CN115966802A - 一种基于特斯拉阀的电池散热结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于特斯拉阀的电池散热结构，包括背对背设置的电池模块，电池模块包括若干平行设置电池单体，电池单体的最大面积的侧面竖直设置，并且设置在电池单体上的泄压阀向外设置；电池单体之间设置有特斯拉阀散热片；电池模块之间设置有冷却循环通道。本发明通过改变传统电池模块的结构，设置冷却循环通道，提供绝缘屏障，电池即使热失控了，热失控产生的气体、热量也会第一时间喷到模块外面去，不会影响到模块内的电池、相连的模块，并降低了电池维护检修的难度，缩短了风冷空气在电池模块内部流动的路径，使电池热量更快的排出，提高了散热效率。

Description

一种基于特斯拉阀的电池散热结构

技术领域

本发明属于储能电池领域，具体涉及一种基于特斯拉阀的电池散热结构。

背景技术

锂离子储能电池在正常充放电运行过程中会产生热量导致自身温度升高，造成电池过热，使电池的容量快速下降，减少电池的使用寿命；而在异常情况下电池会发生热失控反应，产生的热量更多，不仅会对自身造成不良影响，更会影响其它的电池，造成热失控的蔓延，扩大安全事故的范围。因此，需要对锂离子储能电池进行热管理，既要在正常运行时使电池在规定运行温度范围内，又要在热失控状态下使电池产生的热量迅速被转移，避免累积和扩散蔓延。

目前大规模应用的电池热管理方式主要是风冷散热和液冷散热。对于风冷散热，存在的普遍问题是：①散热效率低，需要依靠空气的整体性流动带走电池的热量，且由于结构的问题，易造成某些模块内某些部位的空气流速较低，从而出现局部热点；②电池处于热失控状态时，电池的热量会在模块内四处传递，造成热失控蔓延。对于液冷散热，存在的普遍问题是：①一般是在电池模块的底部放置液冷板，热交换部位仅限于电池模块底部，降温速度慢；②每个模块的液冷板通过管道前后相连，导致热量被液冷介质分散到流经的每个模块底部，降温效果查；③每个模块的液冷板都是一体化成型的，液冷板温度均匀，导致模块内某个电池热失控时，该电池热失控产生的热量会通过液冷板传导到模块内的其它电池上。

为了避免电池热失控的蔓延，往往会采用阻燃隔热材料，屏蔽掉电池之间的热传递，但是这样会改变模组结构、把热量控制在电池周边，引发“冰屋效应”，即发热电池单体不断热积累，反而起到了热失控电池本身的加热效果。有现有技术是采用特斯拉管的技术实现热管理，比如专利：基于特斯拉阀散热的锂离子电池储能系统(CN202111503326)，是采用导热板和特斯拉阀，特斯拉阀是安装在锂离子电池包的壳体外面，其两端是通过管道伸入锂离子电池包的壳体内和导热板的两端对应联通形成散热回路，这种方式使用的特斯拉阀起到的作用是在锂离子电池外部起到散热作用，不是直接作用在锂离子电池包内部。

专利：一种电池模组(CN202120444091)中也使用了特斯拉阀，把特斯拉阀安装在了电池模组外壳的端板内，实现单向导通功能。

专利：一种动力电池包(CN202121640356)中使用特斯拉阀在电池模组的侧面，电池喷出的热失控气体进入到特斯拉阀，再汇集进入到进气梁，再排入出气梁，最终排出。

专利：用于新能源汽车的冷却装置(CN202211015771)中使用特斯拉阀，是在电池模块的下方设置一块横向的防护基体，基体有进气口联通动力电池模块，在防护基体的横截面的两侧各横向放置一个特斯拉阀，起到定向排出的作用。

以上技术都采用了特斯拉阀，实现电池包、电池模块的热失控气体的单向排出，然而这些技术存在的共性问题是：适用的对象只是动力电池，其安装的部位都是在电池包、电池模块的外部，只是把电池包、电池模块作为一个整体来考虑定向排气的问题，没有起到电池包、电池模块内部的气体定向排出的效果。

