CN116505142A - 一种动力电池包壳体及其控制单元的控制方法 - Google Patents

一种动力电池包壳体及其控制单元的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种动力电池包壳体及其控制单元的控制方法，所述壳体的侧壁设置夹层空腔，所述夹层空腔内壁紧临电芯，且所述夹层空腔包括两个相对设置的第一区域和两个相对设置的第二区域，且第一区域的长度小于第二区域的长度；所述第一区域内设置有第一热管，所述第二区域内设置有第二热管；所述第一热管和第二热管为闭合式脉动热管，均包括位于下部的蒸发段和上部的冷凝段，所述蒸发段的高度即为所述电芯的高度；所述第一热管和第二热管内部为负压，填充液态工质，所述工质在预设温度下相变；使用时，控制工质温度在设定的温度下发生相变，气塞膨胀将液塞推至冷凝区，带走热量，将电芯温度在设定的温度下。

Description

一种动力电池包壳体及其控制单元的控制方法
技术领域
本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种动力电池包壳体及其控制单元的控制方法。
背景技术
由于双碳政策的影响，新能源技术蓬勃发展，动力电池作为关键功能元件一直备受关注。动力电池的热安全始终制约着电池的广泛应用。热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有很高的导热性、恒温特性、热开关性能等一系列优点。
脉动热管是将管内抽成真空后充注部分工作介质，由于管径足够小，管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝端。那里，气泡冷却收缩并破裂，压力下降，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我震荡。
为此考虑在动力电池包内使用脉动热管从而调节电芯温度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种动力电池包壳体及其控制单元的控制方法，所述壳体设置夹层空腔围绕电芯；夹层空腔中设置脉动热管，利用脉动热管气液两相流动和传热的特点，带走电芯的热量，达到冷却的目的，同时还提供一种设置有热电制冷片的控制单元的控制方法，用于在电池低温时加热热管，使其向电池传热，在电池高温时，进一步冷却热管，更有效的降低电池温度。
一种动力电池包壳体，所述壳体的侧壁设置夹层空腔，所述夹层空腔内放置2个第一热管和2个第二热管；所述夹层空腔内壁紧临电芯，且所述夹层空腔包括两个相对设置的第一区域和两个相对设置的第二区域，且第一区域的长度小于第二区域的长度；所述第一区域内设置有第一热管，所述第二区域内设置有第二热管；且所述第一热管的轮廓与第一区域轮廓适配，第二热管的轮廓与第二区域的轮廓适配；
其中，所述第一热管和第二热管为闭合式脉动热管，均包括位于下部的蒸发段和上部的冷凝段，所述蒸发段的高度即为所述电芯的高度；冷凝段的高度不小于蒸发段1/5；所述第一热管和第二热管内部为负压，填充液态工质，所述工质在35-55℃温度下相变；
使用时，控制工质温度在设定的温度下发生相变，当所述第一/第二热管的蒸发区温度高于设定的温度时，第一/第二热管内部工质发生相变，工质蒸发，气塞膨胀将液塞推至高于所述电芯顶部的冷凝区，带走热量，将电芯温度在设定的温度下。
进一步的，所述工质为水，压力值为5.7kPa，为负压，设定在35℃时发生相变。
进一步的，所述动力电池包壳体内还设置有控制单元，所述控制单元包括多个温度传感器和电控单元；在动力电池包壳体底部中心位置设置有第一温度传感器，在两个第二热管的冷凝段分别设置一个第二温度传感器；所述第一、第二度传感器与控制单元电连接，用于传输温度信号；所述电控单元包括热电制冷片、第一开关和第二开关，第一开关和第二开关均具有1端和3端，且所述热电制冷片位于第一开关和第二开关之间；热电制冷片位于第一和第二热管的冷凝段与电池外壁之间，其由包内电池进行供电；
所述控制单元根据温度传感器检测的温度控制电控单元中的第一开关和第二开关，从而控制电控单元内电流的流向，使热电制冷片放热或吸热，从而加热/冷却第一和第二热管。
进一步的，所述控制单元的控制方法如下：
在电池包工作时，如第一温度传感器检测的电池包底部温度小于5℃时，控制控制单元的第一开关连通3端，第二开关连通1端，控制电流逆向流过热电制冷片，加热第一和第二热管，热管向电池传热，使电池温度上升；
