CN113624043A - 一种均温分布式平行微细流道换热器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均温分布式平行微细流道换热器及其应用，涉及电动汽车动力电池热管理技术领域，包括进液分流腔、平行微细管道与出液分流腔；所述平行微细管道为长度呈等差关系多根管束，并且按照由长到短依次贯穿进液分流腔与出液分流腔，液体换热工质从进液分流腔进入并依次流经不同长度的平行微细管道后流入出液分流腔；所述进液分流腔与出液分流腔内均设有分流结构，用于提升流经每一根平行微细管道的液体换热工质的流量均匀性。本发明能够提升并行流道内工质流量分配的均匀性，应用于动力电池的液冷式热管理中可实现对每一个单体电池的同等热量的传递和释放，更好地提升整个动力电池组的均温性能。

Description

一种均温分布式平行微细流道换热器及其应用

技术领域

本发明属于电动汽车动力电池热管理技术领域，具体涉及一种均温分布式平行微细流道换热器及其应用。

背景技术

电动汽车的技术关键是动力电池，动力电池性能的优劣直接决定了电动汽车的整车性能、安全与使用寿命等。在动力电池各项性能参数中，温度是影响电池的安全、性能和寿命的关键参数，温度过低会导致整车性能下降，温度过高则可能会引发热失控安全事故。所以，需要对电动汽车电池箱体内的动力电池进行热管理***设计，其目的是将电池的温度范围控制在0-40℃区间内，且整个电池箱体内的电池温差水平控制在5℃以内；

从电池热管理***使用的传热介质种类，现有动力电池热管理***主要可以分为：空气冷却式热管理(简称空冷)、液体冷却式热管理(简称液冷)，以及相变蓄热式热管理等。从三类热管理形式上看，空冷装置简单、成本较低，是前期已产业化电动汽车采用的主要方式，但需要在动力电池腔体内设置空气管道与外部相通，存在涉水安全性差的问题；相变蓄热式热管理技术目前还处于实验室研究阶段，鉴于相变材料在单相时导热系数较低，离实际应用还有一定的距离；液冷是目前产业化市场上应用最广泛的技术，其传热效率较高，电池温度均匀化性能较好，但其对于液体密封要求较高、换热结构复杂、成本较高。随着动力电池安全使用的要求的提升，液冷式热管理正成为当前及下一代研发的主要方式。

按照液体工质在电池箱体模组中换热器件内的流向，主要有串行流动和并行流动两种方式。在串行流动的动力电池冷却工况下，液体工质的温度随着流动方向逐渐上升，电池与液体工质的传热温差逐渐降低，流动尾部电池获得的换热量逐渐减少，相应地其温度逐渐升高，导致串行流动中电池组的温差较大。相比较，并行流动方式能够克服这个缺点，能够比串行流动提升电池组的均温性能。

然而，并行流动式热管理结构设计的核心是需要保证每个通道内的流量相等，但目前现有的并行式入口结构设计往往均导致其通道内流体工质流量分配均匀性差，严重影响了热管理的温度均匀性要求。期刊论文“平行流换热器流量分配均匀性研究”(郑州工业大学学报，2015，36(5)：53)指出，平行式入口的流体流动分布均匀性最差。因此，如何有效地优化并行式流道结构，改善流体分布均匀性提高动力电池组均温性是急需解决的问题；

为此，我们提出了一种均温分布式平行微细流道换热器及其应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的均温分布式平行微细流道换热器及其应用。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种均温分布式平行微细流道换热器，包括进液分流腔、平行微细管道与出液分流腔；

所述平行微细管道为长度呈等差关系多根管束，并且按照由长到短依次贯穿进液分流腔与出液分流腔，液体换热工质从进液分流腔进入并依次流经不同长度的平行微细管道后流入出液分流腔；

所述进液分流腔与出液分流腔内均设有分流结构，用于提升流经每一根平行微细管道的液体换热工质的流量均匀性。

作为本发明的进一步优化方案，位于所述进液分流腔内的分流结构包括于进液分流腔中倾斜设置的进液分流板，所述进液分流板将进液分流腔分割成截面形状均为直角梯形的进口腔和流入腔，所述进口腔的较窄边上设有进液口，所述进口腔是以进液口为入口的渐扩结构；

