一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，涉及一種車用電池熱管理系統(tǒng)。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有動力電池組存在的疊壓發(fā)熱、電解液干枯失效直至膨脹起火爆炸的問題。本發(fā)明的基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)包括多個熱管和多個循環(huán)管，單體電池采用真空密封，熱管的蒸發(fā)段布置在動力電池箱內，熱管的冷凝段穿出箱體頂蓋置于動力電池箱外部，熱管內設有相變材料，在動力電池箱的剩余空間內充滿變壓器油，殼體的左右側壁上均安裝有多個循環(huán)管，循環(huán)管的一端與殼體的上部連通，循環(huán)管的另一端與殼體的下部連通，形成變壓器油的自然循環(huán)。本發(fā)明用于動力電池熱管理。
【專利說明】一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車用電池熱管理系統(tǒng)，具體涉及一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，屬于車用動力電池熱管理控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]當今時代，能源問題以及由其造成的環(huán)境問題是世界眾多亟待解決的問題之一。利用新技術，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為必然趨勢，在各個國家也得到了廣泛的重視。目前，電動汽車作為眾多新能源汽車的代表，由于其近于零排放的環(huán)境可靠性以及直接電機驅動的運行穩(wěn)定性等優(yōu)點，得到了世界各國的重視。
[0003]電池作為電動汽車的動力核心，必須保證其處于最佳工作溫度范圍內。如常用的鋰電子電池組，常規(guī)工作溫度范圍是-20?601，而其最佳的工作溫度范圍為25?351。若可以保證在整個工作過程中電池組處于這一最佳溫度范圍內，不僅可以保證電池組的工作狀態(tài)穩(wěn)定，還可以達到延長電池組使用壽命的目的。而當前電動車采用的內部疊壓式鋰動力電池組，單體容量很大，中間的熱量長期集中而造成散熱困難，長期運行的結果是內部電解液干枯短路膨脹、產(chǎn)生電弧、引發(fā)火花，對電動汽車的安全運行造成較大威脅。加之內部工作條件惡劣和外部環(huán)境溫度過高，使電池組脫離最佳工作溫度范圍，從而縮短電池使用壽命、影響電池容量、甚至造車起火爆炸。若采用分組安裝，則會產(chǎn)生更多的問題，如一組單體電池串聯(lián)安裝于車身內，用框架固定，電池和接線均暴漏在車體外部。一旦發(fā)生碰撞，鋼制結構的車身作為3207電壓的帶電體與電池聯(lián)通，嚴重威脅人身安全。
[0004]因此，對動力電池進行合理全面的熱管理控制、對電池組結構和內部導熱機制進行優(yōu)化，使其工作在合理的溫度范圍內，是本領域技術人員需要解決的問題。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有動力電池組存在的疊壓發(fā)熱、電解液干枯失效直至膨脹起火爆炸的問題，進而提供一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)。目的在于:結合變壓器油受熱易膨脹形成的自然對流循環(huán)、消弧作用及凝固點低的優(yōu)點，提出一種能夠保障電池組在極端工況運行過程中不過熱、具有自動滅弧功能、較好的適應低溫環(huán)境啟動的油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池熱管理系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明為了解決上述技術問題所采取的技術方案是:
[0007]本發(fā)明所述一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)包括多個單體電池、多個電池卡槽、箱體頂蓋和殼體，所述殼體的底面上設置有多個電池卡槽，每個單體電池均通過一個電池卡槽固定在殼體內，多個單體電池串并聯(lián)后構成動力電池組，所述箱體頂蓋蓋裝在殼體上構成動力電池箱；所述基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)還包括多個熱管和多個循環(huán)管，單體電池采用真空密封，熱管的蒸發(fā)段布置在動力電池箱內，熱管的冷凝段穿出箱體頂蓋置于動力電池箱外部，熱管內設有相變材料，在動力電池箱的剩余空間內充滿變壓器油，殼體的左右側壁上均安裝有多個循環(huán)管，循環(huán)管的一端與殼體的上部連通，循環(huán)管的另一端與殼體的下部連通，形成變壓器油的自然循環(huán)。
