CN207265193U - 一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，涉及电池热管理技术领域，包括锂电池单元、热管工质循环管路、中央控制器和自循环热管电磁阀，还包括热转换单元和动力单元。本实用新型的有益效果是，提高了锂电池使用的安全性和散热效果，解决了锂电池在低温运行中性能低的问题，进而延长了锂电池的使用寿命。

Description

一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***

技术领域

本实用新型涉及电池热管理技术领域，特别是一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***。

背景技术

锂电池在工作中会产生发热现象，正常工作状态下，其表面温度可达50-60℃；特别在大电流放电和充电时，发热现象特别严重，甚至发生热失控现象。发热将导致锂电池性能下降、寿命减少，更严重的将导致锂电池损坏甚至***。现有降温方法大多为通风排热，存在传热效率低下、容易积存灰尘的缺陷；不多见的单体式热管组成的电池换热器，因布置紧密，不易检修，难以发现失效的单个热管。同时，在寒冷地区或冬季启动电机，需大功率电力输入时，因锂电池温度过低，放电能力下降而无法满足瞬时大功率需求；低温状态下大电流充电时，由于负极石墨的嵌入能力下降，可能出现锂电池热失控甚至导致安全事故。对锂电池的预热问题少有研究。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决锂电池使用安全、散热效果强和节能，设计了一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***。达到保持锂电池单元内洁净，启动电机或充电前快速预热锂电池至适宜温度，正常工作状态下温度适宜且温度场均匀、提高电池使用寿命。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，包括锂电池单元、热管工质循环管路、中央控制器和自循环热管电磁阀，还包括热转换单元和动力单元，所述锂电池单元、热转换单元和自循环热管电磁阀/动力单元通过热管工质循环管路形成回路；所述锂电池单元包括锂电池箱体温度传感器、内部微通道热管换热器和锂电池模块，内部微通道热管换热器与锂电池模块之间填充导热硅脂；所述热转换单元包括内换热通道和外换热通道，所述内换热通道包括依次相连的相变蓄热器热管电磁阀I、相变蓄热器和相变蓄热器热管电磁阀II，且相变蓄热器内设有相变蓄热器温度传感器和相变蓄热器内部换热器，所述外换热通道包括依次相连的外部换热器热管电磁阀I、外部换热器和外部换热器热管电磁阀II；所述动力单元包括四通换向阀和溶液泵，所述动力单元包括四通换向阀和溶液泵，四通换向阀的两通路与溶液泵连接，另外两通路分别与锂电池单元和热转换单元连接；所述中央控制器分别与锂电池箱体温度传感器、外部换热器热管电磁阀I、外部换热器热管电磁阀II、相变蓄热器热管电磁阀I、相变蓄热器热管电磁阀II、相变蓄热器温度传感器I、自循环热管电磁阀、四通换向阀、溶液泵以及设置在空气中的外部温度传感器通过控制及功率输出线连接。

优选的，所述外换热通道还包括外部换热器风机，外部换热器风机设置在外部换热器的外侧，且外部换热器风机与中央控制器通过控制及功率输出线连接。

优选的，所述锂电池单元的顶部设置排气防尘阀。

优选的，所述内部微通道热管换热器、相变蓄热器内部换热器和外部换热器的制作材料是铝合金。

利用本实用新型的技术方案制作的一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，其有益效果是，提高了锂电池使用的安全性和散热效果，解决了锂电池在低温运行中性能低的问题，进而延长了锂电池的使用寿命，具体表现为：

1、以气液两相流态进行传质传热的两相流热管，能量传输密度大，所需驱动力、换热面积、换热器体积和连接管路直径大幅减小；

2、分离式热管相互独立的冷凝器和蒸发器，实现远距离传热和传热方向可变，允许热管***各部件分散布置，空间利用灵活，传热换向即可预热锂电池；

3、以消耗少量电能为代价，溶液泵动力驱动的动力式热管能够克服长距离输送热管工质产生的沿程阻力，避免小温差下驱动力不足的问题，避免类似重力式单体热管存在的冷凝段只能在蒸发段高处的安装局限性问题；