传统的电池模块内的电池排布，主要是电池泄压阀和电池正负极所在的电池侧面朝上放置，这样很多电池按照不同的串并联结构集中放置在模块内，并且传统的电池簇，是这样的电池模块依次上下层叠放置在电池架上，模块的正极、模块的负极从垂直地面的一侧伸出，进行模块间的连接。这样的好处是电池模块的空间利用率高，电池密集堆积；但是缺点也很明显，即电池簇内和电池模块内的电池属于较深的内部位置，电池如果出现故障，维护和检修都非常的麻烦，尤其是出现严重故障时，难以第一时间拆卸，通常是先停机、再把模块拆卸、取出模块后再拆卸电池，既耗时又耗力。

另外，这种结构的电池模块、电池簇，对于风冷散热的效果非常有限，因为在模块内部的电池往往是以电池最大面积的那个侧面互相平行放置并且与模块伸出的正极、负极保持直角，这样就造成风冷散热的效果有限，因为空气在模块内的流动，不是流经电池最大的面积(也即电池最大的散热面)，而是流经较小的侧面，换热效率低下，电池最大侧面积对应的空间被浪费了。从安全的角度来看，由于这种结构的电池模块、电池簇的摆放，泄压阀是朝上的，当电池热失控时，热失控的高温气体向上喷出，会对模块上方产生高温加热作用，如果模块无外壳，那么高温气体会作用到上方的模块，如果模块有外壳，那么高温气体会憋在模块内四散，加热模块内其余的电池，造成热失控的蔓延。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提出一种基于特斯拉阀的电池散热结构，该散热结构既实现电池热失控产生的气体可定向排出，又实现了电池模块内风冷空气、液冷介质的定向流动排出，避免了电池模块内电池单体热失控产生的热量被模块其它电池吸收的问题，弥补了现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于特斯拉阀的电池散热结构，包括背对背设置的电池模块，电池模块包括若干平行设置电池单体，电池单体的最大面积的侧面竖直设置，并且设置在电池单体上的泄压阀向外设置；电池单体之间设置有特斯拉阀散热片；电池模块之间设置有冷却循环通道。

进一步的，特斯拉阀散热片与竖直设置的电池单体的最大面积的侧面等高。

进一步的，特斯拉阀散热片与泄压阀平行设置。

进一步的，对于风冷散热模式，冷却循环通道作为风冷循环通道，冷空气进入风冷循环通道；对于液冷散热模式，冷却循环通道作为液冷介质管路通道，液冷介质进入液冷介质管路通道。

进一步的，风冷循环通道入口处设置有空调。

进一步的，液冷介质管路通道中的液冷介质流经特斯拉阀散热片后通过液冷机，再进入液冷介质管路通道。

进一步的，液体介质为密度随温度变化敏感、沸点低的液体。

进一步的，液冷介质为醚类物质、电子氟化液或液压油。

进一步的，特斯拉阀散热片包括第一导热材料、第二导热材料与若干隔热材料，隔热材料的一侧为与电池单体接触的第一导热材料，另一侧为与电池单体接触的第二导热材料，隔热材料内设置有特斯拉阀管。

进一步的，第一导热材料与第二导热材料为金属、石墨烯材料或导热硅胶；

隔热材料为泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉或真空隔热板；

特斯拉阀管的材料为PVC、金属或聚甲基丙烯酸甲酯；

特斯拉阀管的截面为方形。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过改变传统电池模块的结构，设置冷却循环通道，提供绝缘屏障，电池即使热失控了，热失控产生的气体、热量也会第一时间喷到模块外面去，不会影响到模块内的电池、相连的模块，并降低了电池维护检修的难度，缩短了风冷空气在电池模块内部流动的路径，使电池热量更快的排出，提高了散热效率。本发明通过改变传统电池簇的结构，从单排的电池模块变成2排电池模块，提高了空间利用率。

进一步的，本发明通过改变传统的电池模块散热结构，实现了电池散热时的风冷空气从电池簇的中间循环通道定向进入电池模块内，通过特斯拉阀定向从泄压阀一侧流出，由于特斯拉阀管的空气加速作用，进一步提高了风冷散热的效果；并且这样放置后，电池热失控产生的气体很难逆向进入特斯拉阀散热片，也很难进入电池模块的内部，保护了电池模块免于热失控的扩散。