[0008]優(yōu)選的:所述單體電池采用軟質材料進行真空密封，軟質材料一般選用鋁塑復合膜。這樣可以提高電池組的熱封合性和阻水阻氧性能。
[0009]優(yōu)選的:所述循環(huán)管為半圓環(huán)型結構，循環(huán)管的外側包裹有第一翅片。如此設置，增大對流換熱面積，提高散熱效率。
[0010]優(yōu)選的:所述熱管的蒸發(fā)段均勻地布置在動力電池箱內，熱管的冷凝段豎直穿出箱體頂蓋置于動力電池箱外部。由于保證熱管的蒸發(fā)段與動力電池的側面始終接觸且不發(fā)生位移較為困難，且整個箱體內的熱量絕大部分集中在箱體中下部的變壓器油中，所以將熱管均勻的分布在整個箱體內，這樣可以保證散熱效率且不會發(fā)生熱力集中，保證電池的溫度均勻。
[0011]優(yōu)選的:所述變壓器油的凝固點為-251。變壓器油是石油的一種分餾產(chǎn)物，它的主要成分是烷烴，環(huán)烷族飽和烴，芳香族不飽和烴等化合物。凝固點一般在-251左右，比熱較大，具有良好的散熱作用和絕緣作用，并且具有很強的滅弧作用，可有效防止電池組漏電觸發(fā)電弧火花引發(fā)爆炸。
[0012]優(yōu)選的:所述熱管內的相變材料為固-汽相變材料，相變溫度為201?351?？蛇x用單一的相變材料，如石蠟或硝酸鋰三水化合物，也可選用其他復合相變材料，如泡沫銅/石蠟復合相變材料或石墨丨石蠟復合相變材料。
[0013]優(yōu)選的:所述熱管的冷凝段為兩個單管，熱管的蒸發(fā)段為鋁塊，單管的底部內嵌在鋁塊中。另外熱管的單管上端可進行彎曲以配合動力電池在汽車中的安放位置。
[0014]優(yōu)選的:所述熱管的蒸發(fā)段和冷凝段均設有第二翅片，第二翅片為鋁質方翅。如此設置，以增大對流換熱面積，提高散熱效率。
[0015]優(yōu)選的:所述箱體頂蓋與熱管配合處設有密封圈，箱體頂蓋和殼體配合處設有密封條。如此設置，防止變壓器油泄漏。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下效果:
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，有三大優(yōu)勢。第一，電池外殼由軟質材料制成并將其真空密封，殼體上部的上蓋使殼體內部構成密閉空間；殼體內的剩余空間采用變壓器油填充，不僅可以受熱膨脹上升形成自然液力循環(huán)，迅速帶走熱量，保障電動車運行時電池不發(fā)熱。第二，相較于水浴冷卻易腐蝕、易漏電等缺點，采用變壓器油冷卻可起到顯著的滅弧和絕緣作用，很好地預防了電池短路引發(fā)電弧、火花而發(fā)生爆炸。第三，通過油浴自然循環(huán)散熱和熱管散熱的結合，使該熱管理系統(tǒng)能夠同時適應常規(guī)和惡劣的運行工況，從而保證動力電池工作在較為合理的溫度范圍內，保證電車的穩(wěn)定運行和電池組的使用壽命。具體說，常規(guī)工況僅依靠熱管相變材料的散熱作用，即可滿足電池組的散熱要求，使之工作于最佳溫度范圍內；惡劣工況下，變壓器油自然循環(huán)回路加入工作循環(huán)，加大散熱強度，使電池組的運行溫度依然維持在最佳范圍內?？偠灾驮∽匀谎h(huán)散熱和熱管相變散熱的結合，大大提高了熱管理系統(tǒng)的靈活性，動力電池在常規(guī)運行工況下發(fā)熱量小自然循環(huán)弱，僅依靠熱管的相變散熱即可滿足要求，節(jié)約能源；變壓器油自然循環(huán)回路的引入彌補了相變材料和熱管在惡劣運行工況下無法保證動力電池安全穩(wěn)定運行的缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)主視剖面圖；
[0019]圖2是熱管的主視圖結構示意圖；
[0020]圖3是基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)俯視剖面圖；
[0021]圖4:熱管理系統(tǒng)的工作邏輯示意圖；
[0022]圖中:1-單體電池；2-電池卡槽；3-第一翅片；4-熱管；5-變壓器油；6-蒸發(fā)段；
7-箱體頂蓋；8-循環(huán)管；9-殼體；10-冷凝段；11-第二翅片。
