CN215771291U - 一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，包括电池模组、传热装置和壳体（7）。电池模组由电池单元所组成；电池单元包括电池单体（1）、泡沫铜/石蜡复合相变模块（3），电池单体嵌入到泡沫铜/石蜡复合相变模块中；传热装置包括脉动热管（2）、翅片（4）、散热风扇（5）和导热元件（6）。每个电池单元两侧分别夹有导热元件；脉动热管的蒸发端连接导热元件并嵌入到泡沫铜/石蜡相变模块中；电池模组、传热装置分别安装在壳体的两端，壳体的传热装置端的两侧分别设置了第一控制阀门（8）和第二控制阀门（9），两个控制阀门之间设置有挡风板（10）。本实用新型系统结构简单，设计合理，成本低等优点。

Description

一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，属传热技术领域。

背景技术

锂离子电池具有比能量大、比功率高、寿命长、自放电率低等优点被广泛用于电动汽车动力电池模组中。锂离子电池的性能对温度非常敏感，如果电池的温度过高、过低或温差较大，电池易发生老化、性能退化和容量损失。为了避免性能的衰减和降低安全风险，有效的热管理至关重要。

目前研究中根据冷却介质的不同，电池冷却可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却和复合冷却等。基于相变材料的电池冷却系统是一种被动式冷却系统，被认为是电池冷却的合适解决方案，为使电池在合适温度范围内进行工作，需要对其进行热管理。相变材料冷却是一种利用材料发生相变时吸收电池热量的方法，具有设计简单、可靠性高的优点。

但相变材料的导热系数低，其需与其他冷却方式配合使用，通过其他冷却方式将相变材料中的热量及时散去，提高整个系统的冷却效果。而脉动热管作为高效散热元件，具有大传热系数（通常为普通金属材料导热系数的10-100倍），高热流密度，并且结构简单，成本低，体积小，可塑性强等优点，已成为一种潜在的热管理技术。

但其冷凝端需配合有效散热方式，才能保证高效的散热效率。因此多种散热方式耦合的热管理技术将成为有效方案之一，从而保证电池的最佳工作温度。

发明内容

本实用新型的目的是，针对现有锂电池热管理存在的问题，为了获得一种结构简单、质量轻、易于装配、散热均衡及热稳定性极佳的电池模组散热系统，公开一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统。

本实用新型实现的技术方案如下，一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，包括电池模组、传热装置和壳体。

所述电池模组至少由一个电池单元所组成；电池单元包括电池单体、泡沫铜/石蜡复合相变模块，电池单体嵌入到泡沫铜/石蜡复合相变模块中，每五个电池单体组成一个电池单元。

所述传热装置包括脉动热管、翅片、散热风扇和导热元件；每个电池单元两侧分别夹有导热元件；所述脉动热管的蒸发端连接导热元件并嵌入到泡沫铜/石蜡相变模块中，用于将多余热量转移至石蜡相变材料模块。

电池模组、传热装置分别安装在壳体的两端，传热装置端的壳体设置有四个风口。

所述脉动热管为连续U形结构；所述脉动热管截面为圆形，材质为铝；具有热效率高和密度小的特点，有助于热量传递和轻量化。

所述脉动热管设有蒸发段和冷凝段，所述蒸发段与导热元件接触，并嵌入到石蜡相变材料模块中；所述冷凝段上连接多个散热翅片，并伸出电池模块，通过所述散热风扇进行散热。

所述脉动热管和所述导热元件之间的接触面均涂有导热硅胶以降低接触热阻。

所述壳体的传热装置端的两侧分别设置了第一控制阀门和第二控制阀门，两个控制阀门之间设置有挡风板；冷却空气通过所述两个控制阀门交替开启，以实现周期性往复气流，从而实现所述脉动热管冷凝段的分级散热控制。

