本發(fā)明屬于鋰離子動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)熱管理領(lǐng)域,更具體地,涉及一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng)。
背景技術(shù):
隨著國家對新能源電動車的大力支持和推廣,出現(xiàn)越來越多以鋰離子動力電池為能源的純電動車和混合電動車,但是電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的不成熟導(dǎo)致了很多鋰離子電池?zé)崾Э厥鹿?。這些事故給行業(yè)帶來很多困擾,但是在大氣污染日漸嚴重的背景下,電動汽車取代燃油汽車是大勢所趨。如何更好的采取措施保障電動汽車和生命財產(chǎn)的安全,將電池?zé)崾Э乜刂圃诰植繀^(qū)域,阻斷大面積熱失控發(fā)生的可能性,并留給乘客足夠的逃生時間顯得勢在必行。
目前,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是電池管理系統(tǒng)中公認的難點問題之一,不僅涉及到使用過程的安全性,還涉及使用過程的一致性等問題。國內(nèi)外大多數(shù)廠家都是采用空氣作為介質(zhì)進行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計,由于空氣比熱容小,與電池對流換熱系數(shù)小,散熱、加熱速度很慢,存在溫度不一致等問題,且耗散大量的電池儲能。隨后,有專利提出了采用液體介質(zhì)的電池組熱管理裝置,通過液體的循環(huán),從而對電池組進行加熱或散熱,使電池工作在最佳的溫度范圍內(nèi),實現(xiàn)對單體電池的熱管理。
專利文獻CN103038919A公開了一種電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng),其包括臨接電池模塊第一側(cè)面設(shè)置的第一熱板以及鄰接與電池模塊第一側(cè)面相對的電池模塊第二側(cè)面設(shè)置的第二熱板。第一熱板包括從第一熱板表面伸出的從電池模塊第一側(cè)面延伸至電池模塊第二側(cè)面的一系列散熱片。第二熱板包括從第二熱板表面伸出的從電池模塊第二側(cè)面延伸至電池模塊第一側(cè)面的一系列散熱片。但是專利文獻CN103038919A公開的電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)存在如下問題:
(1)其通過設(shè)在第一熱板、第二熱板中的一系列散熱片對電池系統(tǒng)進行散熱,由于散熱板均設(shè)置在電池單體之間,僅能通過熱傳遞的方式對電池系統(tǒng)進行散熱,因此其散熱效率比較低;
(2)該發(fā)明的系統(tǒng),由于所有的散熱片均設(shè)置在電池單體之間,其對電池單體的散熱效果是均勻的,不能針對某一熱失控的電池單體進行局部降溫,不能抑制電池系統(tǒng)熱失控的進一步蔓延,安全性不高。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求,本發(fā)明提供一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng),其目的在于通過熱管冷卻和熱隔離層結(jié)合的方式綜合考慮了電池?zé)峁芾硪约半姵責(zé)峁芾硎Э睾蟮膽?yīng)急措施,比普通的單純熱管理系統(tǒng)更具安全性。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng),包括電池單體,其特征在于,各電池單體設(shè)置在絕熱層下方,絕熱層上方為冷卻層;
每兩個電池單體組成一個電池對單元,每個電池對單元的兩個電池單體之間均勻設(shè)有熱管,熱管一端穿過絕熱層延伸至冷卻層,另一端延伸至所述電池單體的底部,用于傳導(dǎo)電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量;
每個電池對單元的兩側(cè)設(shè)有熱隔離層,用于對熱失控的電池單體進行熱隔離。
