CN210692721U - 一种基于复合相变材料和液冷耦合散热的圆柱形电池模块 - Google Patents
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Abstract
一种基于复合相变材料和液冷耦合散热的圆柱形动力电池模块，包括圆柱形电池、定形复合相变材料圆筒、液冷系统；电动汽车行驶时，在一般的工况下可利用复合相变材料相变吸热对电池进行控温；在高温环境和大电流放电工况下，温度控制系统监测到相变材料完全融化，启动液冷系统，加快相变材料散热。本实用新型能确保电池在安全温度范围内运行和各电池单体具有好的温度一致性，并克服了相变材料热管理换热效率低和液冷系统高耗能的缺点。
Description
技术领域
本发明属于一种圆柱形动力电池模块热管理技术。具体涉及相变材料相变储能和液冷耦合散热对电动汽车圆柱形动力电池模块进行热管理。
背景技术
动力锂电池具有能量密度高、重量轻、循环寿命长等优点，已成为电动汽车首选电源；然而，锂电池具有温度敏感性，过高的工作温度将会加速电池老化、降低循环寿命甚至引起热安全性。研究表明，动力锂电池模块的最高工作温度应控制在60℃，温差应在5℃以内。因此，开发出高效、节能的动力电池热管理系统对提升电池的使用性能和服役寿命、确保电动汽车使用安全、提高电动汽车的续驶里程以及电动汽车的整体性能都具有重要的实际应用价值。
目前，电动汽车普遍采用强制风冷和液冷对动力锂电池进行热管理。强制风冷是一种最早用于动力锂电池的散热方式，其结构简单、成本低，但散热效率低、温度均匀性差，尤其对于高温环境下的大电池模块，其缺点明显。液冷散热效率高，温度均匀性好，但液冷系统结构复杂、耗能高。相变材料被动热管理作为电动汽车动力电池的一种新型热管理方式，具有结构简单、维护方便、不消耗任何能量等优点。但是，相变材料的传热、换热效率低，储存的潜热不易散发，完全融化后失去控温的作用；另外相变材料需占用一定的空间体积，这对紧凑型的动力电池模块设计带来了挑战，因此提高相变材料传热、换热效率和减少相变材料用量是相变材料热管理的关键技术。总之，单一的热管理方式很难满足现代电动汽车的热管理要求，集成多种控温技术的优点，是当今动力锂电池热管理研究的重点。
发明内容
本发明的目的针对现有电动汽车动力电池液冷系统技术不足，设计出一种基于相变材料和液冷耦合散热的电池模块。本发明的电池模块的热管理系统是在液冷系统基础上增加了相变材料热管理，降低液冷系统的能耗。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于相变材料和液冷耦合散热的动力电池热管理系统，包括圆柱形电池模块和液冷系统。
本发明所述的电池模块由66节26650圆柱形电池、66个定形复合相变材料圆筒（以下简称圆筒）、12块波形铝板、两个平行的冷却液通道组成；将定形复合相变材料做成与电池相适应的圆筒，波形铝板与电池圆筒紧密接触，波形铝板两端与冷却液通道相连，波形铝板内部充满冷却液。
本发明所述的定形复合相变材料由石蜡、膨胀石墨和碳纳米管组成，膨胀石墨的质量分数为20-25%，碳纳米管的质量分数为3-5%。定形复合相变材料的制备方法：把石蜡加热到60℃，待完全融化加入碳纳米管，超声振动3h；混合均匀后，加入膨胀石墨，搅拌吸附1h得到复合相变材料粉末；再把复合相变材料粉末材料压制成内径与电池相适应的圆筒。
本发明所述的液冷系统是在整车空调系统的基础上并联冷却回路，冷却回路由液体循环管路、冷却液通道、循环水泵、热交换器和膨胀阀、温度传感器和电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）组成；温度传感器贴在处于中心位置处电池圆筒表面，温度传感器通过信号线与电子控制单元（ECU）相连，电子控制单元（ECU）再通过信号线与空调和循环水泵控制电路相连。
