CN116598661A - 一种直冷和重力热管耦合的电池包及其热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直冷和重力热管耦合的电池包及其热管理系统，涉及新能源汽车和储能电站热管理领域，包括电池包上盖、保温材料、吹胀型铝制直冷板、电芯组、吹胀型铝制均热板、电池包侧围和电池包托盘，所述电池包侧围与所述电池包托盘固定连接，所述电芯组放置在所述电池包托盘上，每相邻两排电芯之间放置一块所述吹胀型铝制均热板，所述吹胀型铝制直冷板、所述吹胀型铝制均热板和所述电芯组之间的空隙部分填充有绝缘导热硅脂。本发明公开的直冷和重力热管耦合的电池包、热管理系统能有效降低充放电过程中电芯的温度，而且吹胀型铝制均热板的介入能够有效地保证单体电芯、电芯组的均温性，从而提高电池工作的安全性能。

Description

一种直冷和重力热管耦合的电池包及其热管理系统

技术领域

本发明涉及新能源汽车和储能电站热管理领域，尤其涉及一种直冷和重力热管耦合的电池包及其热管理系统。

背景技术

当前，全球能源紧缺和气候变暖问题日益严重，汽车新的动力源成为了世界各国不断寻求的目标，新能源汽车的发展逐渐成为了汽车行业新的研究方向。包含风能、太阳能在内的可再生能源飞速发展，但是以清洁可再生能源为主的能源结构存在一系列的挑战：(1)风能、太阳能发电存在波动性和间歇性；(2)风力和太阳能资源丰富的地区，用户侧消纳能力有限，弃风光的现象较为严重；(3)分布式可再生能源发电直接并网会对电网造成波动。基于上述问题，新能源电站一般均需配置一定数量的储能产品。

对于新能源汽车和储能电站，当前使用较多的为方形锂离子电池，电池充放电过程中温度升高会对锂离子电池性能、寿命产生不利的影响，严重时会引发安全事故。对于电池系统而言，合适的温度是使其保持高效、安全、可靠工作的重要保障，因此如何设计电池热管理系统成为行业的研究热点。

目前而言，电池热管理主要采用风冷和液冷两种方式。风冷系统结构简单但是冷却效果较差，且在运行过程中可能将空气中的细小杂质带入电池工作环境中，使其恶化，不利于电池安全运行；液冷相对于风冷而言，换热能力有所提升，但是其对电池温度的变化响应较慢，而且存在液体工质泄露的隐患，对系统的密封要求较高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种直冷和重力热管耦合的电池包及其热管理系统，可以有效降低充放电过程中电芯单体的温度，保证电芯之间的均温性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何有效降低充放电过程中电芯单体的温度，保证电芯之间的均温性。

为实现上述目的，本发明提供了一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，包括电池包上盖、吹胀型铝制直冷板、电芯组、吹胀型铝制均热板、电池包侧围和电池包托盘，其中，所述电池包侧围与所述电池包托盘相连，所述电芯组放置在所述电池包托盘上，在所述电芯组中，每相邻两排电芯之间放置一块所述吹胀型铝制均热板，所述吹胀型铝制直冷板放置在所述电芯组的上表面并与所述吹胀型铝制均热板的上端表面贴合，所述吹胀型铝制直冷板、所述吹胀型铝制均热板和所述电芯组之间的空隙部分填充有绝缘导热硅脂。

进一步地，所述电池包托盘包括铝制定位杆、托盘底板和铝型材，所述铝型材通过焊接工艺形成铝型材环形框架，所述铝型材环形框架上表面均匀设置多个螺纹孔，所述托盘底板通过焊接固定所述铝型材环形框架上，所述铝制定位杆通过焊接固定在所述托盘底板上，在所述铝制定位杆上表面设置有多个螺纹孔。

进一步地，所述电池包托盘还包括背部支撑盖板和加强筋，在所述铝型材环形框架下表面设有多个开槽，所述加强筋插入所述开槽内并通过焊接将所述铝型材环形框架和所述加强筋固定，所述背部支撑盖板与所述铝型材环形框架通过焊接固定，所述托盘底板为凹凸结构，所述托盘底板的凸起部分嵌入所述加强筋的凹陷处，所述加强筋和所述背部支撑盖板通过焊接与所述托盘底板进行固定。

