CN108428816A - 相变和风冷结合的高效散热动力电池包 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变和风冷结合的高效散热动力电池包，包括电池单体、导热金属框，所述导热金属框内部凸肩之间安装有电池单体，电池单体两侧设有放置有相变材料的相变材料仓室，相变材料仓室的两侧设有通风风道，所述电池单体产生的热量，通过导热金属框导出到相变材料中，利用相变材料的相位变化吸收大量热量。该动力电池包结构简单、便于组装，且换热效果好，对高放电倍率、高工作温度、高环境温度等特殊工况适应性较好。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力电池包，尤其是一种采用相变和风冷结合的高效散热方法对动力电池进行冷却的动力电池包。
背景技术
随着能源和环境问题的日益严峻，作为环保节能型汽车出现的电动汽车，无疑是汽车行业中一座重要里程碑。电动汽车由于在能量效率和降低排放方面具有比传统车辆更好的优势，因而得到世界范围内的普遍重视。
但这些车辆的性能和品质在很大程度上依赖其所配置的电池组的性能，而影响电池组性能的一个主要因素就是温度。一方面，电池组温度过高会加速电解液、电极和隔板的老化速率，使电池的电化学性能下降，循环寿命缩短，严重时甚至引发起火、***。而另一方面，电池组不同电池单体之间温度的差异会导致它们之间物性差异更加明显，从而破坏了电池组的一致性，造成电池单体之间的性能不匹配，最终使整组电池提前失效，直接影响到电动汽车的性能。因此，设计一个具有高效散热性能的电池包是非常必要的。
而现有的动力电池冷却方式主要有风冷却和液冷两种。其中，风冷结构简单，容易维护，能排出电池箱内产生的有害气体。但风冷的换热系数较低，冷却速度较慢，尤其在特殊工况( 高放电倍率、高工作温度、高环境温度)下，其冷却效果不够理想。而液冷虽然换热系数较高，冷却效果较好，但却存在漏液的危险，且其大大增加了整车的重量。
专利申请号200910039125 .4公开了一种带有相变材料冷却***的动力电池装置，该装置包括螺钉、若干电池单体、箱盖通风孔、电极连接轴、箱体顶盖、侧面通风孔、框体；所述的电池单体是以电池作为基体，外部加装壳体；电池和壳体之间填充相变材料并采用绝缘橡胶密封；电池箱体开设通风孔散热。该专利通过填充相变材料虽然缓和了电池发热冲击，但是没有解决相变材料导热率低而导致散热速度慢和温度控制不足的缺点。当相变材料完全溶化后，潜热吸热结束，过低的导热系数反而阻挡热量向电池箱体的散热速度。
针对以上这些问题，需要设计一相变和风冷结合的高效散热电池包，利用相变材料相位变化来吸收电池工作时放出的大量热量，并在利用相变材料相变冷却电池的同时，辅以风冷，强化换热。大大提高了电池包在特殊工况（高放电倍率、高工作温度、高环境温度）下对动力电池单体的冷却能力。
发明内容
本发明的目的是克服现有动力电池冷却技术的不足之处，提出一种相变和风冷结合的高效散热动力电池包。
本发明的技术方案如下：
一种相变和风冷结合的高效散热动力电池包，包括电池单体、导热金属框，所述导热金属框内部凸肩之间安装有电池单体，电池单体两侧设有放置有相变材料的相变材料仓室，相变材料仓室的两侧设有通风风道，所述电池单体产生的热量，通过导热金属框导出到相变材料中，利用相变材料的相位变化吸收大量热量。
所述导热金属框一体成型，上面设有固定各个电池单体横向位置的凸肩，以及构成通风风道和相变材料仓室的的肋片。
所述的导热金属框通过导热胶与各个电池单体的两侧面紧密的粘合在一起。
所述的相变材料仓室上下密封。
所述的导热金属框的高度与所述的电池单体的高度相同。
所述的导热金属框上方设有紧固件，通过螺栓与电池箱体连接，用于固定各个电池单体的纵向位置。
所述的导热金属框放置于电池箱内，其四周侧壁贴于电池箱体四周侧壁，电池箱体与导热金属框侧壁之间设有绝热隔膜；所述的电池箱体由绝缘材料制成，所述绝缘材料包括PET材料 、FRP材料。
