CN113140826A - 一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石蜡‑铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，包括电芯、石蜡‑铜纤维相变复合材料和液冷箱体；所述电芯置于石蜡‑铜纤维相变复合材料的凹槽中；所述石蜡‑铜纤维相变复合材料置于液冷箱体的空腔内。本发明的结构简单，制造的石蜡‑铜纤维相变复合材料的导热具有各向异性，能够将电芯产生的热量沿相变复合材料导热的主方向快速传递到液冷板，并由冷却工质带走，提高了热管理***的散热性能。同时相变复合材料达到相变温度后吸收大量相变潜热，使电芯温升缓慢，温度分布均匀，提高了热管理***的均温性。本发明的液冷箱体采用整体设计，有效防止相变材料融化后泄露，增大了液冷板的接触面积，延长了电芯的使用寿命。

Description

一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置
技术领域
本发明涉及储能***使用的储能电池热管理***技术领域，尤其涉及一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置。
背景技术
随着可再生能源产业的高速发展，能源互联网的结构不断优化，储能***的建设是未来能源网络的发展趋势。储能技术中电化学储能具有建设周期短、运营成本低等特点，发展迅猛。根据CNESA数据显示，电化学储能中锂离子电池储能占90％。近年来，电动汽车的崛起使得锂电池的使用量大大增加，根据估算，大约有80％的动力电池退役后经过修复重组可用于储能***。未来大量的退役动力电池将用于储能***，其安全性和循环寿命需要进行管理。电池温度是影响电池性能、寿命的关键参数。锂电池的理想工作温度是15-35℃，电池包内部最大温差不超过5℃。电池温度过高会引发热失控，温度过低也会使电池性能、容量下降。现有储能***的热管理大多数使用风冷***，但随着储能电池的能量密度不断提高，充放电倍率增大，风冷已经逐渐不能满足散热需求。目前国内外电池热管理***研究的重点在于液冷***。液冷***利用冷却流体高比热容的特点将电池产生的热量带走，其散热效率高、综合性能良好，但均温性仍有待提高。相变复合材料也是当前锂电池热管理的研究热点，其具有优异的均温效果，但相变材料本身的导热系数较低，通过加入泡沫铜等材料可以提高其导热系数，降低泄露风险，减小重量。相变复合材料通常与风冷、液冷结合，形成复合热管理***。目前相变复合材料的导热系数仍然较低，相变复合材料的导热系数是各向同性，热量无法沿一个方向快速传递，而且液冷板并非整体设计，液冷板与相变材料之间接触面积较小，接触热阻较大，存在泄露风险。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，该装置将相变复合材料与液冷结合，提高热管理***的均温性和散热性能，延长电芯使用寿命。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，包括
电芯、石蜡-铜纤维相变复合材料和液冷箱体；所述电芯置于石蜡-铜纤维相变复合材料的凹槽中；所述石蜡-铜纤维相变复合材料置于液冷箱体的空腔内。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
使用石蜡-铜纤维相变复合材料与整体式液冷箱体结合，减轻了相变材料的重量，降低了石蜡相变后泄露的风险，提高了电芯的均温性和散热性能。
制造的石蜡-铜纤维相变复合材料其导热具有各向异性，电芯产生的热量可以快速沿导热的主方向传递到液冷板中，提高了相变复合材料的散热效果。
液冷箱体使用整体设计，结构简单，液冷接触面积大，换热效率高，流道设计灵活，无泄漏风险，大大提高了热管理***的散热效果。
石蜡-铜纤维相变复合材料其形状、尺寸、铜纤维方向可以随电芯的形状尺寸、液冷板的布置而改变，结构灵活，适用于大多数场景。
附图说明
图1是基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热结构的轴测图图；
图2是加工铜纤维的刀具结构示意图；
图3是液冷箱体结构示意图；
