CN209641789U - 一种降低电池温差的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种降低电池温差的装置，包括安装在动力电池下方的冷却板；冷却板由下向上依次包括集流板、导板及顶板，顶板与动力电池连接；集流板与导板间设有隔栅，隔栅将集流板与导板间的空间分隔成相互独立的进液室与出液室，集流板对应进液室和出液室的位置分别设有进液口和出液口，导板对应进液室与出液室的位置上分别开有射流孔和出流孔，所有射流孔的中心与动力电池的中心轴对齐；用于冷却动力电池的冷却液经进液口进入进液室后由射流孔射到顶板上以吸收动力电池上的热量，再经出流孔流入出液室，最后由出液口流出。本实用新型冷却板设计独特，能够显著降低沿程加热效应和温差；装置的机械性能好，抗冲击能力强。

Description

一种降低电池温差的装置

技术领域

本实用新型属于动力电池冷却技术领域，涉及一种降低电池温差的装置，特别涉及一种带热扩散板和导热柱的动力电池模组的底部射流冷却散热装置。

背景技术

以锂离子电池为主的圆柱电池因功率密度高、循环寿命长和能量存储转换方便等优势，目前越来越多应用于乘用车辆领域。然而，圆柱电池在运行中会产生较多的热量，不及时耗散容易引发电池容量和寿命衰减，甚至导致电池热失控。常规的钴酸锂正极材料电池温度需控制在50摄氏度以内，以避免热失控和起火爆炸，提高安全性。随着电池材料和工艺的进步，以磷酸铁锂为正极材料的电池工作温度虽然可以提升60摄氏度或者更高，但随着温度的进一步上升，电池容量衰减明显，在高温下依然会发生热失控和着火现象。因此开发一种锂离子电池用的高效散热装置极具现实意义。

动力锂离子电池散热系统常用的液冷流道包括蛇形弯管、口琴管等，使用上述两种流道的电池模组，不可避免的会面临：冷却液沿流道方向因吸收电池热量而不断升温，使得沿流道方向的降温能力逐渐下降、冷板出口区域电芯换热较差，造成冷板进出口区域电池电芯温度一致性较差的问题，不利于电池温度一致性的管控。

专利US2008/0311468A1公开了一种贴合圆柱电池外廓形状的扁平冷管，其将冷却管路制成波纹状，使得扁平冷却管道波纹表面与圆柱电池的外表面相贴合，扁平冷却管道由隔板划分为若干小通道，减少冷却管道的塌陷，但由于冷却液温度沿冷管流道方向不断增加，即沿程加热效应，使得沿管道方向的电池温度逐渐上升，该种设计不可避免产生电池模组温度不一致的问题即电池模组入水区域与出水区域的电芯存在较大的温差。

专利CN 108987851 A公开了一种水冷板及水冷式电池，该水冷板内部容纳冷却液的容置腔按流道总进水截面的不同区分为前段区域与后段区域，前段区域的流道总横截面积小于后段流道的总横截面积，当冷却液由前段区域流入后段区域时，受横截面积减小的影响，后段区域的流速增加、对流换热系数增加，进而提高了后段区域流道的对流换热，该种设计虽然在一定程度上降低了因冷却液温度上升带来的降温能力下降的问题，但管内热阻在电池模组中所占比例小，对下游电池温度调节不明显，沿程加热效应没有改善。

专利ZL 2016100780110公布了一种带有热扩散板和导热柱的动力电池的散热装置，开口向上的电池包箱体内立式间隔布置若干个柱形电池，在电池中部外套热扩散板，在电池周围间隔配置若干个导热柱，导热柱上下两端分别紧密接触热扩散板和电池包箱体，电池包箱体通过空气冷却或者液体冷却。该方法强化散热效果良好，但其并未提供具体的液冷装置，也没有克服常规液冷的沿程加热效应。

因此，开发一种能够显著改善沿程加热效应的装置极具现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术沿程加热效应严重，电池模组各部分温差较大的缺陷，提供一种能够显著改善沿程加热效应的装置。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种降低电池温差的装置，包括安装在动力电池下方的冷却板；

所述冷却板由下向上依次包括集流板、导板及顶板，所述顶板与动力电池连接；

所述集流板与导板间设有隔栅，所述隔栅将集流板与导板间的空间分隔成相互独立的进液室与出液室，所述集流板对应进液室和出液室的位置分别设有进液口和出液口，所述导板对应进液室与出液室的位置上分别开有射流孔和出流孔，所有射流孔的中心与动力电池的中心轴对齐，保证射流孔射出的冷却液能够有效对动力电池进行冷却，提高冷却效果；