进一步的，对于液冷散热模式，由于采用密度随温度变化敏感的液体，当电池热失控时特斯拉阀内部的冷却介质吸收热量后密度降低导致体积膨胀，会优先、自动从特斯拉阀流出，实现了电池热量的实时、自动、定向散热，即使在系统出现故障或停机状态下，仍能实时、自动、定向散热。

进一步的，特斯法阀管采用方形截面结构，方形有四个边，左右两边与导热材料接触，上下两边与隔热材料接触，使电池单体与特斯拉阀散热片的热接触面积大，提高了散热效率。

进一步的，本发明中特斯法阀散热片采用第一导热材料、隔热材料与第二导热材料的夹层结构，使电池的热量只能进入特斯拉阀管路内，而不会在电池单体与电池单体间热交换。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为散热介质流通方向示意图；

图3为液冷散热模式的液体介质流通方向示意图；

图4为特斯拉阀管的结构示意图。其中，(a)为第一种非对称结构，(b)为第二种非对称结构，(c)为对称结构，(d)为第三种非对称结构。

图5为特斯拉散热片结构示意图。

图中，1为电池单体，2为泄压阀，3为特斯拉散热片，4为风冷循环通道，5为液冷机，6为第一导热材料，7为隔热材料，8为第二导热材料，9为特斯拉阀管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明适用的对象是储能电池，不适用动力电池。

如图1所示，本发明的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，包括若干平行设置的电池单体1，电池单体1的最大侧面积的侧面竖直设置，并且设置在电池单体1上的泄压阀2向外设置。

若干电池单体组成电池模块，本发明中电池模块，通过改变现有的电池泄压阀朝上、电池单体最大侧面积的那个面水平平行并列放置的摆放方式。

在电池单体1之间，放置与电池单体竖直设置的侧面等高的特斯拉阀散热片3，即特斯拉阀散热片3与泄压阀2平行设置。

本发明中两排电池模块背向放置，两排背靠背的电池模块中间留出冷却循环通道。

对于风冷散热模式，冷却循环通道作为风冷循环通道，冷空气进入风冷循环通道；对于液冷散热模式，冷却循环通道作为液冷介质管路通道4，液冷介质进入液冷介质管路通道4。

对于风冷散热模式，如图1所示，进风方向朝向电池模块之间的风冷循环通道，出风方向朝向泄压阀的方向，在进风入口放置空调，促使空气进入特斯拉阀散热3片。参见图2，特斯拉阀散热片的宽度与电池单体的宽度相同，并且特斯拉阀散热片的两端(平行地面方向的两端)是连通的，便于通过特斯拉阀散热片3内的空气流动，带走与之接触的电池单体侧面散发的热量。

对于液冷散热模式，如图3所示，液冷介质流入的方向朝向电池模块之间的液冷介质管路通道4，液冷介质流经电池单体间放置的特斯拉阀散热片3，液冷介质流出的方向朝向泄压阀的方向，流出后再通过电池模块外的管路回到液冷机5，液冷机5对液冷介质降温冷却，然后液冷介质再通过液冷管路通道进入电池模块之间的液冷介质管路通道4。

参见图5，特斯拉阀散热片3包括第一导热材料6、第二导热材料8与若干隔热材料7形成的夹层结构，隔热材料7的一侧为与电池单体接触的第一导热材料6，另一侧为与电池单体接触的第二导热材料8，第一导热材料6与第二导热材料8为金属、石墨烯材料或导热硅胶等，隔热材料7为泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉或真空隔热板，相邻隔热材料之间设置有特斯拉阀管9，特斯拉阀管9隔开导热材料7，特斯拉阀管9为导热良好的材料，导热良好的材料为PVC材料、金属材料(比如铜)或聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)材料等，特斯拉阀散热片3的进口方向参见图2。特斯拉阀散热片3的夹层结构的作用是，使电池单体的热量透过导热材料迅速被特斯拉阀管路吸收，同时由于隔热材料的存在，电池单体间的热量不会互相传递，即电池单体的热量只能传导进特斯拉阀的管路里，被冷却介质带走。