类似地，位于所述出液分流腔内的分流结构包括于出液分流腔中倾斜设置的出液分流板，所述出液分流板将出液分流腔分割成截面形状均为直角梯形的出口腔和流出腔，所述出口腔的较窄边上设有出液口，所述出口腔是以出液口为出口的渐缩结构。

作为本发明的进一步优化方案，所述进液口和出液口位于平行流微细流道换热器的同一侧设置。

作为本发明的进一步优化方案，所述平行微细管道在流入腔内的伸出部分长度由进液口一侧向另一侧逐渐减小，且平行微细管道在流出腔内的伸出部分长度由出液口一侧向另一侧逐渐减小。

作为本发明的进一步优化方案，所述平行微细管道的同一侧末端在流入腔或流出腔内伸出端连线与水平线的夹角为5°-15°。

作为本发明的进一步优化方案，所述进液分流板和出液分流板上，按照平行微细管道在流入腔和流出腔内伸出长度减小的方向，设置孔面积呈等比增大的进液分流孔和出液分流孔，且进液分流孔和出液分流孔的位置与每一根平行微细管道的液体进出部位对应。

作为本发明的进一步优化方案，所述进液分流板和出液分流板上的进液分流孔和出液分流孔的孔面积递增比例为1.1-1.5。

一种如上述所述的平行流微细流道换热器在制备电池热管理设备中的应用。

一种电池热管理设备，包括如上述所述的平行流微细流道换热器、圆柱电池以及柔性导热块，所述圆柱电池呈两行排列设置于平行流微细流道换热器上，每四块所述圆柱电池之间的空心体内均***有柔性导热块，每一个所述柔性导热块的竖直中心处对应与平行流微细流道换热器的每一根平行微细管道相插接。

作为本发明的进一步优化方案，所述柔性导热块是由填充了氧化铝颗粒或者氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒的硅橡胶或发泡橡胶材料制成。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用新型进液分流腔与出液分流腔的设计，使液体换热工质通过进液口后进入渐扩形的进口腔，并流经对应的进液分流板上不同开孔面积的进液分流孔后，进入流入腔，再依次流经不同长度的平行微细管道后进入出液分流腔。同样，在出液分流腔中也对称设置相应的分流结构，以此实现流经每一根平行微细管道的液体换热工质在整个平行流微细流道换热器中的流动阻力相同，最终提升流经每一根平行微细管道的液体换热工质的流量均匀性。

2、本发明提供了该平行流微细流道换热器在圆柱动力电池的液冷式热管理中的应用，通过与圆柱电池侧壁和平行微细管道均紧密接触的柔性导热块，将动力电池的热量迅速传递给柔性导热块，利用柔性导热块的高效导热性能，将该热量迅速传递给平行微细管道及其中流过的液体换热工质，由液体换热工质将该热量迅速带走，由于平行流微细流道换热器保证了每一根平行微细管道中流体换热工质的流量均匀性，在相同的管径下其流速也相等，使得每根平行微细管道传递的热量均是相等的，可以实现对每一个单体电池的同等热量的传递和释放，从而保证动力电池的温度高度一致性，提升整个动力电池组的均温性能。

附图说明

图1为本发明中平行微细流道换热器的立体图(进液分流腔为竖直模式)；

图2为图1的内部结构示意图；

图3为图2的竖直中间截面立体示意图；

图4为本发明提供的进液分流板的结构示意图；

图5为本发明中进液分流腔的水平模式结构示意图；

图6为本发明中电池热管理模组的结构立体图；

图7为本发明中电池热管理模组的另一视角的结构立体图；

图8为图6的水平截面俯视示意图；

图9为图6的竖直截面正视示意图；

图中：1、进液分流腔；11、进液分流板；12、流入腔；13、进口腔；14、进液分流孔；15、进液口；16、贯穿孔；2、平行微细管道；3、出液分流腔；31、出液分流板；32、流出腔；33、出口腔；34、出液分流孔；35、出液口；4、圆柱电池；5、柔性导热块。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