进一步地，还包括保温材料，所述保温材料填充在所述吹胀型铝制直冷板和所述电池包上盖之间。

进一步地，所述吹胀型铝制直冷板、所述电池包侧围和所述电池包上盖通过螺栓组固定，所述电池包侧围与所述电池包托盘通过螺栓组固定。

进一步地，所述电池包侧围和所述电池包托盘之间、所述吹胀型铝制直冷板和所述电池包侧围之间、所述吹胀型铝制直冷板和所述电池包上盖之间均设有密封垫圈。

进一步地，所述吹胀型铝制均热板的两侧均为凸起表面，所述吹胀型铝制均热板的凸起区域内部为一封闭腔体，在所述封闭腔体内部填充有冷媒；所述吹胀型铝制直冷板的一个表面凸起，另一个表面为平面，在所述吹胀型铝制直冷板的平面表面上设有两个开孔。

一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统，其特征在于，包括所述直冷和重力热管耦合的电池包、电子膨胀阀、储液罐、换热器、压缩机、气液分离器和四通阀，所述直冷和重力热管耦合的电池包的第一端口连接所述四通阀的第一端口，所述四通阀的第二端口连接所述气液分离器的第一端口，所述气液分离器的第二端口连接所述压缩机的第一端口，所述压缩机的第二端口连接所述四通阀的第三端口，所述四通阀的第四端口连接所述换热器的第一端口，所述换热器的第二端口连接所述储液罐的第一端口，所述储液罐的第二端口连接所述电子膨胀阀的第一端口，所述电子膨胀阀的第二端口连接所述直冷和重力热管耦合的电池包的第二端口，所述直冷和重力热管耦合的电池包、所述电子膨胀阀、所述四通阀、所述气液分离器、所述压缩机、所述换热器和所述储液罐通过冷媒管路相连。

进一步地，所述热管理系统包括制冷模式，在所述制冷模式下，所述四通阀的第一端口与第二端口相连通，所述四通阀的第三端口与第四端口相连通，冷媒从所述直冷和重力热管耦合的电池包的第一端口流向所述直冷和重力热管耦合的电池包的第二端口。

进一步地，所述热管理系统包括制热模式，在所述制热模式下，所述四通阀的第一端口与第三端口相连通，所述四通阀的第二端口与第四端口相连通，冷媒从所述直冷和重力热管耦合的电池包的第二端口流向所述直冷和重力热管耦合的电池包的第一端口。

与现有技术相比，通过本发明的实施，至少具有以下有益的技术效果：

1、本发明采用热泵式直接冷却技术对电池模组进行散热，较传统的风冷、液冷散热方式而言，直冷方式对温度响应能力更快、换热能力更高、温控效果更好。

2、本发明与传统的液冷方式相比，直冷系统的换热工质为制冷剂，制冷剂出现泄露也会直接蒸发，不会对电池模组产生危险。

3、本发明在相邻电芯之间布置吹胀型铝制均热板，可以有效降低单体电芯高度方向的温差。

4、本发明采用一体吹胀工艺生产的液冷板，较普通的埋管式液冷板而言，结构紧凑、成本低、换热效果好、且板面均温性较好。

5、本发明在电芯之间布置吹胀式铝制均热板，较传统的电芯之间填充相变材料的方案相比，安装较为简单，电池包工作过程中吹胀式铝制均热板不会发生体积变化，同时电池包退役后电芯、铝材的回收再利用也较为简单。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的整体结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的吹胀型铝制直冷板、吹胀型铝制均热板、电芯组的安装示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的部分结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的电芯组、端板、扎带、电池包托盘的安装示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的电池包托盘结构示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的电池包托盘加强筋、铝型材安装示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统的制冷模式原理示意图；

图8是本发明的一个较佳实施例的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统的制热模式原理示意图；

其中，1-电池包托盘，101-第一铝制定位杆，102-第二铝制定位杆，103-托盘底板，1041-第一铝型材，1042-第二铝型材，1043-第三铝型材，1044-第四铝型材，1051-第一背部支撑盖板，1052-第二背部支撑盖板，1061-第一加强筋，1062-第二加强筋，1063-第三加强筋，201-第一密封垫圈，202-第二密封垫圈，203-第三密封垫圈，301-第一螺栓组，302-第二螺栓组，4-电池包侧围，5-端板，6-第一扎带，61-第二扎带，7-电芯组，8-吹胀型铝制均热板，9-吹胀型铝制直冷板，901-第一端口，902-第二端口，10-保温材料，11-电池包上盖，1000-直冷和重力热管耦合的电池包，1001-电子膨胀阀，1002-储液罐，1003-风扇，1004-换热器，1005-压缩机，1006-气液分离器，1007-四通阀。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

