CN220021276U - 一种相变材料耦合均热板及铜高导热材料的热管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，包括子系统，子系统包括第一肋片、均热板、第二肋片、肋片管、电芯和相变材料；若干个第二肋片环绕包裹在肋片管外壁，相邻的第二肋片相互平行且间隔距离相等；若干个电芯对应安装在肋片管中，构成电池组；电芯、肋片管和第二肋片的中心处于同一轴线上；相变材料呈蜂巢状，由若干个紧密排列的六角柱体所组成，每个六角柱体设置有竖直通槽，肋片管置于竖直通槽中；相变材料的上下两端均封闭有蜂巢状的均热板，均热板的另一面平铺有第一肋片，相邻的第一肋片相互平行且间隔距离相等；本实用新型结构紧密，导热性能高，实现全被动式的热管理，能快速有效将电池模组扩展。

Description

一种相变材料耦合均热板及铜高导热材料的热管理系统

技术领域

本实用新型涉及电池热管理技术领域，具体涉及一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统。

背景技术

高能量密度的电池通常采用化学物质作为储能介质，例如锂离子或聚合物电解质等。在电池充放电过程中，这些化学物质会发生电化学反应，释放出电能和热能。由于高能量密度的电池通常存储的电能更高，因此在电池充放电过程中产生的热量也更大，过高的内部温度会严重影响电池的性能和寿命，甚至会引起电池的火灾和爆炸等安全问题。因此，为了确保高能量密度的电池的安全和性能，需要采取适当的散热措施来控制电池的温度，保持电池在正常工作温度范围内，从而确保电池的最佳性能和寿命。

相变材料是一种可以在温度变化时发生物理相变的材料。在电池领域，相变材料通常被用于控制电池的温度，以提高电池的性能和寿命。传统的电池温度控制方式通常采用风扇、散热片等被动散热方式，或者通过冷却液循环等主动散热方式，但这些方式存在能耗高、体积大、效率低等问题。而相变材料具有温度敏感、热稳定性好、节能环保等特点，因此成为了电池温度控制的一种重要技术。目前，国内外的许多公司和研究机构都在开展PCM在电池领域的研究，例如，美国通用电气公司就开发了一种名为"DuraStor"的相变材料电池储能系统，用于平衡电网负载和提高储能系统的效率。另外，一些国内电池企业也开始将相变材料应用于电池温度控制，如比亚迪、江淮汽车等。总之，相变材料作为一种新型的电池温度控制技术，具有广阔的应用前景。

均热板技术具有热传导快、均匀、稳定等优点，可以快速将电池产生的热量均匀地分布到整个电池模组中，从而有效地控制电池温度，提高电池性能和寿命。随着技术的不断进步和应用的推广，均热板技术已经得到了广泛的应用。例如，特斯拉公司采用了均热板技术来控制其电动汽车的电池温度，并取得了良好的效果。另外，国内外的一些电池企业和研究机构也在开展均热板技术的研究和应用。

高导热材料作为一种热管理技术，可以将电池内部产生的热量快速传递到电池外部，有效地控制电池温度。高导热材料已经成为了电池领域中不可或缺的一部分，例如，一些电池企业采用了高导热材料来制造电池内部的散热片等散热材料，从而提高电池的性能和寿命。

相变材料冷却技术的组装现状还在不断探索和完善中，需要在配合热管理系统扩展和制造工艺等方面进行综合考虑和改进，因此，本申请提出一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，包括子系统，所述子系统包括第一肋片、均热板、第二肋片、肋片管、电芯和相变材料；

若干个第二肋片环绕包裹在所述肋片管外壁，相邻的第二肋片相互平行且间隔距离相等；若干个所述电芯对应安装在肋片管中，构成电池组；所述电芯、肋片管和第二肋片的中心处于同一轴线上；所述相变材料呈蜂巢状，由若干个紧密排列的六角柱体所组成，每个六角柱体设置有竖直通槽，所述肋片管置于竖直通槽中；所述相变材料的上下两端均封闭有蜂巢状的均热板，均热板的另一面平铺有第一肋片，相邻的第一肋片相互平行且间隔距离相等；