4、多个传统单体热管组合而成的换热器检修、改换单体热管非常困难，而两相流动力型分离式热管***具有类似直膨式制冷***的冷凝器、蒸发器和连接管路等成熟部件，维修方便。

附图说明

图1为利用两相流动力型分离式热管的锂电池散热流程图；

图2为锂电池单元内部剖面结构图；

图3为利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热流程图。

以上各图中，1、锂电池单元；2、热管工质循环管路；31、相变蓄热器热管电磁阀I；32、相变蓄热器热管电磁阀II；41、外部换热器热管电磁阀I；42、外部换热器热管电磁阀II；5、相变蓄热器；6、外部换热器风机；7、外部换热器；8、相变蓄热器温度传感器；9、相变蓄热器内部换热器；10、锂电池箱体温度传感器；11、自循环热管电磁阀；12、四通换向阀；13、溶液泵；14、控制及功率输出线；15、中央控制器；16、内部微通道热管换热器；17、排气防尘阀；18、锂电池模块；19、锂电池充放电电缆；20、锂电池箱体上盖；21、锂电池箱体外壳；22、热管工质循环管路接口；23、导热硅脂；24、外部温度传感器。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

本申请涉及一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，分为锂电池散热模式和锂电池预热模式。本***采用具有相互独立的冷凝器和蒸发器的分离式热管，实现远距离传热且传热方向可变，热管***各部件分散布置，空间利用灵活，传热换向即可预热锂电池；采用溶液泵动力驱动的动力式热管能够克服长距离输送热管工质产生的沿程阻力，避免小温差下驱动力不足的问题；对换热器管路和工质充注量的优化设计计算，实现工质两相流态传热，能量传输密度大的目的。

实施例1

如图1，图2(以板状锂电池模块为例)所示，锂电池散热模式包括锂电池单元1、热管工质循环管路2、热转换单元、动力单元、自循环热管电磁阀11、控制及功率输出线14和中央控制器15，其中，锂电池单元1、热转换单元和自循环热管电磁阀11通过热管工质循环管路2形成自循环换热回路；锂电池单元1、热转换单元和动力单元通过热管工质循环管路2形成带动力循环换热回路。

锂电池单元1进行密封防潮防尘设计，包括锂电池箱体温度传感器10、内部微通道热管换热器16、排气防尘阀17、锂电池模块18、锂电池充放电电缆19、锂电池箱体上盖20、锂电池箱体外壳21、热管工质循环管路接口22和导热硅脂23，其中，锂电池模块18产生气体，通过锂电池单元1上的开口排出，在开口上设置排气防尘阀17，可起到防尘的作用；内部微通道热管换热器16与锂电池模块18之间采用导热硅脂23填充，导热硅脂23具有电绝缘和导热性能优良的特点，高温时呈现非牛顿流体特征，因此能够消除固体壁面间的缝隙，减少震动和导热热阻，杜绝漏电事故，提高箱内温度场的均匀性。另外，锂电池单元内部微通道热管换热器16、相变蓄热器内部换热器及外部换热器7采用并联多路等优化设计来减小流动阻力、形成两相流态的工质，采用铝合金等轻薄、导热良好的材料制备。

热转换单元包括内换热通道和外换热通道，其中，内换热通道包括依次相连的相变蓄热器热管电磁阀I 31、相变蓄热器5和相变蓄热器热管电磁阀II 32，且相变蓄热器5内设有相变蓄热器温度传感器8；外换热通道包括依次相连的外部换热器热管电磁阀I 41、外部换热器7和外部换热器热管电磁阀II 42，由于该***采用的是单输送通道双向通路，故两端均设置电磁阀，便于控制。另外，外换热通道还包括设置在外部换热器7的外侧的外部换热器风机6，用于提高散热效率。

