CN212695226U - 动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，复合液冷板总成的流道短直、无转弯、密封可靠性高，与冷却液的有效接触换热面积大，并且冷却液在三维网状泡沫铝芯材与口琴管式空心铝型材构成的复合流道内的流阻或流量可控，故流体压降小、流场分布均匀、散热均匀、散热效率高；同时，复合液冷板总成的结构刚度高、承载能力强、疲劳耐久性好，既可用作动力电池包的内置式、外置式液冷板，也可用作集成式液冷板。此外，复合液冷板总成结构简单，易于制造，便于安装和维护，成本较低，性价比高，易于推广。

Description

动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构

技术领域

本实用新型涉及新能源汽车动力电池热管理技术领域，具体涉及一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构。

背景技术

目前，全球新能源汽车OEM共同关注着“安全性、续航能力和成本”三大课题。对于新能源电动汽车而言，大力发展高性能动力电池技术是能有效解决问题的重要手段之一。为此，发展高比能(高功率密度)、高容量动力电池应用技术已成为近年来动力电池技术研究热点之一。

为了确保新能源电动汽车的安全性和高续航能力，必须进行有效的电池热管理，以免锂电池在充、放电状态或运行过程中或者因温度过高而发生动力电池短路、起烟、起火或爆炸等事故，或者因温度过低而导致锂电池的性能急剧衰减、功率降低，从而使新能源电动汽车在低温环境下无法正常行驶。

当前，液体冷却散热方式是动力电池热管理系统最可靠、最高效的冷却方式，主要通过液冷板与动力电池或电池模组表面接触换热。常用的液冷板主要有薄铝板冲焊结构、薄铝板吹胀结构和空心铝型材拼焊结构等，通常用作动力电池包的内置式、或者外置式液冷板。

现有的薄铝板冲焊式或吹胀式结构均存在结构强度和结构刚度低、不能承重、易损坏和疲劳耐久性能问题，而现有的空心铝型材拼焊式结构也存在流道长、转弯多、接触散热面积小、压降大、冷却液的流阻或流量不可控、流场分布不均匀、散热效率低、散热不均匀和承载能力不足等问题。当用作内置式模组级液冷板时，薄铝板冲焊式或吹胀式结构和空心铝型材拼焊式结构均存在密封可靠性、安全性问题；当用作外置式模组级液冷板时，它们均明显存在散热功率低等问题。为此，亟待开发出一种能满足当前高比能、高容量动力电池包所需的综合使用性能良好、性价比较高的液冷板结构。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，以解决现有技术中液冷板的流道长、转弯多、散热面积小、压降大、流场分布不均匀、散热效率低、散热不均匀、密封可靠性低以及承载能力不足、疲劳耐久性较差、易损坏等问题，从而更好地为高比能、高容量动力电池包技术的发展服务。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，包括进水总管、温度传感器、单向分流阀、进水转接管、进水集流管、可调节流阀、流量传感器、进水支管、进水快插接口、进水快插水嘴、复合液冷板总成、出水快插水嘴、出水快插接口、出水支管、出水集流管、出水转接管、单向集流阀和出水总管。在冷却液的流动方向上，内置有温度传感器的单向分流阀在其前、后端分别与进水总管、进水转接管相连接；进水集流管在其前、后端分别与进水转接管、与串联在一起的可调节流阀和流量传感器相连接；进水支管在其前、后端分别与流量传感器、进水快插接口相连接；复合液冷板总成分别经其前、后端的进水快插水嘴和出水快插水嘴与进水快插接口、出水快插接口相连接；出水支管在其前、后端分别与出水快插接口、出水集流管相连接；出水转接管在其前、后端分别与出水集流管、与内置有温度传感器的单向集流阀相连接；单向集流阀的另一端与出水总管相连接；