优选的，所述电芯与所述肋片管之间、所述肋片管与所述第二肋片之间、所述第二肋片与所述相变材料之间均为直接接触；

优选的，所述肋片管内部中空，安装在肋片管内部的电芯上下两端由均热板封盖，使电芯极柱的热量能传递至均热板；

优选的，所述电芯为错列式排布；

优选的，所述子系统外形为蜂巢结构，所述热管理系统由若干个子系统平面拼接而成，相邻的子系统之间通过蜂巢状边角的固定角度进行拼接，左右相邻的子系统之间上下错位拼接，上下相邻的子系统之间平行拼接；

优选的，所述子系统由若干个紧密排列的六角柱体所组成，上下两端形成梯形边沿，上端为朝中心内凹的梯形边沿，下端为往外凸的梯形边沿，所述子系统左右对称，两侧形成三角形边沿；

子系统上下拼接时，外凸梯形边沿对应卡入内凹梯形边沿形成拼接；子系统左右拼接时，子系统间上下错位排布，三角形边沿对应卡入形成拼接，三角形顶角角度均为120度；

优选的，所述电芯产生的热量通过附着其表面的肋片管导出至第二肋片，第二肋片将热量传入相变材料，相变材料吸收热量后将热量输出至上下两端的均热板，最终由平铺在均热板上的第一肋片散出至系统外；其中，电芯上下极柱所产生的热量会散出至均热板；

作为一种优选的方案,所述第一肋片、第二肋片、均热板和肋片管的材料均为铜；

作为一种优选的方案,所述相变材料采用绝缘的复合相变材料；

工作原理：高能量密度的电池在充放电时会产生大量热量，电池温度随之上升，需要有效的散热，同时也需要保持各个电芯之间的温度一致性，电芯产生的热量通过其表面附着的肋片管导出至第二肋片和相变材料，同时传入肋片管的热量传导至相变材料，相变材料吸收热量后将热量输出至上、下侧的均热板；电芯上、下两端极柱产生的热量散出至均热板，均热板吸收的热量最终通过第一肋片散出至系统外。当相变材料吸热达到相变熔点后，电芯的表面温度逐渐上升，最后趋于相变材料的相变温度；均热板可以吸收温度较高的电芯极柱温度或放出热量给温度较低的电芯极柱温度，极柱温度一致有利于整体电池温度的一致性，系统中的每个电芯极柱温度最终趋于一致。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型所提出的热管理系统将相变材料、均热板和肋片耦合，结构紧密，导热性能高，实现全被动式的热管理，无论是相变材料，还是均热板或者肋片，都无需外界处输入能量，始终保持电池在正常工作温度范围内，从而确保电池的最佳性能和寿命，也实现节能减排的环保效果。

本实用新型的第二肋片环绕包裹在肋片管外壁，相邻的第二肋片相互平行且间隔距离相等，目的是增大散热面积，不采用电池全包覆式的方式而采用肋片环，也是为了考虑肋材料的成本；其次，第二肋片数量不宜过多，考虑到相变材料的成型过程中，如果数目过多会导致肋片与肋片之间的距离变得很窄，而相变材料在浇筑成型时的流动性不强时，灌溉不进小空隙，从而导致肋片与相变材料之间存在较大的空气热阻，而减少系统的换热能力。

本实用新型的相变材料设置为蜂巢状，由若干个紧密排列的六角柱体所组成，不仅提高散热效率，还具有高效的控温、均温能力；对于单体电池而言，最优工作温度为15-50℃左右，选择合适的相变材料熔点，通过潜热吸热，可以有效保证电池温度处于材料熔点处；而对于对于电池模组而言，单体电池之间的性能差异会直接影响到整个电池模组的性能，因此需要控制整体的温度均匀；蜂巢状相变材料使电池组错列式排布，显著增强了散热效果；而相变材料吸收单个电池组的热量能保持长期相同，将热量输出至上下两端的均热板，同时电芯上下极柱所产生的热量也会散出至均热板，最后再通过第一肋片散出至系统外，保证电芯工作状态下温度的一致性。