所述泡沫铜/石蜡复合相变模块，为石蜡在熔融后的液态状态下加压填充泡沫铜形成的复合相变模块。

本实用新型的有益效果是，本实用新型系统结构简单，设计合理，两个控制阀门交替开启以实现周期性往复气流，从而实现脉动热管冷凝段的分级散热控制，复合相变材料模块通过石蜡和泡沫铜制成提高系统导热效率。设置导热元件不仅增大脉动热管与电池表面接触面积，使电池表面的温度分布更均匀，还可以减少脉动热管数量。并且脉动热管相比传统热管高热流密度，结构简单，成本低等优点，且有着广阔应用前景。

附图说明

图1为一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统外部结构示意图；

图2为一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统内部结构示意图；

图3为脉动热管示意图；

图中：1为电池单体；2为脉动热管；3为泡沫铜/石蜡复合相变模块；4为翅片；5为散热风扇；6为导热元件；7为壳体；8为第一控制阀门；9为第二控制阀门；10为挡风板，①为第一风口；②为第二风口；③为第三风口；④为第四风口。

具体实施方式

本实用新型以18650动力电池为例，进一步说明一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统的具体实施方式。

本实施例一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统包括电池模组、传热装置和壳体7，如图1所示。

本实施例的电池模组由若干个电池单元所组成。电池单元包括电池单体1、泡沫铜/石蜡复合相变模块3；电池单体1嵌入到泡沫铜/石蜡复合相变模块3中，用于吸收和转移电池在充/放电时的热量；每五个电池单体1组成一个电池单元。

所述传热装置包括脉动热管2、翅片4、散热风扇5和导热元件6。每个电池单体1两侧分别夹有导热元件6，用于传递电池单元产生热量，使电池表面温度分布更均匀，以防电池表面温度差异过大引起热失控问题。所述脉动热管2的蒸发端连接导热元件6并嵌入到泡沫铜/石蜡相变模块3中，用于将多余热量转移至泡沫铜/石蜡相变材料模块3。所述导热元件采用铝质材料，因其具有重量轻、散热性能好，节能效果好等特点。

电池模组、传热装置分别安装在壳体7的两端，传热装置端的壳体设置有四个风口①、②、③、④。

本实施例的泡沫铜/石蜡复合相变模块的材料制作方式，通过将石蜡用高温枪吹熔化，再将泡沫铜浸入石蜡溶液。放置在恒温箱进行凝固。利用泡沫金属铜的结构能增大导热面积，且铜的导热系数大，能使热量传递到复合相变材料中，弥补单一石蜡相变材料导热低的劣势。提升了复合相变材料的导热性能。

如图2和图3所示，本实施例的脉动热管2截面为圆形，设有蒸发端和冷凝端，蒸发端连接导热元件6，冷凝端上有多个散热翅片4，并伸出电池模块，通过所述散热风扇5进行散热。增强热管2冷凝端温度下降速率，形成蒸发端和冷凝端温差，通过热管内部工质的高效相变，实现对锂离子电池降温。

采用所述散热风扇5进行强制散热，其风向基于所述挡风板10、第一控制阀门8和第二控制阀门9；冷却空气通过所述2个控制阀门交替开启，以实现周期性往复气流，从而实现所述脉动热管2冷凝段的分级散热控制。在电池充/放电整个周期过程中，上半周期，电池充/放电时，第一控制阀门8开启，第二控制阀门9关闭，风向流向不经过渐缩通道，直接从第三风口③到第一风口①，对脉动热管冷凝段进行散热；下半周期，电池充/放电时，第二控制阀门9开启，第一控制阀门8关闭，风向流向经过由宽到窄的渐缩通道，增强风速，从第二风口②到第四风口④，并通过U字形散热通道进行强制散热。

本实施例的脉动热管2和导热元件6的接触面涂有导热硅胶以降低接触热阻，以防所述脉动热管2和导热元件6高温下形成烧结。

本实施例一种基于往复式冷却气流与相变传热耦合的18650动力电池热管理系统，具体工作原理如下：

由电池单体1组成的电池模组在充/放电过程中产生热量，其热量传递到导热元件6，进而热量传递到脉动热管2的蒸发端，热管冷凝端在强制空冷作用下，蒸发端和冷凝端形成温差。由于热管内部工质发生高效相变吸收大量的热，将热量由蒸发端传递到冷凝端，冷凝后的内部工质在毛细力的作用下回到蒸发端，周而复始，循环散热。

