CN115799713A - 一种轻量化新能源电池冷却装置 - Google Patents

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张哲硕
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饶兵
杨丽平
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Abstract

本发明属于电池组的温度控制技术领域，具体涉及一种轻量化新能源电池冷却装置，包括储压腔、回液结构、液泵，液泵与储压腔连通，储压腔上连通有进液管，进液管上设有若干个冷却单元，回液结构包括回液管和回液腔，回液管连通回液腔，冷却单元两端分别连通进液管和回液管，冷却单元包括能够进行热传导的流道和阀芯，阀芯安装在流道内，阀芯包括由形状记忆合金材料制成的变形部，变形部高温相变后阀芯能够在流道内形成孔隙，并且在低温相变后阀芯封闭孔隙。本发明解决了现阶段电池冷却技术中冷却时不易仅对局部进行冷却、质量较大、控制难度大的问题。

Description

一种轻量化新能源电池冷却装置
技术领域
本发明属于电池组的温度控制技术领域，具体涉及一种轻量化新能源电池冷却装置。
背景技术
作为新能源电动汽车的动力来源，动力电池系统与整车的性能密切相关。在新能源电动汽车中，通常将各个电池单体以串、并联的形式组成电池模组，多个电池模组再以串、并联的形式组成电池系统，用于提供合适的电压和足够的电量。由于电池单体的性能与其内部的电化学反应过程有关，因此电池系统只有在一定的温度范围才能获得最好的工作状态；同时电池系统内的各电池模组之间、各电池单体之间和电池单体自身也应当保持温度的一致性，从而使各电池单体以及电池单体的各部位获得相同的老化速度，以提高电池系统的整体寿命。
但是在电动汽车运行或充电的过程中，电池单体内部的电化学反应和电池单体自身的内阻会造成电池单体的发热，从而导致电池模组和电池系统的温度升高；电池单体不同部位的发热量不同和各个电池单体的发热量不同，又会降低电池系统内的各电池模组之间、各电池单体之间和电池单体自身的温度一致性。电池单体、电池模组和电池系统三个层面下的温度升高和温度的不一致最终会导致电池单体、电池模组和电池系统的性能和使用寿命下降，甚至会引发热失控，严重威胁驾乘人员的生命及财产安全。
现阶段，关于电池的冷却技术要有以下几种方式：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。不管采用哪种方式，现阶段的电池冷却技术中，冷却模块都比较大，重量和占用的空间都比较大，而且冷却的时候是对整个电池系统进行能却，不易仅对局部进行冷却。如果要实现局部冷却，要么整体结构会变得比较复杂，要么需要加装诸多温度传感器和电磁阀才能实现分区控制、分区冷却，不但增加了结构复杂度、控制难度，而且让整个冷却结构占据了整个电池系统相当大一部分重量，也增加了整车的质量。再加上增加的各种传感器、电磁阀以及冷却介质泵持续运转所消耗的电能，无疑会增加整个新能源汽车的能耗，压缩了新能源汽车的实际行驶里程，这对于一直以行驶里程作为市场竞争点的新能源汽车产业来说，无疑是非常不利的。
发明内容
本发明意在提供一种轻量化新能源电池冷却装置，以解决现阶段电池冷却技术中冷却时不易仅对局部进行冷却、质量较大、控制难度大的问题。
为了达到上述目的，本发明的方案为：一种轻量化新能源电池冷却装置，包括储压腔、回液结构、液泵，液泵与储压腔连通，储压腔上连通有进液管，进液管上设有若干个冷却单元，回液结构包括回液管和回液腔，回液管连通回液腔，冷却单元两端分别连通进液管和回液管，冷却单元包括能够进行热传导的流道和阀芯，阀芯安装在流道内，阀芯包括由形状记忆合金材料制成的变形部，变形部高温相变后阀芯能够在流道内形成孔隙，并且在低温相变后阀芯封闭孔隙。
本方案的工作原理及有益效果在于：将液态的冷却介质被液泵一定的压力泵入并储存在储压腔中，让冷却单元贴附着每一个电池单体安装。在常温状态下，也就是阀芯的变形部处于低温相变后的温度时，阀芯封闭流道，冷却介质始终存于储压腔和进液管中，此时的液泵也可停止运转，大大削减液泵的耗能。而当局部的电池单体升温达到变形部的高温相变温度后，热量传导到阀芯上，促使变形部发生相变，阀芯与流道之间形成孔隙，冷却介质得以流入到流道中，对该升温电池单体进行冷却，而且其他未升温的电池单体不会触发变形部相变，因此实现了对局部的电池单体精准地降温。电池单体一旦降温到低温相变温度后，变形部再次在低温相变温度发生相变，阀芯将缝隙封闭，节约流体介质的压力。
