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CN114094228A - 一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统 - Google Patents

一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统 Download PDF

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CN114094228A
CN114094228A CN202111264537.5A CN202111264537A CN114094228A CN 114094228 A CN114094228 A CN 114094228A CN 202111264537 A CN202111264537 A CN 202111264537A CN 114094228 A CN114094228 A CN 114094228A
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康文权
黄尧
汤勇
张晓清
杨阳
王淳
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Zhuhai Institute of Modern Industrial Innovation of South China University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，包括电池模组壳体，若干电池单元，若干相变材料板，若干均热板和一个底部水冷模块，每个电池单元的面积最大两个侧面均被相变材料板包覆，相邻两个相变材料板之间放置一个均热板，均热板的冷凝端嵌入到水冷板中用于强化散热。该发明充分利用了相变材料的相变潜热储能特点，同时结合均热板高效传热和水冷散热技术的优势，满足了动力电池在不同工况下的控温需求。本发明可以有效提高系统空间利用率和散热效率，保证动力电池始终保持在合适的温度范围，并且减少了不同电池单元之间的温差，提升了系统的温度均匀性，进而提高了动力电池模组的使用性能和使用寿命。

Description

一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统
技术领域
本发明属于动力电池热管理技术领域，尤其涉及一种相变材料复合均热板的动力电池热管理系统。
背景技术
动力电池的使用性能和寿命与其工作温度紧密相关，只有工作在合适的温度范围内，电池的性能才能达到最佳，其热安全性才能得到保证。过高的温度容易引发电池单体甚至电池模组的热失控，进而发生燃烧、爆炸等安全事故。而过低的温度会使电池内部的电化学反应活性降低，从而导致电池性能的急剧下降。
传统的电池风冷技术虽然技术简单，成本低，但是低的气体热导率使得散热效率低；传统的液冷技术虽然散热效率高，但是由于散热不均匀性，结构复杂、成本高及潜在的泄漏风险使其应用得到很大限制。
随着电动汽车的续航里程和电池能量、功率密度要求不断提高，动力电池的散热要求也不断提高，因此亟需开发一种高效安全的动力电池热管理系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，充分利用了相变材料的相变潜热储能特点，同时结合均热板高效传热和水冷散热技术的优势，满足了动力电池在不同工况下的控温需求，可以有效提高系统空间利用率和散热效率，保证动力电池始终保持在合适的温度范围，并且减少了不同电池单元之间的温差，提升了系统的温度均匀性，进而提高了动力电池模组的使用性能和使用寿命。
本发明提供的一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，包括电池模组壳体、串联或并联成组后放置于所述壳体内的多个电池单元，紧贴在电池面积最大侧面的相变材料板，嵌入两个相变材料板之间的均热板及位于整个电池模组底部的水冷模块。
进一步地，所述电池单元与电池模组壳体之间设置隔热板及缓冲层，用于防止电池发生热失控时的扩散蔓延。
进一步地，所述电池单元的最大面积的两侧面均对称地紧贴设置相变材料板，两相邻相变材料板之间嵌入放置一个均热板。
进一步地，每个相变材料板的两侧均开设有凹腔，其中一侧凹腔与相应的所述电池单元的侧面贴合，另一侧凹腔与相应的所述均热板贴合，有利于热管理系统的定位装配。
进一步地，所述相变材料板为柔性石墨烯膜包覆相变材料结构，相变材料由质量分数为80-90％的低熔点石蜡和10-20％的膨胀石墨组成，其中相变石蜡的熔点在30-40℃之间。
相变材料板制备方法为：将一定量的低熔点石蜡和膨胀石墨在70℃水浴加热搅拌1h，直到熔融石蜡融入到膨胀石墨的空隙中，冷却后的石蜡-膨胀石墨混合物放置于模具中与石墨烯膜一体压制成型。
相变材料具有较高的潜热值和热导率，蓬松多孔的膨胀石墨孔隙可以容纳熔融状态的石蜡，使相变材料板保持很好的定型能力。表面包覆的石墨烯膜不仅防止了石蜡的泄漏，同时石墨烯膜的高导热系数有利于增加电池模组与相变材料之间的传热，起到了很好的均温效果。
进一步地，所述均热板包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑体和工作介质，上壳板和下壳板之间密封形成中空腔体，内部有立体结构的支撑体，工作介质填充于所述中空腔体内，吸液芯设置于中空腔体内。