所述复合液冷板总成包括单层口琴管式空心铝型材、铝堵头、橡胶堵头、三维网状泡沫铝芯材、进水快插水嘴和出水快插水嘴，其中，在单层口琴管式空心铝型材的孔道中央(热交换区段)填充着三维网状泡沫铝芯材，在孔道的两端、由外至内均依次采用由铝堵头、橡胶堵头一起构成的双密封结构设计，而在孔道上壁两端的进、出水口处分别密封焊接着进、出水快插水嘴。

优选的，所述复合液冷板总成的基本结构由i(i＝1,2,3,…)个并行排列的非等壁厚而孔道截面积相等且孔道数目N＝(1,2,3,…)满足 (N·i)之积为偶数的单层口琴管式空心铝型材拼焊而成，其中，空心铝型材横断面的侧壁厚度最大且在其外沿均采用了“C”或者“h”字形的机械咬合卡槽结构设计，而空心铝型材与其孔道中央所填充的、具有增强热交换作用的三维网状泡沫铝芯材通过其界面冶金结合作用或者机械咬合作用而形成复合液冷板总成内部的复合流道结构。

优选的，在所述复合液冷板总成的进水端，专门设计了一个由可调节流阀和流量传感器串联连接而成的节流装置，以实现对流经所述复合流道内的冷却液流阻或者流量的调节与控制。

优选的，冷却液在复合液冷板总成内部的流动方向随着复合流道的排序而依次正、反向交替变化，即，冷却液在复合流道Ai、Bi、Ci和Di(其中，i＝1,2,3,…)内的流动方向是在复合流道Ai和Ci内正向流动、而在复合流道Bi和Di内逆向流动。

优选的，所述复合液冷板总成上表面壁厚最小，且在其上表面胶粘着若干与电池模组底面积大小相当的一薄层电绝缘导热硅胶垫；所述复合液冷板总成下表面壁厚较大，且在其下表面胶粘着一层缓冲隔热垫。

优选的，所述复合液冷板总成可用作动力电池包的内置式、外置式或者集成式液冷板；当用作内置式液冷板时，其他冷却液流通管道和元器件均位于复合液冷板总成上表面的合理区域；当用作外置式或者集成式液冷板时，其他冷却液流通管道和元器件均位于复合液冷板总成下表面的合理区域。

优选的，所述的进水总管和出水总管均密封焊接在动力电池包外箱边框一端梁上；Y字形水管支架和工字形支架的根部均焊接在所述的复合液冷板总成的上(或者下)表面上；进、出水转接管和进、出水集流管均通过C字形管道扣板和拉铆铆钉的约束作用固定于Y字形水管支架的顶端；单向分流阀和单向集流阀均通过螺栓连接方式紧固于工字形支架的顶端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：所述的动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板总成的流道短直、无转弯、密封可靠性高，且冷却液在复合流道内的有效接触换热面积大、流阻或流量可控，流体压降小、流场分布均匀、散热均匀、散热效率高；同时，复合液冷板总成的结构刚度高、承载能力强、疲劳耐久性好，故其既可用作动力电池包的内置式、外置式液冷板，也可用作集成式液冷板。这种复合液冷板总成的结构简单，易于制造，便于安装和维护，成本较低，性价比高，易于推广。