本方案对于局部升温的电池单体的识别、启动冷却和结束冷却，完全不需要使用温度传感器和电磁阀，控制难度极低。而且整个冷却过程自动完成，不需要干预，使用维护起来非常省心。
本方案是全机械结构，相较于精密的传感器和电磁阀来说，鲁棒性也更强。
本方案可根据电池类型的不同，选择不同的形状记忆合金材料以设置阀芯变形部的高温相变温度和低温相变温度，一劳永逸，与温度传感器相比，不易受环境的影响，不易失效。
本方案中，仅电池单体升温处的流道才被允许冷却介质通过，其余流道都处于封闭状态，这就导致储压腔内的压力可集中释放，用较小的压力就能驱动冷却介质的流动，因此储压腔和进液管内的压力不用很大，大幅降低了各零部件之间的密封难度，节省材料成本，也降低了质量，利于轻量化。而且，避免了冷却介质流经不需要冷却的电池单元旁边的流道，大幅提高了冷却介质的利用率和储压腔内压力的利用效率。
本方案中，由于冷却介质的压力不用很大，所以冷却介质需要流经的储压腔、进液管、回液管、回液腔和流道都不用采用高压结构，与现阶段的机械增压液冷、相变材料冷却和热管冷却等技术相比，不用采用壁厚较厚的材料，进一步轻量化。液泵也避免了现阶段冷却技术中为了平衡压力和能耗而不得不使用的变频电机，进一步降低了控制难度，仅需根据储压腔、进液管、回液管、回液腔和冷却单元的轻量化结构匹配一个具有压力上限的液泵即可，完全避免了压力过大的情况的发生，正好弥补了轻量化结构不能过压的缺点。
可选地，变形部由一种双程形状记忆合金材料或者两种相变温度不同的单程形状记忆合金材料组成。
可选地，流道呈管状，流道的横截面呈四边形，阀芯包括阀口和阀球，阀口安装于流道的一端，阀球与阀口相抵后能够封闭阀口，变形部包括高温杆和低温杆，高温杆安装于阀球朝向阀口的一侧，低温杆安装于阀球背向阀口的一侧，高温杆和低温杆弯曲且相变后都弯曲程度变小，低温杆相变后阀球与阀口相抵。
可选地，流道包括流道膜和四根支撑条，支撑条分布于流道的四个角上，流道的四个侧面用流道膜覆盖，流道两端封闭。
可选地，流道呈片状，流道包括两面吸热面，吸热面平行设置且存在间隙，阀芯设置在间隙内，阀芯包括主阀管和副阀管，主阀管呈W状弯曲，副阀管设置于主阀管弯折处且倾斜向外延伸，副阀管远离主阀管的一端为自由端且开口，主阀管的直管段上开有与副阀管的自由端相匹配的通孔，副阀管由形状记忆合金制成，副阀管低温相变后自由端插入通孔中，副阀管高温相变后自由端从通孔中脱离。
可选地，进液管包括主管和副管，副管分布于主管两侧，主管内径大于副管内径，主管与副管连通。
可选地，液泵安装于储液腔与回液腔之间，液泵的入口端与回液腔连通，液泵的出口端与储压腔连通。
可选地，储压腔为膨胀水箱，膨胀水箱上设有压力传感器。
可选地，回油腔上安装有散热器。
可选地，吸热面包括金属层，金属层朝内的一侧上覆盖有防刮层。
附图说明
图1为本发明实施例一中一种轻量化新能源电池冷却装置安装在电池系统上的安装示意图；
图2为本发明实施例一中进液管和回液管在电池系统支架上的安装示意图；
图3为本发明实施例一中冷却单元的安装状态示意图；
图4为本发明实施例一中阀芯低温相变后的结构示意图；
图5为本发明实施例二中冷却单元在电池模组中的安装示意图；
图6为本发明实施例二中冷却单元在阀芯高温相变后的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：电池系统1、电池系统支架101、电池模组102、电池单体103、膨胀水箱2、液泵3、进液管4、主管401、副管402、回液管5、回水箱6、散热器7、阀芯8、主阀管801、副阀管802、通孔803、吸热面804、连接管805、阀口806、阀球807、高温杆808、低温杆809、铝合金片810、流道膜811、支撑条812、冷却单元9。
实施例一
本实施例基本如图1所示：一种轻量化新能源电池冷却装置，包括储压腔、回液结构、液泵3，本实施例中，储压腔为膨胀水箱2，具体为囊式膨胀水箱2，膨胀水箱2为圆柱状，膨胀气囊位于水箱的一端，便于将膨胀水箱2顺着电池系统1横置。膨胀水箱2上设有压力传感器。
储压腔上连通有进液管4，进液管4安装在电池系统支架101的上侧，进液管4包括主管401和副管402，副管402分布于主管401两侧呈“丰”字形排布，主管401内径大于副管402内径，主管401与副管402连通，副管402之间的宽度和长度与电池模组102的宽度和长度相匹配，如附图1和附图2所示。
回液结构包括回液管5和回液腔，回液管5与进液管4的分布形状、位置相同，回液管5位于进液管4的正下方，进液管4与回液管5平行，进液管4与回液管5之间的距离与电池模组102的高度相匹配。回液管5连通回液腔，本实施例中，回液腔为常压的回水箱6，回水箱6的侧面安装有翅片散热器7，回流的冷却液先经过翅片散热器7冷却后再流入回水箱6，。