本发明的工作过程是：动力电池模块充放电时，温度传感器把监测到的温度信号送入电子控制单元（ECU），当相变材料的温度未达到相变温度上限时（44℃），不启动液冷系统对电池模块冷却，仅依靠相变材料相变吸热对电池进行控温；当相变材料的温度达到了相变温度上限，启动液冷系统，加快相变材料的散热。
本发明的优点：（1）减少了相变材料的用量；（2）简化了液冷系统的结构；（3）降低液冷系统的能耗；（4）防止相变材料完全融化失效，失去控温的作用。
附图说明
图1为本发明电池模块结构示意图；其中，1为冷却液入口；2为冷却液通道；3为波形板；4为26650电池；5为相变材料圆筒；6为温度传感器。
图2为本发明液冷系统示意图。
具体实施方式
本发明将结合附图通过以下实施例作进一步说明。
实施例1。
本实施例包括电池模块、液冷系统。
本实施例所述的电池模块由圆柱形26650磷酸铁锂电池、复合相变材料圆筒、波形铝板、电池模块外壳组成；将复合相变材料圆筒套住电池，电池排成11排，每排由6节电池组成，波形铝板与套有复合相变材料圆筒的电池紧密接触，波形铝板的两端与冷却液通道相连，电池模块示意图如图1所示
本实施例所述的复合相变材料由石蜡、膨胀石墨和碳纳米管组成，石蜡的型号为RT44HC，其相变潜热为255kJ/kg，膨胀石墨的质量分数为20%，碳纳米管的质量分数为5%。复合相变材料圆筒的制备方法：把石蜡加热到60℃，加入碳纳米管超声振动3h，再加入膨胀石墨，搅拌吸附1h得到复合相变材料粉末；把制备的复合相变材料粉末压制成内径、高与电池相适应的圆筒；相变材料圆筒的厚度按照电池1C倍率放电的产热功率计算确定。
本实施例所述的液冷系统是在整车空调系统的基础上并联冷却回路，冷却回路由膨胀阀、热交换器、循环水泵、循环管路和膨胀水壶组成，其示意图如图2所示。
本实施例的工作过程是：电池模块充放电时，温度传感器监测复合相变材料圆筒的温度，检测到的温度信号送入电子控制单元（ECU），当温度值低于相变材料相变温度上限（44℃），不启动液冷系统；当相变材料的温度达到了44℃时，启动液冷系统制冷，加快相变材料的散热。
实施例2。
本实施例的热管理系统是在液冷系统的基础上增加了相变材料热管理，利用相变材料相变储能吸热，可降低液冷系统的能耗。复合相变材料圆筒的密度约为0.9g/cm3,内外径、高分别为26mm、31mm和65mm，相变材料（石蜡）的质量分数为75%，相变潜热为255kJ/kg，经计算得出该复合相变材料圆筒的相变潜热为1967.32J。26650磷酸铁锂电池1C、3C倍率放电的产热功率分别为11393W/m3和85233W/m3，经计算1C、3C放电（放电深度为100%）的产热量分别为1414.72J和10583.76J。经过计算比较，电池1C倍率放电，复合相变材料能够把电池温度控制在相变温度范围内，不需要启动液冷系统。理论和实验都表明在相变材料相变温度范围内各电池单体的温度几乎一致。
实施例3。
本实施例的热管理系统在相变材料完全融化后，启动液冷系统，对电池模块进行散热。通过启动空调制冷和循环水泵，可控制循环水道的入口温度和冷却液的流速，加快相变材料散热，抑制电池模块的温度上升。
Claims (1)
1.一种基于复合相变材料和液冷耦合散热的圆柱形电池模块，其特征是包括圆柱形电池模块、定形复合相变材料、液冷系统；
所述的电池模块由26650圆柱形电池、定形复合相变材料圆筒、波形铝板、冷却液通道、电池模块外壳组成；将定形复合相变材料圆筒套住电池，电池整齐排列成11排，每排6节电池，波形铝板与复合相变材料圆筒紧密接触，波形铝板的两端与冷却液通道相连，冷却液通道内部充满乙二醇和水；
所述的液冷系统是在空调冷却系统的基础上并联冷却回路，其特征是所述的冷却回路由膨胀阀、热交换器、循环水泵、膨胀水壶、循环管路、温度传感器和电子控制单元；温度传感器贴在处于中间位置处的电池圆筒的表面，把检测的温度信号送入电子控制单元。
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