动力单元包括四通换向阀12和溶液泵13，四通换向阀12的两通路与溶液泵13连接，另外两通路分别与锂电池单元和热转换单元连接，溶液泵13给流经四通换向阀12的工质提供动力，增强传输效果，故动力单元起到提供工质循环动力和延长传热距离的作用，以消耗少量电能为代价，溶液泵动力驱动的动力式热管能够克服长距离输送热管工质产生的沿程阻力，避免小温差下驱动力不足的问题，避免类似重力式单体热管存在的冷凝段只能在蒸发段高处的安装局限性问题。

中央控制器15分别与锂电池箱体温度传感器10、外部换热器热管电磁阀I 41、外部换热器热管电磁阀II 42、相变蓄热器热管电磁阀I 31、相变蓄热器热管电磁阀II 32、外部换热器风机6、相变蓄热器温度传感器8、自循环热管电磁阀11、四通换向阀12、溶液泵13以及设置在空气中的外部温度传感器24通过控制及功率输出线14连接；中央控制器15的作用是通过收集、处理各个传感器的信号，控制各个电磁阀、溶液泵等零件，在不同场合下对锂电池箱体内进行优化节能的热管理。

本实施例中，依据优化的程序指令，中央控制器15收集和处理锂电池箱体温度传感器10和外部温度传感器24所检测到的温度，当箱体内外温差较大时，可通过控制及功率输出线14关闭外部换热器风机6，甚至关闭溶液泵13且开启自循环热管电磁阀11来启动热管自循环模式，提高节能效果；在相变蓄热器温度传感器8检测到相变蓄热器5温度到达设定值上限时，关闭相变蓄热器热管电磁阀3，热量全部由外部换热器7散至外部环境。具体运行过程如下：

锂电池放电工作中，热管工质在锂电池单元1的内部微通道热管换热器16内吸热蒸发以两相流形态经工质循环管路2，进入热转换单元放热冷凝，即内换热通道和外换热通道放热冷凝，然后进入动力单元的溶液泵13提高压力，四通换向阀12(图1中实线为工质流动方向)确定流动方向，回到锂电池单元1的内部微通道热管换热器16再次吸热蒸发，如此循环，将锂电池单元1的内部热量输送到相变蓄热器5，并及时向外部环境排放多余热量。值得说明的是，储存在相变蓄热器5内的热量可以传递到其它位置另作他用，如制暖使用。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例是锂电池预热模式，如图3所示，其包括锂电池单元1、热管工质循环管路2、热转换单元中的内换热通道、动力单元、控制及功率输出线14和中央控制器15，即该模式不包括热转换单元中的外换热通道，且自循环热管电磁阀11关闭。动力单元切换到预热模式，改变工质在锂电池单元1和热转换单元之间的流动方向。

本实施例中，依据优化的程序指令，中央控制器15在锂电池箱体温度传感器10所检测到的锂电池单元1内部温度达到预热设定值时，通过控制及功率输出线14关闭热管***，并允许启用锂电池组；在锂电池箱体温度传感器10所检测到的锂电池单元1内部温度达到设定值上限时，开启热管散热模式。具体运行过程如下：

在锂电池组低温启用前或低温充电前，中央控制器15启动热管***预热模式，两相流形态的热管工质在锂电池单元1的内部微通道热管换热器16内放热冷凝经工质循环管路2，进入动力单元的溶液泵13提高压力，四通换向阀12(图3中虚线为工质流动方向)确定流动方向，然后进入热转换单元中的内换热通道吸热蒸发，回到锂电池单元1的内部微通道热管换热器16再次放热冷凝，如此循环，将相变蓄热器5的热量输送到锂电池单元1，达到预热锂电池的目的。

根据实施例1和实施例2所描述的方案，中央控制器依据内预设程序和相变蓄热器温度传感器、锂电池箱体温度传感器及外部温度传感器的参数，在不同场合下，通过对***中不同元器件输出不同开关量指令，对锂电池单元内进行优化节能的热管理，具体操作方法如下：

1、锂电池组正常工作时，关闭相变蓄热器热管电磁阀，热管***通过溶液泵及电池箱内外温差驱动工质进行两相流运动，将热量经外部换热器及风机排放到外部环境，维持箱内温度在合适区间；

