一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置

1.本发明涉及电池包散热技术领域，具体为一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置。


背景技术：

2.在某型水下装备平台上拟采用的电池体系具有能量高、发热量大，且随着放电的进行，电池厚度方向体积收缩，单体电池放电过程中会逐渐变薄的特点。需要对该电池体系进行有效的控温散热，才能满足使用要求。
3.但在该型水下装备平台的设计上，由于整体体积和重量要求的限制，无法采用配套额外的冷却设备，只能采用被动散热方式；而该平台提供给电池体系的安装空间极其有限，导致在有限的安装空间内，要达到要求的输出功率，电池体系内的各个电池单片间缝隙很小，难以实现有效的对流降温；而且由于是水下装备平台，只有装备圆形外壳与环境介质直接接触，平台提供给电池体系的安装空间是完全密闭环境，因此如何在采用的传导手段所导致的结构增重和体积变化都受到严格约束的条件下，有效的将电池体系内部热量传导至装备圆形外壳，实现该电池体系在有限空间内的有效散热，是亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，包括产热装置电池包内部的电池单片，电池单片间隙和下方布置的高导热粘合剂和高导热柔性材料，以及轻质多孔高导热结构将电池包外壳和密封空间外壳相连接，有利于热量高效疏导至密封空间的铝合金外壳从而通过热传导至外界环境中。本发明针对狭小密闭有限空间内的电池包散热问题，基于定向热疏导的思想，分别采用高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构将电池单片产生的热量逐层由电池单片疏导至电池包铝合金外壳，再由电池包铝合金外壳疏导至密封空间的金属外壳进而将热量散发至外界环境中，此外，高导热粘合剂被用作将热疏导材料和需要连接的材料紧密结合，防止产生过大的接触热阻。本发明能够针对狭小密闭有限空间电池包实现高效散热的效果。
5.本发明的技术方案为：
6.所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，包括若干电池单片和电池包外壳；
7.每片电池单片一侧通过高导热粘合剂固定粘接高导热柔性材料；若干电池单片连同固定粘接的高导热柔性材料依次紧密叠放布置在电池包外壳内，且电池单片的一端与电池包外壳之间布置有高导热柔性材料，且高导热柔性材料一侧与电池包外壳之间通过高导热粘合剂粘接固定，高导热柔性材料另一侧与电池单片一端以及电池单片之间的高导热柔性材料紧密接触；电池单片的另一端为自由状态；
8.所述电池包外壳固定布置在密封空间内，且电池包外壳一端与密封空间外壳之间填充有轻质多孔高导热结构，且所述轻质多孔高导热结构与所述电池包外壳一端以及所述
密封空间外壳之间通过高导热粘合剂粘接固定；所述电池包外壳一端为与电池单片之间布置有高导热柔性材料的一端。
9.进一步的，在利用高导热粘合剂进行粘接的过程中，充分紧密挤压，去除粘接过程中混入的气泡，避免气泡影响热传导效果。
10.进一步的，所述密封空间外壳截面为圆形，所述电池包截面为矩形，所述电池包四角与所述密封空间外壳内表面接触；所述轻质多孔高导热结构截面为圆冠形，填充在所述电池包一端与所述密封空间外壳之间。
11.进一步的，电池包外壳和密封空间外壳采用高导热的铝合金材料。
12.进一步的，所述高导热柔性材料采用石墨片或石墨烯片，所述高导热粘合剂采用导热硅胶。
13.进一步的，所述高轻质多孔高导热结构为轻质高导热的碳泡沫或铝泡沫，孔隙率不低于95％，通过高导热泡沫中的泡沫杆结构实现从电池包外壳到密封空间外壳的高效热传导。
14.进一步的，所述高导热粘合剂厚度为0.1mm，高导热柔性材料厚度为0.3mm，轻质多孔高导热结构及相应高导热粘结剂带来的总增重不高于200g。
15.有益效果
16.本发明针对一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热设计要求，基于定向热疏导的思想，分别采用高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构将电池单片产生的热量逐层由电池单片疏导至电池包铝合金外壳，再由电池包铝合金外壳疏导至密闭装置的外壳进而将热量散发至外界水中，充分利用的高导热柔性材料和高导热多孔结构的热疏导性能，散热方案的总增重小于200g，实验验证电池包内最高温度较无散热措施降低了20℃，满足电池散热需求。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1为轻量化狭小密闭有限空间装备平台及电池包侧视图；
20.图2为图1局部放大图，包括电池包散热方案内部布置及尺寸；
21.图3为针对散热方案数值模拟的计算网格；
22.图4为针对散热方案数值模拟获得的温度云图；
23.图5为实验台示意图；(a)为没有添加高导热柔性材料，10块电池通过电池壳体紧密固定一起，(b)为将中间四块电池间隙中间放置高导热柔性材料，(c)为在每块电池间隙均放置高导热柔性材料；