在本申请实施例的描述中，应该明晰，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，“第一”、“第二”等仅用于方便描述或简化描述，而非指示或暗示其重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出的一种直冷和重力热管耦合的电池包及其热管理系统可用于新能源汽车和电化学储能电站，在电池充放电过程采用热泵式直接冷却技术和被动式重力热管技术对电池包进行散热。直接冷却技术是利用制冷剂的蒸发来带走电池在充放电过程中产生的热量，制冷剂的蒸发潜热高，直冷系统相较于液冷系统换热能力更强，一般为液冷系统的3-4倍，对电池温度的响应速度更快。制冷剂在重力热管内蒸发段吸收热源的热量、利用相变潜热迅速将热量从热源端带走，制冷剂气化后扩散至重力热管冷端冷凝为液态制冷剂并在重力作用的驱动下回流至蒸发段进行往复循环。除此之外，制冷剂的泄露挥发也不会对电池包产生安全隐患。因此，电池直冷技术凭借其显著的优势，将成为新能源汽车、电化学储能电站重要的电池热管理方式之一。

如图1所示，本发明公开了一种直冷和重力热管耦合的电池包1000，该电池包可以用于新能源汽车领域和储能电站领域。直冷和重力热管耦合的电池包1000包括螺栓组302、电池包上盖11、保温材料10、密封垫圈203、吹胀型铝制直冷板9、吹胀型铝制均热板8、电芯组7、扎带6、密封垫圈202、端板5、电池包侧围4、螺栓组301、密封垫圈201、电池包托盘1。

如图5和图6所示，电池包托盘1包括第一铝制定位杆101、第二铝制定位杆102、托盘底板103、第一铝型材1041、第二铝型材1042、第三铝型材1043、第四铝型材1044、第一背部支撑盖板1051、第二背部支撑盖板1052、第一加强筋1061、第二加强筋1062、第三加强筋1063。第一铝型材1041、第二铝型材1042、第三铝型材1043、第四铝型材1044通过焊接工艺形成铝型材环形框架；铝型材环形框架上表面均匀设置若干螺纹孔；第一铝型材1041、第三铝型材1043下表面根据预设间距存在若干开槽；第一加强筋1061、第二加强筋1062、第三加强筋1063可以插入所述铝型材槽内，并通过焊接工艺将第一铝型材1041、第三铝型材1043和第一加强筋1061、第二加强筋1062、第三加强筋1063固定在一起；第一背部支撑盖板1051、第二背部支撑盖板1052通过焊接工艺跟铝型材环形框架固定在一起；托盘底板103拥有凹凸结构，可以增加其强度；托盘底板103放置在第一加强筋1061、第二加强筋1062、第三加强筋1063上面，凸起结构能够完美嵌入第一加强筋1061、第二加强筋1062、第三加强筋1063的凹陷处，并通过焊接工艺将托盘底板103、第一加强筋1061、第二加强筋1062、第三加强筋1063、第一背部支撑盖板1051、第二背部支撑盖板1052、铝型材环形框架固定在一起，可以有效提高结构的稳定性和连接的可靠性；第一铝制定位杆101、第二铝制定位杆102上表面设计若干螺纹孔；第一铝制定位杆101、第二铝制定位杆102通过焊接工艺并根据预设位置、尺寸固定在托盘底板103上。

如图1所示，电池包侧围4通过第一螺栓组301与电池包托盘1固定在一起，电池包侧围4和电池包托盘1中间含有第一密封垫圈201；吹胀型铝制均热板8两侧均为凸起表面且壁厚均匀，凸起区域内部为一封闭腔体，封闭腔体里填充有一定体积分数的冷媒。

