CN109473746A - 一种基于液体与相变材料的电池包热管理装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于液体与相变材料的电池包热管理及其方法，利用热管、铝板和相变材料的高导热性，铝板和相变材料间隔安装在每块动力电池两侧,在铝板上设置Y形通道以及弯曲形加热热管，在相变材料中设置散热热管，还在电池包底部设置箱体，箱体内分布有孔隙率渐变的金属泡沫条，金属泡沫对应位置的箱体底面外侧安装电热膜，从而在电池包不同温度状态下智能启动不同的散热和加热方式，合理的利用了电池包的空间。本发明的装置结构简单且容易控制，保证了整个电池包的安全性、效率性和耐用性。
Description
技术领域
本发明涉及电池包热管理技术领域，具体而言涉及一种基于液体与相变材料的电池包热管理装置及其方法。
背景技术
汽车尾气是影响空气质量的一个较大因素，随着人们的环保意识不断增强，对于新型清洁能源的需求也在不断扩大。电池作为替代化石能源的清洁能源，在电动车辆上的应用效果逐渐被社会公众所认可，使得电动汽车也越来越普及。
电动汽车的电池板上分布有多个电池包，电池包通常由多个电池组串联，为电动汽车提供动力供给，同时还不断储存能源。然而，电池包为封闭结构，其工作电流大，产生的热量大。若缺乏有效散热，可能导致电池的温度过高，影响电池的充放电能力和寿命，严重的还会引起电池自燃，甚至***。
目前的电池包散热结构，通常采取单一散热方式，设置多个导热部件和通风通道，然后采用电扇进行风冷散热的方式，或者甚至部分电动车辆未采取任何的散热措施。然而，电池包风冷散热的效果不理想，难以维持电池的合适温度。另外，目前液冷散热的效率还有待提高。同时，我国南北方温度差异较大，特别是在冬天的北方地区，室外温度经常达到零下，这对动力电池的寿命造成了严重影响。更有甚者，当电池温度下降到零下二三十度以后，过低的电池温度给电动汽车的启动造成很大困难，在极寒地区在未给动力电池预热的情况下强行启动电动车很容易造成电池内部结构不可修复的破坏，造成电池报废。上述问题为电池包和电动汽车的推广带来阻碍，使人们不能放心使用电动汽车。
因此，电池包的高温热管理与低温热管理都非常重要，需要提供一种更高效率的电池包的热管理装置及其方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术中的不足，提出了一种多种方式结合、换热效率高的基于液体与相变材料的电池包热管理装置及其方法。该电池包的热管理装置及其方法主要是通过箱体内液体、铝板、电热膜、相变材料、热管、散热器的配合使用，实现电池包的温度调控，达到电动车电池均匀加热、有效散热的目的。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于液体与相变材料的电池包热管理装置，包括箱体、热管、铝板、相变材料、多个单体电池和散热器，其特征在于，热管包括加热热管和散热热管，加热热管与箱体、铝板相互连接，散热热管与相变材料、散热器相互连接；所述铝板的内部设置有Y形通道，所述Y形通道的上方为两个入口，两个入口分别连接一汇流管，所述Y形通道的下方为出口，所述出口对应于所述箱体上的孔；所述箱体内装有液体，所述铝板安装在两块单体电池之间，所述相变材料设置在与所述铝板间隔一单体电池，所述散热器设置在电池包的顶端，所述散热器与散热热管相互连接。
可选地，所述汇流管位于所述铝板上方，并连接分流管，所述分流管的端面入口连接冷却液连管。
可选地，所述铝板上分布至少两根加热热管，所述加热热管为弯曲形，且至少有2处以上拐点,每个拐角的角度为170°。
可选地，所述箱体内对应每根热管的位置安装有金属泡沫，每块金属泡沫沿与箱体上进液口所在表面平行的方向从两端向中心方向孔隙率从0.8渐变为0.3，金属泡沫紧贴箱体内底，箱体外底对应金属泡沫的位置安装电热膜。
可选地，所述加热热管的蒸发端***到所述金属泡沫中，所述加热热管的冷凝端***到所述铝板中。
可选地，所述散热器为多层平板散热片，每层散热片之间设置一定间隔，在各散热片的侧边设置固定件进行连接固定，所述散热器面积与电池包的顶部面积相近。可选地，所述散热热管的蒸发端设置于所述相变材料块中，所述散热热管的冷凝端***散热器中。