本实用新型提出的热管理系统由若干个子系统拼接而成，子系统外形为蜂巢结构，相邻的子系统之间通过蜂巢状边角的固定角度进行拼接，左右相邻的子系统之间上下错位拼接，上下相邻的子系统之间平行拼接；在组成电池模组或更大的电池包时，本实用新型的形状能快速有效将电池模组扩展，且能继续保持电池组的错位排布，继续保持有效的散热效率，始终保持电芯工作状态温度一致，在电池模组扩展时减少校准工作的时间，实现热管理系统在更大电池模组的应用。

附图说明

图1为本实用新型子系统整体结构示意图；

图2为本实用新型相变材料耦合肋片管及均热板的热管理系统的部分剖视结构示意图；

图3为本实用新型相变材料耦合肋片管及均热板的热管理系统的立体图；

图4为本实用新型相变材料耦合肋片管及均热板的热管理系统的俯视图；

图5为本实用新型电芯、肋片管和第二肋片的结构示意图；

图6为本实用新型肋片管的立体图；

图7为本实用新型第二肋片的结构示意图；

图8为本实用新型相变材料耦合肋片管及均热板的热管理系统的部分剖视结构俯视图；

图9为本实用新型子系统平面拼接示意图。

图中：1、第一肋片；2、均热板；3、第二肋片；4、肋片管；5、电芯；6、相变材料。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

请参阅图1-9，本实施例提供一种技术方案：

一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，包括子系统，所述子系统包括第一肋片1、均热板2、第二肋片3、肋片管4、电芯5和相变材料6；

若干个第二肋片3环绕包裹在所述肋片管4外壁，相邻的第二肋片3相互平行且间隔距离相等；若干个所述电芯5对应安装在肋片管4中，构成电池组；所述电芯5、肋片管4和第二肋片3的中心处于同一轴线上；所述相变材料6呈蜂巢状，由若干个紧密排列的六角柱体所组成，每个六角柱体设置有竖直通槽，所述肋片管4置于竖直通槽中；所述相变材料6的上下两端均封闭有蜂巢状的均热板2，均热板2的另一面平铺有第一肋片1，相邻的第一肋片1相互平行且间隔距离相等。

本实用新型中，第二肋片3环绕包裹在肋片管4外壁，相邻的第二肋片3相互平行且间隔距离相等，目的是增大散热面积，不采用电池全包覆式的方式而采用肋片环，也是为了考虑肋材料的成本；其次，第二肋片3数量不宜过多，考虑到相变材料6的成型过程中，如果数目过多会导致肋片与肋片之间的距离变得很窄，而相变材料6在浇筑成型时的流动性不强时，灌溉不进小空隙，从而导致肋片与相变材料6之间存在较大的空气热阻，而减少系统的换热能力。其次，相变材料6设置为蜂巢状，由若干个紧密排列的六角柱体所组成，不仅提高散热效率，还具有高效的控温、均温能力；对于单体电池而言，最优工作温度为15-50℃左右，选择合适的相变材料熔点，通过潜热吸热，可以有效保证电池温度处于材料熔点处；而对于对于电池模组而言，单体电池之间的性能差异会直接影响到整个电池模组的性能，因此需要控制整体的温度均匀；蜂巢状相变材料6使电池组错列式排布，显著增强了散热效果；而相变材料6吸收单个电池组的热量能保持长期相同，将热量输出至上下两端的均热板2，同时电芯5上下极柱所产生的热量也会散出至均热板2，最后再通过第一肋片1散出至系统外，保证电芯5工作状态下温度的一致性。

优选的，所述电芯5与所述肋片管4之间、所述肋片管4与所述第二肋片3之间、所述第二肋片3与所述相变材料6之间均为直接接触；电芯5、肋片管4、第二肋片3和相变材料6四者间的直接接触，进一步增强散热效果。

优选的，所述肋片管4内部中空，安装在肋片管4内部的电芯5上下两端由均热板2封盖，使电芯5极柱的热量能传递至均热板2；均热板2除了能吸收温度较高的电芯5极柱温度外，还能放出热量给温度较低的电芯5极柱，极柱温度一致有利于整体电池温度的一致性，本实用新型的均热板2使每个电芯5极柱温度最终趋于一致。