進一步地,所述的熱管設(shè)置在每個電池對單元的兩個電池單體之間的部分為蒸發(fā)段,熱管設(shè)置在絕熱層的部分為絕熱段,熱管設(shè)置在冷卻層的部分為冷凝段,所述冷凝段的橫截面大于蒸發(fā)段,從蒸發(fā)段的一端到冷凝段的一端橫截面逐漸增大。
優(yōu)選地,所述熱管為一個或兩個或多個。
進一步地,所述電池對單元的兩個電池單體相對的側(cè)面均通過銅片與熱管接觸,用于將所述電池單體的熱量傳遞給所述熱管。
進一步地,所述電池對單元中的電池單體靠近熱隔離層的一側(cè)設(shè)置有溫度傳感器,用于監(jiān)測所述電池對單元的溫度。
進一步地,所述電池對單元的一端設(shè)置有電控噴嘴,用于噴灑消防液體。
優(yōu)選地,所述電控噴嘴為一個或兩個或多個。
進一步地,該系統(tǒng)還包括消防冷卻液罐,其與所述電控噴嘴連接,用于儲存所述消防液體。
進一步地,該系統(tǒng)還包括控制單元,其與所述電控噴嘴和溫度傳感器連接,用于在所述溫度傳感器監(jiān)測的溫度超過預(yù)設(shè)溫度時,觸發(fā)警報并控制所述電控噴嘴噴灑所述消防液體。
優(yōu)選地,所述的電池單體與銅片之間設(shè)置有導(dǎo)熱脂。
總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,能夠取得下列有益效果:
(1)通過熱管冷卻和熱隔離層結(jié)合的方式綜合考慮了電池?zé)峁芾硪约半姵責(zé)峁芾硎Э睾蟮膽?yīng)急措施,比普通的單純熱管理系統(tǒng)更具安全性。
(2)通過熱管對電池模組進行冷卻,有效提高了電池散熱效果,相比于液冷和相變冷卻和液冷有效減輕設(shè)備重量。
(3)熱失控發(fā)生時,熱管具有將熱量迅速傳遞出去的能力,結(jié)合控制單元觸發(fā)電控噴嘴噴射的冷卻噴霧可以有效冷卻發(fā)生熱失控電池單元中心位置,有效推遲熱失控引發(fā)的化學(xué)負反應(yīng)發(fā)生,創(chuàng)造逃生時間。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例的一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明實施例的一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中,1、電池單體;2、銅片;3、熱管;4、溫度傳感器;5、控制單元;6、消防冷卻液罐;7、電控噴嘴;8、冷凝段;9、絕熱段;10、蒸發(fā)段;11、熱隔離層;12、冷卻層;13、絕熱層;14、電池對單元;15、冷卻介質(zhì),
R1和R11分別為電池對單元14兩側(cè)熱隔離層的熱阻;
R2和R10分別為電池對單元14中的兩個電池單體的熱阻;
R3和R9分別為電池對單元14中的電池單體與銅片之間的接觸電阻;
R5和R7分別為電池對單元14中的銅片與熱管之間的接觸熱阻;
R4和R8分別為電池對單元14中的兩個銅片的熱阻;
R6為熱管的熱阻;
Q為代表電池單體的自發(fā)熱量。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解,此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
圖1為本發(fā)明實施例的一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明實施例的一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1和圖2所示,一種結(jié)合熱管冷卻和熱防護的熱管理系統(tǒng),包括電池模組,電池模組包括若干個電池單體1,每兩個電池單體組成一個電池對單元14,每個電池對單元14的兩側(cè)設(shè)置有熱隔離層11,每個電池對單元14的兩個電池單體1之間均勻設(shè)置有多個熱管3,每個電池對單元14的兩個電池單體1相對的側(cè)面均通過銅片2與熱管3接觸,各個電池單體1設(shè)置在絕熱層13下,絕熱層13上方為冷卻層12,熱管3一端穿過絕熱層13延伸至冷卻層12,電池對單元14中的電池單體1靠近熱隔離層11的一側(cè)設(shè)置有溫度傳感器4,各個電池對單元14的側(cè)部設(shè)置有電控噴嘴7,各個電控噴嘴7分別與消防冷卻液罐6連接,各個電控噴嘴7和各個溫度傳感器4均與控制單元5連接。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,電池單體1與銅片2之間設(shè)置有導(dǎo)熱脂,銅片2與熱管3之間設(shè)置有導(dǎo)熱脂。