液冷散热模式时，液体介质为密度随温度变化敏感、沸点低的液体，包括但不限于：醚类物质(甲醚或乙醚)、电子氟化液与液压油等，液体介质的密度随温度提高而降低；当电池热失控时液体介质吸收电池热量而体积膨胀，在特斯拉阀管路内形成压力，由于特斯拉阀管的特殊结构，冷却介质将自动从出口排出，带动后端的冷却介质补充进特斯拉阀管路中。

对于液冷散热模式，当液冷机5停止运行时，液冷管路仍然是导通的，这样即使在停机状态下，当电池簇中的电池发生热失控时，由于液体介质的吸热膨胀作用以及特斯拉阀散热管路的特殊结构，吸收热量的液体介质在液冷机的压力作用下自动排出，自发形成液体循环，这样能时刻保持液冷降温的效果。

本发明中特斯拉阀散热片3中的特斯拉阀管9，具有多种形式，包括不对称型和对称型两种，具体形状如图4中(a)、(b)、(c)和(d)所示，特斯拉阀管9(管的右端为进风口，左端为出风口)，特点是空气在内部定向流动。特斯拉散热片内的特斯拉阀沿电池单体的宽度方向(即平行地面方向)，两端是贯通的，便于通过特斯拉阀散热片内的空气流动，带走与之接触的电池单体侧面散发的热量。

特斯拉阀管9是方形的截面结构，这种结构使特斯拉阀管9的侧面与两侧的第一导热材料6与第二导热材料7接触，截面为方形结构，使得与第一导热材料6与第二导热材料8的接触面积更大，从而增加与电池单体热量传递的接触面积大，便于热量的高效传递。

本发明通过电池模块结构设计，实现电池泄压阀水平朝外放置，两排电池机柜背向放置，并留出风冷循环通道，电池单体间加置等高的特斯拉阀散热片，实现风冷定向流动。本发明中电池模块的电池布置的变化，提升了散热效率、提高了电池安全性。

Claims (10)

1.一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，包括背对背设置的电池模块，电池模块包括若干平行设置电池单体(1)，电池单体(1)的最大面积的侧面竖直设置，并且设置在电池单体(2)上的泄压阀(2)向外设置；电池单体(1)之间设置有特斯拉阀散热片(3)；电池模块之间设置有冷却循环通道。

2.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，特斯拉阀散热片(3)与竖直设置的电池单体(1)的最大面积的侧面等高。

3.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，特斯拉阀散热片(3)与泄压阀(2)平行设置。

4.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，对于风冷散热模式，冷却循环通道作为风冷循环通道，冷空气进入风冷循环通道；对于液冷散热模式，冷却循环通道作为液冷介质管路通道(4)，液冷介质进入液冷介质管路通道(4)。

5.根据权利要求4所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，风冷循环通道入口处设置有空调。

6.根据权利要求4所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，液冷介质管路通道(4)中的液冷介质流经特斯拉阀散热片后通过液冷机(5)，再进入液冷介质管路通道(4)。

7.根据权利要求4所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，液体介质为密度随温度变化敏感、沸点低的液体。

8.根据权利要求7所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，液冷介质为醚类物质、电子氟化液或液压油。

9.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，特斯拉阀散热片(3)包括第一导热材料(6)、第二导热材料(8)与若干隔热材料(7)，隔热材料(7)的一侧为与电池单体(1)接触的第一导热材料(6)，另一侧为与电池单体(1)接触的第二导热材料(8)，相邻隔热材料(7)之间设置有特斯拉阀管(9)。

10.根据权利要求9所述的一种基于特斯拉阀的电池散热结构，其特征在于，第一导热材料(6)与第二导热材料(8)为金属、石墨烯材料或导热硅胶；

隔热材料(7)为泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉或真空隔热板；

特斯拉阀管(9)的材料为PVC、金属或聚甲基丙烯酸甲酯；

特斯拉阀管(9)的截面为方形。

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