所述顶板与导板的间距为1～6mm；

用于冷却动力电池的冷却液经进液口进入进液室后由射流孔射到顶板上以吸收动力电池上的热量，再经出流孔流入出液室，最后由出液口流出。

本实用新型的装置的冷却液的流动方向与现有技术的冷却装置的流动方向不同，现有技术冷却装置中冷却液是依次流过多个电池，对电池进行降温处理，这会造成冷却液温度沿冷管流道方向不断增加(沿程加热效应明显)，而在本实用新型的装置中，冷却液是在竖直方向上进行流动换热即其先由下向上通过射流孔喷射到顶板，同时由于射流孔的内径小于出流孔的内径，射流孔局部高速射流将顶板上电池产生的热量带走，这是因为换热系数与流动速度的0.5～0.7次方成正比，高于平行于顶板方向的流动换热流动速度的0.3～0.4次方成正比，而后冷却液由出流孔自上而下流入出液室，最终由出液口流出。

本实用新型独特设计的局部射流布置，使得每个射流孔的冷却液对应一个动力电池进行射流冷却，换热系数大，而且吸热后的冷却液从旁边出流孔排出，无沿程加热效应，能够显著降低顶板以及动力电池模组各部分的温差，进而提升动力电池的一致性和使用寿命。本实用新型的三层结构设计的冷却板，在保证了结构强度(抗冲击性能好)的同时，简化了冷却板的整体结构，相互隔开的进液室与出液室的设计能够保证冷却液在经射流孔射到顶板上与动力电池进行换热过程中，进液室与出液室中的冷却液不互相串扰，保证了冷却效果。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述射流孔的内径小于出流孔的内径，所述出流孔的数量大于或者等于射流孔的数量，所述出流孔与射流孔间隔排列。较小的射流孔能够提高冷却液射出时的压力，保证冷却液以较高的速度射向顶板即保证冷却液对顶板(动力电池)的冷却效果，较大的出流孔能够提高冷却液的回流速度，以避免冷却液滞留，进而影响冷却液对顶板的冷却效果。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述集流板、导板及顶板相互平行；所述集流板、导板及顶板均为铝质材料，所述集流板、导板、顶板及隔栅为一体成型件，其是通过切削加工、冲压等工艺加工成型后，使用钎焊焊接成一体制得的。本实用新型的集流板、导板及顶板的材质并不仅限于此，其他合适材质也可适用于本实用新型，本实用新型选用铝材一方面能够保证导热效率，另一方面铝材密度较小，能够降低冷却板的质量。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述隔栅的宽度为1～5mm，所述进液室与出液室的流道的宽度为1～8mm。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述射流孔及出流孔通过钻孔或者冲压加工而成，所述冲压加工形成的射流孔及出流孔具有翻边，射流孔的翻边位于导板的上表面，出流孔的翻边位于导板的下表面；

所述集流板和导板上设有定位孔，所述顶板的对应位置设有与定位孔匹配的定位钉，通过定位孔与定位钉能够方便地对集流板、导板及顶板进行焊接定位。本实用新型的射流孔及出流孔的加工形式并不仅限于此，本实用新型仅以此为例。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述射流孔和出流孔间布置有若干直型翅片，所述直型翅片分别与顶板及导板紧密相连；

所述直型翅片的横截面为圆形、椭圆形或者多边形；

所述直型翅片通过切削加工工艺制作成型；

所述直型翅片、集流板、导板、顶板及隔栅为一体成型件。本实用新型设置的直型翅片一方面能够提高导热效率，另一方面能够增强冷却板的结构强度。

如上所述的一种降低电池温差的装置，还包括上端开口的电池箱体，所述动力电池间隔布置在所述电池箱体内；

动力电池底部与顶板间衬垫有电绝缘垫片，在动力电池顶部和底部间的电池箱体内横向配置有热扩散板，热扩散板上开设有与动力电池对应的通孔，通孔内缘设有与动力电池外壁紧密贴合的加大热扩散体，热扩散板上的通孔冲压成形，加大热扩散体为冲压时通孔内缘形成的70～90度翻折面，其结构简单，加工难度低；