可选地，所述箱体对向的两端分别设置进液口和出液口,出液口位置靠近箱体顶部，箱体顶部分布三排小孔，中间排小孔为液体回流孔，两侧排小孔为热管安装孔，所述液体回流孔的孔径为5mm,所述热管安装孔的孔径为6mm。
可选地，还包括温度检测器，所述温度检测器包括第一温度检测器和/或第二温度检测器，第一温度检测器位于所述电池与铝板之间，第二温度检测器位于所述电池与相变材料之间的一个或多个位置。
另外，本发明还提供了一种基于液体与相变材料的电池包热管理方法，包括上述基于液体与相变材料的电池包热管理装置，当第一温度检测器检测到温度低于第一阈值时，启动电热膜加热箱体内液体；当第二温度检测器检测到温度高于第二阈值时停止电热膜加热；当第二温度检测器检测到温度高于第三阈值时，启动液体通过短管通入Y形通道进行循环冷却；
当第一温度检测器检测温度低于第四阈值时，同时开启液体循环制热***；
当第一温度检测器检测温度高于第五阈值时，关闭液体循环制热***；
其中，所述第二阈值高于第一阈值，第三阈值高于第二阈值；第四阈值低于第一阈值；第五阈值高于第一阈值而低于第二阈值。
本发明提供的电池包热管理装置及其方法，利用热管、铝板和相变材料的高导热性，在电池包不同温度状态下智能启动不同的散热和加热方式。通过在电池包底部设置箱体，箱体内分布有孔隙率渐变的金属泡沫条，金属泡沫对应位置的箱体底面外侧安装电热膜。弯曲形加热热管的蒸发端***到对应金属泡沫条的孔中，其冷凝端***到铝板中，实现加热箱体时快速加热电池包，并能保存热量。同时，当电动车使用过程中电池温度持续升高时，散热热管自动启动散热；散热热管将热量传递给散热器，在车辆行驶过程中可以通过自然风对散热器进行冷却，在车辆静止充电时使用风扇对散热器进行冷却。另外，在铝板上设置Y形通道，当电池包温度过高时，将冷却液经过分流管和汇流管通入Y形通道实现快速冷却降温。此外，铝板和相变材料间隔安装在每块单体动力电池的两侧，合理的利用了电池包的空间。本发明的装置结构简单且容易控制，保证了整个电池包的安全性、效率性和耐用性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1示意性地示出了一实施例中电池包热管理装置的结构示意图。
图2示意性地示出了图1中箱体的立体示意图。
图3示意性地示出了一实施例中冷却液连管的结构示意图。
图4示意性地示出了一实施例中加热热管***铝板的结构示意图。
图5示意性地示出了一实施例中沿图1中切割线所切割的加热热管***铝板的横截面示意图。
图6示意性地示出了一实施例中散热热管***相变材料的结构示意图。
图7示意性地示出了一实施例金属泡沫的结构示意图。
图8示意性地示出了金属泡沫安装在箱体中的俯视透视图。
图9示意性地示出了沿图1中切割线所切割的电池包热管理装置的横截面示意图。
图10示意性地示出了图1中散热器的立体示意图。
具体实施方式：
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1-3所示，本发明一实施例提供了一种基于液体与相变材料的电池包热管理装置，该装置100包括：铝板101、多个单体电池102、箱体103、热管、相变材料104、电热膜105、散热器106、冷却液连管107、分流管108和汇流管113。箱体103内装有液体，在其一端设置有进液口1031，另一端设置有出液口。铝板101安装在两块单体电池102之间，相变材料104设置为与铝板101间隔一单体电池102，散热器106设置在电池包的顶端。在散热器106的上方，沿汇流管113安装位置，安装多个分流管108。分流管108连接冷却液连管107，用于通入冷却液。优选地，冷却液连管107通入冷却液的一端设置有阀门一(图中未示出)，当需要启动冷却液循环时开启。优选地，箱体103内装的液体为水与甲醇的混合溶液。
为了实现加热功能，箱体103底部安装有多片电热膜105，优选为两片，且安装在底部外侧。当需要对电池包加热时，可通过电热膜加热箱体内液体，同时金属泡沫快速受热，优于液体给热管的传热速率，从而实现电池快速加热。
