CN221841909U - 一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统，包括第一均热板、电芯、泡沫金属基复合相变材料、第二均热板、扁平热管、第三均热板以及热电制冷片；第一均热板设置于系统顶端，电芯设于泡沫金属基复合相变材料内部，第二均热板纵向排布在泡沫金属基复合相变材料之间，将有序排布的电芯分割成多个电池组，扁平热管从两电芯之间插入泡沫金属基复合相变材料，且贯穿纵向排布的第二均热板和泡沫金属基复合相变材料，将其二者连接固定，热电制冷片的上导热板与第三均热板接触传热，热电制冷片通过控制电流方向实现高温散热和低温加热；本实用新型将相变材料冷却、热电制冷和热管冷却三种控温方法耦合，整体结构紧凑，散热性能良好。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池热管理技术领域，具体涉及一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统。
背景技术
随着新能源电动汽车行业不断地发展壮大，对于作为电动汽车的“核心部位”——电池，其中锂离子电池以其能量密度高、循环寿命长、轻便、环保等特殊优势，在电动汽车领域得到广泛的应用。
锂电池的最佳工作温度在15℃至35℃，但在充放电过程中锂电池会产生热量导致温度的升高及电芯温度的不一致性，严重时会引起热安全事故；另外，在低温环境中运行时，动力电池的性能会严重衰减，甚至出现动力故障不能运行的状况，诱发锂离子电池发生热失控。目前，相变材料冷却技术成为行业的研究热点，普通PCM的导热系数非常低，而且容易发生泄漏；另外，相变材料热管理当中提及到的一种泡沫铜耦合冷管会加剧电池的温度不一致性问题，并且还会产生额外的能耗。因此，锂离子电池的热安全问题是如今亟需解决的重点问题，针对如今对高能量密度电池的需求，一个高效的、具有优异均温控温性能的电池热管理系统尤为重要，所以本申请提出一种兼顾低温加热和高温散热、泡沫金属基复合相变材料耦合热电制冷及扁平热管的电池热管理系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统，包括第一均热板、电芯、泡沫金属基复合相变材料、第二均热板、扁平热管、第三均热板以及热电制冷片；
第一均热板，设置于热管理系统顶端，覆盖在电芯和泡沫金属基复合相变材料之上，所述第一均热板吸收所述泡沫金属基复合相变材料的热量；
电芯，安装在所述泡沫金属基复合相变材料内部；
泡沫金属基复合相变材料，与所述电芯直接接触，传导吸收电芯工作时产生的热量或传递热量用于电芯加热；
第二均热板，纵向排布在所述泡沫金属基复合相变材料之间，相邻第二均热板之间间隔相等，将有序排布的电芯纵向分割成多个电池组，所述第二均热板吸收所述泡沫金属基复合相变材料的热量或传递热量用于加热所述泡沫金属基复合相变材料；
扁平热管，从两电芯之间插入所述泡沫金属基复合相变材料，且贯穿纵向排布的第二均热板和泡沫金属基复合相变材料，将其二者连接固定，所述扁平热管的冷凝端设置有翅片，强化散热；
第三均热板，设置于泡沫金属基复合相变材料之下，所述第三均热板用于吸收所述泡沫金属基复合相变材料的热量，且将热电制冷片的热量传递到泡沫金属基复合相变材料；
热电制冷片，由上导热板、下导热板和半导体器件组成，所述上导热板与第三均热板接触传热，所述热电制冷片的正负极外接电线，通过控制电流方向实现高温散热和低温加热。
进一步地，所述扁平热管横向水平插入所述泡沫金属基复合相变材料，所述泡沫金属基复合相变材料和所述第二均热板设有供扁平热管插入的固定孔，扁平热管与固定孔形成过盈配合，从而使第二均热板和泡沫金属基复合相变材料紧密配合。
进一步地，所述扁平热管倾斜插入所述泡沫金属基复合相变材料，使得扁平热管与第三均热板之间的夹角为30°～60°，降低液体与蒸汽摩擦扰动作用，从而降低热阻，增强换热。
进一步地，所述第一均热板和第三均热板分别与电芯的上下两端直接接触。
进一步地，所述热电制冷片纵向排布在第三均热板之下，与每一组电池组平行且数量对应，当电流正向流入时，与第三均热板接触的上导热板为冷端，实现高温散热功能；当电流反向流入时，与第三均热板接触的上导热板为热端，实现低温加热功能。