如图2、图3和图4所示，电芯组7根据预设位置放置在托盘底板103上；电芯组7相邻两排电芯之间放置一块吹胀型铝制均热板8；吹胀型铝制均热板8和电芯组7之间的空隙部分填充绝缘导热硅脂；端板5通过螺栓固定在第一铝制定位杆101、第二铝制定位杆102上；端板5表面与电芯组7两端相贴合；端板5和电芯组7通过第一扎带6、第二扎带61固定起来，可以增加电芯组结构的稳定性；端板5上有卡槽可固定第一扎带6和第二扎带61；吹胀型铝制直冷板9的一个表面凸起，另一个表面为平面；吹胀型铝制直冷板9平面表面有两个开孔，一个为第一端口901，另一个为第二端口902，电池包侧围4侧面有两个开孔，吹胀型铝制直冷板9冷媒的第一端口901和第二端口902能够和两个开孔配合。

吹胀型铝制直冷板9、电池包侧围4、电池包上盖11通过第二螺栓组302固定起来；吹胀型铝制直冷板9和电池包侧围4中间有第二密封垫圈202；吹胀型铝制直冷板9和电池包上盖11之间有第三密封垫圈203；吹胀型铝制直冷板9平面表面正好贴合在电芯组7电极上表面；吹胀型铝制直冷板9正好贴合在吹胀型铝制均热板8冷凝端部表面；吹胀型铝制直冷板9平面表面、吹胀型铝制均热板8和电芯组7之间的空隙部分填充绝缘导热硅脂；吹胀型铝制直冷板9凸起表面和电池包上盖11之间填充有保温材料10，可以减少对流换热损失。

吹胀型铝制直冷板9和吹胀型铝制均热板8采用一体成型吹胀技术加工完成，与传统的钎焊液冷板相比重量大幅下降，满足轻量化设计要求；吹胀型铝制均热板8跟传统的铜制均温板相比比热容更大，可以降低所述电池组产热无法及时被带走造成的热失控损失，而且从成本和重量来看，铝制均热板更满足轻量化设计要求；直冷和重力热管耦合的电池包1000内部留有空间安装电池管理系统模块。

本发明公开的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统，包括直冷和重力热管耦合的电池包1000、电子膨胀阀1001、储液罐1002、风扇1003、换热器1004、压缩机1005、气液分离器1006、四通阀1007。

直冷和重力热管耦合的电池包1000的第一端口连接四通阀1007的第一端口，四通阀1007的第二端口连接气液分离器1006的第一端口，气液分离器1006的第二端口连接压缩机1005第一端口，压缩机1005第二端口连接四通阀1007第三端口，四通阀1007第四端口连接换热器1004的第一端口，风扇1003设置在换热器1004周围，换热器1004的第二端口连接储液罐1002的第一端口，储液罐1002的第二端口连接电子膨胀阀1001的第一端口，电子膨胀阀1001的第二端口连接直冷和重力热管耦合的电池包1000的第二端口；电子膨胀阀1001、四通阀1007、气液分离器1006、压缩机1005、换热器1004、储液罐1002和冷媒管路均设置有保温措施。

本发明的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统运行模式被配置为制冷模式和加热模式，热管理系统能够根据模式切换标准在不同的运行模式之间切换；热管理系统模式切换的标准包括季节工况和电芯组7的温度，季节工况是指电池包在工作时所处的季节情况和相应季节中的具体环境工况，电芯组7的温度是指电芯组7在工作时的表面温度及内部温度；

在实施例一中，如图7所示，当一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统工作在制冷模式时，吹胀型铝制直冷板9作为热泵系统的蒸发器，换热器1004作为热泵系统的冷凝器，电芯组7工作产生的热量通过吹胀型铝制均热板8传递到吹胀型铝制直冷板9，使得吹胀型铝制直冷板9中的冷媒蒸发，冷媒流经四通阀1007、压缩机1005后，在换热器1004中冷凝成为液态，并将热量传递到环境中，液态冷媒流经储液罐1002、电子膨胀阀1001后重新进入蒸发器，如此往复循环，来降低电芯组工作时的温度。

在实施例二中，如图8所示，当一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统工作在制热模式时，换热器1004作为热泵系统的蒸发器，从环境中吸收热量，吹胀型铝制直冷板9作为热泵系统的冷凝器，将冷媒从环境中吸收的热量传递到电芯组7，使得电芯组7的温度升高。

