CN217158331U - 一种逆流式圆柱电池堆及其电池热管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种逆流式圆柱电池堆及其电池热管理系统，逆流式圆柱电池堆包括电芯模块和冷却板，电芯模块包括多排电芯单元，每排电芯单元包括多个电芯单体；冷却板设置于两排电芯单元之间，间隔多排电芯单元设置一个冷却板，相邻冷却板中的冷却液流动方向相反。电池热管理系统还包括环绕式功率型电池堆、进水总管和出水总管，逆流式圆柱电池堆和环绕式功率型电池堆的进液口、出液口分别与进水总管和出水总管连接。本实用新型逆流式圆柱电池堆相邻冷却板中的冷却液的流动相互独立，且呈逆向流动，通过换热，相邻冷却板之间的两排圆柱电芯的温度分布呈中心对称的形式，显著提升整包电池的温度一致性，从而提高电池使用寿命。

Description

一种逆流式圆柱电池堆及其电池热管理系统

技术领域

本实用新型涉及汽车热管理技术领域，具体的说，涉及一种逆流式圆柱电池堆及其电池热管理系统。

背景技术

近年来，新能源车辆在市场的普及性显著提高，各大电池厂商从电池成本、电池容量和电池安全性等维度综合考虑，开展不同电池类型的研发工作。目前，市场上常见的电池类型为方壳电池、圆柱电池和软包电池。圆柱电池与其他两种电池相比，电池容量较小，因此当电芯单体发生热失控时，其所释放的能量较少，在合理的结构方案设计基础上，能够有效降低或阻止整包产生热扩散现象。基于安全性维度考量，部分主机厂使用圆柱电池开展电池包的结构方案设计更有利于提高安全性。

根据用户对于车辆的日常使用需求，在低温和高温的环境工况下，为保证电池能够进行正常的充放电工况，需要对电池进行必要的冷却或加热。针对圆柱电池，考虑其机械结构和尺寸信息，单电芯的防爆阀位于电芯底面，电芯上表面需布置铜排与其他电芯实现电气连接。基于此，实现圆柱电池冷却或加热功能的冷却板，只能沿电池周向布置。

为实现圆柱电池的冷却或加热功能，电池热管理系统的设计方案主要分为以下两种：一是，冷却板布置在圆柱电芯单体周向区域，且电芯的两侧均布置有冷却板，能够有效提高电芯的换热能力，系统的热管理性能较好，但是成本较高。二是，冷却板布置在圆柱电芯单体周向区域，相邻冷却板之间布置两排圆柱电池，所有冷却板中的冷却液采用同向流动，能够有效降低成本，但因为冷却板中的冷却液都同向流动，会导致电池整包的温度均匀性显著下降。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种逆流式圆柱电池堆及其电池热管理系统，相邻冷却板中的冷却液采用双向对向流动方式，有效提升整包圆柱电芯的温度一致性。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

一种逆流式圆柱电池堆，包括电芯模块和冷却板，所述电芯模块包括多排电芯单元，每排电芯单元包括多个电芯单体；所述冷却板设置于两排电芯单元之间，间隔多排电芯单元设置一个冷却板；所述冷却板具有第一进口和第一出口，所述第一进口设置于电芯模块的一侧，所述第一出口设置于与第一进口相对的电芯模块的另一侧；相邻冷却板的第一进口分别设置于电芯模块的相对两侧，相邻冷却板的第一出口分别设置于电芯模块的相对两侧，使相邻冷却板中的冷却液呈逆向流动。

进一步的，所述电芯单元的排数n为偶数，且n≥4，位于电芯模块边缘的冷却板设置于边缘电芯单元的内侧，相邻冷却板之间的电芯单元为两排；或者所述电芯单元的排数n为奇数，且n≥5，(n-3)/2组相邻冷却板或者(n-1)/2组相邻冷却板之间的电芯单元为两排。

进一步的，电芯模块一侧的第一进口都连接于第一进水集管，其相应的第一出口都连接于第一出水集管；电芯模块另一侧的第一进口都连接于第二进水集管，其相应的第一出口都连接于第二出水集管，减少管路数量，优化管路布置。