在动力电池周围间隔配置有若干导热柱，所述顶板的上端上设有与导热柱匹配的导热柱基座，所述导热柱与热扩散板及导热柱基座紧密接触。

本实用新型的装置除了电池底部布置的冷却板能够有效对动力电池进行降温冷却外，动力电池外的电池箱体内安装的热扩散板及导热柱，一方面能够显著提高导热效率，另一方面也提高了装置的机械强度，提高了其耐冲击性能，安装在动力电池顶部的热扩散板能够显著降低因缺乏散热途径的动力电池顶部的温度，热扩散板上的通孔内缘上设有的加大热扩散体，能够增大热扩散板和动力电池之间的导热面积，提高导热效率。动力电池底部与顶板间加装的电绝缘垫片能够保证动力电池的电绝缘，动力电池单体外部还可涂覆或包裹绝缘膜层提高动力电池的电绝缘性能。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述热扩散板为铝板或铝合金板，其厚度为0.3～3mm，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层。阳极氧化后的氧化膜层，能够显著提高硬度和耐磨性能，氧化膜层的熔点高，耐击穿电压高，电绝缘性能好。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述导热柱的一端设有带内螺纹的螺纹孔，其与热扩散板通过紧固螺栓固定连接，另一端为带有外螺纹的螺纹柱，与导热柱基座上设有与所述外螺纹匹配的内螺纹孔。

如上所述的一种降低电池温差的装置，所述导热柱和动力电池间隔平行排列，这种布置形式不仅能够充分利用电池箱体内的空间，能够在有限的空间内尽量多的布置导热柱和电池，结构紧凑，而且还能提高导热效率；

所述电池箱体由多块电池箱体侧板组成，所述电池箱体侧板与顶板垂直，所述电池箱体侧板为铝质材料，电池箱体侧板与顶板通过焊接或铆接固定。

实用新型机理：

现有技术冷却装置中冷却液是依次流过多个电池，对电池进行降温处理，这会造成冷却液温度沿冷管流道方向不断增加(沿程加热效应明显)，使得沿流道方向的降温能力逐渐下降、冷板出口区域电芯换热较差，造成冷板进出口区域电池电芯温度一致性较差。

而在本实用新型的装置中，冷却液是在竖直方向上进行流动即其先由下向上通过射流孔射到顶板上，而后自上而下由临近出流孔流入出液室，最终由出液口流出。本实用新型所设计的射流冷却布置，使得每个射流孔的冷却液对一个动力电池进行冷却后即通过临近出流孔流至出液室排出，沿程加热效应很小，能够显著降低顶板以及动力电池模组各部分的温差，进而提升动力电池的一致性和使用寿命。本实用新型的相互隔开的进液室与出液室的设计能够保证冷却液在经射流孔射到顶板上与动力电池进行换热过程中，进液室与出液室中的冷却液不相互串扰，即保证冷却液的冷却效果。冷却板内的翅片及隔栅能够显著提高冷却板的结构强度，其抗冲击性能好，此外，本实用新型的电池箱体内的热扩散板在受到外部撞击等极端工况下，能够弯曲变形，吸收冲击力，减弱对动力电池的撞击强度。

有益效果：

(1)本实用新型的一种降低电池温差的装置，具有独特的射流和邻近出液口结构，并且射流速度明显大于出口速度，大大增加顶板换热系数，同时显著降低沿程加热效应，能够在降低电池总体温升的同时，提高动力电池的温度一致性，此外，多个射流孔通过进液室和出液室进行流量分配，属于并联流道结构，可降低通过冷板的压力差；

(2)本实用新型的一种降低电池温差的装置，集成冷却板、热扩散板、加大热扩散体及导热柱的设计，一方面形成了电池单体至冷却板导热通路，降低了电池散热热阻，大大降低了动力电池各部分的温差，另一方面，冷却板和电池箱体通过焊接方式紧密连接，提高了装置的机械性能，提高了其抗冲击强度。

附图说明

图1为本实用新型的一种降低电池温差的装置的透视正视结构示意图；

图2为本实用新型的一种降低电池温差的装置的冷却液流动方向示意图；

图3为图1的俯视图；

图4为本实用新型的集流板的俯视示意图；

图5为本实用新型的导板的俯视示意图；

图6为本实用新型的顶板的俯视示意图；

图7为本实用新型的方形翅片的俯视结构示意图；

图8为本实用新型的圆形翅片的俯视结构示意图；

图9为本实用新型的另一种优化方案的透视正视结构示意图；

图10～14为实施例及对比例的模拟计算结果，其中：

图10为实施例3中对应圆柱电池加热(非均匀热流)顶板的温度轮廓图(单位：K)；

图11为实施例1的1*5电池对应的冷却板顶板的温度轮廓图(单位：K)；

图12为实施例1的1*5电池的温度轮廓图(单位：K)；

图13为实施例4的5*5电池对应的冷却板顶板的温度轮廓图(单位：K)；

图14为对比例的5*5电池对应的冷却板顶板的温度轮廓图(单位：K)；

其中，1-动力电池，2-热扩散板，3-导热柱，4-电池箱体侧板，5-顶板，6-导板，7-集流板，8-加大热扩散体，9-紧固螺钉，10-导热柱基座，11-电绝缘垫片，12-出液口，13-出流孔，14-射流孔，15-出液室，16-进液室，17-定位孔，18-隔栅，19-进液口，20-定位钉，21-直型翅片。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式做进一步阐述。

