CN104241729B - 一种水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，包括箱体、设置于箱体底部的底板，所述底板内部沿两长边分别设置有容纳冷却水的进水通道和出水通道，所述底板的上表面沿两长边设置有分别与进水通道和出水通道连通的孔道，所述底板上沿长度方向相隔一定距离设置有板状微通道换热器，所述板状微通道换热器内设置有微孔流道，所述微孔流道的两端口分别与连通进水通道的孔道和连通出水通道的孔道相连接，由所述板状微通道换热器、底板和箱体合围的空间内填充有复合相变材料。本发明具有储热、散热速率高，操作和维护方便，成本低等优点，用于高功率和快速充放电的动力电池散热，能提高电池的工作性能和可靠性。

Description

一种水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置
技术领域
本发明属于动力电池温度控制技术领域，涉及动力电池的散热方法，具体涉及一种用于动力电池散热的水冷与复合相变材料结合的装置。
背景技术
电动汽车因具有无污染、噪声小、结构简单、使用维修方便和能量转换效率高等优点，已成为未来汽车的发展方向。作为电动汽车心脏的动力电池是汽车的动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素。
近年来，动力电池逐渐成为电动汽车的主流电源。在电动汽车中，通常是将多个单体电池以不同的形式串联或并联装在一起构成一个电池装置，以提供所需的电压或容量。由于电池在充放电过程中其自身温度会升高，且充放电倍率越高时升温越快，尤其是对于多个单体电池组成的装置，温度的聚集更快，这将严重影响电池的最佳工作性能和寿命，严重时还会导致电池发生剧烈燃烧甚至发生***。因此，温度对电池装置的性能影响很大，温度过高、过低以及不均衡都会影响电池的性能。
目前，动力电池装置主要采用空气强制对流传热的方式进行散热冷却，即迫使空气在单个电池外壳流动将其热量带走，由于空气的导热系数低、热容小等缺点，导致传热系数小，散热冷却效率低，而且空气在电池装置内的流动不均匀将影响电池装置的温度一致性。而利用相变材料在固-液相变过程中具有温度稳定及较高储热密度的优点，能有效地改善电池装置的散热性能。专利CN200910039125.4、CN200910184584.1、CN200510073005.8都提出了利用相变材料对电池进行散热冷却的方法，但这些专利涉及的相变材料主要是石蜡，此外还包括聚乙二醇、十八醇、新戊二醇、环已烷等。为了提高相变材料的导热性能，分别在石蜡中添加了铝粉/碳粉混合料、铝粉、石墨或碳纳米管。由于石蜡等相变材料在发生相变时会有液体的泄漏和体积膨胀问题，这对电池装置的封装要求较高，而且，直接在相变材料中添加高导热系数粉体，虽然能改善相变材料的导热性能，但由于这些粉体与石蜡等相变材料存在密度差，相变材料发生固-液相变时，这些粉体有可能在液相中沉积，难以保证高导热系数粉体与相变材料形成均匀混合物，相变材料的导热系数不均匀，从而影响电池散热的温度一致性。此外，以上专利在结构上只考虑了相变材料的储热过程，而在实际应用过程中，相变材料的放热过程是必不可少的，否则散热过程不能持续。因此，有必要在结构上进行改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有动力电池散热装置存在的散热效率低、温度一致性差的缺陷，提供一种散热效果好、相变材料没有液态泄漏、导热系数高，能有效实现相变材料放热的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，包括箱体、设置于箱体底部与箱体合围成箱状容纳腔的底板，所述底板内部沿两长边分别设置有容纳冷却水的进水通道 和出水通道，所述底板的上表面沿两长边间隔一定距离对称设置有分别与进水通道和出水通道连通的孔道，所述底板上沿长度方向相隔一定距离设置有将所述箱状容纳腔隔离成若干子容纳腔的板状微通道换热器，所述板状微通道换热器内设置有微孔流道，所述微孔流道的两端口分别与连通进水通道的孔道和连通出水通道的孔道相连接，使进水通道和出水通道相连通形成冷却水通路，由所述板状微通道换热器、底板和箱体合围的空间内填充有复合相变材料，动力电池放置于复合相变材料内。
进一步地，所述微孔流道为多个相互连通的圆形或方形通道，其圆形通道直径或方形通道边长为1-50微米。
进一步地，所述箱体长度方向的一端设置有连接出水通道的进水口和连接进水通道的出水口。
进一步地，所述板状微通道换热器通过焊接方式固定在底板7上。
进一步地，所述箱体、微通道换热器和底板的材料为铝、铝合金、铜或铜合金或不锈钢。
进一步地，所述复合相变材料为有机物和无机物的复合而成，其相变温度为40~50℃；所述有机物为饱和脂肪酸或直链烷烃，所述无机物为膨胀石墨。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的复合相变材料具有很高的导热系数，该电池散热装置储热、散热速率高；
2.由于毛细作用力和表面张力的作用，本发明的复合相变材料在微孔内发生固-液相变时没有液态的渗出，可以保持固态，由于其在相变过程中具有保持定型特性的优点，电池温度的一致性好；
3.采用水冷式微通道换热器与复合相变材料进行传热，传热系速率快；
4.本发明的动力电池散热装置操作和维护方便，成本低。
附图说明
图1为本发明的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置的结构示意图。
图2为本发明的板状微通道换热器固定在底板上的结构示意图。
图3为本发明底板的结构示意图。
图4为本发明微通道换热器的流道示意图。