进一步的，相邻电芯单体之间设置有灌封胶，电芯单体与冷却板之间设置有导热结构胶，加强冷却板和电芯单体之间的换热。

进一步的，相邻排电芯单元的电芯单体错落布置，所述冷却板为与电芯单元外壁轮廓相适配的蛇形冷却板，增加冷却板与电芯单元的接触面积。

进一步的，所述电芯模块为能量型电芯模块，所述电芯单体都为能量型电芯单体；或者所述电芯模块为功率型电芯模块，所述电芯单体都为功率型电芯单体。

进一步的，所述电芯模块为混合型电芯模块，所述电芯单体为能量型电芯单体和功率型电芯单体的组合；多排电芯单元包括能量型电芯单元和/或混合型电芯单元和/或功率型电芯单元；能量型电芯单元的电芯单体都为能量型电芯单体，功率型电芯单元的电芯单体都为功率型电芯单体，混合型电芯单元包括多个能量型电芯单体和多个功率型电芯单体。

进一步的，一种电池热管理系统，包括逆流式圆柱电池堆，所述逆流式圆柱电池堆为一个或者多个。

进一步的，还包括环绕式功率型电池堆，所述环绕式功率型电池堆包括电芯模块和环绕式冷却器，所述电芯模块包括多排电芯单元，每排电芯单元包括多个电芯单体，所述电芯单体都为功率型电芯单体，相邻排电芯单元的电芯单体错落布置；所述环绕式冷却器具有第二进口和第二出口，由多个冷却板首尾相连形成S型，从一侧的电芯单元环绕到另一侧的电芯单元，形成S型流道。

进一步的，所述环绕式功率型电池堆的电芯单元的排数n为偶数，且n≥4，位于电芯模块边缘的冷却板设置于边缘电芯单元的内侧，环绕式冷却器的相邻冷却板之间的电芯单元为两排；或者所述环绕式功率型电池堆的电芯单元的排数n为奇数，且n≥5，环绕式冷却器的(n-3)/2组相邻冷却板或者(n-1)/2组相邻冷却板之间的电芯单元为两排。

进一步的，还包括进水总管和出水总管，所述第一进水集管、第二进水集管和第二进口都与进水总管相连，所述第一出水集管、第二出水集管和第二出口都与出水总管相连。

进一步的，在进水总管上设置有三通阀，所述三通阀的一个出口与第二进口相连，三通阀的另一个出口与第一进水集管和第二进水集管相连，对进入逆流式圆柱电池堆和环绕式功率型电池堆的冷却液进行分配。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)逆流式圆柱电池堆相邻冷却板中的冷却液的流动相互独立，且采用相反的流动方向，呈逆向流动，通过换热，相邻冷却板之间的两排圆柱电芯的温度分布呈中心对称的形式，显著提升整包电池的温度一致性，从而提高电池使用寿命。

(2)圆柱电芯单体的周向仅一侧与冷却板接触实现换热，相邻冷却板之间布置布置两排电芯单元，最大限度在实现热管理功能的同时，减少系统零部件的数量，进而降低系统成本。

附图说明

图1为逆流式圆柱电池堆的结构示意图。

图2为逆流式圆柱电池堆偶数排电芯单元的冷却板排布示意图。

图3为逆流式圆柱电池堆奇数排电芯单元的冷却板排布的一个实施例示意图。

图4为逆流式圆柱电池堆奇数排电芯单元的冷却板排布的另一个实施例示意图。

图5为环绕式功率型电池堆偶数排电芯单元的冷却板排布示意图。

图6为环绕式功率型电池堆奇数排电芯单元的冷却板排布的一个实施例示意图。

图7为环绕式功率型电池堆奇数排电芯单元的冷却板排布的另一个实施例示意图。

图8为电池热管理系统的结构示意图。

图中：1-逆流式圆柱电池堆；101-电芯单元；1011-电芯单体；102-连接支架；103-冷却板；104-第一进水集管；105-第一出水集管；106-第二进水集管；107-第二出水集管；2-环绕式功率型电池堆；201-环绕式冷却器；3-进水总管；4-出水总管；5-三通阀。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型提供了一种逆流式圆柱电池堆，如图1所示，包括电芯模块和冷却板103，所述电芯模块包括多排电芯单元101，每排电芯单元101包括多个电芯单体1011，优选的，相邻电芯单体1011之间设置有灌封胶，将各个电芯单体1011粘接在一起。所述冷却板103设置于两排电芯单元101之间，间隔多排电芯单元101设置一个冷却板103。为了加强冷却板103和电芯单体1011之间的换热效果，在电芯单体1011与冷却板103之间设置导热结构胶，将冷却板103粘接在电芯单体1011上且具有良好的导热效果。所述冷却板103具有第一进口和第一出口，所述第一进口设置于电芯模块的一侧，所述第一出口设置于与第一进口相对的电芯模块的另一侧；相邻冷却板103的第一进口分别设置于电芯模块的相对两侧，相邻冷却板103的第一出口分别设置于电芯模块的相对两侧，各个冷却板103独立设置，相邻冷却板103中的冷却液呈逆向流动。根据需要，各个逆流式圆柱电池堆1可以设置外部框架，通过外包围结构构成电池包，也可以在电芯模块的相对两侧设置连接支架102构成电池包，通过连接支架102将电池堆直接与车架相连。