实施例1

一种降低电池温差的装置，如图1和3所示，包括安装在动力电池1下方的冷却板和上端开口的电池箱体；

冷却板由下向上依次包括相互平行的如图4所示的集流板7、如图5所示的导板6及如图6所示的顶板5，顶板5与动力电池1连接，顶板与导板的间距为1～6mm；

集流板7与导板6间设有隔栅18，隔栅18将集流板7与导板6间的空间分隔成相互独立的进液室15与出液室16，隔栅18的宽度为1～5mm，进液室15与出液室16的流道的宽度为1～8mm，集流板对应进液室和出液室的位置分别设有进液口19和出液口12，导板对应进液室与出液室的位置上分别开有射流孔14和出流孔13，射流孔14的内径小于出流孔13的内径，出流孔13与射流孔14间隔排列，所有射流孔14的中心与动力电池1的中心轴对齐，射流孔14及出流孔13通过钻孔或者冲压加工而成，冲压加工形成的射流孔及出流孔具有翻边，射流孔的翻边位于导板的上表面，出流孔的翻边位于导板的下表面；

射流孔14和出流孔13间布置有若干横截面为圆形、椭圆形或者多边形的直型翅片21，方形直型翅片和圆形直型翅片如图7和8所示，直型翅片21分别与顶板5及导板6紧密相连，直型翅片通过切削加工工艺制作成型；

集流板7、导板6及顶板5均为铝质材料，直型翅片、集流板、导板、顶板及隔栅为一体成型件；

集流板和导板上设有定位孔17，顶板的对应位置设有与定位孔17匹配的定位钉20；

动力电池1间隔布置在电池箱体内，动力电池为1×5纵向配置的18650电池(18表示直径，65表示长度，单位均为mm，动力电池单体的功率为6W)，电池箱体由多块电池箱体侧板4组成，电池箱体侧板4与顶板5垂直，电池箱体侧板为铝质材料，电池箱体侧板4与顶板5通过焊接或铆接固定；

动力电池底部与顶板5间衬垫有电绝缘垫片11，在动力电池顶部和底部间的电池箱体内横向配置有热扩散板2，热扩散板2上开设有与动力电池对应的通孔，通孔内缘设有与动力电池外壁紧密贴合的加大热扩散体8，热扩散板上的通孔冲压成形，加大热扩散体为冲压时通孔内缘形成的70～90度翻折面，热扩散板为铝板或铝合金板，其厚度为0.3～3mm，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层；

在动力电池周围间隔配置有若干导热柱3，顶板的上端上设有与导热柱匹配的导热柱基座10，导热柱3与热扩散板2及导热柱基座10紧密接触，导热柱的一端设有带内螺纹的螺纹孔，其与热扩散板通过紧固螺栓固定连接，另一端为带有外螺纹的螺纹柱，与导热柱基座上设有与外螺纹匹配的内螺纹孔，导热柱和动力电池间隔平行排列。

本实用新型的降低电池温差的装置中冷却液的流向如图2所示：用于冷却动力电池的冷却液经进液口进入进液室后由射流孔射到顶板上以吸收动力电池上的热量，再经出流孔流入出液室，最后由出液口流出。

对本例进行计算模拟得到如图11所示的冷却板对吧的温度轮廓图和如图12所示的动力电池的温度轮廓图。由图11可以发现，在动力电池单体功率为6W的状态下，顶板表面的温差仅为2.4℃，由图12可以发现，1×5纵向配置，带热扩散板、导热柱及电绝缘垫片的18650电池上的最高温度在中间电池顶部，约为317.48K，动力电池的温差仅为4.43℃。

实施例2

一种降低电池温差的装置，如图9所示，其结构与实施例1基本相同，其进出液口的开口向上。

实施例3

一种降低电池温差的装置，其结构与实施例1基本相同，不同在于其没有热扩散板、导热柱及电绝缘垫片。

通过计算机模拟得到如图10所示的顶板的温度轮廓图，可知，在动力电池单体功率为6W的状态下，冷却板上的温差仅为2.68℃，其温度受流道影响小，温度一致性好，最高温度在中间电池顶部，约为320.19K，动力电池的温差为4.85℃。