优选的，为增强散热效果，所述电芯5为错列式排布。

优选的，所述子系统外形为蜂巢结构，所述热管理系统由若干个子系统平面拼接而成，相邻的子系统之间通过蜂巢状边角的固定角度进行拼接，左右相邻的子系统之间上下错位拼接，上下相邻的子系统之间平行拼接；在组成电池模组或更大的电池包时，本实用新型的形状能快速有效将电池模组扩展，且能继续保持电池组的错位排布，继续保持有效的散热效率，始终保持电芯5工作状态温度一致，在电池模组扩展时减少校准工作的时间，实现热管理系统在更大电池模组的应用。

优选的，所述子系统由若干个紧密排列的六角柱体所组成，上下两端形成梯形边沿，上端为朝中心内凹的梯形边沿，下端为往外凸的梯形边沿，所述子系统左右对称，两侧形成三角形边沿；子系统上下拼接时，外凸梯形边沿对应卡入内凹梯形边沿形成拼接；子系统左右拼接时，子系统间上下错位排布，三角形边沿对应卡入形成拼接，三角形顶角角度均为120度；如图9所示，子系统的边沿由六角柱体不同的边组成，子系统上边界的中间是内凹的等边梯形，子系统下边界的中间是外凸的等边梯形，子系统左右边界对称，均为三角形。

优选的，所述电芯5产生的热量通过附着其表面的肋片管4导出至第二肋片3，第二肋片3将热量传入相变材料6，相变材料6吸收热量后将热量输出至上下两端的均热板2，最终由平铺在均热板2上的第一肋片1散出至系统外；其中，电芯5上下极柱所产生的热量会散出至均热板2；本实用新型所提出的热管理系统将相变材料6、均热板2和肋片耦合，结构紧密，导热性能高，实现全被动式的热管理，无论是相变材料6，还是均热板2或者肋片，都无需外界处输入能量，始终保持电池在正常工作温度范围内，从而确保电池的最佳性能和寿命，也实现节能减排的环保效果。

作为一种优选的方案,为增强散热效果，所述第一肋片1、第二肋片3、均热板2和肋片管4的材料均为铜。

作为一种优选的方案,为增强散热效果，所述相变材料6采用绝缘的复合相变材料。

工作原理：高能量密度的电池在充放电时会产生大量热量，电池温度随之上升，需要有效的散热，同时也需要保持各个电芯5之间的温度一致性，电芯5产生的热量通过其表面附着的肋片管4导出至第二肋片3和相变材料6，同时传入肋片管4的热量传导至相变材料6，相变材料6吸收热量后将热量输出至上、下侧的均热板2；电芯5上、下两端极柱产生的热量散出至均热板2，均热板2吸收的热量最终通过第一肋片1散出至系统外。当相变材料6吸热达到相变熔点后，电芯5的表面温度逐渐上升，最后趋于相变材料6的相变温度；均热板2可以吸收温度较高的电芯5极柱温度或放出热量给温度较低的电芯5极柱温度，极柱温度一致有利于整体电池温度的一致性，系统中的每个电芯5极柱温度最终趋于一致。

实施例2：

本实施例提供一种相变材料耦合均热板及铜高导热材料的热管理系统，包括动力电池组和热管理系统，动力电池组具体为：若干个电芯5对应安装在肋片管4中，电池组并联组成电池模块；

其中，热管理系统由子系统组成，每个子系统包括：

第一肋片1，用于辅助热量散失，焊接在均热板2外侧，相邻的第一肋片1相互平行且间隔距离相等。

均热板2，外观为平面板状物，形状为蜂巢结构，上下各有一盖相互密合，其内有铜柱支撑，均热板2吸收电芯5上下极柱散发的热量。

第二肋片3，为圆环结构，环绕在肋片管4外围，相邻的第二肋片3相互平行且间隔距离相等，第二肋片3的数目不宜过多；第二肋片3和肋片管4的连接方式采用：电阻焊法。

肋片管4，包裹在每个电芯5外，与电芯5直接接触。

相变材料6，由九个六角柱体组成，所述六角柱体的横截面为正六边形，九个正六边形共分为三列，每列三个；第一列与第三列的正六边形位置处于同一水平线上，第二列的正六边形与第一、三列上下错位；每个六角柱体均设有中空的竖直通槽，其竖直通槽为圆柱体，肋片管4置于竖直通槽中。

