CN211879556U - 一种电池换热单元、液冷系统和电池包 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电池换热单元、液冷系统和电池包，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层、液冷板和隔热缓冲层。用导热发泡硅橡胶层代替传统的导热层例如导热脂层或导热胶层使电池换热单元具有更优异的换热效率；由于导热发泡硅橡胶层拥有良好的压缩永久变形性能，长时间压缩后，可以恢复一定厚度，减少因为长时间使用导致液冷板与电池组之间因为距离的变化，出现导热层无法传热的情况；导热发泡硅橡胶层的变形能够吸收振动及碰撞对液冷板的挤压，从而代替传统液冷板底部的悬浮缓冲结构，节省电池包空间及制造成本，且能减轻电池包重量。

Description

一种电池换热单元、液冷系统和电池包

技术领域

本实用新型属于储能器件技术领域，具体涉及一种电池换热单元、液冷系统和电池包。

背景技术

电池的热管理是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，在过低温度下对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路。由于车辆上空间有限，电池在工作中产生的大量热量受空间影响而累积，造成各处温度不均匀从而影响电池单体的一致性。因此将降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性。另外，锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10-30℃之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。

因此，使电池包内温度维持的一定的温度范围区间内就显示尤其重要。这主要是通过冷却与加热来实现，常用冷却系统有风冷、液冷、直冷三种冷却方式。其中液冷方式因其液冷介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快，对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著，被广泛使用。

液冷系统一般由液冷管道、冷却泵、冷却阀、液冷板等组成。其中液冷板作为电池包液冷系统中最关键的零部件之一，液冷板与电池组间的传热性能会极大影响整个液冷系统热管理功能。现有液冷板与电池之间使用的导热材料，以导热脂与导热胶片为主，其中导热脂由于其为膏状，拥有一定流动性，这就要求液冷板与电池能够完全贴合，才能表现出优异传热性能，对整个电池包的工件加工工艺公差有着很高要求，而较少使用。

导热胶片是现在使用最多传热材料，为了保证导热胶片在较小压缩应力的情况下，能够完全吸收液冷板与电池组间的距离公差，保证电池与液冷板在低压力下能够与导热胶片实现完全贴敷，从而使用未完全硫化的导热胶片，其表现出较低硬度及良好的可压缩性，但是由于其未完全硫化，其拥有以下缺点：①容易在使用过程中析出填料与硅油；②为了达到更高导热系数，密度高；③压缩后，无法回弹，容易在长时间使用后，局部地区的导热垫与液冷板、电池组之间出现缝隙，导致无法传热，对电池组寿命与安全造成影响；④材料力学性能差，容易长时间使用，出现撕裂的情况，且材料不可回弹，无法重复使用，安装出错后，只能丢弃。而悬浮液冷板技术(液冷板下面的悬浮缓冲结构)虽能缓解上述问题，但其价格昂贵，制备成分很高，不具有普适性。

因此，开发出一种传热稳定且成本低的电池换热单元是非常有意义的。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种电池换热单元、液冷系统和电池包。

为达到此实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

一方面，本实用新型提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层、液冷板和隔热缓冲层。

本实用新型所涉及的电池换热单元中用导热发泡硅橡胶层代替传统的导热层例如导热脂层或导热胶层使其具有更优异的性能，其具有更好的贴附性、力学性能和回弹性；导热发泡硅橡胶层的压缩回弹力与其压缩率成正比关系，其拥有良好的压缩永久变形性能，长时间压缩后，导热层可以恢复一定厚度，减少因为长时间使用导致液冷板与电池组之间因为距离的变化，出现导热层无法传热的情况；能够利用导热发泡硅橡胶层的变形，吸收振动及碰撞对液冷板的挤压，从而代替液冷板底部的悬浮缓冲结构，节省电池包空间及制造成本，且能减轻电池包重量。

所述导热发泡硅橡胶层可以通过购买市售产品或者自制得到，其制备原料示例性地可以是按质量份数计包括：甲基乙烯基硅橡胶100份、气相高温混炼胶300份、气相二氧化硅10份、上述甲基乙烯基硅橡胶与偶氮二异丁腈的混合物12份、双二四硫化剂10份、球形氧化铝1600份、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基) 硅烷4份和硬脂酸锌2份。其制备方法示例性地可以为：

