CN210430029U - 板式加热冷却导热装置及采用该装置的可控温锂电池组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种板式加热冷却导热装置，包括加热冷却导热件，所述加热冷却导热件由热交换板和贴在所述热交换板一侧面上的红外加热膜构成，所述热交换板设有用于装载石墨烯流体介质的第一导流腔体。在低温环境下，红外加热膜通电发热将与其接触的物件进行加热。在高温环境下，红外加热膜停止通电，物件自身产生的热量通过热传导的方式转移到石墨烯流体介质上。石墨烯流体介质流动带走热量达到为物件降温的目的。通过加热升温、热传导降温的方式实现物件可控温的目的，保证物件不受环境变化影响而发挥自身原本的功能。

Description

板式加热冷却导热装置及采用该装置的可控温锂电池组

技术领域

本实用新型涉及温控装置技术领域，尤其是指一种板式加热冷却导热装置及采用该装置的可控温锂电池组。

背景技术

在新能源汽车配件中，锂电池作为动力能源来源被广泛应用。锂电池工作温度限于一定范围，在低温环境下，由于电解液粘度增加，阻碍锂离子往返正极、负极之间，导致影响放电特性，低于-40℃情况下，电解液将冰晶化，导致容量减少至无电流输出。文献记载：-20℃比25度，容量减少50％。功率衰减更为明显，-20℃，0.2C放电电压平台3.3V；-20℃，0.5C放电，电压平台＜3V；-20℃，1C放电几乎处无电流输出[陈继涛,周恒辉,倪江锋,常文保,慈云祥,C/LiCoO2系锂电池低温充放电性能[J]电池2004年，第34卷，第2期]，将造成电动汽车无法启动。

锂电池充放电时，电池内部产热包括：电池体系内的内阻的欧姆热、电化学反应热、副反应热和极化热；其中副反应热是由于电池使用过程中电解质的分解等原因而产生，极化热则是由于电极的电动势偏离平衡电动势而产生，锂电池在持续充电或放电过程，如果未能及时的将电池内部产热通过有效散热，在高温环境下可能导致电池温度过高而形成热失控，严重时甚至会使电池发生起火爆炸。

总而言之，为保证电池的正常输出功率、延长电池循环寿命，必须对电池进行热管理——维持电池的正常工作温度，提高低温环境下电动汽车的整体性能，既要满足寒冷季节的升温和保温，还必须保证在炎热环境下电动汽车的动力锂电池降温散热。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：设计一个用于高温时散热、低温时加热保温的装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种板式加热冷却导热装置，包括加热冷却导热件，所述加热冷却导热件由热交换板和贴在所述热交换板一侧面上的红外加热膜构成，所述热交换板设有用于装载石墨烯流体介质的第一导流腔体。

进一步的，还包括散热器，所述散热器设有用于装载石墨烯流体介质的第二导流腔体；所述第一导流腔体设有第一进液口和第一出液口，所述第二导流腔体设有第二进液口和第二出液口；所述第一出液口与所述第二进液口连接，所述第二出液口与所述第一进液口连接。

进一步的，所述第二出液口与所述第一进液口之间还连接有循环泵。

进一步的，所述循环泵与所述第一进液口之间还设有循环导通阀。

进一步的，所述循环泵与所述循环导通阀之间还设有储液罐。

进一步的，所述加热冷却导热件有两个；两个所述第一出液口通过第一三通管件与所述第二进液口连接；两个所述第一进液口通过第二三通管件与所述循环导通阀连接。

进一步的，所述红外加热膜、所述热交换板和所述第一导流腔体均呈矩形，所述第一导流腔体内设置有限制石墨烯流体介质呈波形流动的挡板组；所述散热器为翅片散热器。

进一步的，所述红外加热膜由红外辐射发生层及包裹所述红外辐射发生层的绝缘层构成；所述红外辐射发生层为碳黑材料层或微纳米石墨粉体材料层或碳纳米纤维材料层或碳纳米管材料层或石墨烯材料层；所述热交换板为铝板。