进一步地，所述均热板呈片状，厚度为0.2-0.5mm，上壳板和下壳板为导热系数高的金属或合金材料，内部抽真空形成中空腔体，工作介质为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、氨、氟利昂的一种或多种混合物。
进一步地，吸液芯为具有疏松多孔的毛细结构，吸液芯为金属及合金材料的丝网、纤维、粉末以及泡沫材料的一种或者多种。
进一步地，所述均热板与相变材料板接触的部分为蒸发端，向下延伸且嵌于水冷模块沟槽中的部分为冷凝端。
进一步地，所述的水冷装置包括底部的水冷板、检测电池模块温度的温度检测器、用于控制冷却水流速的控制模块。所述温度检测模块放置于电池模组内部的中间表面，所述控制模块与所述温度检测器连接。当检测到电池模块的温度高于合适的工作温度区间时，所述控制模块控制水冷模块的启动，并根据温升情况调整冷却水流量，将电池模组内部温度快速传递至底部的水冷模块，通过对流换热将热量快速散发。
进一步地，所述水冷模块由铝合金材料加工而成，内部加工有多个独立的纵向流道，纵向流道的两端分别为进水口和出水口，水冷模块上加工有用于嵌设均热板冷凝端的沟槽和用于电池模块安装定位的矩形沟槽，所述均热板沟槽与纵向流道间隔布置。
进一步地，在环境温度低于零度或环境温度低于相变材料板的相变温度时，所述相变材料板释放自身潜热用于电池单元的保温。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本发明充分利用了相变材料的相变潜热储能特点，同时结合均热板高效传热和水冷散热技术的优势，满足了动力电池在不同工况下的控温需求。
(2)本发明可以有效提高系统空间利用率和散热效率，保证动力电池始终保持在合适的温度范围，并且减少了不同电池单元之间的温差，提升了系统的温度均匀性，进而提高了动力电池模组的使用性能和使用寿命。
附图说明
图1：动力电池热管理系统结构示意图。
图2：动力电池热管理系统结构爆炸示意图。
图3：水冷板三视图及剖视图。
附图所示：1-电池模组壳体，2-电池单元，3-相变材料板，4-均热板，5-水冷模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都是本发明保护的范围
图1和图2所示为本发明提供的一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，包括电池模组壳体1、均匀纵向排列在所述电池模组壳体1中的若干电池单元2、多个相变材料板3、多个均热板4和水冷模块5。
在本发明的一些实施例中，每个所述电池单元2形状为长方体，多个电池单元2通过串联或并联形成电池模组。
在本发明的一些实施例中，所述电池单元2与电池模组壳体1之间设置隔热板及缓冲层，用于防止电池发生热失控时的扩散蔓延。
本发明中，每个电池单元2的两个侧面均贴覆有相变材料板3，相邻两个相变材料板3之间设置有均热板4，且均热板4的冷凝端向下嵌入至水冷模块5以进行散热。
在本发明的一些实施例中，每个电池单元2的面积最大的侧面安装在相变材料板3的凹腔中，两个相邻的相变材料板3的相邻表面带有凹腔，深度为均热板4厚度的一半，用于嵌设均热板4，所述均热板4的冷凝端向下延伸至位于电池模组底部的水冷模块5进行强化散热。
在本发明的一些实施例中，所述相变材料板3为石墨烯膜包覆相变材料结构，相变材料含质量分数为80-90％的熔点为30-40℃的低熔点石蜡、10-20％的膨胀石墨，将预设量的低熔点石蜡和膨胀石墨在70℃水浴加热搅拌1h，冷却后的石蜡-膨胀石墨混合物放置于模具中与石墨烯膜一体压制成型，得到相变材料板3。
在本发明的一些实施例中，相变材料板3的底部与电池单元2的底部平齐，使得相变材料板3可以完全包覆电池单元2的侧面，同时可以放置于水冷板上，便于装配。
在本发明的一些实施例中，所述均热板4呈片状，厚度为0.2-0.5mm，括上壳板、下壳板、支撑体、具有疏松多孔毛细结构的吸液芯和工作介质，上壳板和下壳板之间密封形成中空腔体，支撑体上下两端分别与上壳板、下壳板连接，防止腔体内外压差导致腔体塌陷，工作介质填充于所述中空腔体内，吸液芯设置于中空腔体内并浸在工作介质中。
上壳板、下壳板均由导热系数高的金属或合金材料制成，内部形成的中空腔体抽真空。在本发明的一些实施例中，金属包括但不限于铜、铝。合金材料包括但不限于铜合金、铝合金。
在本发明的一些实施例中，工作介质为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、氨、氟利昂的一种或多种混合物。
在本发明的一些实施例中，吸液芯为具有疏松多孔毛细结构的金属及合金材料的丝网、纤维、粉末以及泡沫材料的一种或者多种。支撑体为金属材料的柱状或条状结构。
所述均热板4与相变材料板3接触的部分为蒸发端，向下延伸且嵌于水冷板的均热板沟槽中的部分为冷凝端。
在本发明的一些实施例中，所述水冷模块5包括位于底部的水冷板，所述底部的水冷板内部设置有多个独立的水流道，水流道的两端分别为进水口和出水口，且水冷板上加工有用于嵌设均热板冷凝端的均热板沟槽和用于电池单元安装定位的电池单元沟槽，所述均热板沟槽与水流道间隔布置以保证每块均热板都有两边对应的水流道为其散热。均热板4插在水冷板上的均热板沟槽里，然后通过水冷板传热给内部水以进行散热。
所述水冷板由铝合金材料制成，如图3所示，水冷板内部加工有纵向的水流道，纵向的水流道的两端分别为进水口和出水口，水冷板5上表面加工有用于嵌设均热板4冷凝端的均热板沟槽和用于安装电池模组壳体1的呈矩形的电池单元沟槽，所述均热板沟槽与纵向流道间隔布置。