熱管3設(shè)置在每個電池對單元14的兩個電池單體1之間的部分為蒸發(fā)段10,熱管3設(shè)置在絕熱層13的部分為絕熱段9,熱管3設(shè)置在冷卻層12的部分為冷凝段8,冷凝段8的橫截面大于蒸發(fā)段10,絕熱段9與蒸發(fā)段10連接的一端到與冷凝段8連接的一端橫截面逐漸增大。
其中電池單體1在正常充放電時,放熱量較小,熱量由設(shè)在電池單體1側(cè)部的蒸發(fā)段10通過絕熱段9傳遞到冷卻層12的冷卻介質(zhì)15中,起到正常工況冷卻的作用。高倍率充放電原理類似于正常充放電,由于熱管3的導(dǎo)熱性能數(shù)量級達到107,能夠有效散出高倍率充放電產(chǎn)熱。
當某一電池單體1發(fā)生熱失控時,首先蒸發(fā)段10迅速向外散熱,由于熱失控產(chǎn)熱量呈指數(shù)增長,由于電池對單元14兩側(cè)的熱隔離層11的作用,熱量在電池對單元14和熱管3之間迅速聚集,當控制單元5通過溫度傳感器4檢測到溫度超過預(yù)定值時,則觸發(fā)預(yù)警,控制單元5控制熱失控的電池單體1所在的電池對單元14側(cè)部的電控噴嘴7噴灑消防液體,可以起到熱失控促發(fā)后針對性冷卻,提高了消防冷卻液的利用效率,減少實車運行時儲備的冷卻液重量,減輕整個熱管理集合消防系統(tǒng)重量,緩解散熱不良狀況,同時給車主有利時間逃生采取進一步人工消防方案。
圖2的下部顯示代表熱流方向的一維熱阻網(wǎng)絡(luò)圖,表明電池單體1產(chǎn)生的熱量聚集在電池對單元14兩側(cè)的熱隔離層11之間。電池單體1產(chǎn)生的熱量通過熱管散熱的熱傳遞路徑。一維熱阻網(wǎng)絡(luò)圖由RC電路表示,其中電阻代表熱阻,電容代表比熱容,電源Q代表電池單體1的自發(fā)熱量。電池單體1、銅片2、熱管3分別由一組RC單元表示,考慮到熱管3介質(zhì)比熱容較小,熱管3的熱容單元主要表示冷卻介質(zhì)15比熱容。電池單體1與銅片2之間以及銅片2與熱管3之間的接觸熱阻由單一熱阻表示,熱量最后是通過熱管3上端的冷凝段8的對流換熱熱阻傳遞到熱管3外的冷卻空氣中的。
圖2的一維網(wǎng)絡(luò)熱阻圖表明電池單體1產(chǎn)生熱量至少要經(jīng)過5個熱阻傳遞到冷卻介質(zhì)15,研究工作的重點是部分相對重要的熱阻和熱容。舉例來講,穩(wěn)態(tài)工況下,電池單體1連續(xù)產(chǎn)熱,通過減少熱源到冷卻層12中冷卻介質(zhì)15的熱阻并且提高冷卻介質(zhì)15比熱容才能提高散熱性能,降低電池單體1的溫度。若某電池單體1發(fā)生熱失控,產(chǎn)熱量驟增,散熱量遠小于產(chǎn)熱量,熱量如果向周圍電池單體1傳遞,則必然會引發(fā)周邊電池單體1大規(guī)模熱失控,形成安全隱患,因此有必要在電池單體1之間增加熱隔離層11,使熱流被阻隔在隔離層11之間,同時確保熱源與冷卻介質(zhì)15之間的熱阻足夠小,因為最終電池單體1熱失控產(chǎn)生的熱量都要傳遞到冷卻介質(zhì)15中。以上兩種工況表明同時需要考慮電池組冷卻與熱防護才能滿足電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的安全運行。
本發(fā)明通過熱管冷卻和熱隔離層結(jié)合的方式綜合考慮了電池?zé)峁芾硪约半姵責(zé)峁芾硎Э睾蟮膽?yīng)急措施,比普通的單純熱管理系統(tǒng)更具安全性。通過熱管對電池模組進行冷卻,有效提高了電池散熱效果,相比于液冷和相變冷卻和液冷有效減輕設(shè)備重量。熱失控發(fā)生時,熱管具有將熱量迅速傳遞出去的能力,結(jié)合控制單元觸發(fā)電控噴嘴噴射的冷卻噴霧可以有效冷卻發(fā)生熱失控電池單元中心位置,有效推遲熱失控引發(fā)的化學(xué)負反應(yīng)發(fā)生,創(chuàng)造逃生時間。適用于純電動車(BEV)、混合電動車(HEV)以及插電式混合電動車(PHEV)等熱管理系統(tǒng)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。