一种可控温锂电池组，包括锂电池组和板式加热冷却导热装置，所述板式加热冷却导热装置通过所述加热冷却导热件与所述锂电池组连接。

进一步的，所述锂电池组的锂电池电芯由至少两层叠片构成，每层所述叠片的边缘均与所述加热冷却导热件的红外加热膜相接；所述锂电池组位于两所述加热冷却导热件之间。

本实用新型的有益效果在于：在低温环境下，红外加热膜通电发热将与其接触的物件进行加热。在高温环境下，红外加热膜停止通电，物件自身产生的热量通过热传导的方式转移到石墨烯流体介质上。石墨烯流体介质流动带走热量达到为物件降温的目的。通过加热升温、热传导降温的方式实现物件可控温的目的，保证物件不受环境变化影响而发挥自身原本的功能。

附图说明

下面结合附图详述本实用新型的具体结构

图1为本实用新型的采用板式加热冷却导热装置的可控温锂电池组的结构连接示意图；

图2为本实用新型的加热冷却导热件的剖面细节结构图及石墨烯流体介质流动示意图；

图3为本实用新型的加热冷却导热件的侧面细节结构图；

图4为本实用新型的锂电池结构细节图；

其中，1-加热冷却导热件，101-第一进液口，102-第一出液口，103-第一导流腔体，104-挡板组，105-热交换板，106-红外加热膜；2-散热器，201-第二进液口，202-第二出液口；3-循环泵；4-循环导通阀；5-储液罐；6-锂电池，601-叠片，602-电池外壳；7-第一三通管件；8-第二三通管件；9-第三三通管件；10-入罐阀；11-绑紧箍。

具体实施方式

本实用新型最关键的构思在于：设置红外加热膜均匀加热升温，设置热交换板快速带走多余热量。

为进一步论述实用新型构思的可行性，结合本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1、图2以及图3，一种板式加热冷却导热装置，包括加热冷却导热件1，所述加热冷却导热件1由热交换板105和贴在所述热交换板105一侧面上的红外加热膜106构成，所述热交换板105设有用于装载石墨烯流体介质的第一导流腔体103。在低温环境下，红外加热膜106通电发热将与其接触的物件进行加热。红外加热膜106产生的红外辐射是以薄膜面的均匀辐射形成面状热源，被面状辐射覆盖范围均匀的被加热，这些被面状辐射覆盖范围的物质吸收红外辐射即产生温度升高效应。在高温环境下，红外加热膜106停止通电，物件自身产生的热量通过热传导的方式转移到石墨烯流体介质上。石墨烯流体介质流动带走热量达到为物件降温的目的。通过加热升温、热传导降温的方式实现物件可控温的目的，保证物件不受环境变化影响而发挥自身原本的功能。

进一步的，还包括散热器2，所述散热器2设有用于装载石墨烯流体介质的第二导流腔体；所述第一导流腔体103设有第一进液口101和第一出液口102，所述第二导流腔体设有第二进液口201和第二出液口202；所述第一出液口102与所述第二进液口201连接，所述第二出液口202与所述第一进液口101连接。第一导流腔体103、第一出液口102、第二进液口201、第二导流腔体、第二出液口202、第一进液口101、第一导流腔体103依次连接，使石墨烯流体介质在第一导流腔体103与第二导流腔体之间循环流动，即石墨烯流体介质在第一导流腔体103内吸收的热量随石墨烯流体介质流动到第二导流腔体内而转移到散热器2上。散热器2散热，而降温后的石墨烯流体介质再次循环回到第一导流腔体103内带走更多的热量，进而实现对物件持续降温。