实施例4

一种降低电池温差的装置，其结构与实施例1基本相同，不同在于冷却板对应于5×5正方配置的18650动力电池。

对本例进行计算模拟得到如图13所示的冷却板顶板的温度轮廓图。由图13可以看出电池的温度均匀性好，顶板的温差仅为2.4℃，顶板最高温度为302.8K，根据计算仿真获得的压差为444Pa。

对比例

一种电池冷却装置，其结构与实施例4基本相同，不同在于，其冷却板结构与专利CN 108987851A相同。

采用计算机进行模拟计算得到如图14所示的冷却板顶板的温度轮廓图，其压差为910Pa，顶板的最高温度为303.26K，顶板温差为3.64℃。与实施例4对比可以发现，本实用新型的冷却板的压阻更低，冷却板温度更低，温度均匀性更好(温差更小)，更利于电池的均温。采用本实用新型的冷却板结构，能够显著降低沿程温度效应，能够克服电池各部分温差较大的缺陷。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (10)

1.一种降低电池温差的装置，其特征在于，包括安装在动力电池下方的冷却板；

所述冷却板由下向上依次包括集流板、导板及顶板，所述顶板与动力电池连接；

所述集流板与导板间设有隔栅，所述隔栅将集流板与导板间的空间分隔成相互独立的进液室与出液室，所述集流板对应进液室和出液室的位置分别设有进液口和出液口，所述导板对应进液室与出液室的位置上分别开有射流孔和出流孔，所有射流孔的中心与动力电池的中心轴对齐；

所述顶板与导板的间距为1～6mm；

用于冷却动力电池的冷却液经进液口进入进液室后由射流孔射到顶板上以吸收动力电池上的热量，再经出流孔流入出液室，最后由出液口流出。

2.根据权利要求1所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述射流孔的内径小于出流孔的内径，所述出流孔的数量大于或者等于射流孔的数量，所述出流孔与射流孔间隔排列。

3.根据权利要求2所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述集流板、导板及顶板相互平行；所述集流板、导板及顶板均为铝质材料，所述集流板、导板、顶板及隔栅为一体成型件。

4.根据权利要求3所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述隔栅的宽度为1～5mm，所述进液室与出液室的流道的宽度为1～8mm。

5.根据权利要求1所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述射流孔及出流孔通过钻孔或者冲压加工而成，所述冲压加工形成的射流孔及出流孔具有翻边，射流孔的翻边位于导板的上表面，出流孔的翻边位于导板的下表面；

所述集流板和导板上设有定位孔，所述顶板的对应位置设有与定位孔匹配的定位钉。

6.根据权利要求5所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述射流孔和出流孔间布置有若干直型翅片，所述直型翅片分别与顶板及导板紧密相连；

所述直型翅片的横截面为圆形、椭圆形或者多边形；

所述直型翅片通过切削加工工艺制作成型；

所述直型翅片、集流板、导板、顶板及隔栅为一体成型件。

7.根据权利要求1所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，还包括上端开口的电池箱体，所述动力电池间隔布置在所述电池箱体内；

动力电池底部与顶板间衬垫有电绝缘垫片，在动力电池顶部和底部间的电池箱体内横向配置有热扩散板，热扩散板上开设有与动力电池对应的通孔，通孔内缘设有与动力电池外壁紧密贴合的加大热扩散体，热扩散板上的通孔冲压成形，加大热扩散体为冲压时通孔内缘形成的70～90度翻折面；

在动力电池周围间隔配置有若干导热柱，所述顶板的上端上设有与导热柱匹配的导热柱基座，所述导热柱与热扩散板及导热柱基座紧密接触。

8.根据权利要求7所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述热扩散板为铝板或铝合金板，其厚度为0.3～3mm，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层。

9.根据权利要求8所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述导热柱的一端设有带内螺纹的螺纹孔，其与热扩散板通过紧固螺栓固定连接，另一端为带有外螺纹的螺纹柱，与导热柱基座上设有与所述外螺纹匹配的内螺纹孔。

10.根据权利要求9所述的一种降低电池温差的装置，其特征在于，所述导热柱和动力电池间隔平行排列；

所述电池箱体由多块电池箱体侧板组成，所述电池箱体侧板与顶板垂直，所述电池箱体侧板为铝质材料，电池箱体侧板与顶板通过焊接或铆接固定。