冷却单元9两端分别连通进液管4和回液管5，液泵3安装于储液腔与回液腔之间，液泵3的入口端与回液腔连通，液泵3的出口端与储压腔连通，本实施例中液泵3使用直流电子泵，最大压力设置在0.8bar。ECU通过膨胀水箱2上的压力传感器获取储压腔内的压力数据，当压力小于0.4bar，ECU控制启动液泵3，将冷却液从回液腔泵入储压腔，增加储压腔的压力至0.8bar后停止。
副管402的下方固定有若干个冷却单元9，本实施例中流道呈片状，如附图3所示，流道包括两面吸热面804，吸热面804骨架为金属片，优选为0.5mm的纯铜片，能够更好地将电池模组102的热量进行传导，散热面的内侧覆盖有聚四氟乙烯膜，聚四氟乙烯具有润滑性和耐磨性，避免阀芯8相变时刮坏吸热面804。吸热面804平行设置且存在间隙，间隙大小与电池模组102之间的间距匹配。吸热面804上下两侧粘接在副管402和回液管5上，吸热面804的左右两个侧面也用纯铜片封闭并且与吸热面804一体成型，构成一个扁平的直筒，整体视觉上呈薄片状。冷却单元9至少包覆每个电池模组102的三个面，能够大面积地对电池模组102进行导热，在冷却装置不工作的情况下，也能对电池起到一定的散热作用。
阀芯8设置在间隙内，一个冷却单元9内至少设置七个阀芯8，阀芯8包括主阀管801和副阀管802，主阀管801两端分别安装并连通到副管402和回液管5上，主阀管801除开两端的部分呈W状弯曲，副阀管802设置于主阀管801弯折处且倾斜向外延伸，副阀管802远离主阀管801的一端为自由端且开口，主阀管801的直管段上开有与副阀管802的自由端相匹配的通孔803，副阀管802由形状记忆合金制成，副阀管802低温相变后自由端插入通孔803中，副阀管802高温相变后自由端从通孔803中脱离。本实施例中的形状记忆合金采用双程形状记忆合金，形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的特种合金，这个自动恢复的过程为称为相变，其中特定温度又称为相变温度，相变应力远远大于塑性变形后的弹力。目前常用的镍钛合金，它的相变温度可以根据不同需要控制在5℃-150℃范围内，疲劳寿命达1×107次，阻尼特性比普通的弹簧高10倍。双程形状记忆合金是经过训练的、具有双程形状记忆效应的形状记忆合金，能够在两个不同的温度都发生形状记忆效应的相变，即低于低温相变温度Mf时相变成一个形状，高于高温相变温度Af时相变成另一个形状。Mf和Af可根据不同电池类型的最佳工作范围进行设置，本实施例中的电池为锂离子电池，锂离子电池的最佳工作温度范围在20～30℃，一般在0～45℃之内相对舒适，因此将Af设定在45℃，Mf设定在20℃，即副阀管802在20℃相变弯曲，在45℃相变成直管。当副阀管802低温相变后自由端插入通孔803中后，也就是电池模组102温度没有达到45℃时，整个阀芯8构成一个特斯拉阀结构，如附图4所示，冷却液极难穿过阀芯8，阻止冷却液流过冷却单元9。一旦某一电池模组102的温度上升到超过45℃时，副阀管802相变成直管，副阀管802从主阀管801上的通孔803中脱离，副阀管802上的开口和主阀管801上的通孔803均暴露出来，冷却液得以流经冷却单元9，从而对升温的电池模组102进行冷却，而其他未升温的电池模组102则不会被冷却。而且在冷却的过程中，由于副阀管802变直且本身为合金材料，能够让整个阀芯8增大从吸热面804上吸热的面积范围，提升阀芯8的吸热效率，从而提升冷却单元9的冷却效率，一举两得。直至，冷却单元9将电池模组102的温度降低至20℃时，副阀管802低温相变，其自由端再次插入通孔803中，冷却停止。
整个冷却过程全自动化，无须干预，温度控制准确，局部冷却位置识别准确，整个系统是封闭的内循环系统，对密封性要求低，无需维护，成本低；整个冷却系统全是各种中空的管件、薄壁件，轻量化程度非常高。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于：本实施例主要针对电池单体103的冷却。如附图5所示，冷却单元9的流道呈管状，流道的横截面呈四边形，流道包括流道膜811和四根支撑条812，本实施例中支撑条812由硬质的橡胶制成，一方面具有一定的刚性，能够支撑成管状，另一方面具有一定的弹性，方便将支撑条812卡在电池单体103之间。流道膜811采用聚四氟乙烯膜。支撑条812分布于流道的四个角上，流道两端用金属片封闭，本实施例中采用铝合金片810，铝合金片810与支撑条812固定，铝合金片810的四边为向内侧凹陷的圆弧边，铝合金片810上用连接管805连通流道和进液管4、回液管5。这种流道的设置，一方面利于流道安装在通常呈圆柱状的电池单体103之间的缝隙中，另一方面也尽可能地增大流道的横截面积，提升冷却效率，再一方面流道膜811受压后向外侧鼓起，紧密地贴附在电池单体103的侧壁上，利于电池单体103散热，而且整个冷却单元9具有一定的结构强度和弹性，冷却单元9本身即可用于多个电池单体103之间的固定和缓冲装置。