进一步的，所述第二出液口202与所述第一进液口101之间还连接有循环泵3。循环泵3驱动石墨烯流体介质加速流动，加快散热速度。

进一步的，所述循环泵3与所述第一进液口101之间还设有循环导通阀4。在高温环境下，循环导通阀4打开，石墨烯流体介质在第一导流腔体103与第二导流腔体之间循环流动。在低温环境下，循环导通阀4关闭，无相对低温的石墨烯流体介质再次进入第一导流腔体103内带走更多的物件自身热量或红外加热膜106产生的热量，减少热量损失。

进一步的，所述循环泵3与所述循环导通阀4之间还设有储液罐5。循环泵3和循环导通阀4通过第三三通管件9与储液罐5连接。第三三通管件9与储液罐5之间还设置有入罐阀10。入罐阀10和循环导通阀4均为电磁阀。储液罐5的流体进出口设置在罐体底部，且罐体的位置高于循环管路的位置。低温环境下，需要对物件加热升温时，关闭循环导通阀4，开启入罐阀10，循环泵3将循环管路上的石墨烯流体介质输送进入储液罐5。输送完成后，关闭入罐阀10，红外加热膜106通电加热。此时，第一导流腔体103和第二导流腔体均为空腔，且腔内空气相对静止状态。在空气相对静止的空腔内，空气温度“零”℃的导热系数为0.024W/m·℃，空气温度“100”℃的导热系数为0.031W/m·℃。即红外加热膜106加热时，通过加热冷却导热件1对外部的耗散热量可以忽略不计。当温度过高需要对物件进行降温时，入罐阀10打开，储液罐5的石墨烯流体介质利用液位高度差和自身重力的作用再次流入循环管路上。入罐阀10关闭后，循环导通阀4开启，接着循环泵3开启，进入降温状态。

进一步的，所述加热冷却导热件1有两个；两个所述第一出液口102通过第一三通管件7与所述第二进液口201连接；两个所述第一进液口101通过第二三通管件8与所述循环导通阀4连接。设置两个加热冷却导热件1，增加加热和冷却的面积，实现快速对立体物件进行降温和升温。两个加热冷却导热件1通过第一三通管件7和第二三通管件8的连接，共同使用散热器2、循环泵3、储液罐5和循环导通阀4。即使用少量部件实现更佳的散热、加热效果。

进一步的，所述红外加热膜106、所述热交换板105和所述第一导流腔体103均呈矩形，所述第一导流腔体103内设置有限制石墨烯流体介质呈波形流动的挡板组104；所述散热器2为翅片散热器。所述红外加热膜106、所述热交换板105和所述第一导流腔体103均呈矩形，即加热冷却导热件1呈矩形，方便紧贴在规则物件的平面上散热或加热。由于加热冷却导热件1平面大，而循环管路小，为保证石墨烯流体介质在第一导流腔体103内均匀流动，即提高散热有效面积，设置挡板组104使石墨烯流体介质呈波形流动。如图2箭头示意所示。翅片散热器散热面积大，有利于将第二导流腔体内的石墨烯流体介质的热量进行快速散发。翅片散热器采用铝箔制造，铝的导热系数为230W/m·℃，密度小，机械加工性能优越。

进一步的，所述红外加热膜106由红外辐射发生层及包裹所述红外辐射发生层的绝缘层构成；所述红外辐射发生层为碳黑材料层或微纳米石墨粉体材料层或碳纳米纤维材料层或碳纳米管材料层或石墨烯材料层；所述热交换板105为铝板。绝缘层包裹红外辐射发生层，避免发生漏电现象。红外辐射发生层的厚度可选80μm或100μm或120μm。所述石墨烯流体介质由石墨烯和二甲基硅油组成，所述石墨烯与所述二甲基硅油的质量比为5-10：90-95。优选地，所述石墨烯与所述二甲基硅油的质量比为5：95。由石墨烯和二甲基硅油组成的石墨烯流体介质导热系数大，即导热性能极佳，但具有耐热性、耐寒性、防水性，且表面张力小、黏度随温度变化小，化学性质稳定，对人体无害。石墨烯流体介质可在-50℃～200℃环境下长期使用。石墨烯属两维纳米材料，电阻率约10-6Ω·cm，比铜或银更低，热导率5300W/m·℃，超过铜的导热系数377W/m·℃的14倍。石墨烯的理论比表面积2630㎡/g。当其均匀分散在二甲基硅油中，能形成较好导热网络。故在低温环境下，红外加热膜106加热时，将第一导流腔体103内的石墨烯流体介质转移至储液罐5储存，使第一导流腔体103内形成空腔，避免热量通过石墨烯流体介质从加热冷却导热件1的不与红外加热膜106接触的另一面散发。