在本发明的一些实施例中，所述的水冷模块5还包括用于检测电池单元温度的温度检测器和用于控制冷却水流速的控制模块，所述温度检测器放置于电池模组内部的中间表面(即在位于中间的电池单元的表面设置温度检测器)，当检测到电池模组的温度高于预设的工作温度区间时，所述控制模块控制水冷模块的启动，并根据温升情况调整冷却水流量，将电池模组内部温度快速传递至底部的水冷模块，通过对流换热将热量快速散发。
本发明提供的动力电池管理系统在工作过程中，当电池模组在低倍率充放电条件下，电池单元2的产热量较少，可利用相变材料板3吸收潜热以控制电池单元2的温度，此时即使均热板4和底部的水冷板不工作，电池模组的温度仍维持在合适的范围；当电池模组在高倍率充放电或处于较高环境温度时，电池模组产生的热量难以快速散发，相变材料板3吸收的潜热可能会耗尽导致热管理系统失效，底部水冷模块的温度检测器监测到温度高于预设温度后，控制模块启动水冷板对均热板4的冷凝端进行散热，将相变材料板3累积的热量快速传递至底部的水冷板进行散热，从而保证电池模组始终工作在合适的温度范围内，同时减小散热能耗。在环境温度低于相变材料板3的相变温度(或者环境温度低于零度时)时，相变材料板3会释放出大量潜热用于电池模组的保温，避免电池温度下降过快造成使用性能急剧降低，提高电池模组在低温条件下的使用性能。
本发明充分利用了相变材料的储能优势和石墨烯膜的高导热性，同时结合均热板高效传热和水冷散热技术的优势，满足了动力电池在不同工况下的散热需求以及低温条件下的保温效果。本发明提出的动力电池热管理系统提高了系统空间利用率，增强了电池散热效率，并且提升了系统的温度均匀性。该系统保证了动力电池在合适的温度范围内长时间稳定工作，提高了动力电池使用寿命，同时减小了散热能耗，具有节能高效的特点。
相比于现有技术，本发明具有结构更简单，设计更合理的优点，包覆于电池单元2外的相变材料板3增加了电池有效的散热面积，并且减少电池单元2电极与侧面的温差，提升电池的均温性，均热板4的设置可以及时将相变材料板储存的热量散发，有效的防止了相变材料板因过热熔融产生泄漏，同时水冷板的设置保证极端工况下热量的散发，避免电池温度过高引发的热失控问题。并且，电池单元、相变材料板和均热板依次嵌于水冷板的紧凑排布不仅方便不同数目电池单元的电池模组散热系统设置，同时大大的减少了模组的整体体积。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：包括电池模组壳体、多个电池单元、多个相变材料板、多个均热板和水冷模块，
多个电池单元通过串联或并联成组后设置于电池模组壳体内，每个电池单元的两个侧面均贴覆有相变材料板，相邻两个相变材料板之间设置有均热板，且均热板的冷凝端向下嵌入至水冷模块以进行散热。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：每个电池单元的最大面积的两侧面均紧贴设置有相变材料板，相邻两相变材料板之间嵌设一个均热板。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：每个相变材料板的两侧均开设有凹腔，其中一侧凹腔与相应的所述电池单元的侧面贴合，另一侧凹腔与相应的所述均热板贴合。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：所述相变材料板为柔性石墨烯膜包覆相变材料结构，相变材料包括质量分数为80-90％的石蜡和10-20％的膨胀石墨，其中石蜡的熔点在30-40℃之间。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：所述均热板包括上壳板、下壳板、吸液芯、支撑体和工作介质，上壳板和下壳板之间密封形成中空腔体，工作介质填充于所述中空腔体内，吸液芯设置于中空腔体内。
6.根据权利要求5所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：工作介质为甲醇、乙醇、丙酮、去离子水、氨、氟利昂的一种或多种混合物，上壳板、下壳板材质为金属或合金材料，吸液芯为具有疏松多孔毛细结构的金属及合金材料的丝网、纤维、粉末以及泡沫材料的一种或者多种，支撑体为金属材料的柱状或条状结构。
7.根据权利要求1所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：所述相变材料板的底部与所述电池单元的底部平齐。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：所述水冷模块包括位于底部的水冷板，所述水冷板内部设置有多个独立的水流道，水流道的两端分别为进水口和出水口，水冷模块上加工有用于嵌设均热板冷凝端的均热板沟槽和用于电池单元安装定位的电池单元沟槽，所述均热板沟槽与水流道间隔布置。
9.根据权利要求8所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：所述的水冷模块还包括用于检测电池单元温度的温度检测器和用于控制冷却水流速的控制模块，所述温度检测器设置于中间的电池单元的表面，所述控制模块与所述温度检测器连接。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于相变材料复合均热板的动力电池热管理系统，其特征在于：在环境温度低于零度或环境温度低于相变材料板的相变温度时，所述相变材料板释放自身潜热用于电池单元的保温。
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