(1)将甲基乙烯基硅橡胶、气相高温混炼胶、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基) 硅烷和硬脂酸锌进行混炼捏合；

(2)向步骤(1)得到的捏合后的产物中依次加入球形氧化铝和气相二氧化硅进一步混炼捏合，得到A材料；

(3)将步骤(2)得到的A材料和甲基乙烯基硅橡胶与偶氮二异丁腈的混合物、双二四硫化剂混合进行开炼，得到B材料；

(4)将步骤(3)得到的B材料通过压延机进行压延，再通过硫化烘道发泡硫化定型，得到C材料；

(5)将步骤(4)得到的C材料置于二硫烤箱干燥，得到所述导热发泡硅橡胶。

优选地，所述隔热缓冲层包括EVA泡棉层、PE泡棉层、EPDM泡棉层、 CR泡棉层或PU泡棉层。

优选地，所述导热发泡硅橡胶层的厚度为2-5mm，例如2.0mm、2.5mm、 3.0mm、3.5mm、4.0mm或5.0mm等。

所述导热发泡硅橡胶层的厚度特定选择为2-5mm范围内，是因为超过此厚度会导致其导热性能会有明显的降低，缓冲减震功能也不会明显的增加，且较厚的材料意味着更高的成本；小于此厚度会影响材料缓冲减震功能。而3-4mm 是更优选的范围。

优选地，所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3-4mm。

优选地，所述隔热缓冲层的厚度为2-8mm，例如2mm、3mm、4mm、4.5mm、 5mm、6.5mm、7mm或8mm等。

所述隔热缓冲层的厚度特定选择为2-8mm范围内，是因为超过此厚度会导致隔热层所占空间过大，由于汽车本身的设计，其电池包内部空间其本恒定，隔热层过大的空间会明显影响内部电芯数量，降低整个电池包的能量密度，且过厚隔热层，长时间使用后，由于厚度的减小，会导致缓冲泡棉压缩率降低、传热效率降低；小于此厚度会影响材料的隔热性能，隔热层越厚，材料的隔热性能越好，为了达到合适的隔热性能，材料厚度最好在2mm以上。而4-6mm 是效果更好的范围。

优选地，所述隔热缓冲层的厚度为4-6mm。

在液冷板底部设置隔热缓冲层，能够保护液冷板。

另一方面，本实用新型提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。所述电池换热单元与液冷系统中的其他单元如液冷管道、冷却泵、冷却阀等是按照本领域技术人员所公知的常规连接方式连接的。

再一方面，本实用新型提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述液冷系统中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。所述箱体、电池模组和液冷系统是按照本领域技术人员所公知的常规连接方式连接的。具体地，本发明所涉及的箱体、电池模组和液冷系统的相互连接关系为：将多个电池模组通过固定结构固定于箱体内部，其按照一定图形排列，排列的电池模组通过串联、并联方式连接，构成汽车动力装置的能源；通过在排列的电池模组上边、下边或者侧边设置液冷系统的电池换热单元，电池换热单元的导热发泡硅橡胶与电池模组直接接触，保证每个电池模组通过导热发泡硅橡胶与液冷板实现热交换，其中将电池换热单元设置在电池模组下端为最佳选择。液冷系统的电池换热单元通过固定结构固定于箱体上，其中与箱体的相邻面，通过设置隔热缓冲材料防止箱体与液冷板的热交换。

所述电池包的换热效率大幅提高，电池充放电循环效率提高，电池的使用寿命也延长了，使用安全性也提高了。

本实用新型在液冷板与箱体之间设置固定结构，将液冷板固定在箱体底部，防止因振动及碰撞，液冷板对上方的导热发泡硅橡胶层与电池模组形成过度挤压。本实用新型在电池模组与箱体之间设置固定结构，将电池模组固定在箱体的固定位置，防止因振动及碰撞，电池组对下方的导热发泡硅橡胶层与液冷板形成过度挤压。