在一实施例中，如图2所示，在箱体对应进液口1031的另一侧，设置有出液口。出液口外侧的管道整体可分为两路管道，两路管道上分别设置有阀门而将选择液体流出方向，包括阀门一和阀门二。其中一路管道连接散热器上的冷却液连管107的端口，打开阀门一，利用泵将箱体流出的液体通入冷却液连管107、分流管108和汇流管113进行散热。另外一路管道用于连接外部加热器，打开阀门二，箱体液体流出后回到外部加热器，用于循环加热。出液口可与进液口1031对应设置且相同，数量为1。或者为了方便箱体内液体的均匀循环，进液口1031优选为1个，出液口优选为3个，且出液口的直径(优选为7mm)小于进液口1031的直径。同时，在箱体顶部分布热管安装孔1033和冷却液回流孔1032。中间排冷却液回流孔1032的孔径(优选为5mm)比两侧小孔孔径(优选为6mm)稍小，用于控制冷却液的流量流速。
如图4-5所示，铝板101的内部设置有Y形通道109，Y形通道109的上方为两个入口，分别为第一入口1091和第二入口1092，两个入口分别连接汇流管113而穿过散热器，再均与分流管108连接，Y形通道109的下方为出口1093，出口对应于箱体103顶部的冷却液回流孔1032。优选地，第一入口1091和第二入口1092的内径为5mm，分流孔108的内径为6mm。
另外，铝板101上还有容纳加热热管111通过的孔道，加热热管111与箱体103、铝板101相互连接。在该实施例中，铝板101上分布有两根加热热管111，加热热管可为直管或弯管。优选地，加热热管111为弯曲形，且至少有2处以上拐点，每个拐角α的角度约为170°，以增加导热面积。加热热管111为毛细管，其内工作介质为液氨，实现加热箱体103时快速加热铝板并传热给电池包，并能保存热量。优选地，加热热管中工作介质的相变温度为30℃。
如图6所示，热管还包括散热热管110，散热热管110与相变材料104、散热器106相互连接，散热器106与散热热管110相互连接。散热热管110的蒸发端***到相变材料104中，冷凝端***到散热器106中。散热热管110为毛细管，其内工作介质为氟利昂，其相变温度比加热热管111中的冷媒相变温度低，相变温度为24℃，实现电池包的散热管理。优选地，相变材料104用导热膜包裹，这样在相变材料受热融化后不会流失。
在一实施例中，如图7-9所示，箱体103内安装有金属泡沫112，金属泡沫112上面的孔与箱体表面的热管安装孔1033对应。金属泡沫紧贴箱体内底部，箱体外底对应金属泡沫的位置安装电热膜105。加热热管111的蒸发端***到金属泡沫中，加热热管111的冷凝端***到铝板101中。为保证每根热管在金属泡沫中的受热均匀，每块金属泡沫沿两端向中间方向孔隙率从0.8渐变到0.3。金属泡沫112的两端向中间的方向为与箱体上进液口1031所在表面平行的方向。当采用电热膜对箱体加热，箱体底部受热后，首先传热给金属泡沫，金属泡沫增大了加热热管的受热面积，从而使得加热热管进行导热。当液体循环加热时液体从动力电池底板箱体进液口1031进入后，流经过不同孔隙率的金属泡沫，在进行换热后液体从箱体另一侧不同位置的出液口流出，有效的避免了局部温差的出现。
优选地，加热热管111与铝板101和金属泡沫112相连接的地方用导热胶泥进行密封，以提高物体之间的导热率。
在一实施例中，如图10所示，散热器106为多层平板散热片1061，每层散热片之间设置一定间隔，散热片上均匀分布多个孔1062以进行热管安装。
如图9所示，图9为电池包热管理装置沿图1中切割线A的横截面示意图。汇流管113位于铝板101的上方，穿过散热器106并连接分流管108。每个分流管108的端面入口连接冷却液连管107。详细而言，金属汇流管113的一端口与Y形通道的入口1091和/或1092相连，另一端与分流管108相连。散热过程中，打开连接液冷连接管107的管道阀门一，可以通过泵将箱体内的液体输出到散热器上的冷却液连管107，液体经分流管108和汇流管113流入到Y形通道109中，对电池包内部快速降温。各散热片的侧边设置固定件进行连接固定，散热片1061的顶部面积与电池包的顶部面积相近。散热热管111的冷凝端***到散热器106的对应的孔1062中，各个散热片之间的风道不封闭，整体相通，每两片之间相隔1厘米。当启动冷却液对铝板101进行散热之后，将流入箱体的冷却液用泵经连管107、分流管108打入到穿过散热器106内部的金属管113以及Y形通道109中进行二次散热。散热器整体布置在动力电池包的顶部，动力电池102与散热器106之间留有一定的空隙用来安装连接动力电池的装置。
在一实施例中，还包括温度检测器(图中未示)，温度检测器包括第一温度检测器和/或第二温度检测器，第一温度检测器位于所述电池与铝板之间，第二温度检测器位于所述电池与相变材料之间的一个或多个位置。