请参阅图1、图2以及图3，一种可控温锂电池组，包括锂电池组和板式加热冷却导热装置，所述板式加热冷却导热装置通过所述加热冷却导热件1与所述锂电池组连接。将构成锂电池组的锂电池整齐规律摆放，能形成五个平整的平面——锂电池组的侧壁。加热冷却导热件1设在锂电池组的侧壁上，板式加热冷却导热装置的红外加热膜106为锂电池组提供加热升温，使锂电池组能在寒冷季节正常使用。热交换板的第一导流腔体103内循环的石墨烯流体介质将锂电池组充电、放电时产生的热量转移至散热器2散发。板式加热冷却导热装置不仅保证了锂电池组在高温时的安全性，同时在寒冷季节时对锂电池组加热，使锂电池组能在各种复杂变化的温度环境下均能正常工作。

锂电池6充放电时，电池产热的散热机制包括：热传导、热对流、热辐射。热传导，锂电池6与外部接触的物体存在温度差，在宏观上，为高温物体向低温物体传递热量，在微观上，为物质中的微观粒子进行无序的热运动。热对流，热对流情况发生在流体与另一流体或者固体之间，流体发生相对运动的同时带走周围的热量。在热对流的同时还会发生热传导，热对流不能单一存在，锂电池6充放电时自身温度升高，温度升高的锂电池6与周围接触的空气发生换热行为。热辐射，热力学理论认为，微观粒子的无序运动的电磁辐射投射到物体表面之后而产生的热效应统称为热辐射。只要物体的温度高于绝对“零”℃，就会向其外部产生辐射，并且温度越高，辐射越强。热辐射不需要传递介质，也不需要直接接触，物体在不断吸收外来物体的辐射能并且向外部发射辐射能，其差值就是辐射换热所产生的热量。在电动汽车上配套的由多个锂电池6集成构成的锂电池组，布置在狭小的汽车车体内，集成度高，结构紧凑，空气对流空间狭小，难于提供足够锂电池组的外部空间用于热对流的换热，热对流的换热散热方式难于直接在锂电池组的结构上实现。相对动力锂电池的使用安装环境处于密闭的电池箱内，通常锂电池与电池箱为无空隙的紧固结构，锂电池与电池箱之间温差很小，辐射换热的热量起到对动力锂电池降温并不明显。故由锂电池组与板式加热冷却导热装置结合形成可控温锂电池组，即通过热传导进行散热的方式形成的可控温锂电池组更适用于电动汽车使用。