优选的，相邻排电芯单元101的电芯单体1011错落布置，所述冷却板103为与电芯单元101外壁轮廓相适配的蛇形冷却板103。将相邻排电芯单元101的电芯单体1011错落布置，不仅可以提高整个电池包空间的利用率，尽可能多的布置电芯单体1011，提高电池包的容量。还有利于对冷却板103进行仿形，根据电芯单体1011的周向，对冷却板103进行仿形，可以使冷却板103同时对上下排电芯单元101的一个侧壁都进行围合。挤出成型后的冷却板103通过折弯工艺，实现与圆柱电芯单体1011周向表面的紧密贴合，建立电芯单体1011和冷却板103之间的传热路径，增加冷却板103与电芯单元101的接触面积。

根据电芯单元101的排数，对冷却板103进行相应布置。当所述电芯单元101的排数n为偶数，且n≥4时，如图2所示，位于电芯模块边缘的冷却板103设置于边缘电芯单元101的内侧，相邻冷却板103之间的电芯单元101为两排，可以共设置n/2个冷却板103。当所述电芯单元101的排数n为奇数，且n≥5时，如图3和图4所示，使一个边缘冷却板103位于边缘电芯单元101的内侧，尽可能多的使相邻冷却板103之间的电芯单元101为两排，可以共设置(n+1)/2个冷却板103。其中一个冷却板103，可以使与其相邻的另一个冷却板103之间间隔的电芯单元101为一排，如此，就有(n-3)/2组相邻冷却板103之间的电芯单元101为两排，如图3所示。或者使另一个边缘冷却板103位于边缘电芯单体1011的外侧，如此，就有(n-1)/2组相邻冷却板103之间的电芯单元101为两排，如图4所示。例如，当电芯单元101的排数n为7时，可以有两组或者三组相邻冷却板103之间间隔的电芯单元101为两排。

相邻冷却板103中的冷却液的流动方向相反，而间隔的冷却板103中的冷却液的流动方向相同，因此可以将电芯模块一侧的第一进口都连接于第一进水集管104，其相应的第一出口都连接于第一出水集管105；电芯模块另一侧的第一进口都连接于第二进水集管106，其相应的第一出口都连接于第二出水集管107，将冷却液流动方向相同的冷却板103的进、出口分别连接于同一根集管上，可以减少管路数量，优化管路布置，节省电池包的空间。

适用于该冷却板103布置形式的电芯模块可以为能量型电芯模块，所述电芯单体1011都为能量型电芯单体1011。所述电芯模块也可以为功率型电芯模块，所述电芯单体1011都为功率型电芯单体1011，如超级电容单体。或者所述电芯模块也可以为混合型电芯模块，所述电芯单体1011为能量型电芯单体1011和功率型电芯单体1011的组合。所述电芯模块包括多排电芯单元101，多排所述电芯单元101包括能量型电芯单元101和/或混合型电芯单元101和/或功率型电芯单元101；能量型电芯单元101的电芯单体1011都为能量型电芯单体1011，功率型电芯单元101的电芯单体1011都为功率型电芯单体1011，混合型电芯单元101包括多个能量型电芯单体1011和多个功率型电芯单体1011。可以是能量型电芯单元101和功率型电芯单元101的组合，也可以是能量型电芯单元101和混合型电芯单元101的组合，也可以是能量型电芯单元101、功率型电芯单元101和混合型电芯单元101的组合，电芯单元101的混合形式在此并不加以限制，其他混合形式不再一一赘述。

以车辆行驶方向为X方向，车身宽度方向为Y方向，该电池堆安装在车辆上时，使冷却板103沿Y向延伸，冷却板103中通入冷却液。冷却液流经冷却板103时，与电芯单元101换热，对电芯单体1011进行冷却或者加热，冷却液的流动方向如箭头方向“→”所示，一个冷却板103中的冷却液沿+Y方向流动，相邻冷却板103中的冷却液流动方向相反，沿-Y方向流动。下面以冷却液对电芯单元101进行冷却为例说明冷却板103与电芯单元101的换热过程。