作为一种优选的方案，所述泡沫金属基复合相变材料的三维高导热骨架采用泡沫铝、泡沫铜和泡沫镍中的其中一种。
作为一种优选的方案，所述扁平热管填充有扁平热管工质，其为高导热系数的纳米流体溶液，由Fe3O4、CuO、Al2O3和TiO2纳米流体和水作为基液构成。
作为一种优选的方案，所述扁平热管与固定孔采用H7/h6配合。
作为一种优选的方案，所述翅片为螺旋翅片。
本实用新型还提供一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统的实现方法，包括：
若干电芯通过串联连接成电池组，电池组与泡沫金属基复合相变材料直接接触；
当电池组在高温环境下工作时，电芯在充放电时产生大量的热量，电池组的温度不断上升，电芯产生的热量通过热传导传递给泡沫金属基复合相变材料，泡沫金属基复合相变材料所吸收的热量一部分由自身吸收发生相变，一部分被第二均热板吸收，还有一部分热量在扁平热管的蒸发端被液体吸收发生汽化，进行二次散热；同时，泡沫金属基复合相变材料上、下端的的热量由第一、三均热板吸收以提高电池组的温度一致性，另外，在第三均热板下方的热电制冷片，与第三均热板接触的一端为冷端，将第三均热板的热量散出系统外；扁平热管的冷凝端缠绕翅片，强化散热；
当电池在低温环境工作时，在热电制冷片中通入相反的电流，与第三均热板接触的一端为热端，快速产生热量，加热第三均热板，第三均热板将热量传递到相变材料和第二均热板中，然后将热量传递给电芯，使电芯温度在较短的时间内提升至最佳工作温度范围，同时也可以保证电池组的温度一致性。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本实用新型中，将相变材料冷却、热电制冷和热管冷却三种控温方法耦合一起，整体结构紧凑，安装简单，散热性能良好；本实用新型的电池组上下两端分别与第一均热板和第三均热板直接接触，强化散热的同时，保证电池组的温度一致性；其次，本实用新型不仅能实现低温加热还能兼顾高温散热功能，热电制冷片通过控制电流方向实现高温散热和低温加热，当电流正向流入时，与第三均热板接触的上导热板为冷端，实现高温散热功能；当电流反向流入时，与第三均热板接触的上导热板为热端，实现低温加热功能；此外，本实用新型的扁平热管采用两种方式作用于电池热管理系统，第一，横向插入；以热管作为轴，以固定孔作为孔，孔径略小于扁平热管，使扁平热管与固定孔满足H7/h6的过盈配合，通过扁平热管与固定孔的过盈配合，从而使第二均热板和泡沫金属基复合相变材料紧密配合，保证电池热管理系统的结构稳定性；第二，倾斜插入；倾斜插入的扁平热管与第三均热板形成30°～60°范围内的夹角，在重力作用下热管倾角过高或者过低都会造成气液摩擦阻力增大或冷凝回流动力不足，从而增大热阻，因此通过改变扁平热管的倾角以降低热阻，增强传热。
附图说明
图1为本实用新型整体结构示意图；
图2为本实用新型外观结构示意图；
图3为本实用新型后视图；
图4为本实用新型的电池模组示意图；
图5为本实用新型的泡沫金属基复合相变材料的泡沫金属骨架结构示意图；
图6为本实用新型扁平热管的截面图；
图7为本实用新型扁平热管与翅片连接示意图；
图8为本实用新型在高温工况下，热电制冷片的工作示意图；
图9为本实用新型在低温工况下，热电制冷片的工作示意图；
图10为本实用新型扁平热管倾斜插入泡沫金属基复合相变材料的结构示意图；
图11为本实用新型扁平热管倾斜插入泡沫金属基复合相变材料的连接示意图；
图中：1、第一均热板；2、电芯；3、第二均热板；4、泡沫金属基复合相变材料；5、扁平热管；51、扁平热管槽道；52、扁平热管工质；6、翅片；7、第三均热板；8、热电制冷片；9、固定孔；10、上导热板；11、下导热板；12、半导体器件；13、高温工况下电流流入导线；14、高温工况下电流流出导线；15、低温工况下电流流入导线；16、低温工况下电流流出导线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1：
请参阅图1-9，本实施例提供一种技术方案：