所述的导热金属框由具有高导热系数的金属材料制成，所述的金属材料包括铜、铝。
所述的相变材料为正十九烷晶体，其溶点为30℃，相变潜热为222 kJ/kg。
所述的电池单体为方形动力电池，包括锂离子二次电池或锂聚合物二次电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.结构简单，便于组装。电池包主要由电池单体、导热金属框和相变材料三部分组成。而且导热金属框本身就对其它两个部件的横向位置起到一定的固定作用，减少了紧固部件的使用。因此也加快了单个电池包的组装速度。
2.对高放电倍率、高工作温度、高环境温度等特殊工况适应性较好。在相变冷却的基础上辅以风冷，可以大大的增加电池包冷却***对电池单体温度的适应范围。在高放电倍率、高工作温度、高环境温度等特殊工况下表现出更好的适应能力。
3.该电池包的不仅散热效果理想，而且由于具有高导热系数的金属框存在，电池包内的不同电池单体之间以及同一单体的不同部位间的温度均匀性较好。
4.可以有效及时的去除电池箱体内的有毒气体。当电池单体产生有毒气体时，可以及时的引入空气，对电池箱体内进行通风，带走有毒气体。
附图说明
图1是本发明的相变和风冷结合的高效散热电池包示意图；
图2是本发明的相变和风冷结合的高效散热电池包的俯视图；
图3是导热金属框示意图；
图4是导热金属框俯视图；
图5是本发明的相变和风冷结合的高效散热电池包风冷示意图；
图6是含有多个相变和风冷结合的高效散热电池包的电池箱体的通风方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明中所采用相变冷却和风冷相结合的方式来对电池包内电池进行冷却。该***能够使动力电池在恶劣的热环境下实现电池的最佳冷却效果，同时实现电池单体间温度分布的均衡，从而达到动力电池的最佳运行状态，保障电池的稳定性，对延长电池寿命、提高动力电池的性能都起着至关重要的作用。
如图1，2所示，一种相变和风冷结合的高效散热电池包，以导热金属框3作为基体，内部凸肩6之间安装有方形动力电池单体2，并在导热金属框3和电池单体2的接触面之间涂有导热胶，以减少两者之间的接触热阻对传热效果的影响；在导热金属框3的两侧设有肋片7，肋片7与导热金属框3外圈和电池单体2一起在各个电池单体的两侧分别构成了3个长方体形的空间。其中中间的一个长方体形空间上下密封，用来存放相变材料1，称为相变材料仓室。相变材料1既可以在电池温度高时，吸收热量，对电池单体2进行冷却，又可以在电池温度过低时，放出热量，对电池单体2进行加热。而在相变材料仓室的两侧，是两个上下贯通的通风风道5。与导热金属框3外圈四周表面相接触的是电池箱体4的四周壁面，两者壁面之间设有绝热隔膜，用来防止电池箱体4表面温度过热。导热金属框3上方设有紧固件8，通过螺栓与电池箱体连接，用于固定各个电池单体的纵向位置。相变材料1为正十九烷晶体，其溶点为30℃，相变潜热为222 kJ/kg。电池单体2为方形动力电池，包括锂离子二次电池或锂聚合物二次电池。
如图3，4所示，导热金属框3一体成型，上面设有固定各个电池单体2横向位置的凸肩6，以及构成通风风道5和相变材料仓室的的肋片7。各个电池单体2可以轻易的套嵌于导热金属框3中，相变材料1也可以实现快速便捷的充注。所以该设备具有结构简单，便于组装的特点。
如图5所示，一种相变和风冷结合的高效散热电池包风冷，如果电池组处在高放电倍率、高工作温度、高环境温度等特殊工况下，单一的依靠相变材料1的相位变化吸热已经无法满足电池单体2冷却的要求，还可以向电池箱体4内通入空气进行风冷。空气从导热金属框3两侧的存放有相变材料1的相变仓室的两侧流过，带走部分热量，强化换热。这样该电池包的冷却***对于在特殊工况下的适应性就大大的提高了。