当第一温度检测器检测到温度低于第一阈值(优选为0℃)时，启动电热膜105加热箱体103内液体。此时，铝板101中加热热管111中的工作介质发生相变，将热量传导至电池周围。
当第二温度检测器检测到温度高于第二阈值(优选为20℃)时停止电热膜105加热。
当第二温度检测器检测到温度高于第三阈值(优选为40℃)时，启动液体通过分流管108通入Y形通道109进行循环冷却。
其中，所述第二阈值高于第一阈值，第三阈值高于第二阈值；所述加热热管内液体的相变温度等于所述第二阈值。
优选地，为了防止北方冬天温度过低，当第一温度检测器检测温度过低时，同时开启液体循环制热***。优选地，第一温度检测器检测到温度低于第四阈值(优选为-10℃)时，需要为动力电池加热，启动外部加热器(图中未示出)加热液体，通过泵输入到箱体103内，辅助电热膜使得箱体内液体快速制热。。
循环加热时，打开箱体出液口连接外部加热器的管道阀门二，外部加热器的液体从箱体103进液口1031进入后，流经过不同孔隙率的金属泡沫，进行换热后液体从箱体103另一侧不同位置的出液口流出，再流入外部加热器，实现循环加热。金属泡沫增大了热管的受热面积，使各个热管的受热均匀。箱体右侧的多个孔有效的避免了局部温差的出现。但是，由于外部加热器功耗高，在第一检测器检测到温度达到10℃时，关闭外部加热器，仅由电热膜105加热。此时每两块动力电池之间的相变材料不仅可以吸收循环加热***带来的瞬时过加热产生的热量，还能在电池温度降低时为电池起到保温作用。
当电动车使用过程中电池温度持续升高时，自动启动散热，散热热管将热量传递给散热器。在车辆行驶过程中可以通过自然风对散热器进行冷却，在车辆静止充电时使用风扇对散热器进行冷却。
夏季高温时，相变材料104吸收动力电池产生的多余温度，通过散热热管110传热给散热器106，再经自然风对散热器进行冷却，达到循环散热的目的。
为了防止电池包内出现散热故障而导致温度过高，当电池包温度过高时，第二温度检测器检测到温度高于第三阈值(优选为40℃)时，泵将箱体内的液体打入到冷却液连管107和分流管108，再经过散热器106内部的金属汇流管113中进行二次散热，之后通过流入铝板101的Y形通道109，带走一部分热量后流回箱体109；最后再由箱体一端流出，回到散热器上的管道中，以此循环制冷实现快速冷却降温。
电池包可以多个组合在一起形成电池板，可平行布置也可垂直布置。
另外，本发明还提供了一种基于液体与相变材料的电池包热管理方法，包括上述基于液体与相变材料的电池包热管理装置100，包括以下步骤：
当第一温度检测器检测到温度低于第一阈值(优选为0℃)时，启动电热膜加热箱体内液体；
当第二温度检测器检测到温度高于第二阈值(优选为20℃)时停止电热膜加热；
当第二温度检测器检测到温度高于第三阈值(优选为40℃)时，启动液体通过短管通入Y形通道进行循环冷却；
当第一温度检测器检测温度低于第四阈值(优选为-10℃)时，同时开启液体循环制热***；
当第一温度检测器检测温度高于第五阈值(优选为10℃)时，关闭液体循环制热***；
其中，所述第二阈值高于第一阈值，第三阈值高于第二阈值；第四阈值低于第一阈值；第五阈值高于第一阈值而低于第二阈值。
本发明提供的电池包热管理装置，通过利用热管与铝板的高导热性，在电池包底部设置箱体。箱体内分布有孔隙率渐变的金属泡沫条，加热热管的蒸发端***到对应金属泡沫条的孔中，其冷凝端***到铝板中。热管与铝板和金属泡沫相连接的地方用导热胶泥进行密封，提高不同物体之间的导热率。在每两块动力电池之间，间隔安装铝板和相变材料，合理的利用了电池包的空间。当检测到温度低需要加热时，开启电热膜为箱体供热，达到设定温度后则关闭电热膜。当检测到温度过低时，开启液体循环制热***与电热膜共同加热。另外，箱体内还有金属泡沫，使得液体流经过不同孔隙率的金属泡沫，增大了加热热管的受热面积，还使各个热管的受热均匀。