阀芯8包括阀口806和阀球807，阀口806安装于靠近回液管5的连接管805上，阀球807与阀口806相抵后能够封闭阀口806，变形部包括高温杆808和低温杆809，高温杆808安装于阀球807朝向阀口806的一侧，高温杆808远离阀球807的一端和低温杆809远离阀球807的一端均焊接在连接管805内壁上，低温杆809安装于阀球807背向阀口806的一侧，高温杆808和低温杆809均具有弯曲的趋势，高温杆808和低温杆809弯曲且相变后都弯曲程度变小，而且低温杆809相变后阀球807与阀口806相抵，如附图6所示，为展示内部结构，对一侧的流道膜811进行了局部剖切。将高温杆808的相变温度设定在45℃，低温杆809的相变温度设定在20℃。当某处的电池单体103升温到45℃时，高温杆808受热形变，弯曲程度变小，长度伸长，压缩对侧的低温杆809变弯，阀球807脱离阀口806，漏出阀口806，从而让冷却液得以从进液管4流向回液管5，从而对该电池单体103的侧壁进行冷却。当该处的温度降温到20℃时，低温杆809相变伸长，高温杆808被压缩变弯，阀球807封堵阀口806，阻断冷却液流动，除非该处再升温到45℃，否则阀球807将一直封堵阀口806。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：包括储压腔、回液结构、液泵，液泵与储压腔连通，储压腔上连通有进液管，进液管上设有若干个冷却单元，回液结构包括回液管和回液腔，回液管连通回液腔，冷却单元两端分别连通进液管和回液管，冷却单元包括能够进行热传导的流道和阀芯，阀芯安装在流道内，阀芯包括由形状记忆合金材料制成的变形部，变形部高温相变后阀芯能够在流道内形成孔隙，并且在低温相变后阀芯封闭孔隙。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：变形部由一种双程形状记忆合金材料或者两种相变温度不同的单程形状记忆合金材料组成。
3.根据权利要求2所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：流道呈管状，流道的横截面呈四边形，阀芯包括阀口和阀球，阀口安装于流道的一端，阀球与阀口相抵后能够封闭阀口，变形部包括高温杆和低温杆，高温杆安装于阀球朝向阀口的一侧，低温杆安装于阀球背向阀口的一侧，高温杆和低温杆弯曲且相变后都弯曲程度变小，低温杆相变后阀球与阀口相抵。
4.根据权利要求3所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：流道包括流道膜和四根支撑条，支撑条分布于流道的四个角上，流道的四个侧面用流道膜覆盖，流道两端封闭。
5.根据权利要求2所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：流道呈片状，流道包括两面吸热面，吸热面平行设置且存在间隙，阀芯设置在间隙内，阀芯包括主阀管和副阀管，主阀管呈W状弯曲，副阀管设置于主阀管弯折处且倾斜向外延伸，副阀管远离主阀管的一端为自由端且开口，主阀管的直管段上开有与副阀管的自由端相匹配的通孔，副阀管由形状记忆合金制成，副阀管低温相变后自由端插入通孔中，副阀管高温相变后自由端从通孔中脱离。
6.根据权利要求5所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：进液管包括主管和副管，副管分布于主管两侧，主管内径大于副管内径，主管与副管连通。
7.根据权利要求1所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：液泵安装于储液腔与回液腔之间，液泵的入口端与回液腔连通，液泵的出口端与储压腔连通。
8.根据权利要求1所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：储压腔为膨胀水箱，膨胀水箱上设有压力传感器。
9.根据权利要求1所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：回油腔上安装有散热器。
10.根据权利要求6所述的一种轻量化新能源电池冷却装置，其特征在于：吸热面包括金属层，金属层朝内的一侧上覆盖有防刮层。
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