本实用新型所涉及的电池换热单元、液冷系统以及电池包可广泛地应用于汽车储能器件中。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供一种电池换热单元、液冷系统和电池包，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层、液冷板和隔热缓冲层。用导热发泡硅橡胶层代替传统的导热层例如导热脂层或导热胶层使电池换热单元具有更优异的换热效率；由于导热发泡硅橡胶层拥有良好的压缩永久变形性能，长时间压缩后，可以恢复一定厚度，减少因为长时间使用导致液冷板与电池组之间因为距离的变化，出现导热层无法传热的情况；导热发泡硅橡胶层的变形能够吸收振动及碰撞对液冷板的挤压，从而代替传统液冷板底部的悬浮缓冲结构，节省电池包空间及制造成本，且能减轻电池包重量。具体地，通过对本实用新型的电池包进行200次电流大小为1C的循环恒流充放电，显示本实用新型所涉及的电池包的最高温度为34.8-46.3℃、平均温度为30.2-40.8℃、电池剩余容量为 90.3-96.5％。

附图说明

图1是本实用新型所涉及的电池换热单元的示意图。

图中：1为导热发泡硅橡胶层、2为液冷板、3为隔热缓冲层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本实用新型，不应视为对本实用新型的具体限制。

实施例1

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(PE泡棉层，型号eFoam-15X，厂家泉硕科技股份有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3mm，所述隔热缓冲层的厚度为4mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

所述导热发泡硅橡胶层的制备原料按质量份数计包括：甲基乙烯基硅橡胶 (乙烯基含量为0.17％，其数均分子量为620000)100份、气相高温混炼胶(硬度为40HA，型号为NE-9140，厂家为东爵有机硅集团有限公司)300份、气相二氧化硅10份、上述甲基乙烯基硅橡胶与偶氮二异丁腈的等比例混合物12份、双二四硫化剂(型号为PX OPC-50S-PS-MM，厂家为阿克苏诺贝尔公司)10份、球形氧化铝(粒径40μm的800份、粒径10μm的400份、粒径0.5μm的400份) 1600份、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基)硅烷4份和硬脂酸锌2份。其制备方法为：

(1)将甲基乙烯基硅橡胶、气相高温混炼胶、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基) 硅烷和硬脂酸锌混合在155℃下进行混炼捏合10min；

(2)向步骤(1)得到的捏合后的产物中依次加入球形氧化铝和气相二氧化硅进一步在30℃下混炼捏合20min，得到A材料；

(3)将步骤(2)得到的A材料和甲基乙烯基硅橡胶与偶氮二异丁腈的等比例混合物、双二四硫化剂混合进行开炼25min，得到B材料；

(4)将步骤(3)得到的B材料通过压延机进行压延至3mm的厚度，再通过7节硫化烘道发泡硫化定型，烘道上下热源的温度一致，分别设置为：150℃、 160℃、160℃、160℃、160℃、175℃和175℃得到C材料；

(5)将步骤(4)得到的C材料置于二硫烤箱，温度为175℃，时间为4h，得到所述导热发泡硅橡胶。

实施例2

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层(与实施例1相同)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(CR泡棉层，型号CR-2030B，厂家东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3mm，所述隔热缓冲层的厚度为4 mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

实施例3

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层(型号R10404，厂家圣戈班(中国)投资有限公司)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(EPDM泡棉层，型号EP-1525，东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3mm，所述隔热缓冲层的厚度为4mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

实施例4

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层(与实施例1相同)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(CR泡棉层，型号CR-2030B，厂家东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为6mm，所述隔热缓冲层的厚度为4 mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

实施例5

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层(与实施例1相同)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(CR泡棉层，型号CR-2030B，厂家东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为1mm，所述隔热缓冲层的厚度为4 mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

实施例6

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层(与实施例1相同)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(CR泡棉层，型号CR-2030B，厂家东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3mm，所述隔热缓冲层的厚度为 15mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

实施例7

本实施例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层(与实施例1相同)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(CR泡棉层，型号CR-2030B，厂家东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3mm，所述隔热缓冲层的厚度为1 mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

对比例1

本对比例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热脂层(型号G-765，厂家信越化学工业株式会社)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(EPDM泡棉层，型号EP-1525，东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热脂使用一定力值压紧，保证电池组与液冷板紧密贴合，所述隔热缓冲层的厚度为4mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