【具體實施方式】
[0023]下面根據(jù)附圖詳細闡述本發(fā)明優(yōu)選的實施方式。
[0024]【具體實施方式】:本實施方式的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)包括多個單體電池1、多個電池卡槽2、箱體頂蓋7和殼體9，所述殼體9的底面上設置有多個電池卡槽2，每個單體電池1均通過一個電池卡槽2固定在殼體9內，電池卡槽2將單體電池1定位，保證單體電池1的位置不會發(fā)生移動，多個單體電池串并聯(lián)后構成動力電池組，所述箱體頂蓋7蓋裝在殼體9上構成動力電池箱；所述基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)還包括多個熱管4和多個循環(huán)管8，單體電池1采用真空密封，熱管4的蒸發(fā)段6布置在動力電池箱內，熱管4的冷凝段穿出箱體頂蓋7置于動力電池箱外部，熱管4內設有相變工質，在動力電池箱的剩余空間內充滿變壓器油5，殼體9的左右側壁上均安裝有多個循環(huán)管8，循環(huán)管8的一端與殼體9的上部連通，循環(huán)管8的另一端與殼體9的下部連通，形成變壓器油的自然循環(huán)。
[0025]由于保證熱管4的蒸發(fā)段6與動力電池的側面始終接觸且不發(fā)生位移較為困難，且整個箱體內的熱量絕大部分集中在箱體中下部的變壓器油5中，所以將熱管4均勻的分布在整個箱體內，這樣可以保證散熱效率且不會發(fā)生熱力集中，保證電池的溫度均已；熱管4的蒸發(fā)段6和冷凝段10均設置有第二翅片11以增大對流換熱面積，提高散熱效率；殼體9的側面設置有若干組循環(huán)管8，形成變壓器油的自然循環(huán)，其外側包裹有第一翅片3，增大對流換熱面積，提高散熱效率；在殼體9其他空間填充變壓器油5。
[0026]結合圖4，整個動力電池熱管理控制系統(tǒng)的工作過程如下:
[0027]在常規(guī)運行工況下，動力電池組發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量傳遞給充滿于動力電池箱內的變壓器油5，變壓器油將部分熱量傳遞給熱管4的蒸發(fā)段，促使熱管內的相變材料發(fā)生相變，相變材料吸熱后轉化為氣體上升至熱管的冷凝段，在第二翅片11的輔助下與外界空氣發(fā)生對流換熱，這樣依靠變壓器油較強的儲熱功能和熱管的散熱功能，動力電池組的溫度可以維持在最佳范圍內，此時變壓器油自然循環(huán)回路幾乎不工作。
[0028]當由于各種原因如陡坡或者道路不平引起運行工況變得較為惡劣時，僅僅依靠變壓器油5的儲熱功能和熱管4的散熱已不能將動力電池組的工作溫度維持在最佳范圍內時，此時電池組發(fā)熱量急劇增大，動力電池箱中下部的變壓器油被加熱到較高溫度，而動力電池箱上部油溫度偏低，動力電池箱中下部較熱的變壓器油會發(fā)生膨脹并開始向上運動，經(jīng)由循環(huán)管8，形成自然循環(huán)，在第一翅片3的輔助下與外界冷空氣發(fā)生強烈對流換熱，溫度下降的變壓器油回到動力電池箱中下部重新吸收動力電池組放出的熱量，重新開始循環(huán)。這樣在變壓器油自然循環(huán)和熱管相變材料同時運行散熱的情況下，動力電池組的工作溫度即可維持在最佳溫度范圍內。
[0029]所述單體電池1采用軟質材料進行真空密封，軟質材料一般采用具有較高柔韌性和機械強度的鋁塑復合膜。
[0030]所述循環(huán)管8為半圓環(huán)型結構，循環(huán)管8的外側包裹有第一翅片3。
[0031〕 所述熱管4的蒸發(fā)段6均勻地布置在動力電池箱內，熱管4的冷凝段10豎直穿出箱體頂蓋7置于動力電池箱外部。
[0032]所述變壓器油5的凝固點為-251。變壓器油5是石油的一種分餾產(chǎn)物，它的主要成分是烷烴，環(huán)烷族飽和烴，芳香族不飽和烴等化合物。凝固點一般在-251左右，比熱較大，具有良好的散熱作用和絕緣作用，并且具有很強的滅弧作用，可有效防止電池組漏電觸發(fā)電弧火花引發(fā)爆炸。
[0033]所述熱管4內的相變材料為固-汽相變材料，相變溫度為201?351?？蛇x用單一的相變材料，如石蠟或硝酸鋰三水化合物，也可選用其他復合相變材料，如泡沫銅丨石蠟復合相變材料或石墨/石蠟復合相變材料。
[0034]所述熱管4的冷凝段10為兩個單管，熱管4的蒸發(fā)段6為鋁塊，單管的底部內嵌在鋁塊中。另外熱管4的單管上端可進行彎曲以配合動力電池在汽車中的安放位置。