电池模块和脉动热管2的蒸发端均嵌入到复合相变材料模块3中。电池单体1产生的热量，经过相变材料模块3吸收储存，从而使电池的温度维持在最佳的工作温度范围内，提高电池的动力性和使用性能。石蜡在熔融后的液态状态下加压填充泡沫铜形成复合相变模块，弥补了石蜡相变材料本身导热系数低的劣势。通过设置导热元件6增大了热管2和电池表面的接触面积，使电池表面温度分布更均匀，避免电池表面温度差异太大而引起热失控的问题。由于热管2蒸发端嵌入相变材料模块3中，当泡沫铜/石蜡复合相变模块3超过一定温度时，热管2蒸发端可以迅速吸收相变材料模块3的热量，通过冷凝端上设有多个翅片4和风扇5进行强制散热。采用所述散热风扇5进行强制散热，其风向基于所述挡风板10、第一控制阀门8和第二控制阀门9，冷却空气通过主这两个控制阀门交替开启，以实现周期性往复气流，从而实现所述脉动热管2冷凝段的分级散热控制。

在电池充/放电整个周期过程中，上半周期，电池充/放电时，第一控制阀门8开启，第二控制阀门9关闭，风向流向不经过渐缩通道，直接从第三风口③到第一风口①对脉动热管2冷凝段进行散热；下半周期，电池充/放电时，第二控制阀门9开启，第一控制阀门8关闭，风向流向经过由宽到窄的渐缩通道，增强风速，从第二风口②到第四风口④，并通过U字形散热通道进行强制散热。

本实施例通过脉动热管2冷凝段增设散热翅片，并配有挡风板10、第一控制阀门8和第二控制阀门9，加强与空气的换热效果，实现所述脉动热管2冷凝段的分级散热控制。同时通过相变材料模块3和脉动热管2两者相互耦合散热，有效缓解电池温度过大，尤其在高倍率或快充等情况下造成的热失控等安全性问题。

本实施例系统可以作为动力电池包为电动汽车提供动力并进行有效热管理，保证电池可以在合适温度范围内工作，电池单体之间温差保持在相对稳定范围。

Claims (5)

1.一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，包括电池模组、传热装置和壳体，其特征在于，所述电池模组至少由一个电池单元所组成；电池单元包括电池单体、泡沫铜/石蜡复合相变模块，电池单体嵌入到泡沫铜/石蜡复合相变模块中，每五个电池单体组成一个电池单元；

所述传热装置包括脉动热管、翅片、散热风扇和导热元件；每个电池单元两侧分别夹有导热元件；所述脉动热管的蒸发端连接导热元件并嵌入到泡沫铜/石蜡相变模块中，用于将多余热量转移至石蜡相变材料模块；

电池模组、传热装置分别安装在壳体的两端，传热装置端的壳体设置有四个风口。

2.根据权利要求1所述的一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，其特征在于，所述脉动热管为连续U形结构；所述脉动热管截面为圆形，材质为铝，有助于热量传递和轻量化。

3.根据权利要求1所述的一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，其特征在于，所述脉动热管设有蒸发段和冷凝段，所述蒸发段与导热元件接触，并嵌入到石蜡相变材料模块中；所述冷凝段上连接多个散热翅片，并伸出电池模块，通过所述散热风扇进行散热。

4.根据权利要求1所述的一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，其特征在于，所述脉动热管和所述导热元件之间的接触面均涂有导热硅胶以降低接触热阻。

5.根据权利要求1所述的一种基于冷却气流与相变传热耦合的动力电池热管理系统，其特征在于，所述壳体的传热装置端的两侧分别设置了第一控制阀门和第二控制阀门，两个控制阀门之间设置有挡风板；冷却空气通过所述两个控制阀门交替开启，以实现周期性往复气流，从而实现所述脉动热管冷凝段的分级散热控制。

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