一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统，包括第一均热板1、电芯2、泡沫金属基复合相变材料4、第二均热板3、扁平热管5、第三均热板7以及热电制冷片8；第一均热板1，设置于热管理系统顶端，覆盖在电芯2和泡沫金属基复合相变材料4之上，所述第一均热板1吸收所述泡沫金属基复合相变材料4的热量；电芯2，安装在所述泡沫金属基复合相变材料4内部；泡沫金属基复合相变材料4，与所述电芯2直接接触，传导吸收电芯2工作时产生的热量或传递热量用于电芯2加热；第二均热板3，纵向排布在所述泡沫金属基复合相变材料4之间，相邻第二均热板3之间间隔相等，将有序排布的电芯2纵向分割成多个电池组，所述第二均热板3吸收所述泡沫金属基复合相变材料4的热量或传递热量用于加热所述泡沫金属基复合相变材料4；扁平热管5，从两电芯2之间插入所述泡沫金属基复合相变材料4，且贯穿纵向排布的第二均热板3和泡沫金属基复合相变材料4，将其二者连接固定，所述扁平热管5的冷凝端设置有翅片6，强化散热；第三均热板7，设置于泡沫金属基复合相变材料4之下，所述第三均热板7用于吸收所述泡沫金属基复合相变材料4的热量，且将热电制冷片8的热量传递到泡沫金属基复合相变材料4；热电制冷片8，由上导热板10、下导热板11和半导体器件12组成，所述上导热板10与第三均热板7接触传热，所述热电制冷片8的正负极外接电线，通过控制电流方向实现高温散热和低温加热。
本实用新型中，将相变材料冷却、热电制冷和热管冷却三种控温方法耦合一起，整体结构紧凑，安装简单，散热性能良好；在高温工况下工作时，电芯2产生的热量通过热传导传递给泡沫金属基复合相变材料4，相变材料吸收的热量传递给第一、二、三均热板以及扁平热管5，实现三维方向上的散热；其次，本实用新型不仅能实现低温加热还能兼顾高温散热功能，热电制冷片8通过控制电流方向实现高温散热和低温加热，当电流正向流入时，与第三均热板7接触的上导热板10为冷端，实现高温散热功能；当电流反向流入时，与第三均热板7接触的上导热板10为热端，实现低温加热功能。
如图1和图2所示，为进一步确保本装置的结构稳定性，扁平热管5的插入方式为：横向水平插入；
所述扁平热管5横向水平插入所述泡沫金属基复合相变材料4，所述泡沫金属基复合相变材料4和所述第二均热板3设有供扁平热管5插入的固定孔9，扁平热管5与固定孔9形成过盈配合，从而使第二均热板3和泡沫金属基复合相变材料4紧密配合；
其中，泡沫金属基复合相变材料4和第二均热板3彼此之间的固定孔9大小相等，且孔径略小于扁平热管5的直径，以扁平热管5作为轴，以固定孔9作为孔，满足H7/h6的过盈配合；过盈配合可以减少接触面间的空隙，从而减少热量的损失，提高散热效率；过盈配合使扁平热管5与第二均热板3之间会形成一定的锁紧力，从而增加机械强度，提高整个结构的稳定性和耐用性；扁平热管5横向水平的插入方式没有使用多余的零部件作为连接件，就能将第二均热板3和泡沫金属基复合相变材料4紧密配合，除了简化系统结构和组装步骤之外，还确保均热板与相变材料之间的传热效果。
在实施例1的基础下，距离热管冷凝端最远的第二均热板3与扁平热管5利用膨胀组件固定，在热管受热时产生膨胀，从而增加与均热板的接触面积，防止热管的移动。目的是适应温度变化引起的形变、提高系统的稳定性、可靠性等。
实施例2：
如图10和图11所示，本实施例与实施例1结构基本相同，其中扁平热管5的插入方式有所不同，具体为：所述扁平热管5倾斜插入所述泡沫金属基复合相变材料4，使得扁平热管5与第三均热板7之间的夹角为30°～60°，降低液体与蒸汽摩擦扰动作用，从而降低热阻，增强换热。本实施例为实施例1的改进方案，目的在于：降低热管传热热阻，提高换热效率，本实施例中扁平热管5的插入方式为：倾斜插入；
本实施例中，所述的扁平热管5与第三均热板7之间具有一定夹角，夹角大小在30°～60°。在重力作用下热管倾角过高或者过低都会造成气液摩擦阻力增大或冷凝回流动力不足，从而增大热阻，因此在本实施例中，通过改变扁平热管5的倾角以降低热阻，增强传热。
下面对实施例1和2相同部分作进一步说明：
为了进一步电池组与电池组之间的温度相等，所述第一均热板1和第三均热板7分别与电芯2的上下两端直接接触；强化散热的同时，保证电池组的温度一致性。