附图说明

图1为复合液冷板整体结构的示意图；

图2为复合液冷板整体结构的爆炸图；

图3为复合液冷板总成的结构示意图与局部透视图；

图4为冷却液在复合液冷板总成内部的流动方向示意图；

图5为复合液冷板上的导热垫和隔热垫布局示意图；

图6为动力电池包内部液冷循环系统结构原理示意图。

图中：1、进水总管；2、温度传感器；3、单向分流阀；4、进水转接管；5、进水集流管；6、可调节流阀；7、流量传感器；8、进水支管；9、进水快插接口；10、进水快插水嘴；11、复合液冷板总成； 12、出水快插水嘴；13、出水快插接口；14、出水支管；15、出水集流管；16、出水转接管；17、单向集流阀；18、出水总管；19、导热硅胶垫；20、隔热垫；21、单层口琴管式空心铝型材；22、铝堵头； 23、橡胶堵头；24、三维网状泡沫铝芯材；25、Y字形水管支架；26、 C字形管道扣板；27、拉铆铆钉；28、卡箍；29、工字形支架；30、螺栓。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，包括进水总管1、温度传感器2、单向分流阀3、进水转接管4、进水集流管5、可调节流阀6、流量传感器7、进水支管8、进水快插接口9、进水快插水嘴10、复合液冷板总成11、出水快插水嘴12、出水快插接口13、出水支管14、出水集流管15、出水转接管16、单向集流阀17和出水总管18。在冷却液的流动方向上，内置有温度传感器2的单向分流阀3在其前、后端分别与进水总管1、进水转接管4相连接；进水集流管5在其前、后端分别与进水转接管4、与串联在一起的可调节流阀6和流量传感器7相连接；进水支管8在其前、后端分别与流量传感器7、进水快插接口9相连接，复合液冷板总成11分别经其前、后端的进水快插水嘴10和出水快插水嘴12 与进水快插接口9、出水快插接口13相连接；出水支管14在其前、后端分别与出水快插接口13、出水集流管15相连接；出水转接管16 在其前、后端分别与出水集流管15、与内置有温度传感器2的单向集流阀17相连接；单向集流阀17的另一端与出水总管18相连接；其中，进水总管1和出水总管18均密封焊接在动力电池包外箱体一端的端梁上；进、出水转接管4和16与进、出水集流管5和15均通过C字形管道扣板26和拉铆铆钉27的约束作用固定于Y字形水管支架25的顶端；单向分流阀3和单向集流阀17均通过螺栓30紧固于工字形支架29的顶端；Y字形水管支架25和工字形支架29的根部均焊接在所复合液冷板总成11上。

如图1所示，所述的动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构主要由复合液冷板总成11和液冷管道系统两部分组成，其中，所述的复合液冷板总成11既可用作动力电池包的内置式或者外置式液冷板，也可用作集成式液冷板；当其用作内置式液冷板时，所述的液冷管道系统位于复合液冷板总成11上表面的上方；而当其用作外置式或者集成式液冷板时，所述的液冷管道系统位于复合液冷板总成11下表面的下方。

如图2-4所示，复合液冷板总成11包括单层口琴管式空心铝型材21、铝堵头22、橡胶堵头23、三维网状泡沫铝芯材24、进水快插水嘴10和出水快插水嘴12，其中，单层口琴管式空心铝型材21为非等壁厚而等孔道截面积且孔道数目为N(N＝1,2,3,…)的、侧壁厚度最大且在其外沿均采用了“C”或者“h”字形机械咬合卡槽结构设计的异形空心挤压铝型材；由i(i＝1,2,3,…)个并行排列的单层口琴管式空心铝型材21在其两侧的搭接焊接头处通过正、反面搅拌摩擦焊接FSW工艺拼焊成所述复合液冷板总成11的主体框架结构；单层口琴管式空心铝型材21与其流道内部的三维网状泡沫铝芯材24通过界面复合作用或者机械咬合作用而形成复合液冷板总成11内部的复合流道结构；在复合流道的两端，由内至外依次设置有橡胶堵头 23和与单层口琴管式空心铝型材21通过MIG电弧焊接工艺密封连接在一起的铝堵头22；在复合流道上壁两端的进、出水口处分别将进水快插水嘴10、出水快插水嘴12与口琴管式空心铝型材21通过MIG 电弧焊接工艺密封连接在一起。

如图4-5所示，在正常运行状态下，在复合液冷板总成11内，冷却液的流向随着复合流道的排序而依次正、反向交替变化，即，冷却液在复合流道Ai、Bi、Ci和Di(其中，i＝1,2,3,…)内的流向是在复合流道Ai和Ci内正向流动、而在复合流道Bi和Di内逆向流动。此时，为了减小电池模组传热热阻并增大其有效接触散热面积，除了使构成复合液冷板总成11的单层口琴管式空心铝型材21的上表面壁厚最小外，还在复合液冷板总成11上表面胶粘了若干与电池模组底面积大小相当的一薄层电绝缘导热硅胶垫19；同时，为了减小周围环境对复合液冷板总成11内部温度场的不良影响，还在复合液冷板总成11下表面胶粘了一层缓冲隔热垫20。