图4是压模烧结模具结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热结构，包括电芯1、石蜡-铜纤维相变复合材料2、液冷箱体3。电芯1放置于石蜡-铜纤维相变复合材料2的空腔内，液冷箱体3贴合在石蜡-铜纤维相变复合材料2的表面，电芯1与石蜡-铜纤维相变复合材料2、相变复合材料2与液冷箱体3之间均匀涂抹导热硅脂，提高散热性能。所述的液冷箱体3包括侧面液冷板31、侧壁32、底部液冷板33、进出口接头34。侧面液冷板31和底部液冷板33的流道形状可以为：蛇形流道、直流道、蜂窝状流道、放射状流道、树突状流道、沟槽结构等或其组合。冷却工质通过进水口流入一侧液冷板，经底部液冷板33流入另一侧液冷板，最后经出水口流出。所述冷却工质包括去离子水、冷媒、纳米流体、液态金属等。
液冷箱体3使用铝合金制造，通过进出口与外部液冷***连接，其结构如图3所示。所述的液冷箱体3采用焊接工艺加工，首先将侧面液冷板31***底部液冷板33的凹槽中，使用钎焊工艺将其焊接牢固；然后将侧壁32放置在底部液冷板33上，使用钎焊工艺将底部液冷板33和侧壁32之间焊接牢固，最后将侧面液冷板31和侧壁32焊接牢固，并检验整个液冷箱体3无焊接缺陷，满足防泄漏要求。
上述相变复合材料的制备包括：铜纤维的制备、铜纤维骨架烧结、石蜡灌注。
S1制备铜纤维，铜纤维的制备可使用拉拔法、熔融抽丝法、振动切削法、镀覆金属烧结法、化学冶金法和纺丝法等。其中拉拔法、熔融抽丝法和切削法使用最广泛。本实施例提供的铜纤维使用多齿车刀切削法制备，切削时刀具名义后刀面21上等间距地加工出锯齿形的沟槽，使用此方法加工的金属纤维能获得较好的抗拉强度和韧性；如图2所示，多齿刀具材料为超硬型高速钢，切削刀具的前角最佳值在25°～30°之间，大前角有利于获得强度和延伸率更好的金属纤维，并减少摩擦阻力，改善切削时的发热情况，得到表明质量更好的纤维；后角最佳值在5°～8°之间，有利于增加刀具的耐用度。多齿车刀齿距和齿深一般在0.2～0.4mm之间为宜，保证铜纤维截面形状尺寸合适，铜纤维散热效果较好。刃倾角一般取45°～55°之间为宜，加工较平稳。本发明切削过程参数如下：使用C6132A车床加工，刀具以45°安装并调整好高度，工件材料为紫铜棒，直径50mm，切削过程为干切削，切削时工件转速为160r/min，进给量0.2mm/r，背吃刀量0.2mm。图中：21为名义后刀面、22为名义前刀面、l为细齿切削刃、m为刀齿齿宽、n为刀齿齿深、s1、s2为刀刃切削刃、a0为法向后角、y0为法向前角。
把切削后的铜纤维剪成90～110mm长，便于压模和烧结。烧结前将铜纤维相互平行摆放后压入烧结模具中。如图4所示，烧结模具由盖板41、不锈钢芯板42、芯板固定板43、腔体44、底板45、螺杆46、螺母47等组成。不锈钢芯板42与电芯1尺寸相同，在填入铜纤维前，在不锈钢芯板42和腔体44内壁喷上脱模剂便于烧结后脱模。填入铜纤维时将模具盖板41打开，如图3所示的方向把铜纤维互相平行地填入不锈钢芯板42四周并压紧，然后盖上盖板41，用螺栓46、螺母47固定锁紧。电池发热时，铜纤维之间相互平行使热量沿铜纤维长度方向形成梯度，产生的热量沿导热的主方向快速传递至液冷板，由冷却工质带走，提高了热管理***的散热性能。石蜡本身具有很高的相变潜热，当温度达到相变温度时，石蜡吸收大量热量而温度几乎不变，使电芯1温升缓慢，温度分布均匀，极大地提高了电池模组的均温性。石蜡-铜纤维相变复合材料2可以极大地提高电池模组的均温性和散热性能。
S2烧结。烧结时，烧结温度为900℃，保温时间60min，受烧结炉限制，本发明采用分段升温的方法，当炉温在800℃以下时，升温速率不超过5℃/min，当炉温高于800℃时，升温速率不超过3℃/min。具体烧结过程如下：
开始加热时，打开氮气阀往烧结炉腔内充入氮气并排出炉腔内的空气，氮气的化学性质不活泼，对样品有保护作用。根据升温曲线，1小时后温度从室温升至450℃，此时，关闭氮气阀并打开氢气阀，氢气的还原性可以防止炉腔内未排净的空气在高温下把铜纤维氧化，将氢气进气压力保持在0.3Mpa直至烧结完成，然后在450℃保温30分钟。保温后再用1小时加热至850℃。在850℃时，保温30分钟，然后再经过30min加热至900℃，最后在900℃保温1小时。保温完成后烧结炉停止加热，当炉膛内的温度降至300℃左右时，必须先将氢气阀关闭并充入氮气，否则在开炉过程中有***的危险。待炉温冷却至100℃左右时即可取出样品。