图中：1-箱体；2-进水通道；3-出水通道；4-复合相变材料；5-板状微通道换热器；6-动力电池；7-底板；8-孔道；9-微孔流道；10-进水口；11-出水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1至图3所示，一种水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，包括箱体1、设置于箱体1底部与箱体1合围成箱状容纳腔的底板7，所述底板7内部沿两长边分别设置有容纳冷却水的进水通道2 和出水通道3，所述底板7的上表面沿两长边间隔一定距离对称设置有分别与进水通道2 和出水通道3连通的孔道8，所述底板7上沿长度方向相隔一定距离焊接固定有将所述箱状容纳腔隔离成若干子容纳腔的板状微通道换热器5，所述板状微通道换热器5内设置有微孔流道9，所述微孔流道9的两端口分别与连通进水通道2的孔道8和连通出水通道3的孔道8相连接，使进水通道2 和出水通道3相连通形成冷却水通路，由所述板状微通道换热器5、底板7和箱体1合围的空间内填充有复合相变材料4，动力电池6放置于复合相变材料4内。
如图4所示，所述微孔流道9为多个相互连通的圆形或方形通道，其圆形通道直径或方形通道边长为1-50微米，整体呈蜿蜒曲折分布，有效提高冷却水同板状微通道换热器5的换热面积，有效提高换热效果。
进一步地，所述箱体长度方向的一端设置有连接出水通道3的出水口11和连接进水通道2的进水口10，冷却水从进水口10流入到进水通道2及板状微通道换热器5的微孔流道9内，继而由出水通道3、出水口11流出，带走复合相变材料4所吸蓄的动力电池6的热量，实现换热。
进一步地，所述箱体1、微通道换热器5和底板7的材料为铝、铝合金、铜或铜合金或不锈钢，本实施例采用铝合金，重量轻、易加工搬运且散热系数高。
所述复合相变材料4为有机物和无机物的复合而成，其相变温度为40~50℃；所述有机物为饱和脂肪酸或直链烷烃，所述无机物为膨胀石墨，上述特征在ZL 200310117411.0及空开号为CN1999657A的专利公开文献中均有直接或间接披露，属于已有技术，在次不在赘述。
本发明所述饱和脂肪酸的分子式为：CH3(CH2)nCOOH，n=10、12、14、16、18、20；所述直链烷烃的分子式为：CnH2n+2，n为21～40，。
本实施例的复合相变材料4采用专利ZL 200310117411.0制备而成，大致包括以下步骤：
（1）将固态有机物熔化成液态有机物；
（2）按质量配比，将无机物浸没在液态有机物中，无机物的多孔特性吸附液态有机物，得到复合相变材料。
下面通过填充不同组分的复合相变材料详细说明水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置的工作过程及原理。
实施例1
采用二十四烷（分子式：C24H50）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为50℃，其中C24H50的质量分数为90%，常温下相变材料为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块，在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料，当温度高于50℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料4仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为46.2℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5实现热交换，使复合相变材料发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为3.1min。
实施例2
采用月桂酸（分子式：CH3(CH2)10COOH）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为43℃，其中CH3(CH2)10COOH的质量分数为87%，常温下相变材料为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块；在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料4，当温度高于43℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料4仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为42.1℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5实现换热，使复合相变材料4发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为2.5min。
实施例3
采用软脂酸（分子式：CH3(CH2)14COOH）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为64℃，其中CH3(CH2)14COOH的质量分数为60%，常温下相变材料为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块；在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料4，当温度高于64℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料4仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为61.1℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5，使复合相变材料4发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为2.1min。
实施例4