如图8和图9所示，本实施例通过热电制冷片8实现高温散热和低温加热，具体为：所述热电制冷片8纵向排布在第三均热板7之下，与每一组电池组平行且数量对应，当电流正向流入时，与第三均热板7接触的上导热板10为冷端，实现高温散热功能；当电流反向流入时，与第三均热板7接触的上导热板10为热端，实现低温加热功能。图8中，附图标记13为高温工况下电流流入导线，附图标记14为高温工况下电流流出导线；图9中，附图标记15为低温工况下电流流入导线，附图标记16为低温工况下电流流出导线。
本实施例中，所述泡沫金属基复合相变材料4的三维高导热骨架采用泡沫铝、泡沫铜和泡沫镍中的其中一种。
如图6所示，所述扁平热管5填充有扁平热管工质52，其为高导热系数的纳米流体溶液，由Fe3O4、CuO、Al2O3和TiO2纳米流体和水作为基液构成；扁平热管5内壁面具有沟槽通道强化换热。
本实施例中，所述扁平热管5与固定孔9采用H7/h6配合；扁平热管5与泡沫金属基复合相变材料4直接接触，热管间距相等，且数量不宜过多。
如图7所示，所述翅片6为螺旋翅片；翅片6包括但不局限于螺旋翅片，翅片6长度不宜过长。
实施例3：
本实施例公开了一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统，主要包括四个电池组，每个电池组由数目相等的电芯2组成，复合相变材料均匀的填充在泡沫金属骨架的间隙，电池组与电池组之间安装有第二均热板3，扁平热管5从电池组之间穿过第二均热板3由泡沫金属骨架固定，泡沫金属骨架由泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属材料制成，并在泡沫金属骨架上钻有数量与扁平热管5相同的固定孔9，供扁平热管5插入，在扁平热管5的冷凝端包裹螺旋翅片，强化散热，螺旋翅片由铜或其他导热金属制成，采用电阻焊法连接扁平热管5和螺旋翅片。热电制冷片8设置于最下方，冷端与第三均热板7接触，增强散热效果。
本实施例使用的相变材料采用有机相变材料或者无机相变材料，如：膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯等导热系数高的材料与普通有机相变材料(如石蜡，脂肪酸)复合的相变材料或者微胶囊类相变材料。
泡沫金属骨架采用泡沫镍、泡沫铜等泡沫金属材料制成，泡沫金属耐腐蚀，价格低廉，热稳定性好，散热快，可以有效的提高散热，同时泡沫金属骨架上钻有固定孔9，供扁平热管5插入，从而使装置更加稳定和安全。
所述螺旋翅片由铜或其他导热金属制成，铜的导热系数大，散热效果好。
实施例4：
本实施例公开了一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统，不仅可以实现高温工况下的散热性能，还可以在低温工况下对电芯2加热，迅速升温至电芯2工作的最佳温度。
该低温加热系统主要包括低温加热源和热传导介质。低温工况下，利用半导体器件12的p-n结特性，当热电制冷片8流入反向电流时，与第三均热板7接触的为热端，产生的热量先传递给第三均热板7，再由第三均热板7传递给第二均热板3和泡沫金属基复合相变材料4，相变材料吸收热量后，经过泡沫金属骨架传递给电芯2，从而使得电芯2迅速升温；泡沫金属骨架可以强化传热，使得电芯2迅速升温，相变材料可以控制电芯2的工作温度处于最佳工作温度，不会因为加热而导致热失控，具有良好的控温性能。
在上述技术方案的基础上，本实施例还提出一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统的实现方法，包括：
若干电芯2通过串联连接成电池组，电池组与泡沫金属基复合相变材料4直接接触；
当电池组在高温环境下工作时，电芯2在充放电时产生大量的热量，电池组的温度不断上升，电芯2产生的热量通过热传导传递给泡沫金属基复合相变材料4，泡沫金属基复合相变材料4所吸收的热量一部分由自身吸收发生相变，一部分被第二均热板3吸收，还有一部分热量在扁平热管5的蒸发端被液体吸收发生汽化，进行二次散热；同时，泡沫金属基复合相变材料4上、下端的的热量由第一、三均热板吸收以提高电池组的温度一致性，另外，在第三均热板7下方的热电制冷片8，与第三均热板7接触的一端为冷端，将第三均热板7的热量散出系统外；扁平热管5的冷凝端缠绕翅片6，强化散热；