当所述第一/第二热管上的第二温度传感器中任一检测到温度高于55℃，控制第一开关处于1端，第二开关处于3端，控制电流正向流过热电制冷片，对第一和第二热管进行进一步冷却。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明结构简单，在电池包外壁夹层中设置脉动热管，利用脉动热管气液两相流动和传热的特点，带走电芯的热量，达到冷却的目的；本发明结构简单，无须额外的温度或压力传感器，只需设定热管内部工质相变的温度，使热管内的工质在设定温度下即发生相变，从而工质蒸发，气塞膨胀将液塞推至冷凝区，带走热量，将电池温度维持在35℃左右；
为进一步增强电池包内电池的工作效率以及强化热管散热，还增设有热电制冷片的电控单元，用于当电池处于低温启动状态时加热热管，向电池传热；当热管相变的同时，使热电制冷片吸热，进一步强化热管散热，从而更有效的降低电池温度。
附图说明
图1a为本发明所述动力电池包壳体的侧视图，为清楚示出其中结构，其中局部进行剖视；图1b是所述动力电池包壳体的俯视图，为清楚示出其中结构，其中局部进行剖视；
图2为所述动力电池包壳体的剖视图，其中在第一区域内设置有第一热管；
图3a为第一热管的示意图，图3b为所述动力电池包壳体的局部剖视图，示出第一热管对应的蒸发段和冷凝段与电芯的位置关系；
图4为所述第二热管的示意图；
图5示出加热热管时对热电制冷片控制的电路图；
图6示出冷却热管时对热电制冷片控制的电路图。
图中：
1：外壁 2：内壁
HP1：第一热管 HP2：第二热管
3：第一区域 4：第二区域
5：电芯 6：热电制冷片
T1：第一温度传感器 T2,T3：第二温度传感器
S：第一开关 SS：第二开关
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
一种动力电池包壳体，如图1a-1b和图2所示，所述动力电池包壳体是指在所述电池包的壳体侧壁设置有夹层空腔，所述夹层空腔位于电池包壳体的四壁，不包括顶壁和底壁，夹层空腔内放置2个第一热管HP1和2个第二热管HP2。所述电池包壳体的最外部的壁为外壁1，在其内部，靠近电芯的壁为内壁2。所述内壁2和外壁1之间的区域作为夹层空腔。在所述夹层空腔内具有两个相对设置的第一区域和两个相对设置的第二区域，所述第一区域3的两端分别与两个第二区域4临接，且第一区域3的长度小于第二区域4的长度。所述第一区域3内设置有第一热管HP1，所述第二区域4内设置有第二热管HP2，且所述第一热管的轮廓与第一区域轮廓适配，第二热管HP2的轮廓与第二区域的轮廓适配，从而使第一热管和第二热管的一侧紧贴在内壁2上，又由于内壁2紧临电芯5，这样设置有利于热管从电芯5处吸热。
如图3a,3b所示，所述第一热管HP1和第二热管HP2均为闭合式脉动热管，即为连续U型管道以往复弯曲方式水平延伸，且首尾U型管道相连形成闭合的环路，且U型管道的各相邻管道水平均匀排布。所述第一热管HP1和第二热管HP2均包括位于下部的蒸发段和上部的冷凝段，所述第一热管和第二热管的高度等于第一、第二区域的高度。
所述蒸发段的高度即为所述动力电池包内电芯的高度，工作中第一热管/第二热管从电芯处吸收热量，冷凝段高于电芯顶部，冷凝段的高度不小于蒸发段1/5。
图3a,3b以第一热管为例进行示意，第二热管的结构与第一热管相同，在此不再赘述。所述第一热管HP1和第二热管HP2的区别在于其长度不同，图4为所述第二热管的示意图。第一/第二热管外径6mm，内径2mm，总高度120mm，蒸发段和冷凝段的高度随电池变化，第一热管HP1共8弯头，16根管，第二热管HP2共12弯头，24根管，且所述第一热管HP1和第二热管HP2内部填充工质为水，由于热管内径较细，在表面张力的作用下，内部液态工质与空气成气液塞间隔分布；压力值为5.7kPa，为负压，工作温度为>35℃。
如图2所示，在动力电池包壳体底部中心位置设置有第一温度传感器T1，在两个第二热管HP2的冷凝段分别设置有第二温度传感器T2,T3。所述第一、第二度传感器T1,T2,T3与控制单元电连接，用于传输温度信号，所述控制单元还包括一电控单元，包括热电制冷片6、第一开关S和第二开关SS，第一开关S和第二开关SS均具有1端和3端；在第一和第二热管的冷凝段与电池外壁1之间布置热电制冷片6，其由包内电池进行供电。所述电控单元由包内电池进行供电，所述控制单元根据检测的温度控制电控单元中的第一开关和第二开关，从而控制电流的流向，使热电制冷片6放热或吸热，加热/冷却第一和第二热管。
所述动力电池包壳体的工作原理如下：