如图1-5所示，一种均温分布式平行微细流道换热器，包括进液分流腔1、平行微细管道2与出液分流腔3；

所述进液分流腔1与出液分流腔3内均设有分流结构，用于提升流经每一根平行微细管道2的液体换热工质的流量均匀性。

位于所述进液分流腔1内的分流结构包括于进液分流腔1中倾斜设置的进液分流板11，所述进液分流板11将进液分流腔1分割成截面形状均为直角梯形的进口腔13和流入腔12，所述进口腔13的较窄边上设有进液口15，所述进口腔13是以进液口15为入口的渐扩结构；

类似地，位于所述出液分流腔3内的分流结构包括于出液分流腔3中倾斜设置的出液分流板31，所述出液分流板31将出液分流腔3分割成截面形状均为直角梯形的出口腔33和流出腔32，所述出口腔33的较窄边上设有出液口35，所述出口腔33是以出液口35为出口的渐缩结构。

所述进液口15和出液口35位于平行流微细流道换热器的同一侧设置。

所述平行微细管道2为长度呈等差关系多根管束，本实施例中采用的是4根，并且按照由长到短依次贯穿伸入流入腔12和流出腔32内，其在流入腔12内的伸出部分长度由进液口15一侧向另一侧逐渐减小，而其在流出腔32内的伸出部分长度由出液口35一侧向另一侧逐渐减小，如图2、3所示从左侧往右侧逐渐减小，进一步限制为平行微细管道2的同一侧末端在流入腔12或流出腔32内伸出端连线与水平线的夹角为5°-15°。

所述进液分流板11和出液分流板31上，按照平行微细管道2在流入腔12和流出腔32内伸出长度减小的方向，设置孔面积呈等比增大的进液分流孔14和出液分流孔34，且进液分流孔14和出液分流孔34的位置与每一根平行微细管道2的液体进出部位对应，如图4所示。

该平行微细流道换热器的工作原理为，液体换热工质通过进液口15后进入渐扩形的进口腔13，并流经对应的进液分流板11上不同开孔面积的进液分流孔14后，进入流入腔12，再依次流经不同长度的平行微细管道2后进入出液分流腔3，同样，在出液分流,3中也对称设置相应的分流结构，以此实现流经每一根平行微细管道2的液体换热工质在整个平行流微细流道换热器中的流动阻力相同，最终提升流经每一根平行微细管道2的液体换热工质的流量均匀性，确保了热管理的温度均匀性要求。

另外，本实施例中每一根平行微细管道2对应的进液分流板11和出液分流板31上均只设置了一个圆形孔，在实际操作中，孔的形状也可以是其他形状，孔的个数也可以为多个，但需要满足每一根平行微细管道2对应的孔面积之和呈等比增大关系即可，该递增比例范围为1.1-1.5。

本实施例中，如图1-3所示的散热器的进液分流腔1和出液分流腔3均为高度明显大于宽度的竖直模式；

如果是高度明显小于宽度水平模式的进液分流腔1，其结构如图5所示，其与竖直模式的区别主要在于，进液分流板11将进液分流腔1分割成左右结构而不是上下结构的流入腔12和进口腔13，在流入腔12的上端面开设贯穿孔16供平行微细管道2贯穿，水平模式下的出液分流腔3也与下部的进液分流腔1呈上下对称设计。

如果平行流微细流道换热器的进液分流腔1和出液分流腔3均采用水平模式时，可以节约电池箱体的使用空间，在实际应用过程中可以考虑将进液分流腔1和出液分流腔3采用水平模式。

如图6-9所示，一种电池热管理设备，主要包括如上述所述的平行流微细流道换热器、圆柱电池4以及柔性导热块5，所述圆柱电池4呈两行排列设置于平行流微细流道换热器上，每四块所述圆柱电池4之间的空心体内均***有柔性导热块5，每一个所述柔性导热块5的竖直中心处对应与平行流微细流道换热器的每一根平行微细管道2相插接。

所述柔性导热块5是由填充了氧化铝颗粒或者氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒的硅橡胶或发泡橡胶材料制成，其具有较高的导热性能，并与其四周的圆柱电池4和其中心的平行微细管道2紧密接触，能够将圆柱电池4传递过来的热量迅速传递给平行微细管道2，反过来也可以将平行微细管道2内的冷却介质传递至圆柱电池4。