[0035]所述熱管4的蒸發(fā)段6和冷凝段10均設有第二翅片11，第二翅片11為鋁質方翅。如此設置，以增大對流換熱面積，提高散熱效率。
[0036]所述箱體頂蓋7與熱管4配合處設有密封圈，箱體頂蓋7和殼體9配合處設有密封條。如此設置，防止變壓器油泄漏。
[0037]本發(fā)明適用于絕大部分工況，即常規(guī)工況和惡劣工況。循環(huán)管結構的加入是實現(xiàn)這一功能的關鍵。發(fā)熱量大自然循環(huán)強，發(fā)熱量小自然循環(huán)弱，均可保證動力電池組的工作溫度維持在最佳范圍內，并且這一過程的實現(xiàn)不需要人為調節(jié)，真正實現(xiàn)了自動溫控的目的。
[0038]本發(fā)明應用對象為動力電池，本領域一切使用動力電池并裝有制冷系統(tǒng)的汽車，包括電動汽車、混合動力汽車等均適用于本熱管理控制系統(tǒng)。
[0039]本實施方式只是對本專利的示例性說明，并不限定它的保護范圍，本領域技術人員還可以對其局部進行改變，只要沒有超出本專利的精神實質，都在本專利的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，包括多個單體電池(I)、多個電池卡槽(2)、箱體頂蓋(7)和殼體(9)，所述殼體(9)的底面上設置有多個電池卡槽(2),每個單體電池(1)均通過一個電池卡槽(2)固定在殼體(9)內，多個單體電池串并聯(lián)后構成動力電池組，所述箱體頂蓋(7)蓋裝在殼體(9)上構成動力電池箱；其特征在于:所述基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)還包括多個熱管(4)和多個循環(huán)管(8)，單體電池(1)采用真空密封，熱管(4)的蒸發(fā)段(6)布置在動力電池箱內，熱管(4)的冷凝段(10)穿出箱體頂蓋(7)置于動力電池箱外部，熱管(4)內設有相變材料，在動力電池箱的剩余空間內充滿變壓器油(5)，殼體(9)的左右側壁上均安裝有多個循環(huán)管(8)，循環(huán)管(8)的一端與殼體(9)的上部連通，循環(huán)管(8)的另一端與殼體(9)的下部連通，形成變壓器油的自然循環(huán)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述單體電池(1)采用軟質材料進行真空密封，軟質材料為鋁塑復合膜。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述循環(huán)管(8)為半圓環(huán)型結構，循環(huán)管(8)的外側包裹有第一翅片(3)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述熱管(4)的蒸發(fā)段(6)均勻地布置在動力電池箱內，熱管(4)的冷凝段(10)豎直穿出箱體頂蓋(7)置于動力電池箱外部。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述變壓器油(5)的凝固點為-25°C。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述熱管(4)內的相變材料為固-汽相變材料，相變溫度為20°C?35°C。
7.根據(jù)權利要求4或6所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述熱管(4)的冷凝段(10)為兩個單管，熱管(4)的蒸發(fā)段￠)為鋁塊，單管的底部內嵌在鋁塊中。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述熱管(4)的蒸發(fā)段(6)和冷凝段(10)均設有第二翅片(11)，第二翅片(II)為招質方翅。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種基于油浴自然循環(huán)與熱管相耦合的電池組熱管理系統(tǒng)，其特征在于:所述箱體頂蓋(7)與熱管(4)配合處設有密封圈，箱體頂蓋(7)和殼體(9)配合處設有密封條。
【文檔編號】H01M10/625GK104362409SQ201410475789
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權日:2014年9月17日
【發(fā)明者】王富強, 馬蘭新, 王成安, 閆振宇, 王程超, 譚建宇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學（威海）