在进行换热后液体从箱体不同位置的孔流出，有效的避免了局部温差的出现。在循环加热过程中当第二温度检测器检测到温度达到设定值时，关闭循环加热***。此时每两块动力电池之间的相变材料不仅可以吸收循环加热***带来的瞬时过加热产生的热量，还能在电池温度降低时为电池起到保温作用。检测到温度过高时，需要启动液体循环冷却***，通入冷却液在铝板的Y形通道内流过，带走一部分热量后流回箱体，以此循环制冷达到散热的目的。散热过程中，散热热管将热量传递给散热器，在车辆行驶过程中可以通过自然风对散热器进行冷却，在车辆静止充电时使用风扇对散热器进行冷却。该装置结构简单且容易控制保证了整个电池包的安全性和耐用性。同时，采用供热液体与散热片不与动力电池直接接触的方式将热量传递，避免或者减小液体泄漏造成短路风险的同时简化了电池板的整体结构。
虽然上述具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (10)
1.一种基于液体与相变材料的电池包热管理装置，包括箱体、热管、铝板、相变材料、多个单体电池和散热器，其特征在于，热管包括加热热管和散热热管，加热热管与箱体、铝板相互连接，散热热管与相变材料、散热器相互连接；所述铝板的内部设置有Y形通道，所述Y形通道的上方为两个入口，两个入口分别连接一汇流管，所述Y形通道的下方为出口，所述出口对应于所述箱体上的孔；所述箱体内装有液体，所述铝板安装在两块单体电池之间，所述相变材料设置在与所述铝板间隔一单体电池，所述散热器设置在电池包的顶端，所述散热器与散热热管相互连接。
2.根据权利要求1所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述汇流管位于所述铝板上方，并连接分流管，所述分流管的端面入口连接冷却液连管。
3.根据权利要求2所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述铝板上分布至少两根加热热管，所述加热热管为弯曲形，且至少有2处以上拐点,每个拐角的角度约为170°。
4.根据权利要求2所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述箱体内对应每根热管的位置安装有金属泡沫，每块金属泡沫沿与箱体上进液口所在表面平行的方向从两端向中心方向的孔隙率从0.8渐变为0.3，金属泡沫紧贴箱体内底部，箱体外底对应金属泡沫的位置安装电热膜。
5.根据权利要求4所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述加热热管的蒸发端***到所述金属泡沫中，所述加热热管的冷凝端***到所述铝板中。
6.根据权利要求1所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述散热器为多层平板散热片，每层散热片之间设置一定间隔，在各散热片的侧边设置固定件进行连接固定，所述散热器面积与电池包的顶部面积相近。
7.根据权利要求1所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述散热热管的蒸发端设置于所述相变材料块中，所述散热热管的冷凝端***散热器中。
8.根据权利要求1所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：所述箱体对向的两端分别设置进液口和出液口,出液口位置靠近箱体顶部，箱体顶部分布三排小孔，中间排小孔孔径为5mm，两侧小孔孔径为6mm。
9.根据权利要求1所述的基于液体与相变材料的电池包热管理装置，其特征在于：还包括温度检测器，所述温度检测器包括第一温度检测器和/或第二温度检测器，第一温度检测器位于所述电池与铝板之间，第二温度检测器位于所述电池与相变材料之间的一个或多个位置。
10.一种基于液体与相变材料的电池包热管理方法，包括上述权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于：当第一温度检测器检测到温度低于第一阈值时，启动电热膜加热箱体内液体；当第二温度检测器检测到温度高于第二阈值时停止加热；当第二温度检测器检测到温度高于第三阈值时，启动液体通过短管通入Y形通道进行循环冷却；
当第一温度检测器检测温度低于第四阈值时，同时开启液体循环制热***；
当第一温度检测器检测温度高于第五阈值时，关闭液体循环制热***；
其中，所述第二阈值高于第一阈值，第三阈值高于第二阈值；第四阈值低于第一阈值；第五阈值高于第一阈值而低于第二阈值。
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