如图2所示，冷却液从第一排冷却板103的第一进口进入冷却板103，从-Y方向流向+Y方向时，第一进口处的冷却液温度较低，沿着冷却液的流动方向，随着逐步与电芯单体1011发生换热，沿流动方向的冷却液温度逐渐增加，即冷却液与电芯单体1011的温差降低，从而减弱对电芯单体1011的换热能力。因此沿冷却液的流动方向，电芯单体1011的温度呈现从低到高排列顺序。若相邻的第二排冷却板103中的冷却液流动方向相同，则沿冷却液流动方向相距最远的两个电芯单体1011的温差较大。当相邻的第二冷却板103中的冷却液从+Y向-Y方向流动，呈逆向流动时。根据冷却板103和电芯单体1011的换热特性，相邻冷却板103之间在X向布置的两排电芯单元101，与第一排冷却板103相接触的电芯单体1011的温度从-Y向+Y方向，沿着冷却液的流动方向，呈现逐渐升高的趋势，与第二排冷却板103相接触的电芯单体1011的温度从-Y向+Y方向，逆着冷却液的流动方向，呈现逐渐下降的趋势。灌封胶与相邻电芯单体1011的周向表面紧密接触，建立电芯单体1011与灌封胶之间的传热路径。目前，为满足电池热失控和热扩散的法规要求，电芯单体1011之间可以选取低导热系数的灌封胶。冷却板103表面布置有绝缘材料，因此电芯单体1011向冷却板103表面的传热路径热阻与电芯单体1011向低导热系数灌封胶的传热路径热阻接近。通过灌封胶，相邻两个电芯单体1011由于温差的存在产生热传导，从而均衡两个电芯单体1011的温度，使两个电芯单体1011的温度接近，即使距离最远的两个电芯单体1011的温度也接近，即位于相邻冷却板103之间的两排电芯单元101的各个电芯单体1011的温度相接近，温度一致性较高。如果能够实现电芯单体1011层级的热失控防护，则可以选择较高导热系数的灌封胶，对电池的热管理性能和温度一致性更能起到显著提高的作用。

如图8所示，本实用新型还提供了一种电池热管理系统，包括一个或者多个逆流式圆柱电池堆1。该电池管理系统的电池系统可以都为该逆流式圆柱电池堆1，也可以还包括环绕式功率型电池堆2，环绕式功率型电池堆2包括电芯模块和环绕式冷却器201，所述电芯模块包括多排电芯单元101，每排电芯单元101包括多个电芯单体1011，所述电芯单体1011都为功率型电芯单体1011，相邻排电芯单元101的电芯单体1011错落布置。所述环绕式冷却器201具有第二进口和第二出口，由多个冷却板103首尾相连形成S型，从一侧的电芯单元101环绕到另一侧的电芯单元101，形成S型流道。同样的，该环绕式功率型电池堆2的电芯单元101的排数n为偶数，且n≥4，位于电芯模块边缘的冷却板103设置于边缘电芯单元101的内侧，环绕式冷却器201的相邻冷却板103之间的电芯单元101为两排，如图5所示；或者该环绕式功率型电池堆2的电芯单元101的排数n为奇数，且n≥5，环绕式冷却器201的(n-3)/2组相邻冷却板103或者(n-1)/2组相邻冷却板103之间的电芯单元101为两排，如图6和图7所示。

一般环绕式功率型电池堆2的每排电芯单体1011比较少，使用S型流道，使冷却液对所有电芯单体1011都冷却或加热后再流出，各个电芯单体1011的温度也相近，能够满足电芯单体1011的换热需求的同时，也能够保持温度一致性。