对比例2

本对比例提供一种电池换热单元，所述电池换热单元包括依次接触的导热胶片层(型号THERM-A-GAP G570，厂家派克固美丽)、液冷板(型号XHX1112，厂家成都西河散热器厂)和隔热缓冲层(EPDM泡棉层，型号EP-1525，东莞世纪创造绝缘有限公司)。所述导热胶片层的厚度为2mm，所述隔热缓冲层的厚度为4mm。本实施例还提供一种液冷系统，所述液冷系统包括如上所述的电池换热单元。本实施例还提供一种电池包，所述电池包包括箱体、电池模组和如上所述的液冷系统，所述电池换热单元中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

评价试验：

实施例1-7和对比例1-2制得的小型电池包，其内部含有两个电池组，电池组安放在电池换热单元中，并固定在电池包箱体内部，进行如下测试：

将上述小型电池包固定在随机振动试验机上，参照GB/T 31467.3-2015 7.1 做随机振动测试。测试在三个方向进行，测试从z轴开始，然后是y轴，最后是x轴，每个方向的测试时间为21h。

将通过随机振动测试的电池包与电池综合性能测试系统链接，该设备可以对电池进行恒流、恒压和脉冲形式等不同的充放电试验，数据采集系统通过与电脑链接，利用软件对电池充放电的状态、充放电容量、电流、电压等信息进行监控。

电池充放电时通过测试仪对电池组不同位置温度进行监控，在电池组上任意选定五个位置与测温仪相连，监控电池组充放电时的温度情况。

为了防止外部环境对电池组的影响，将整个测试的电池组放置在恒温恒湿箱内进行试验，条件为：30℃，50％RH。

通过对电池包进行200次循环充放电，试验采用恒流充放电，充放电电流大小为1C。试验过程中对不同实施例和对比例的电池的最高温度、平均温度、电池容量进行监控，来表明不同产品的换热单元换热能力及温度对寿命的影响，如果测试中电池组温度超过55℃，将停止该实施例试验，并记录循环次数。其结果如表1所示：

表1

组别	电池组平均温度℃	电池组最高温度℃	循环次数	电池组剩余容量
					实施列1	30.2	34.8	200	96.1％
实施列2	30.4	35.2	200	96.4％
					实施列3	30.6	35.5	200	96.5％
实施列4	36.8	42.3	200	93.8％
					实施列5	40.8	46.3	200	90.3％
实施列6	37.1	43.3	200	93.5％
					实施列7	33.2	38.7	200	95.1％
对比例1	52.8	≥55	113	77.9％
					对比例2	50.6	≥55	168	79.4％

从结果可以看出，在不使用悬浮缓冲结构的情况下，使用导热发泡硅橡胶层做传热层可以保证电池组的正常使用，而使用导热脂层与导热胶片层时，由于振动导致导热层与电池组或者液冷板出现缝隙，影响传热能力，导致出现温度超过55℃的情况，电池温度达到危险边缘，易发生安全事故。

从实施列4与实施例5可以看出，导热发泡硅橡胶层厚度过高与过薄都会影响泡棉散热效率。

从实施列6与实施列7可以看出，过厚的隔热缓冲层需要更多的空间及成本，且过厚的材料在长时间振动测试后，由于厚度的减少，导致泡棉压缩率下降过大，影响散热效率，而过薄的隔热缓冲层，外部环境的温度会影响电池组。

申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的一种电池换热单元、液冷系统和电池包，但本实用新型并不局限于上述实施例，即不意味着本实用新型必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (6)

1.一种电池换热单元，其特征在于，所述电池换热单元包括依次接触的导热发泡硅橡胶层、液冷板和隔热缓冲层；

所述导热发泡硅橡胶层的厚度为2-5mm；

所述隔热缓冲层的厚度为2-8mm。

2.如权利要求1所述的电池换热单元，其特征在于，所述隔热缓冲层包括EVA泡棉层、PE泡棉层、EPDM泡棉层、CR泡棉层或PU泡棉层。

3.如权利要求1所述的电池换热单元，其特征在于，所述导热发泡硅橡胶层的厚度为3-4mm。

4.如权利要求1所述的电池换热单元，其特征在于，所述隔热缓冲层的厚度为4-6mm。

5.一种液冷系统，其特征在于，所述液冷系统包括如权利要求1-4中任一项所述的电池换热单元。

6.一种电池包，其特征在于，所述电池包包括箱体、电池模组和如权利要求5所述的液冷系统，所述液冷系统中的导热发泡硅橡胶层与电池模组接触。

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