如图1、图4和图6所示，在正常运行状态下，冷却液的流动方向是：来自动力电池包外部的、温度较低的冷却液首先依次流经进水总管1、内置有温度传感器2的单向分流阀3、进水转接管4、进水集流管5、可调节流阀6、流量传感器7、进水支管8、进水快插接口 9和进水快插水嘴10，进入复合液冷板总成11的复合流道(如，正向流道Ai和Ci、或者逆向流道Bi和Di)内；接着，冷却液与复合流道内壁和三维网状泡沫铝增强热交换芯材在其接触表面上进行充分的热交换作用，使冷却液的温度升高；然后，温度较高的冷却液依次流经出水快插水嘴12、出水快插接口13、出水支管14、出水集流管15、出水转接管16、内置有温度传感器2的单向集流阀17和出水总管18，最终流向动力电池包外部的热交换系统。

为了减轻所述复合液冷板总成11结构重量、降低制造成本、并有效地减小或抵消装配偏差带来的不良影响，所述的进、出水支管8 和14均可选用橡胶软管制作，并在软管两端采用卡箍28锁紧；所述的进、出水转接管4和16与进、出水集流管5和15均可选用轻质塑料管制作；所述的可调节流阀6和流量传感器7均可选用相应的塑料制产品；所述的进、出水快插水口9和13与快插水嘴10和12以及单向分流阀3和单向集流阀17均可选用相应的铝制产品；所述的进、出水总管1和18均可选用铝合金圆管制作；所述的C字形管道扣板 26、Y字形水管支架25、工字形支架29均可选用相应的实心铝型材制作；上述铝合金圆管和实心铝型材均可选用强度中等的AA 6000系铝合金(如，AA 6005)制造；为了有效提高所述复合液冷板总成11 的承载能力和疲劳耐久性能、有效减重并充分利用材料的可回收再利用特性，可选用强度较高的AA 6000系铝合金(如，AA 6061)制造；所述的三维网状泡沫铝芯材24可选用工业纯铝(如，AA 1060)或者中等强度AA 6000系铝合金(如，AA 6005)制造。

综上所述，本实用新型的技术创新点主要包括以下几方面：

首先，在所述复合液冷板总成11的进水端设计了一个由可调节流阀6和流量传感器7串联连接而成的节流装置；利用该装置可对流经复合流道内冷却液的流阻或流量的进行调控，从而可使流场分布更趋均匀。

其次，所述复合液冷板总成11的复合流道短直、无转弯、且与冷却液的接触换热面积大，故其压降较小、散热效率高。

接着，冷却液在复合液冷板总成11内部的流动方向随着复合流道的排序而依次正、反向交替变化，从而可使电池模组散热更趋均匀。

再次，在复合流道的两端均采用了由铝堵头22和橡胶堵头23一起构成的双层密封结构设计，从而有利于提高复合液冷板总成11和电池包的密封可靠性；尤其当用作外置式或者集成式液冷板时，密封可靠性能更佳。

再次，由于复合流道内三维网状泡沫铝芯材24与单层口琴管式空心铝型材21在其接触表面上存在界面冶金结合或者机械咬合作用，故所述复合液冷板总成11的比刚度较高、承载能力较强、疲劳耐久性良好，特别符合当前高比能动力电池包市场发展对集成式液冷板轻量化新产品、新技术的迫切需求。