2、锂电池组正常工作时，关闭相变蓄热器热管电磁阀，若外部环境温度较低，则停止风机运行，较为节能的维持箱内温度在合适区间；

3、锂电池组正常工作时，关闭相变蓄热器热管电磁阀，若外部环境温度很低，电池箱内外温差很大，则停止溶液泵和风机运行，开启自循环热管电磁阀，进入热管自循环模式，最大节能的维持箱内温度在合适区间；

4、锂电池组正常工作时，若相变蓄热器温度低于设定值下限，通过开启相变蓄热器热管电磁阀并关闭外部换热器热管电磁阀，优先对相变蓄热器供热，实现废热存储再利用；若相变蓄热器温度达到设定值上限，两组电磁阀状态互换，进行对外环境排热；

5、锂电池组温度较低时，在启动电机或充电前，四通换向阀切换为预热模式，开启相变蓄热器热管电磁阀并关闭外部换热器热管电磁阀和自循环热管电磁阀，热管***通过溶液泵及电池箱内与相变蓄热器间温差驱动工质进行两相流运动，将相变蓄热器存储的热量排放到电池箱内，迅速加热电池组至合适温度区间，利用废热实现微能耗预热。

在本申请所采用的零部件中，相比气体与固体壁面的对流换热热阻，气液两相流与固体壁面的对流换热热阻更小，传热效率高，也避免了气体传输易积存灰尘的弊端；两相流热管，能量传输密度大，所需驱动力、换热面积、换热器体积和连接管路直径大幅减小；另外，多个传统单体热管组合而成的换热器检修、改换单体热管非常困难，而两相流动力型分离式热管***具有类似直膨式制冷***的冷凝器、蒸发器和连接管路等成熟部件，维修方便。

以上参考了优选实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型的保护范围并不限制于此，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，包括锂电池单元(1)、热管工质循环管路(2)、中央控制器(15)和自循环热管电磁阀(11)，其特征在于，还包括热转换单元和动力单元，所述锂电池单元(1)、热转换单元和自循环热管电磁阀(11)/动力单元通过热管工质循环管路(2)形成回路；

所述锂电池单元(1)包括锂电池箱体温度传感器(10)、内部微通道热管换热器(16)和锂电池模块(18)，内部微通道热管换热器(16)与锂电池模块(18)之间填充导热硅脂(23)；

所述热转换单元包括内换热通道和外换热通道，所述内换热通道包括依次相连的相变蓄热器热管电磁阀I(31)、相变蓄热器(5)和相变蓄热器热管电磁阀II(32)，且相变蓄热器(5)内设有相变蓄热器温度传感器(8)和相变蓄热器内部换热器(9)，所述外换热通道包括依次相连的外部换热器热管电磁阀I(41)、外部换热器(7)和外部换热器热管电磁阀II(42)；

所述动力单元包括四通换向阀(12)和溶液泵(13)，四通换向阀(12)的两通路与溶液泵(13)连接，另外两通路分别与锂电池单元(1)和热转换单元连接；

所述中央控制器(15)分别与锂电池箱体温度传感器(10)、外部换热器热管电磁阀I(41)、外部换热器热管电磁阀II(42)、相变蓄热器热管电磁阀I(31)、相变蓄热器热管电磁阀II(32)、相变蓄热器温度传感器(8)、自循环热管电磁阀(11)、四通换向阀(12)、溶液泵(13)以及设置在空气中的外部温度传感器(24)通过控制及功率输出线(14)连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，其特征在于，所述外换热通道还包括外部换热器风机(6)，外部换热器风机(6)设置在外部换热器(7)的外侧，且外部换热器风机(6)与中央控制器(15)通过控制及功率输出线(14)连接。

3.根据权利要求1所述的一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，其特征在于，所述锂电池单元(1)的顶部设置排气防尘阀(17)。

4.根据权利要求1所述的一种利用两相流动力型分离式热管的锂电池预热及散热***，其特征在于，所述内部微通道热管换热器(16)、相变蓄热器内部换热器(9)和外部换热器(7)的制作材料是铝合金。