CN115548507B - 一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***及制作方法。一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，包括直冷冷却换热器，直冷冷却换热器包括若干个微通道平行板；每个微通道平行板的两侧分别与竖直集管连通，其中一个竖直集管的顶部或者底部设有介质进口，该介质进口与进口分配装置连通，另一个竖直集管的底部或者顶部设有介质出口；微通道平行板的侧面设有石蜡‑液态金属骨架耦合相变冷却板。本发明通过直冷和相变冷却耦合实现了新能源汽车电池的热管理，不仅保证了电池在适宜的温度区间内，而且实现了电池内部的均匀性。此装置简单可靠、而且能够适用于电池运行中的各种复杂工况条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***及制作方法。
背景技术
现有的新能源汽车电池热管理方式包含空冷、液冷、直冷和相变材料冷却。空冷的散热效率较低，应用逐渐受限。液冷是由专门的水路循环***将电池的热量带走，其部件所占的重量和体积较大，不利于电池的轻量化。
现有的电池热管理中，直冷冷却和加热装置是独立存在的。
直冷冷却是将制冷循环中电子膨胀阀后的制冷剂分为两路，一路进入蒸发器作为汽车内部空气调节的冷源，一路进入电池直冷冷却换热器作为电池冷却的冷源。不同于单纯的水冷冷却通道，进入直冷冷却换热器中的制冷剂为气液两相。气液两相制冷剂在汽车运行的复杂工况的影响下(加减速、爬坡和下坡等)，在进入直冷冷却换热器时存在着严重的分配不均的情况。且气液两相制冷剂在沸腾换热的过程中，沿流动方向也存在着干度不均的情况，这严重影响了电池内部的均温性。吉林大学鲍文迪《直冷式动力电池热管理性能分析》论文中发现直冷换热器的最大温差接近20℃，对电池的均温影响较大(电池内部温差一般要求不超过5℃)。
相变材料冷却是通过相变材料的融化吸热和凝固放热过程中温度恒定来改善电池的散热性能。但现有技术中采用的相变材料大多是石蜡类的，且为了提高石蜡的导热性能，在其中添加铝粉、石墨和碳纳米管等形成复合相变材料。但复合相变材料仍然存在热导率低、换热性能差的缺点，不能及时有效的将电池的热量吸收。而且由于相变材料的各向同性，使得不同位置处的相变材料温度差异较大，均匀性较差。
发明内容
本发明提出一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，通过直冷和相变冷却耦合实现了新能源汽车电池的热管理，不仅保证了电池在适宜的温度区间内，而且实现了电池内部的均匀性。此装置简单可靠、而且能够适用于电池运行中的各种复杂工况条件。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特殊之处在于：
包括直冷冷却换热器，所述直冷冷却换热器包括若干个微通道平行板；每个微通道平行板的两侧分别与竖直集管连通，其中一个竖直集管的顶部或者底部设有介质进口，该介质进口与进口分配装置连通，另一个竖直集管的底部或者顶部设有介质出口；所述微通道平行板的侧面设有石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板。
进一步地，所述石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板包括液态金属骨架，所述液态金属骨架为铜腔体，铜腔体内密封液态金属，铜腔体的上表面设有多个凹陷，凹陷内设有封装石蜡腔室，封装石蜡腔室内填充有石蜡类的相变材料；封装石蜡腔室与凹陷之间设有石蜡与液态金属骨架接触面上的温差发电片，液态金属骨架内设有加热片，封装石蜡腔室内设有石蜡中温度传感器，液态金属骨架内设有液态金属骨架中温度传感器；温差发电片通过两端接触的石蜡类的相变材料和液态金属的熔点差进行发电。
进一步地，所述进口分配装置的进口连接电子膨胀阀，电子膨胀阀的开度由石蜡中温度传感器获取的石蜡类的相变材料的温度控制。
进一步地，当介质进口设置在竖直集管的底部，进口分配装置包括垂直上升管，垂直上升管的出口接接上升三通，上升三通的另外两个口分别接接左、右水平管，左、右水平管分别连接一个垂直下降管，垂直下降管接入下降三通，下降三通另外两个口分别通过管道、接头、均匀孔板后接入竖直集管的介质进口，所述接头包括一密封的筒状体，所述筒状体的侧部为入口，一个端面设有多个通孔作为出口。