该平行流微细流道换热器在电池热管理上的工作过程是，在圆柱电池4温度过高时，启动电池热管理***，低温的液体换热工质进入平行流微细流道换热器，通过进液口15后进入渐扩形的进口腔13，并流经对应的进液分流板11上不同开孔面积的进液分流孔14后，进入流入腔12，再流量均匀地依次流经不同长度的平行微细管道2后进入出液分流腔3，并在出液分流腔3中依次流经流出腔32、出液分流孔34、出口腔33后经出液口35流出，由于高温的圆柱电池4与低温的液体换热工质之间存在较大的传热温差，动力电池的热量迅速传递给柔性导热块5，并经由平行微细管道2传递给液体换热工质带走。

由于平行流微细流道换热器保证了每一根平行微细管道2中流体换热工质的流量均匀性，在相同的管径下其流速也相等，使得每根平行微细管道2传递的热量均是相等的，可以实现对每一个单体电池的同等热量的传递和释放，从而保证动力电池的温度高度一致性，提升整个动力电池组的均温性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：包括进液分流腔(1)、平行微细管道(2)与出液分流腔(3)；

所述平行微细管道(2)为长度呈等差关系多根管束，并且按照由长到短依次贯穿进液分流腔(1)与出液分流腔(3)，液体换热工质从进液分流腔(1)进入并依次流经不同长度的平行微细管道(2)后流入出液分流腔(3)；

所述进液分流腔(1)与出液分流腔(3)内均设有分流结构，用于提升流经每一根平行微细管道(2)的液体换热工质的流量均匀性。

2.根据权利要求1所述的一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：位于所述进液分流腔(1)内的分流结构包括于进液分流腔(1)中倾斜设置的进液分流板(11)，所述进液分流板(11)将进液分流腔(1)分割成截面形状均为直角梯形的进口腔(13)和流入腔(12)，所述流入腔(12)上开设有供平行微细管道(2)贯穿的贯穿孔(16)，所述进口腔(13)的较窄边上设有进液口(15)，所述进口腔(13)是以进液口(15)为入口的渐扩结构；

类似地，位于所述出液分流腔(3)内的分流结构包括于出液分流腔(3)中倾斜设置的出液分流板(31)，所述出液分流板(31)将出液分流腔(3)分割成截面形状均为直角梯形的出口腔(33)和流出腔(32)，所述出口腔(33)的较窄边上设有出液口(35)，所述出口腔(33)是以出液口(35)为出口的渐缩结构。

3.根据权利要求2所述的一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：所述进液口(15)和出液口(35)位于平行流微细流道换热器的同一侧设置。

4.根据权利要求2所述的一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：所述平行微细管道(2)在流入腔(12)内的伸出部分长度由进液口(15)一侧向另一侧逐渐减小，且平行微细管道(2)在流出腔(32)内的伸出部分长度由出液口(35)一侧向另一侧逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：所述平行微细管道(2)的同一侧末端在流入腔(12)或流出腔(32)内伸出端连线与水平线的夹角为5°-15°。

6.根据权利要求2所述的一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：所述进液分流板(11)和出液分流板(31)上，按照平行微细管道(2)在流入腔(12)和流出腔(32)内伸出长度减小的方向，设置孔面积呈等比增大的进液分流孔(14)和出液分流孔(34)，且进液分流孔(14)和出液分流孔(34)的位置与每一根平行微细管道(2)的液体进出部位对应。

7.根据权利要求6所述的一种均温分布式平行微细流道换热器，其特征在于：所述进液分流板(11)和出液分流板(31)上的进液分流孔(14)和出液分流孔(34)的孔面积递增比例为1.1-1.5。

8.一种如权利要求1-7任一所述的平行流微细流道换热器在制备电池热管理设备中的应用。

9.一种电池热管理设备，其特征在于，包括如权利要求1-7任一所述的平行流微细流道换热器、圆柱电池(4)以及柔性导热块(5)，所述圆柱电池(4)呈两行排列设置于平行流微细流道换热器上，每四块所述圆柱电池(4)之间的空心体内均***有柔性导热块(5)，每一个所述柔性导热块(5)的竖直中心处对应与平行流微细流道换热器的每一根平行微细管道(2)相插接。

10.根据权利要求9所述的一种电池热管理设备，其特征在于，所述柔性导热块(5)是由填充了氧化铝颗粒或者氧化铝、氧化镁及氮化硼的混合颗粒的硅橡胶或发泡橡胶材料制成。

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