如图6所示，含有多个相变和风冷结合的高效散热电池包的电池箱体，该电池箱体4内含有多个所述的一种相变和风冷结合的高效散热电池包14，所述电池包14放置于支架13之上，但支架13不能遮挡住通风风道5的入口。室内的空气通过风扇9的作用，被吸进进风口11，然后经过过滤网10过滤掉空气中的灰尘与杂物，进入电池箱体4内部。接着以并行通风的方式流过各个电池包14中的通风风道5。最后，再经出风口12流出。电池箱体4由绝缘材料制成，所述绝缘材料包括PET材料 、FRP材料。
本发明中与方法相关的方面是用于控制电池模块温度的方法，所述方法为：当电池单体工作时产生大量的电化学反映热和焦耳热，电池表面温度逐渐升高。首先，将产生的大量热量传递到与电池单体两侧面相接触的具有高导热系数的导热金属框表面。接着，再传递到导热金属框的肋片上。最后，再由肋片将热量传递给具有适合相变温度且具有比较大的相变潜热的相变材料。如果这时温度已经超过其溶点温度，则相变材料开始发生相位变化，通过固态变为液态相变吸收大量潜热，从而大大的减缓电池组温度的上升，避免其过热。并且，如果电池组处在高放电倍率、高工作温度、高环境温度等特殊工况下，仅仅依靠相变材料的相位变化吸热已经无法满足电池组冷却的要求，我们还可以向电池箱体内通入空气进行风冷。风道设置于相变材料仓室的两侧，可以起到强化传热的作用，这样就大大的提高了对动力电池温度的适应范围。此外，向电池箱体内部通入空气，还可以带走电池箱内有可能产生的有害气体。另一方面，当电池单体表面的温度过低时，相变材料又可以通过液态向固态变化，放出相变潜热用来加热电池单体，使电池单体始终保持在最佳工作温度范围内。
Claims (10)
1.一种相变和风冷结合的高效散热动力电池包，包括电池单体、导热金属框，其特征在于：所述导热金属框内部凸肩之间安装有电池单体，电池单体两侧设有放置有相变材料的相变材料仓室，相变材料仓室的两侧设有通风风道，所述电池单体产生的热量，通过导热金属框导出到相变材料中，利用相变材料的相位变化吸收大量热量。
2.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述导热金属框一体成型，上面设有固定各个电池单体横向位置的凸肩，以及构成通风风道和相变材料仓室的的肋片。
3.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的导热金属框通过导热胶与各个电池单体的两侧面紧密的粘合在一起。
4.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的相变材料仓室上下密封。
5.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的导热金属框的高度与所述的电池单体的高度相同。
6.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的导热金属框上方设有紧固件，通过螺栓与电池箱体连接，用于固定各个电池单体的纵向位置。
7.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的导热金属框放置于电池箱内，其四周侧壁贴于电池箱体四周侧壁，电池箱体与导热金属框侧壁之间设有绝热隔膜；所述的电池箱体由绝缘材料制成，所述绝缘材料包括PET材料 、FRP材料。
8.根据权利要求1所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的导热金属框由具有高导热系数的金属材料制成，所述的金属材料包括铜、铝。
9.根据权利要求1-8任一所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的相变材料为正十九烷晶体，其溶点为30℃，相变潜热为222 kJ/kg。
10.根据权利要求1-8任一所述的相变和风冷结合的高效散热动力电池包，其特征在于：所述的电池单体为方形动力电池，包括锂离子二次电池或锂聚合物二次电池。
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