和顶盖之间，通过底座和顶盖固定。

作为优选项，所述翅片、液冷板均为金属材质。

本发明的优点在于：其设置的翅片将复合相变材料吸收的热量从电池模组中传递到液冷板，而液冷板中的冷却剂则将热量从整个系统中传递到外界环境当中。一方面相变材料能够提高电池组的温度均匀性，翅片结构通过将热量通过热传导能够延缓复合相变材料的相变过程并解决电池组内部积热问题。另一方面复合相变材料大面积的与液冷板接触，解决了了复合相变材料受到二次储热饱和的困扰。通过验证，其在环境温度下40℃时，采用本装置的电池组以高倍率充放电5次循环内，最高温度不超过50℃，最大温差不超过5℃。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明的主视示意图；

图4为本发明的侧视示意图；

图5为图3中A-A处剖视示意图；

图6为图3中B-B处剖视示意图；

图7为顶盖的结构示意图；

图8为底座的结构示意图；

图9为顶盖内线排的安装结构示意图；

图10为底座内线排的安装结构示意图；

图11为冷却液控制装置的安装结构示意图。

图中：电池包1、底座2(其中：底座安装孔2.1)、顶盖3(其中：顶盖安装孔3.1)、翅片4、锂离子电池5、线排6、液冷板7(其中：第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3)、复合相变材料8、动力泵9、低温储液容器10、换热器11、高温储液容器12、管道13、换热器14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1～5所示的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，包括电池包1，所述电池包1上设有底座2和顶盖3；所述电池包1内设有翅片4和多个锂离子电池5，所述翅片4将电池包1、底座2和顶盖3形成的密闭空间分隔为多个独立空间单元，所述多个锂离子电池5布置在独立空间单元内，所述多个锂离子电池5通过线排6电性连接；所述电池包1内还设有液冷板7，所述液冷板7与翅片4连接；所述电池包1内还设有复合相变材料8，所述复合相变材料8设置在电池包1、底座2和顶盖3形成的密闭空间内，与翅片4、锂离子电池5充分接触，这样，可以通过所述复合相变材料8从锂离子电池5吸收热量，并通过所述翅片4传导热量。所述翅片4端部设置在液冷板7上，这样，可以通过所述翅片4从复合相变材料8吸收热量，并通过所述液冷板7传出热量。所述多个锂离子电池5垂直设置在底座2和顶盖3之间，所述底座2上表面设有多个底座安装孔2.1，所述顶盖3下底面设有多个顶盖安装孔3.1，所述锂离子电池5底端设置在对应的底座安装孔2.1内，所述锂离子电池5顶端设置在对应的顶盖安装孔3.1内，所述线排6设置在底座安装孔2.1和顶盖安装孔3.1内与锂离子电池5的极片连接，所述底座安装孔2.1、顶盖安装孔3.1内周尺寸与锂离子电池5的外周尺寸相同，这样，通过锂离子电池5与底座安装孔2.1、锂离子电池5与顶盖安装孔3.1之间的过盈配合，防止复合相变材料8液化后与锂离子电池5的极片接触。所述液冷板7垂直设置在底座2和顶盖3之间。所述复合相变材料8由石蜡和膨胀石墨混合而成，所述膨胀石墨的质量占比为10-15％。所述电池包1内设有多个电池组和多个液冷板7，所述电池组分别设置在多个相邻液冷板7之间，所述锂离子电池5并排设置在电池组内，所述翅片4与液冷板7连接，将各个锂离子电池5隔离为独立空间单元。所述电池包1内设有第一电池组、第二电池组、第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3，所述第一电池组设置在第一液冷板7.1与第二液冷板7.2之间，所述第二电池组设置在第二液冷板7.2与第三液冷板7.3之间，所述第一电池组和第二电池组内的锂离子电池5设置为两行，所述翅片4设置为“Y”形，将各个锂离子电池5隔离为独立空间单元。所述第一液冷板7.1与第三液冷板7.3内冷却液流向相同，所述第二液冷板7.2与第一液冷板7.1、第三液冷板7.3内冷却液流向相反。所述翅片4、液冷板7设置在底座2和顶盖3之间，通过底座2和顶盖3固定。所述翅片4、液冷板7均为金属材质。

本发明在实际使用时，

如图1，电池包1的内部空间设有多个锂离子电池5，相邻锂离子电池5之间由翅片4隔开，锂离子电池5与翅片4之间嵌入复合相变材料8。底座2和顶盖3上设有用于固定翅片4、锂离子电池5、线排6、液冷板7的凹槽，凹槽内布置有橡胶密封垫，防止所固定的结构因公差过大导致复合相变材料8泄漏。