本发明公开的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统，制冷模式基于热泵式的蒸汽压缩制冷循环，利用制冷剂高潜热的特点，制冷剂在吹胀板内蒸发时直接带走电池模组工作产生的热量，可以满足电池模组的快速降温，控温效果较好，同时，吹胀式铝制均热板的介入，可以保证单体电芯高度方向的均温性，可以满足动力电池长时间安全运行，同时系统的效率较高。制热模式采用热泵循环，较传统的采用PTC加热器加热方式，系统能效高，更加节能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，包括电池包上盖、吹胀型铝制直冷板、电芯组、吹胀型铝制均热板、电池包侧围和电池包托盘，其中，所述电池包侧围与所述电池包托盘相连，所述电芯组放置在所述电池包托盘上，在所述电芯组中，每相邻两排电芯之间放置一块所述吹胀型铝制均热板，所述吹胀型铝制直冷板放置在所述电芯组的上表面并与所述吹胀型铝制均热板的上端表面贴合，所述吹胀型铝制直冷板、所述吹胀型铝制均热板和所述电芯组之间的空隙部分填充有绝缘导热硅脂。

2.如权利要求1所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，所述电池包托盘包括铝制定位杆、托盘底板和铝型材，所述铝型材通过焊接工艺形成铝型材环形框架，所述铝型材环形框架上表面均匀设置多个螺纹孔，所述托盘底板通过焊接固定所述铝型材环形框架上，所述铝制定位杆通过焊接固定在所述托盘底板上，在所述铝制定位杆上表面设置有多个螺纹孔。

3.如权利要求2所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，所述电池包托盘还包括背部支撑盖板和加强筋，在所述铝型材环形框架下表面设有多个开槽，所述加强筋插入所述开槽内并通过焊接将所述铝型材环形框架和所述加强筋固定，所述背部支撑盖板与所述铝型材环形框架通过焊接固定，所述托盘底板为凹凸结构，所述托盘底板的凸起部分嵌入所述加强筋的凹陷处，所述加强筋和所述背部支撑盖板通过焊接与所述托盘底板进行固定。

4.如权利要求1所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，还包括保温材料，所述保温材料填充在所述吹胀型铝制直冷板和所述电池包上盖之间。

5.如权利要求1所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，所述吹胀型铝制直冷板、所述电池包侧围和所述电池包上盖通过螺栓组固定，所述电池包侧围与所述电池包托盘通过螺栓组固定。

6.如权利要求1所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，所述电池包侧围和所述电池包托盘之间、所述吹胀型铝制直冷板和所述电池包侧围之间、所述吹胀型铝制直冷板和所述电池包上盖之间均设有密封垫圈。

7.如权利要求1所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，所述吹胀型铝制均热板的两侧均为凸起表面，所述吹胀型铝制均热板的凸起区域内部为一封闭腔体，在所述封闭腔体内部填充有冷媒；所述吹胀型铝制直冷板的一个表面凸起，另一个表面为平面，在所述吹胀型铝制直冷板的平面表面上设有两个开孔。

8.一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统，应用于权利要求1至7任一项所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包，其特征在于，包括所述直冷和重力热管耦合的电池包、电子膨胀阀、储液罐、换热器、压缩机、气液分离器和四通阀，所述直冷和重力热管耦合的电池包的第一端口连接所述四通阀的第一端口，所述四通阀的第二端口连接所述气液分离器的第一端口，所述气液分离器的第二端口连接所述压缩机的第一端口，所述压缩机的第二端口连接所述四通阀的第三端口，所述四通阀的第四端口连接所述换热器的第一端口，所述换热器的第二端口连接所述储液罐的第一端口，所述储液罐的第二端口连接所述电子膨胀阀的第一端口，所述电子膨胀阀的第二端口连接所述直冷和重力热管耦合的电池包的第二端口，所述直冷和重力热管耦合的电池包、所述电子膨胀阀、所述四通阀、所述气液分离器、所述压缩机、所述换热器和所述储液罐通过冷媒管路相连。

9.如权利要求8所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统，其特征在于，所述热管理系统包括制冷模式，在所述制冷模式下，所述四通阀的第一端口与第二端口相连通，所述四通阀的第三端口与第四端口相连通，冷媒从所述直冷和重力热管耦合的电池包的第一端口流向所述直冷和重力热管耦合的电池包的第二端口。

10.如权利要求8所述的一种直冷和重力热管耦合的电池包的热管理系统，其特征在于，所述热管理系统包括制热模式，在所述制热模式下，所述四通阀的第一端口与第三端口相连通，所述四通阀的第二端口与第四端口相连通，冷媒从所述直冷和重力热管耦合的电池包的第二端口流向所述直冷和重力热管耦合的电池包的第一端口。