进一步的，请参阅图4，所述锂电池组的锂电池6电芯由至少两层叠片601构成，每层所述叠片601的边缘均与所述加热冷却导热件1的红外加热膜106相接；所述锂电池组位于两所述加热冷却导热件1之间。每一层锂电池6的电芯叠片601，均依次由正极极片、隔膜材料和负极极片层叠构成。正极极片包括正极材料涂层和铝箔集流体，负极极片包括负极材料涂层和铜箔集流体。正极材料涂层和负极材料涂层都是粉体与粘合剂胶体的混合物，即隔膜和正极材料涂层以及负极材料涂层的热阻系数均比较大。故由多层叠片601组成锂电池电芯，其叠片601平面上的对外部接触传热存在较大的热阻，若加热冷却导热件1与叠片601平面接触，升温和散热效果均较差。而叠片边缘为铝箔集流体和铜箔集流体的切断面，加热冷却导热件1的红外加热膜106只需通过16μm的隔膜、电池外壳602即与叠片601边缘相接，且连接处均没有涂层，即连接处热阻较小。故，通过电池外壳602接触外部热源(即红外加热膜106)或冷源(即热交换板105)，可以达到较好传热加温或冷却散热的效果。在叠片601相对的两边边缘均设置加热冷却导热件1，提升可控温锂电池组的整体控温效果。此外，为保证升温降温效果，使用绑紧箍11将加热冷却导热件1与锂电池组固定在一起。当锂电池组报废时，松开绑紧箍11即可更锂换电池组，而板式加热冷却导热装置则继续使用并与锂电池组形成新的可控温电池组，降低客户的汽车配件更换成本。

综上所述，本实用新型提供的板式加热冷却导热装置及采用该装置的可控温锂电池组，加热冷却导热件、散热器、循环泵、循环导通阀依次连接使第一导流腔体与第二导流腔体之间形成用于石墨烯流体介质流动的循环管路。在高温环境下，加热冷却导热件将与其接触的锂电池组的热量转移至石墨烯流体介质上，热量随石墨烯流体介质流动转移至散热器上散发。在循环泵与循环导通阀之间通过第三三通管件接有储液罐。在低温环境下，循泵泵将循环管路上的石墨烯流体介质转移至储液罐，使第一导流腔体形成空腔，降低热传导速率，同时红外加热膜加热使锂电池组及其周边边境升温。通过板式加热冷却导热装置，锂电池组温度可控，能在各种自然温度环境下正常使用，且适用于作为汽车配件使用。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种板式加热冷却导热装置，其特征在于，包括加热冷却导热件，所述加热冷却导热件由热交换板和贴在所述热交换板一侧面上的红外加热膜构成，所述热交换板设有用于装载石墨烯流体介质的第一导流腔体。

2.如权利要求1所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，还包括散热器，所述散热器设有用于装载石墨烯流体介质的第二导流腔体；所述第一导流腔体设有第一进液口和第一出液口，所述第二导流腔体设有第二进液口和第二出液口；所述第一出液口与所述第二进液口连接，所述第二出液口与所述第一进液口连接。

3.如权利要求2所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，所述第二出液口与所述第一进液口之间还连接有循环泵。

4.如权利要求3所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，所述循环泵与所述第一进液口之间还设有循环导通阀。

5.如权利要求4所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，所述循环泵与所述循环导通阀之间还设有储液罐。

6.如权利要求5所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，所述加热冷却导热件有两个；两个所述第一出液口通过第一三通管件与所述第二进液口连接；两个所述第一进液口通过第二三通管件与所述循环导通阀连接。

7.如权利要求1至6任一所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，所述红外加热膜、所述热交换板和所述第一导流腔体均呈矩形，所述第一导流腔体内设置有限制石墨烯流体介质呈波形流动的挡板组。

8.如权利要求7所述板式加热冷却导热装置，其特征在于，所述红外加热膜由红外辐射发生层及包裹所述红外辐射发生层的绝缘层构成；所述红外辐射发生层为碳黑材料层或微纳米石墨粉体材料层或碳纳米纤维材料层或碳纳米管材料层或石墨烯材料层；所述热交换板为铝板。

9.一种可控温锂电池组，包括锂电池组，其特征在于，还包括如权利要求1至8任一所述的板式加热冷却导热装置，所述板式加热冷却导热装置通过所述加热冷却导热件与所述锂电池组连接。

10.如权利要求9所述可控温锂电池组，其特征在于，所述锂电池组的锂电池电芯由至少两层叠片构成，每层所述叠片的边缘均与所述加热冷却导热件的红外加热膜相接；所述锂电池组位于两所述加热冷却导热件之间。

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