进一步地，所述当介质进口设置在竖直集管的底部，进口分配装置包括垂直下降管，垂直下降管的出口接下降三通，下降三通的另外两个口分别接接左、右水平管，左、右水平管分别连接一个垂直下降管，垂直下降管接入下降三通，下降三通另外两个口分别通过管道、接头、均匀孔板后接入竖直集管的介质进口，所述接头包括一密封的筒状体，所述筒状体的侧部为入口，一个端面为出口，该端面设有多个通孔，均匀孔板设置在该端面上。
进一步地，所述接头上的通孔分布在远离筒状体侧部入口的一侧。
进一步地，所述接头上通孔直径小于均匀孔板上的孔眼直径。
进一步地，所述微通道平行板与石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板通过钎焊连接。
进一步地，所述液态金属选取熔点为29.78℃的相变材料液态金属镓。
另外，本发明还提出一种关于上述直冷和相变冷却耦合的电池热管理***中的石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
(1)将液态金属镓在高温下融化，将融化的液态金属镓放置在填充入方形的铜腔体内，液态金属镓内设置液态金属骨架中温度传感器以及加热片；
(2)将放置了液态金属镓的方形腔体放置于低温环境下，使其凝固；
(3)将凝固的整块液态金属内部挖出多个空心方形块凹陷，在液态金属的表面镀铜，防止液态金属融化后泄漏；
(4)在液态金属骨架凹陷表面放置温差发电片；
(5)在凹陷内填充石蜡类的相变材料，且在石蜡中心石蜡中温度传感器。
本发明的优点：
1、本发明通过直冷和相变冷却耦合实现了新能源汽车电池的热管理，不仅保证了电池在适宜的温度区间内，而且实现了电池内部的均匀性；此装置简单可靠、而且能够适用于电池运行中的各种复杂工况条件；
2、设计了一种新型的直冷冷却换热器，尤其是新型的进口分配装置，通过表面张力形成环状流，实现了在汽车运行的各种复杂工况条件下气液两相制冷剂的均匀分配；
3、设计了石蜡-液态金属骨架耦合的相变冷却板。通过高热导率的液态金属相变材料作为骨架，不仅使得整体的蓄热量增加，且传递热量速度加快。既有效防止了电池的温度升高，也保证了其内部的均温性；
4、通过液态金属骨架和石蜡的熔点差进行发电，实现了寒冷条件下的电池加热功能。
附图说明
图1是本发明提供的直冷和相变冷却耦合的电池热管理***结构图；
图2是直冷冷却换热器及入口分配装置的一个实施例结构图；
图3是入口分配装置的部分结构图；
图4是入口分配装置的结构图；
图5是直冷冷却换热器及入口分配装置的另一个实施例结构图；
图6是石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板的分解图；
图7是石蜡的轴测图和俯视图。
其中：1、直冷冷却换热器，2、石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板，3、电池包，101、进口分配装置，102、竖直集管，103、制冷剂微通道平行板，1011、垂直管，1012、三通，1013、左水平管，1014、右水平管，1015、左侧垂直下降管，1016、右侧垂直下降管，1017、左侧下降三通，1018、右侧下降三通，1019、通孔，10110、集管入口上部的均匀孔板，201、石蜡，202、液态金属骨架，203、石蜡与液态金属骨架接触面上的温差发电片，204、液态金属骨架内加热片，205、石蜡中温度传感器，206、液态金属骨架中温度传感器。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参见图1-图6，一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，包括直冷冷却换热器1，所述直冷冷却换热器1包括若干个微通道平行板103。每个微通道平行板103的两侧分别与竖直集管102连通，其中一个竖直集管102的顶部设有介质进口，该介质进口与进口分配装置101连通，另一个竖直集管102的底部设有介质出口，或者，其中一个竖直集管102的底部设有介质进口，该介质进口与进口分配装置101连通，另一个竖直集管102的顶部设有介质出口；所述微通道平行板103的侧面设有石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板2，石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板2贴合在电池包3的两侧。