在电池工作时，当控制单元检测到第一温度传感器T1检测的电池包底部温度小于5℃时，即电池处于低温启动状态，如图5所示，控制单元控制第一开关S连通3端，第二开关SS连通1端，控制电流逆向流过热电制冷片6，加热第一和第二热管，热管向电池传热，使电池温度上升，及时进入最佳放电温度区间；
当所述第一/第二热管上的第二温度传感器T2,T3中任一检测到温度高于55℃(此时热管的蒸发区温度会高于35℃)，即电池高温工作状态，此时第一/第二热管的蒸发区温度高于35℃，第一/第二热管内部工质发生相变，工质蒸发，气塞膨胀将液塞推至冷凝区，带走热量，将电芯温度维持在35℃左右，达到冷却的目的；由于第一热管HP1和第二热管HP2内部负压，调整热管内部压力至5.7kPa，控制其工质在35℃发生相变，在负压与表面张力作用下，热管内部形成间断的气液塞；
如图6所示，当所述第一/第二热管上的第二温度传感器T2,T3中任一检测到温度高于55℃，同时控制第一开关S处于1端，第二开关SS处于3端，控制电流正向流过热电制冷片，对第一和第二热管进行进一步冷却，以强化热管散热，更有效的降低电池温度。
在其余状态，电池处于正常工作状态，电控单元的第一开关S与第二开关SS处于2位置，此时电控单元不工作。
以148x72x100尺寸的NCM811电池为例，第一/第二热管蒸发区高度为100mm，热管散热由公式计算得到，可应对q<3x106W/m2，Q<106W的换热场景；其中q表示热流密度，Q表示传热量。
该电池包正常工作时电池包内各电芯散热约为0.3W，当电池成组使用时，Q≈300W，q≈3x105W/m2，因此，使用本发明所述冷却系统能够满足电池包冷却的需求。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动力电池包壳体，其特征在于，所述壳体的侧壁设置夹层空腔，所述夹层空腔内放置2个第一热管(HP1)和2个第二热管(HP2)；所述夹层空腔内壁紧临电芯(5)，且所述夹层空腔包括两个相对设置的第一区域(3)和两个相对设置的第二区域(4)，且第一区域(3)的长度小于第二区域(4)的长度；所述第一区域(3)内设置有第一热管(HP1)，所述第二区域(4)内设置有第二热管(HP2)；且所述第一热管(HP1)的轮廓与第一区域(3)轮廓适配，第二热管(HP2)的轮廓与第二区域(4)的轮廓适配；
其中，所述第一热管(HP1)和第二热管(HP2)为闭合式脉动热管，均包括位于下部的蒸发段和上部的冷凝段，所述蒸发段的高度即为所述电芯(5)的高度；冷凝段的高度不小于蒸发段1/5；所述第一热管(HP1)和第二热管(HP2)内部为负压，填充液态工质，所述工质在35-55℃下相变；
使用时，控制工质温度在设定的温度下发生相变，当所述第一/第二热管的蒸发区温度高于设定的温度时，第一/第二热管内部工质发生相变，工质蒸发，气塞膨胀将液塞推至高于所述电芯(5)顶部的冷凝区，带走热量，将电芯温度控制在设定的温度下。
2.根据权利要求1所述的动力电池包壳体，其特征在于，所述工质为水，压力值为5.7kPa，为负压，设定在35℃时发生相变。
3.根据权利要求1所述的动力电池包壳体，其特征在于，所述动力电池包壳体内还设置有控制单元，所述控制单元包括多个温度传感器和电控单元；在动力电池包壳体底部中心位置设置有第一温度传感器(T1)，在两个第二热管(HP2)的冷凝段分别设置一个第二温度传感器(T2,T3)；所述第一、第二度传感器(T1,T2,T3)与控制单元电连接，用于传输温度信号；所述电控单元包括热电制冷片(6)、第一开关(S)和第二开关(SS)，第一开关S和第二开关SS均具有1端和3端，且所述热电制冷片(6)位于第一开关(S)和第二开关(SS)之间；热电制冷片(6)位于第一和第二热管的冷凝段与电池外壁(1)之间，其由包内电池进行供电；
所述控制单元根据温度传感器检测的温度控制电控单元中的第一开关和第二开关，从而控制电控单元内电流的流向，使热电制冷片(6)放热或吸热，从而加热/冷却第一和第二热管。
4.根据权利要求3所述的动力电池包壳体内的所述控制单元的控制方法，包括：
在电池包工作时，如第一温度传感器(T1)检测的电池包底部温度小于5℃时，控制控制单元的第一开关(S)连通3端，第二开关(SS)连通1端，控制电流逆向流过热电制冷片(6)，加热第一和第二热管，热管向电池传热，使电池温度上升；
当所述第一/第二热管上的第二温度传感器(T2,T3)中任一检测到温度高于55℃，控制第一开关(S)处于1端，第二开关(SS)处于3端，控制电流正向流过热电制冷片(6)，对第一和第二热管进行进一步冷却。
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