最后，所述的复合液冷板总成11的主要构件——单层口琴管式空心铝型材21两侧壁的外沿均采用“C”或者“h”字形的机械咬合卡槽结构设计，不仅可以增加彼此间的连接可靠性，还能简化对搅拌摩擦焊接FSW接头工艺设计、降低工人劳动强度和产品制造成本、提高生产效率。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，包括进水总管(1)、温度传感器(2)、单向分流阀(3)、进水转接管(4)、进水集流管(5)、可调节流阀(6)、流量传感器(7)、进水支管(8)、进水快插接口(9)、进水快插水嘴(10)、复合液冷板总成(11)、出水快插水嘴(12)、出水快插接口(13)、出水支管(14)、出水集流管(15)、出水转接管(16)、单向集流阀(17)和出水总管(18)；在冷却液的流动方向上，内置有温度传感器(2)的单向分流阀(3)在其前、后端分别与进水总管(1)、进水转接管(4)相连接；进水集流管(5)在其前、后端分别与进水转接管(4)、与串联在一起的可调节流阀(6)和流量传感器(7)相连接；进水支管(8)在其前、后端分别与流量传感器(7)、进水快插接口(9)相连接；复合液冷板总成(11)分别经其前、后端的进水快插水嘴(10)和出水快插水嘴(12)与进水快插接口(9)、出水快插接口(13)相连接；出水支管(14)在其前、后端分别与出水快插接口(13)、出水集流管(15)相连接；出水转接管(16)在其前、后端分别与出水集流管(15)、与内置有温度传感器(2)的单向集流阀(17)相连接；单向集流阀(17)的另一端与出水总管(18)相连接；

所述的复合液冷板总成(11)包括单层口琴管式空心铝型材(21)、铝堵头(22)、橡胶堵头(23)、三维网状泡沫铝芯材(24)、进水快插水嘴(10)和出水快插水嘴(12)；其中，三维网状泡沫铝芯材(24)位于口琴管式空心铝型材(21)的孔道中部；口琴管式空心铝型材(21)的孔道两端均由外至内依次密封安装着铝堵头(22)、橡胶堵头(23)；进水快插水嘴(10)和出水快插水嘴(12)分别在复合流道两端的进、出水口处与口琴管式空心铝型材(21)密封焊接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，其特征在于：所述的复合液冷板总成(11)由i(i＝1,2,3,…)个并行排列的非等壁厚而孔道截面积相等且孔道数目N(N＝1,2,3,…)满足(N·i)之积为偶数的、孔道内部填充着三维网状泡沫铝芯材(24)而孔道两端采用铝堵头和橡胶堵头的双密封结构设计的、孔道上壁两端附近分别密封焊接着进水快插水嘴(10)、出水快插水嘴(12)的单层口琴管式空心铝型材(21)拼焊而成，其中，孔道在其靠近电池模组一侧的壁厚最小、且其上表面胶粘着一薄层与电池模组底面积大小相当的电绝缘导热硅胶垫(19)，而孔道在靠近地平面一侧的壁厚较大、且其下表面胶粘着一层缓冲隔热垫(20)，同时，单层口琴管式空心铝型材(21)横断面左右两侧的壁厚值最大，且在其侧壁上还采用了“C”或者“h”字形的机械咬合卡槽结构设计。

3.根据权利要求2所述的一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，其特征在于：所述的单层口琴管式空心铝型材(21)与其流道内的三维网状泡沫铝芯材(24)通过在其接触面上的界面冶金结合或者机械咬合作用而形成复合液冷板总成(11)内的复合流道结构；复合流道短直、无转弯且与冷却液的有效接触换热面积大，压降小、流场分布均匀、散热均匀、散热效率高。

4.根据权利要求3所述的一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，其特征在于：在所述复合液冷板总成(11)的进水端设计有专门的节流装置，主要由串联连接的可调节流阀(6)和流量传感器(7)构成；冷却液在复合液冷板总成(11)内部的流动方向随着复合流道的排序而依次正、反向交替变化，即，冷却液在复合流道Ai、Bi、Ci和Di(其中，i＝1,2,3,…)内的流向是在复合流道Ai和Ci内正向流动、而在复合流道Bi和Di内逆向流动。

5.根据权利要求1所述的一种动力电池包口琴管包复三维网状泡沫铝复合液冷板结构，其特征在于：所述的复合液冷板总成(11)能够用作动力电池包的内置式、外置式和集成式液冷板；其中，集成式液冷板的使用效果更佳。

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