作为本发明的一个优选实施例，参见图6、图7，所述石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板2包括液态金属骨架202，所述液态金属骨架202为铜腔体，铜腔体内密封液态金属，铜腔体的上表面设有多个凹陷，凹陷内设有封装石蜡腔室201，封装石蜡腔室201内填充有石蜡类的相变材料；封装石蜡腔室201与凹陷之间设有石蜡与液态金属骨架接触面上的温差发电片203，液态金属内设有加热片204，封装石蜡腔室201内设有石蜡中温度传感器205，液态金属骨架202内设有液态金属骨架中温度传感器206；温差发电片203通过两端接触的石蜡类的相变材料和液态金属的熔点差进行发电。
石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板2将液态金属作为封装石蜡腔体中的骨架，不仅提高了储能密度和融化凝固速率，而且有效改善了相变材料内部温度的均匀性。在石蜡和液态金属骨架的接触面上放置了温差发电片203，利用石蜡和液态金属的熔点差进行发电，为加热片提供电量，进一步为寒冷条件下的电池加热保温。
寒冷条件下，可通过温差发电片和加热片给电池加热。温差发电片203通过两端接触的石蜡和液态金属的熔点差进行发电，并将电量实时储存。
当温度传感器206检测到液态金属骨架的温度低于15℃，将温差发电片203和液态金属内加热片204的开关连通，加热片将热量传递给液态金属，进而传递给石蜡。而温差发电片和加热片的断开通过石蜡内部的温度传感器205来控制。当检测到石蜡内部的温度高于其融化温度3℃时，连接断开。
作为本发明的一个优选实施例，进口分配装置101的设置分为两种形式：
第一种，参见图2-图4，所述当介质进口设置在竖直集管102的底部，进口分配装置101包括上升的垂直管1011，上升的垂直管1011的出口接连接上升的三通1012，上升的三通1012的另外两个口分别连接左水平管1013、右水平管1014，左、右水平管分别连接一个左侧垂直下降管1015、右侧垂直下降管1016，垂直下降管分别接入左侧下降三通1017、右侧下降三通1018，下降三通另外两个口分别通过管道、接头、均匀孔板10110后接入竖直集管102的介质进口，所述接头包括一密封的筒状体，所述筒状体的侧部为入口，一个端面设有多个通孔1019作为出口，均匀孔板10110设置在该端面上。参见图2，所述接头上的通孔1019分布在远离筒状体侧部入口的一侧。
第二种，参见图5，所述当介质进口设置在竖直集管102的底部，进口分配装置101包括下降的垂直管1011，下降的垂直管1011的出口接接下降的三通1012，下降的三通1012的另外两个口分别连接左水平管1014、右水平管1015，左、右水平管分别连接一个左侧垂直下降管1015、右侧垂直下降管1016，垂直下降管分别接入左侧下降三通1017、右侧下降三通1018，下降三通另外两个口分别通过管道、接头、均匀孔板10110后接入竖直集管102的介质进口，所述接头包括一密封的筒状体，所述筒状体的侧部为入口，一个端面设有多个通孔1019作为出口，均匀孔板10110设置在该端面上。参见图2，所述接头上的通孔1019分布在远离筒状体侧部入口的一侧。
气液两相制冷剂从垂直管1011的入口进入，在表面张力的作用下形成环状流，通过三通1012均匀分配到左水平管1013、右水平管1014当中。在左水平管1013、右水平管1014中是形成分层流，经过左侧垂直下降管1015、右侧垂直下降管1016的流通整流后，重新形成环状流。然后通过左侧下降三通1017、右侧下降三通1018均匀分到四个竖直集管102中。在每个竖直集管102入口处设有接头，由于进入集管的气液两相出现了偏心流动，其中液体积聚在远离筒状体侧部入口的一侧，因此在上部设置通孔1019，实现气液两相的混合均匀。其次为了实现气液两相制冷剂沿竖直方向均匀分配，设置均匀孔板10110实现整理加速的效果。
所述接头上通孔直径小于均匀孔板10110上的孔眼直径，实现二次混合均匀且能达到给液体加速的效果，防止上部液体较少的现象。其中通孔孔径为2.5mm～3mm之间，这样可以使得气液两相进行一次混合调整。其中均匀孔板的孔径为3mm～3.5mm之间。