复合相变材料8的成分包含石蜡，其具有结构简单，相变过程中潜热高，温度均匀性好等优势。当发生相变时，复合相变材料8能够吸收大量的热并保持电池组内部最大温差控制在一定范围内。由于石蜡的热导率低，使其无法及时向外部环境扩散热量，无法在有限时间内恢复潜热，最终可能导致冷却能力失效，从而使得电池包1内部热量积聚，温度升高。因此，为了提高管理系统整体的散热能力，在复合相变材料8内加入了膨胀石墨与石蜡混合。

电池包1内增加了翅片4以提高整个电池包1内部的导热系数，并且分别在电池包1的外侧和中间部位设置了第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3，使翅片4的一端与其充分接触，通过热传导和对流换热方式及时将复合相变材料8所吸收的热量带出，以达到恢复复合相变材料8的潜热吸热作用。采用以上方式能够解决电池包1内部积热问题和电池组持续工作状态下的复合相变材料8潜热耗尽而导致冷却能力失效的问题。翅片4、液冷板7均为密度低，导热系数高的铝材制成，锂离子电池5为圆柱形电池。

由石蜡和膨胀石墨组成的复合相变材料8发生相变过程中会发生由固态液化为液态。因此，采用翅片4分隔各个锂离子电池5并与液冷板7之间紧密贴合，起到固定密封作用。可以有效避免复合相变材料8因发生相变液化后与锂离子电池5表面脱离接触，甚至发生漏液造成电池包1内部短路。

如图2，锂离子电池5采用交叉排列，提高了整个电池包1内空间利用率，缩短了锂离子电池5、翅片4与液冷板7的距离，锂离子电池5在充放电过程中产生的热量能够快速的通过复合相变材料8传递到翅片4，再通过翅片4传递到液冷板7。

如图3～10，电池包1内设有第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3，外侧位置的第一液冷板7.1和第三液冷板7.3内冷却液流向相同，而第二液冷板7.2内冷却液流向与第一液冷板7.1和第三液冷板7.3相反。采用这样的交替模式大大提高电池组温度均匀性，第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3与复合相变材料8紧密接触，使得整个电池装置紧凑且节省空间。第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3不仅可以传递散发热量，还可以到固定电池包1整体结构的作用。

本发明的工作原理如下：

锂离子电池5在充放电过程中产生的热量首先被复合相变材料8的显热所吸收，复合相变材料8吸收的热量通过翅片4传导至液冷板7，液冷板7再将热量传递至冷却液，最后通过冷却液控制装置将冷却液的热量传递至外界。

本发明通过加入翅片4的传热方式和液体冷却的散热方式，大大增强了复合相变材料8的传热能力，提高了电池热管理系统装置的散热性能。

如图11，第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3均与冷却液控制装置相连，冷却液控制装置包括动力泵9、低温储液容器10、换热器11和高温储液容器12；低温储液容器10的出口通过动力泵9和管道13与第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3的进液口相连；第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3的出液口与高温储液容器12通过管道11相连；低温储液容器10和高温储液容器12之间采用换热器14相连。

冷却液控制装置通过传感器实时检测电池包1内温度数据，当采用复合相变材料8的被动冷却散热作用无法满足电池包1正常工作时，则开启主动冷却。低温储液容器10内的冷却液通过管道13进入第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3中，换热后的冷却液通过管道13进入高温储液容器12中，经过换热器14换热后，冷却液达到要求温度，低温储液容器10中，再次通过动力泵9传输到第一液冷板7.1、第二液冷板7.2、第三液冷板7.3中循环使用。冷却液控制装置中的冷却液由乙醇与水混合而成。为了实现对电池包1温度的实时监测，调剂冷却液流速，将传感器布置在液冷板7进口和出口处以及锂离子电池5的铝制外壳上；冷却液控制装置将根据传感器采集的实时数据调节液冷通道内冷却液流量，从而将电池包1的温度控制在安全范围内。

具体地，当锂离子电池5在低倍率进行充放电时生成的热量较低，完全可以只通过复合相变材料8的被动冷却方式进行散热。此时，复合相变材料8显热发挥作用进行吸热，当电池组持续工作且复合相变材料温度达到熔化温度时，发生相变。那么复合相变材料8的潜热能够吸收大量的热使电池组温度保持一定范围内不继续升高。采用被动冷却策略时，整个冷却液控制装置保持停止工作的状态，大大降低了工作能耗。

当锂离子电池5在高倍率下或持续充放电过程中，此时锂离子电池5持续产热，复合相变材料8会因为在相变过程中潜热会迅速地耗尽而丧失散热作用，并且当潜热耗尽后，复合相变材料8导热率低，无法及时吸收锂离子电池5的热量。那么电池包1就有高温热失控风险。此时，冷却液控制装置自动开启主动冷却，辅助复合相变材料8进行散热，在翅片4结构的加持下，复合相变材料8的潜热能够及时恢复。在电池包1持续工作中，复合相变材料8能够保持优良的吸热能力，维持锂离子电池5温度不发生大的改变。