S3灌注石蜡。烧结后的铜纤维骨架的孔隙率较大，将液态石蜡直接灌入多孔材料中即可制成多孔材料。将恒温水箱水温设定于70～80℃，将石蜡加热融化。在灌注石蜡前，在铜纤维骨架中放入和电芯1尺寸相同的铜块，待灌注的石蜡凝固后再把铜块抽出，即制成石蜡-铜纤维相变复合材料。
在电芯1表面均匀涂抹硅脂后，将电芯1放入相变复合材料2空腔中，即制成基于石蜡-铜纤维相变复合材料散热的锂电池模块。
相变复合材料腔体形状尺寸可以根据不同的电芯1改变，烧结和灌注石蜡时放入与电芯1相同形状尺寸的不锈钢芯板42即可。铜纤维的方向根据电芯1的温度分布、液冷箱体3的流道布局确定，使石蜡-铜纤维相变复合材料2导热的主方向指向液冷板，电池产生的热量沿石蜡-铜纤维相变复合材料2导热的主方向快速传递至液冷板，并由冷却工质带走，提高了热管理***的散热性能。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述装置包括电芯(1)、石蜡-铜纤维相变复合材料(2)和液冷箱体(3)；所述电芯(1)置于石蜡-铜纤维相变复合材料(2)的凹槽中；所述石蜡-铜纤维相变复合材料(2)置于液冷箱体(3)的空腔内。
2.如权利要求1所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述石蜡-铜纤维相变复合材料(2)包括铜纤维骨架和相变材料，所述的铜纤维骨架由铜纤维组成，具有结构和导热上的各向异性，铜纤维之间互相平行；所述相变材料为石蜡。
3.如权利要求1所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述液冷箱体(3)包括侧面液冷板(31)、侧壁(32)、底部液冷板(33)与进出口接头(34)；所述侧面液冷板(31)***底部液冷板(33)的凹槽中；侧壁(32)放置在底部液冷板(33)上；进出口接头(34)通过螺纹连接至液冷箱体(3)。
4.如权利要求1所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述电芯(1)与石蜡-铜纤维相变复合材料(2)之间以及相变复合材料(2)与液冷箱体(3)之间均匀涂抹导热硅脂。
5.如权利要求1所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述侧面液冷板(31)和底部液冷板(33)设置有流道，流道的形状为蛇形、直流状、蜂窝状、放射状、树突状与沟槽状中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述石蜡-铜纤维相变复合材料的制作方法包括：
S1制备铜纤维，通过等间距锯齿形沟槽的多齿刀切削铜纤维，并将切削好的铜纤维剪成与电池尺寸相匹配的长度，进行压模和烧结；
S2烧结，将铜纤维放入烧结模具中，并将烧结模具置于烧结炉内，根据设定的温升曲线改变烧结炉不同时段的温度，烧结制得铜纤维骨架；
S3灌注石蜡，在铜纤维骨架中灌入石蜡，制成基于石蜡-铜纤维相变复合材料。
7.如权利要求6所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述烧结模具由盖板(41)、不锈钢芯板(42)、芯板固定板(43)、腔体(44)、底板(45)、螺杆(46)和螺母(47)组成；烧结前，将不锈钢芯板和腔体内壁喷设脱模剂，然后将不锈钢芯板和铜纤维放入模具中，且铜纤维之间相互平行摆放；
所述不锈钢芯板(42)的形状尺寸与电芯(1)的形状尺寸相同。
8.如权利要求6所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，步骤S2还包括：开始加热时往烧结炉中冲入氮气；在升温后充入氢气排出氮气；烧结完成并降温后充入氮气排出氢气。
9.如权利要求6所述的基于石蜡-铜纤维相变复合材料的电池液冷散热装置，其特征在于，所述步骤S3在置入石蜡前，在铜纤维骨架中放入铜块，待灌注的石蜡凝固后再把铜块抽出，制成石蜡-铜纤维相变复合材料；
所述铜块的形状的尺寸和电芯的形状尺寸相同。
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