作为本发明的一个优选实施例，所述微通道平行板103与石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板2通过钎焊连接。
作为本发明的一个优选实施例，根据锂电池的理想工作温度15～35℃，所述液态金属选取熔点为29.78℃的相变材料液态金属镓。
作为本发明的一个优选实施例，所述进口分配装置101的进口连接电子膨胀阀，电子膨胀阀的开度由石蜡中温度传感器205获取的石蜡类的相变材料的温度控制。
石蜡内部的温度控制了直冷冷却换热器1前的电子膨胀阀的开度，从而避免电池由于温度过高***自燃的情况。当电池正常工作发热时，石蜡-液态金属骨架耦合的相变冷却板内的相变材料融化吸热，且相变材料内部的热量由直冷冷却换热器1中的低温气液两相制冷剂带走。由于液态金属相变材料先融化完成，石蜡后融化完成，因此直冷冷却换热器1前的电子膨胀阀的开度由石蜡内部的温度来控制。温度传感器205放置于石蜡的内部，检测石蜡内部的温度。当石蜡温度高于熔点1～2℃，直冷冷却换热器1前的电子膨胀阀处于正常开度状态。当电池出现异常发热，石蜡内部的温度高于熔点温度3℃以上时，直冷冷却换热器1前的电子膨胀阀开度增加，将更多制冷剂进入直冷冷却换热器中，使相变冷却板内的石蜡和液态金属快速凝固。其中电子膨胀阀的开度和相变材料温度之间的关系为：(y-y0)/y0＝k(x-(x0+2))，其中y为电子膨胀阀的实时开度，y0为电子膨胀阀的正常开度，x为石蜡的实时温度，x0为石蜡的熔点温度。k的取值为0.2～0.5。
综上，本发明提出的直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其设计了一种新型的直冷冷却换热器，改善了气液两相在进入换热器时的分配不均的情况，适用于汽车运行的各种复杂工况条件；设计了独特的石蜡-液态金属骨架耦合相变材料冷却板，提升了相变材料的储能密度及换热效率，改善了相变材料内部的均温性；通过钎焊连接的方式，将直冷冷却通道与相变材料封装板耦合，实现了电池的高效散热及保证了电池内部的均温性；
在相变冷却板内置温差发电片和加热片，其中温差发电片的两端为不同熔点的石蜡和液态金属；温差发电片通过两端的温差产生了加热片所需的电量，可在寒冷条件下为电池加热。
本发明还提出一种关于上述述的直冷和相变冷却耦合的电池热管理***中的石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将液态金属镓在高温下融化，将融化的液态金属镓放置在填充入方形的铜腔体内，液态金属镓内设置液态金属骨架中温度传感器206和加热片204；
(2)将放置了液态金属镓的方形腔体放置于温度10℃环境下，使其凝固；
(3)将凝固的整块液态金属内部挖出多个空心方形块凹陷，在液态金属的表面镀铜，防止液态金属融化后泄漏；
(4)在液态金属骨架凹陷表面放置温差发电片203；
(5)在凹陷内填充石蜡类的相变材料，其相变温度为20℃～25℃，且在石蜡中心放置石蜡中温度传感器205。
这样形成了中心石蜡和液态金属骨架耦合相变冷却板。当电池工作的温度高于30℃时，液态金属相变材料热导率(33.49W m-1K-1)远远高于石蜡(0.358Wm-1K-1)，因此液态金属快速融化吸热。处于融化状态的液态金属给处于小方块腔体中的石蜡传递热量，大大提升了其融化速率。当检测到石蜡的温度高于其熔点2～3℃时，开启制冷***循环，处于微通道平行板103中的制冷剂带走相变冷却板内的热量，使相变材料凝固。同样由于液态金属的热导率较大，液态金属骨架202首先凝固降温，然后再给处于小腔体内的石蜡提供冷量，使其快速凝固。
将相变材料液态金属作为石蜡的骨架，充分利用了液态金属热导率高、单元体积潜热大的优势，改善了石蜡相变材料融化凝固速率低、均温性差的缺点，使得相变冷却板的整体蓄热量增加、吸热速度加快、均温性增加。通过这种封装方式，大大降低了石蜡的泄漏风险。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的***领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
包括直冷冷却换热器(1)，所述直冷冷却换热器(1)包括若干个微通道平行板(103)；每个微通道平行板(103)的两侧分别与竖直集管(102)连通，其中一个竖直集管(102)的顶部或者底部设有介质进口，该介质进口与进口分配装置(101)连通，另一个竖直集管(102)的底部或者顶部设有介质出口；