通过实验验证，高温40℃环境中，锂离子电池5在3C放电倍率下，最高温度可以控制在50℃以内，最大温差小于5℃。采用复合相变材料8而不是液体冷却直接接触锂离子电池5的原因在于，液冷虽然冷却效果明显，但会使电池包1内部的温差过大，而导致电池包1放电不均匀，寿命下降。

冷却液控制装置可以自动选择主动冷却和被动冷却两种散热方式，并在不同条件下进行快速切换，从而迅速的将电池包1的温度控制在设定范围内，并保持一定的温度均匀性。

此外，翅片4的结构不仅可以起到良好的导热作用，还能够提高整个电池包1的刚性，在发生碰撞或挤压时，蜂窝状翅片4的结构能够提供支撑作用，甚至在电池包1变形后依旧能够隔绝相邻的锂离子电池5。这样的结构不仅有利于防止锂离子电池5单体发生破裂而腐蚀周边锂离子电池5，还可以解决复合相变材料8融化后的泄漏问题，进一步提高了锂离子电池5的安全性。

上述前、后、左、右、上、下均以说明书附图中的图1为基准，按照人物观察视角为标准，装置面对观察者的一面定义为前，观察者左侧定义为左，依次类推。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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保护范围的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：包括电池包(1)，所述电池包(1)上设有底座(2)和顶盖(3)；

所述电池包(1)内设有翅片(4)和多个锂离子电池(5)，所述翅片(4)将电池包(1)、底座(2)和顶盖(3)形成的密闭空间分隔为多个独立空间单元，所述多个锂离子电池(5)布置在独立空间单元内，所述多个锂离子电池(5)通过线排(6)电性连接；

所述电池包(1)内还设有液冷板(7)，所述液冷板(7)与翅片(4)连接；

所述电池包(1)内还设有复合相变材料(8)，所述复合相变材料(8)设置在电池包(1)、底座(2)和顶盖(3)形成的密闭空间内，与翅片(4)、锂离子电池(5)充分接触，这样，可以通过所述复合相变材料(8)从锂离子电池(5)吸收热量，并通过所述翅片(4)传导热量。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述翅片(4)端部设置在液冷板(7)上，这样，可以通过所述翅片(4)从复合相变材料(8)吸收热量，并通过所述液冷板(7)传出热量。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述多个锂离子电池(5)垂直设置在底座(2)和顶盖(3)之间，所述底座(2)上表面设有多个底座安装孔(2.1)，所述顶盖(3)下底面设有多个顶盖安装孔(3.1)，所述锂离子电池(5)底端设置在对应的底座安装孔(2.1)内，所述锂离子电池(5)顶端设置在对应的顶盖安装孔(3.1)内，所述线排(6)设置在底座安装孔(2.1)和顶盖安装孔(3.1)内与锂离子电池(5)的极片连接，所述底座安装孔(2.1)、顶盖安装孔(3.1)内周尺寸与锂离子电池(5)的外周尺寸相同，这样，通过锂离子电池(5)与底座安装孔(2.1)、锂离子电池(5)与顶盖安装孔(3.1)之间的过盈配合，防止复合相变材料(8)液化后与锂离子电池(5)的极片接触。

4.根据权利要求3所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述液冷板(7)垂直设置在底座(2)和顶盖(3)之间。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述复合相变材料(8)由石蜡和膨胀石墨混合而成，所述膨胀石墨的质量占比为10-15％。

6.根据权利要求5所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述电池包(1)内设有多个电池组和多个液冷板(7)，所述电池组分别设置在多个相邻液冷板(7)之间，所述锂离子电池(5)并排设置在电池组内，所述翅片(4)与液冷板(7)连接，将各个锂离子电池(5)隔离为独立空间单元。

7.根据权利要求6所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述电池包(1)内设有第一电池组、第二电池组、第一液冷板(7.1)、第二液冷板(7.2)、第三液冷板(7.3)，所述第一电池组设置在第一液冷板(7.1)与第二液冷板(7.2)之间，所述第二电池组设置在第二液冷板(7.2)与第三液冷板(7.3)之间，所述第一电池组和第二电池组内的锂离子电池(5)设置为两行，所述翅片(4)设置为“Y”形，将各个锂离子电池(5)隔离为独立空间单元。

8.根据权利要求7所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述第一液冷板(7.1)与第三液冷板(7.3)内冷却液流向相同，所述第二液冷板(7.2)与第一液冷板(7.1)、第三液冷板(7.3)内冷却液流向相反。

9.根据权利要求8所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述翅片(4)、液冷板(7)设置在底座(2)和顶盖(3)之间，通过底座(2)和顶盖(3)固定。

10.根据权利要求9所述的一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，其特征在于：所述翅片(4)、液冷板(7)均为金属材质。

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