采用二十四烷（分子式：C24H50）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为50℃，其中C24H50的质量分数为70%，常温下相变材料为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块；在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料4，当温度高于50℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为44.8℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5，使复合相变材料4发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为2.2min。
实施例5
采用二十二烷（分子式：C22H46）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为44℃，其中C22H46的质量分数为40%，常温下相变材料为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块；在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料，当温度高于44℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料4仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为42.9℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5，使得复合相变材料4发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为1.1min。
实施例6
采用硬脂酸（分子式：CH3(CH2)16COOH）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为69℃，其中CH3(CH2)16COOH的质量分数为80%，常温下复合相变材料4为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块；在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料4，当温度高于69℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料4仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为67.2℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5，使复合相变材料4发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为2.6min。
实施例7
采用二十一烷（分子式：C21H44）与膨胀石墨的复合相变材料4，其相变温度为40℃，其中C21H44的质量分数为50%，常温下复合相变材料4为固体。选取15支3.2V20Ah单体电池，并采用串联方式构成电池组模块；在电池模块大功率放电时，电池单体的温度快速升高，其热量经电池外壳传递给复合相变材料，当温度高于40℃时，复合相变材料4吸收热量发生固-液相变，但复合相变材料4仍然保持固体特性，并将热量储存，从而实现电池单体的散热冷却，控制电池单体的温度升高；在环境温度为25℃时，放电时间20s时，测得放电后电池表面温度为38.6℃；然后，25℃冷却水从底板7流入板状微通道换热器5，使复合相变材料4发生液-固相变，将储存的热量释放，放热时间为1.8min。
由于复合相变材料4具有很高的导热系数，相变过程中保持定型特性，板状微通道换热器5具有高的传热速率等优点，使得该动力电池散热装置储热、放热速率高，电池温度的一致性好，易于封装。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，包括箱体（1）、设置于箱体（1）底部与箱体（1）合围成箱状容纳腔的底板（7），其特征在于：
所述底板（7）内部沿两长边分别设置有容纳冷却水的进水通道（2 ）和出水通道（3），所述底板（7）的上表面沿两长边间隔一定距离对称设置有分别与进水通道（2） 和出水通道（3）连通的孔道（8），所述底板（7）上沿长度方向相隔一定距离设置有将所述箱状容纳腔隔离成若干子容纳腔的板状微通道换热器（5），所述板状微通道换热器（5）内设置有微孔流道（9），所述微孔流道（9）为多个相互连通的通道，所述微孔流道（9）的两端口分别与连通进水通道（2）的孔道（8）和连通出水通道（3）的孔道（8）相连接，使进水通道（2 ）和出水通道（3）相连通形成冷却水通路，由所述板状微通道换热器（5）、底板（7）和箱体（1）合围的空间内填充有复合相变材料（4），动力电池（6）放置于复合相变材料（4）内。
2.根据权利要求1所述的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，其特征在于：所述微孔流道（9）为多个相互连通的圆形或方形通道，其圆形通道直径或方形通道边长为1-50微米。
3.根据权利要求1所述的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，其特征在于：所述箱体长度方向的一端设置有连接出水通道（3）的进水口（10）和连接进水通道（2）的出水口（11）。
4.根据权利要求1所述的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，其特征在于：所述板状微通道换热器（5）通过焊接方式固定在底板（7）上。
5.根据权利要求1至4任一项所述的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，其特征在于：所述箱体（1）、微通道换热器（5）和底板（7）的材料为铝、铝合金、铜或铜合金或不锈钢。
6.根据权利要求5所述的水冷与复合相变材料结合的动力电池散热装置，其特征在于：所述复合相变材料（4）为有机物和无机物的复合而成，其相变温度为40~50℃；所述有机物为饱和脂肪酸或直链烷烃，所述无机物为膨胀石墨。
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