所述微通道平行板(103)的侧面设有石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板(2)；
所述石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板(2)包括液态金属骨架(202)，所述液态金属骨架(202)为铜腔体，铜腔体内密封液态金属，铜腔体的上表面设有多个凹陷，凹陷内设有封装石蜡腔室(201)，封装石蜡腔室(201)内填充有石蜡类的相变材料；
封装石蜡腔室(201)与凹陷之间设有石蜡与液态金属骨架接触面上的温差发电片(203)，
液态金属内设有加热片(204)，封装石蜡腔室(201)内设有石蜡中温度传感器(205)，液态金属骨架(202)内设有液态金属骨架中温度传感器；温差发电片(203)通过两端接触的石蜡类的相变材料和液态金属的熔点差进行发电。
2.根据权利要求1所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
所述进口分配装置(101)的进口连接电子膨胀阀，电子膨胀阀的开度由石蜡中温度传感器(205)获取的石蜡类的相变材料的温度控制。
3.根据权利要求2所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
当介质进口设置在竖直集管(102)的底部，进口分配装置(101)包括垂直上升管，垂直上升管的出口接接上升三通，上升三通的另外两个口分别接接左、右水平管，左、右水平管分别连接一个垂直下降管，垂直下降管接入下降三通，下降三通另外两个口分别通过管道、接头、均匀孔板(10110)后接入竖直集管(102)的介质进口，所述接头包括一密封的筒状体，所述筒状体的侧部为入口，一个端面设有多个通孔作为出口。
4.根据权利要求2所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
所述当介质进口设置在竖直集管(102)的底部，进口分配装置(101)包括垂直下降管，垂直下降管的出口接接下降三通，下降三通的另外两个口分别接接左、右水平管，左、右水平管分别连接一个垂直下降管，垂直下降管接入下降三通，下降三通另外两个口分别通过管道、接头、均匀孔板(10110)后接入竖直集管(102)的介质进口，所述接头包括一密封的筒状体，所述筒状体的侧部为入口，一个端面为出口，该端面设有多个通孔，均匀孔板(10110)设置在该端面上。
5.根据权利要求3或4所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
所述接头上的通孔分布在远离筒状体侧部入口的一侧。
6.根据权利要求5所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
所述接头上通孔直径小于均匀孔板(10110)上的孔眼直径。
7.根据权利要求1所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
所述微通道平行板(103)与石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板(2)通过钎焊连接。
8.根据权利要求1所述的一种直冷和相变冷却耦合的电池热管理***，其特征在于：
所述液态金属选取液态金属镓。
9.一种关于权利要求1-8任一所述的直冷和相变冷却耦合的电池热管理***中的石蜡-液态金属骨架耦合相变冷却板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将液态金属镓在高温下融化，将融化的液态金属镓放置在填充入方形的铜腔体内，液态金属镓内设置液态金属骨架中温度传感器以及加热片(204)；
2)将放置了液态金属镓的方形腔体放置于低温环境下，使其凝固；
3)将凝固的整块液态金属内部挖出多个空心方形块凹陷，在液态金属的表面镀铜，防止液态金属融化后泄漏；
4)在液态金属骨架凹陷表面放置温差发电片(203)；
5)在凹陷内填充石蜡类的相变材料，且在石蜡中心放置石蜡中温度传感器(205)。
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