所述电芯5、肋片管4、第二肋片3、竖直通槽包括但不局限于圆柱体，也可以为长方体或正方体。

单个电芯5都包括有正、负极两个极柱，相邻两个电芯5采用首尾连接，单个电芯5的直径略小于肋片管4的直径。

所述热管理系统由若干个子系统进行平面拼接，实现大规模的电池热管理；在子系统之间的表面上可以采用具有粘结性的导热片或高导热系数的导热硅脂进行粘结；在表面不加粘结物质时，同样也可以在形成的大系统水平和垂直方向用固定板或定制外壳固定住。

本实用新型具有良好的均温及控温能力，第二肋片3和肋片管4吸收电芯5产生的热量，相变材料6吸收第二肋片3和肋片管4传递的热量，同时电芯5极柱的热量和相变材料6吸收的热量均传递至均热板2，保证电池温度的一致性，最后通过第一肋片1辅助热量散出系统，散热效果更好。

实施例3：

本实施例提供一种相变材料耦合均热板及铜高导热材料的热管理系统，所述热管理系统由子系统组成，每个子系统包括第一肋片1、均热板2、第二肋片3、肋片管4、电芯5和相变材料6；

本实施例采用的相变材料6为有机相变材料或者无机相变材料，如：膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯等导热系数高的材料、由普通有机相变材料(如石蜡，脂肪酸)复合的相变材料、微胶囊类相变材料，也可以为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物/石蜡/膨胀石墨(SBS/PA/EG)组成的柔性复合相变材料。

所述第二肋片3以及肋片管4采用泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属材料制成，泡沫金属耐腐蚀，价格低廉，热稳定性好，散热快，可以有效的提高散热。

所述第一肋片1由铜或其他导热金属制成，铜的导热系数大，散热效果好。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，包括子系统，所述子系统包括第一肋片、均热板、第二肋片、肋片管、电芯和相变材料；

若干个第二肋片环绕包裹在所述肋片管外壁，相邻的第二肋片相互平行且间隔距离相等；若干个所述电芯对应安装在肋片管中，构成电池组；所述电芯、肋片管和第二肋片的中心处于同一轴线上；所述相变材料呈蜂巢状，由若干个紧密排列的六角柱体所组成，每个六角柱体设置有竖直通槽，所述肋片管置于竖直通槽中；所述相变材料的上下两端均封闭有蜂巢状的均热板，均热板的另一面平铺有第一肋片，相邻的第一肋片相互平行且间隔距离相等。

2.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述电芯与所述肋片管之间、所述肋片管与所述第二肋片之间、所述第二肋片与所述相变材料之间均为直接接触。

3.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述肋片管内部中空，安装在肋片管内部的电芯上下两端由均热板封盖，使电芯极柱的热量能传递至均热板。

4.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述电芯为错列式排布。

5.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述子系统外形为蜂巢结构，所述热管理系统由若干个子系统平面拼接而成，相邻的子系统之间通过蜂巢状边角的固定角度进行拼接，左右相邻的子系统之间上下错位拼接，上下相邻的子系统之间平行拼接。

6.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述子系统由若干个紧密排列的六角柱体所组成，上下两端形成梯形边沿，上端为朝中心内凹的梯形边沿，下端为往外凸的梯形边沿，所述子系统左右对称，两侧形成三角形边沿；

子系统上下拼接时，外凸梯形边沿对应卡入内凹梯形边沿形成拼接；子系统左右拼接时，子系统间上下错位排布，三角形边沿对应卡入形成拼接，三角形顶角角度均为120度。

7.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述电芯产生的热量通过附着其表面的肋片管导出至第二肋片，第二肋片将热量传入相变材料，相变材料吸收热量后将热量输出至上下两端的均热板，最终由平铺在均热板上的第一肋片散出至系统外；其中，电芯上下极柱所产生的热量会散出至均热板。

8.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述第一肋片、第二肋片、均热板和肋片管的材料均为铜。

9.根据权利要求1所述的相变材料耦合均热板与铜高导热材料的热管理系统，其特征在于，所述相变材料采用绝缘的复合相变材料。