当电池在低温环境工作时，在热电制冷片8中通入相反的电流，与第三均热板7接触的一端为热端，快速产生热量，加热第三均热板7，第三均热板7将热量传递到相变材料和第二均热板3中，然后将热量传递给电芯2，使电芯2温度在较短的时间内提升至最佳工作温度范围，同时也可以保证电池组的温度一致性。
上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统，其特征在于，包括第一均热板、电芯、泡沫金属基复合相变材料、第二均热板、扁平热管、第三均热板以及热电制冷片；
第一均热板，设置于热管理系统顶端，覆盖在电芯和泡沫金属基复合相变材料之上，所述第一均热板吸收所述泡沫金属基复合相变材料的热量；
电芯，安装在所述泡沫金属基复合相变材料内部；
泡沫金属基复合相变材料，与所述电芯直接接触，传导吸收电芯工作时产生的热量或传递热量用于电芯加热；
第二均热板，纵向排布在所述泡沫金属基复合相变材料之间，相邻第二均热板之间间隔相等，将有序排布的电芯纵向分割成多个电池组，所述第二均热板吸收所述泡沫金属基复合相变材料的热量或传递热量用于加热所述泡沫金属基复合相变材料；
扁平热管，从两电芯之间插入所述泡沫金属基复合相变材料，且贯穿纵向排布的第二均热板和泡沫金属基复合相变材料，将其二者连接固定，所述扁平热管的冷凝端设置有翅片，强化散热；
第三均热板，设置于泡沫金属基复合相变材料之下，所述第三均热板用于吸收所述泡沫金属基复合相变材料的热量，且将热电制冷片的热量传递到泡沫金属基复合相变材料；
热电制冷片，由上导热板、下导热板和半导体器件组成，所述上导热板与第三均热板接触传热，所述热电制冷片的正负极外接电线，通过控制电流方向实现高温散热和低温加热。
2.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述扁平热管横向水平插入所述泡沫金属基复合相变材料，所述泡沫金属基复合相变材料和所述第二均热板设有供扁平热管插入的固定孔，扁平热管与固定孔形成过盈配合，从而使第二均热板和泡沫金属基复合相变材料紧密配合。
3.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述扁平热管倾斜插入所述泡沫金属基复合相变材料，使得扁平热管与第三均热板之间的夹角为30°～60°，降低液体与蒸汽摩擦扰动作用，从而降低热阻，增强换热。
4.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述第一均热板和第三均热板分别与电芯的上下两端直接接触。
5.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述热电制冷片纵向排布在第三均热板之下，与每一组电池组平行且数量对应，当电流正向流入时，与第三均热板接触的上导热板为冷端，实现高温散热功能；当电流反向流入时，与第三均热板接触的上导热板为热端，实现低温加热功能。
6.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述泡沫金属基复合相变材料的三维高导热骨架采用泡沫铝、泡沫铜和泡沫镍中的其中一种。
7.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述扁平热管与固定孔采用H7/h6配合。
8.根据权利要求1所述的电池热管理系统，其特征在于，所述翅片为螺旋翅片。
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| CN202323197399.0U CN221841909U (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种兼顾低温加热和高温散热的电池热管理系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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2023
- 2023-11-27 CN CN202323197399.0U patent/CN221841909U/zh active Active
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