逆流式圆柱电池堆1和环绕式功率型电池堆2的进液口和出液口分别与整车端的进液口和出液口相连，如图8所示，该电池热管理系统还包括进水总管3和出水总管4，所述第一进水集管104、第二进水集管106和第二进口都与进水总管3相连，所述第一出水集管105、第二出水集管107和第二出口都与出水总管4相连。逆流式圆柱电池堆1和环绕式功率型电池堆2的换热需求不同，优选的，在进水总管3上设置有三通阀5，所述三通阀5的一个出口与第二进口相连，三通阀5的另一个出口与第一进水集管104和第二进水集管106相连，对冷却液进行分配。进水总管3中的冷却液流经三通阀5时，一部分冷却液流入逆流式圆柱电池堆1对电芯单体1011进行冷却或加热后流出到出水总管4中，一部分流入环绕式功率型电池堆2对电芯单体1011进行冷却或加热后也流出到出水总管4中，使每个电池堆均能够满足换热需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种逆流式圆柱电池堆，其特征在于，包括电芯模块和冷却板，所述电芯模块包括多排电芯单元，每排电芯单元包括多个电芯单体；所述冷却板设置于两排电芯单元之间，间隔多排电芯单元设置一个冷却板；所述冷却板具有第一进口和第一出口，所述第一进口设置于电芯模块的一侧，所述第一出口设置于与第一进口相对的电芯模块的另一侧；相邻冷却板的第一进口分别设置于电芯模块的相对两侧，相邻冷却板的第一出口分别设置于电芯模块的相对两侧。

2.根据权利要求1所述的逆流式圆柱电池堆，其特征在于，所述电芯单元的排数n为偶数，且n≥4，位于电芯模块边缘的冷却板设置于边缘电芯单元的内侧，相邻冷却板之间的电芯单元为两排；或者所述电芯单元的排数n为奇数，且n≥5，(n-3)/2组相邻冷却板或者(n-1)/2组相邻冷却板之间的电芯单元为两排。

3.根据权利要求2所述的逆流式圆柱电池堆，其特征在于，电芯模块一侧的第一进口都连接于第一进水集管，其相应的第一出口都连接于第一出水集管；电芯模块另一侧的第一进口都连接于第二进水集管，其相应的第一出口都连接于第二出水集管。

4.根据权利要求2所述的逆流式圆柱电池堆，其特征在于，相邻电芯单体之间设置有灌封胶，电芯单体与冷却板之间设置有导热结构胶。

5.根据权利要求1所述的逆流式圆柱电池堆，其特征在于，相邻排电芯单元的电芯单体错落布置，所述冷却板为与电芯单元外壁轮廓相适配的蛇形冷却板。

6.根据权利要求1-5任一项所述的逆流式圆柱电池堆，其特征在于，所述电芯模块为能量型电芯模块，所述电芯单体都为能量型电芯单体；或者所述电芯模块为功率型电芯模块，所述电芯单体都为功率型电芯单体。

7.根据权利要求1-5任一项所述的逆流式圆柱电池堆，其特征在于，所述电芯模块为混合型电芯模块，所述电芯单体为能量型电芯单体和功率型电芯单体的组合；多排电芯单元包括能量型电芯单元和/或混合型电芯单元和/或功率型电芯单元；能量型电芯单元的电芯单体都为能量型电芯单体，功率型电芯单元的电芯单体都为功率型电芯单体，混合型电芯单元包括多个能量型电芯单体和多个功率型电芯单体。

8.一种电池热管理系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的逆流式圆柱电池堆，所述逆流式圆柱电池堆为一个或者多个。

9.根据权利要求8所述的电池热管理系统，其特征在于，还包括环绕式功率型电池堆，所述环绕式功率型电池堆包括电芯模块和环绕式冷却器，所述电芯模块包括多排电芯单元，每排电芯单元包括多个电芯单体，所述电芯单体都为功率型电芯单体，相邻排电芯单元的电芯单体错落布置；所述环绕式冷却器具有第二进口和第二出口，由多个冷却板首尾相连形成S型，从一侧的电芯单元环绕到另一侧的电芯单元。

10.根据权利要求9所述的电池热管理系统，其特征在于，所述环绕式功率型电池堆的电芯单元的排数n为偶数，且n≥4，位于电芯模块边缘的冷却板设置于边缘电芯单元的内侧，环绕式冷却器的相邻冷却板之间的电芯单元为两排；或者所述环绕式功率型电池堆的电芯单元的排数n为奇数，且n≥5，环绕式冷却器的(n-3)/2组相邻冷却板或者(n-1)/2组相邻冷却板之间的电芯单元为两排。

11.根据权利要求8-10任一项所述的电池热管理系统，其特征在于，还包括进水总管和出水总管，第一进水集管、第二进水集管和第二进口都与进水总管相连，第一出水集管、第二出水集管和第二出口都与出水总管相连。

12.根据权利要求11所述的电池热管理系统，其特征在于，在进水总管上设置有三通阀，所述三通阀的一个出口与第二进口相连，三通阀的另一个出口与第一进水集管和第二进水集管相连。

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