24.图6为不加入高导热柔性材料散热、中间四块电池间隙中间放置高导热柔性材料和在每块电池间隙均放置高导热柔性材料电池包内部最高温度随加热时间变化。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.本发明提出的轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，由若干电池单体单片、电池包外壳、密封空间外壳，以及增加的高导热粘合剂、高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构，组成一体化散热体系。该一体化散热体系针对密封空间内电池包散热问题，基于定向热疏导的思想，分别采用高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构将电池单片产生的热量逐层由电池单片疏导至电池包铝合金外壳，再由电池包铝合金外壳疏导至密封空间外壳，进而将热量散发至外界环境中。其中的高导热粘合剂、高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构，不但具有高热导率，还具备电绝缘性能，且有良好的柔韧性，在电池使用体积减小过程中不会因为弯折而导致导热能力的降低，造成使用中的不安全隐患。
28.如图1和图2所示，每片电池单片一侧通过高导热粘合剂固定粘接高导热柔性材料；若干电池单片连同固定粘接的高导热柔性材料依次紧密叠放布置在电池包外壳内，且电池单片的一端与电池包外壳之间布置有高导热柔性材料，且高导热柔性材料一侧与电池包外壳之间通过高导热粘合剂粘接固定且紧密结合，高导热柔性材料另一侧与电池单片一端以及电池单片之间的高导热柔性材料紧密接触，这样将电池单片的热量高效传导至电池包外壳。在利用高导热粘合剂进行粘接的过程中，充分紧密挤压，去除粘接过程中混入的气泡，避免气泡影响热传导效果。
29.本实施例中，在电池包内部，仅电池单片下方采用高导热柔性材料和高导热粘合剂进行热疏导，电池单片上方为自由状态，与电池包外壳之间无高导热粘合剂粘结，以利于电池单片在放电过程中收缩变形。
30.如图2所示，所述电池包外壳固定布置在密封空间内，且电池包外壳一端(即本实施例的下端)与密封空间外壳之间填充有轻质多孔高导热结构，且所述轻质多孔高导热结构与所述电池包外壳一端以及所述密封空间外壳之间均通过高导热粘合剂粘接固定，且充分紧密挤压结合，去除粘接过程中混入的气泡，避免气泡影响热传导效果；所述电池包外壳一端为与电池单片之间布置有高导热柔性材料的一端；这样将传递至电池包外壳的热量高效传导至密封空间外壳进而与装置外部环境实现热交换。
31.本实施例中，所述密封空间外壳截面为圆形，所述电池包截面为矩形，所述电池包四角与所述密封空间外壳内表面接触；所述轻质多孔高导热结构截面为圆冠形，填充在所述电池包一端与所述密封空间外壳之间。
32.由于该型水下装备平台在重量控制上有严格要求，因此需要对一体化散热体系中的高导热粘合剂、高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构的材料和用量进行分析，在满足要求条件下用量最小。
33.本实施例中，电池包外壳和密封空间外壳采用高导热的铝合金材料，高导热柔性
材料采用石墨片或石墨烯片，高导热粘合剂采用导热硅胶，而轻质多孔高导热结构为轻质高导热的碳泡沫，孔隙率为98％，并加工切割至与电池包下方孔隙形状一致的圆冠形以便于填充。轻质多孔高导热材料也可采用铝泡沫。通过高导热泡沫中的泡沫杆结构实现从电池包外壳到密封空间外壳的高效热传导。
34.本实施例中，电池包铝合金外壳厚度为1.2mm，密封空间外壳厚度为2mm，电池单片的尺寸为275mm
×
100mm
×
4.4mm，通过实验，最终在用量上，高导热粘合剂厚度为0.1mm，高导热柔性材料厚度为0.3mm，轻质多孔高导热结构及相应高导热粘结剂带来的总增重为200g。
35.接下来对上述有限环境密闭空间内电池包散热方案采用数值模拟进行验证，生成的三角形非结构网格，网格总量约为24万，最小单元质量约为0.35，单元平均质量约为0.83，并保证最薄的几何结构至少具备三层网格。
36.在仿真中，设置单片电池发热功率为13w/片，模拟电池发热，仿真结果如图4所示，可见当在电池单片周围布置高导热材料，热量被高效传导至密闭装置的轻质高导热多孔结构进而传导至外壳，电池最高温度为65℃，满足设计要求。
37.进一步，针对上述一种轻量化狭小密闭有限空间下电池包散热设计进行实验验证，搭建实验台如图5所示，其中(a)为没有添加高导热柔性材料，10块电池通过电池壳体紧密固定一起，(b)为将中间四块电池间隙中间放置高导热柔性材料，(c)为在每块电池间隙均放置高导热柔性材料；以此分别实验测试针对部分电池片和全部电池片进行热疏导的散热效果。采用双层铝合金中间夹着电加热片作为单片电池，其结构与真实电池尺寸保持一致，通过控制加热功率13.17w/片，模拟电池发热。在每个电池一面的中心点焊接热电偶进行测温。
38.其中实验台1表示没有添加高导热柔性材料，10块电池通过电池壳体紧密固定一起，一段通过高导热粘结剂与弧形铝合金紧密结合，然后弧形铝合金通过高导热粘结剂与密闭装置外壳紧密接触，可将热量散失到密闭装置表面。实验台2将中间电池第4，5，6，7四块电池的一侧通过高导热粘结剂与高导热柔性材料紧密贴合，然后伸出部分贴到密闭装置内壁进行散热，经过测量高导热柔性材料与粘结剂的总重量约为10g。实验台3将所有的电池表面都贴高导热柔性材料，并且与密闭装置内壁紧贴，经过测量高导热柔性材料与粘结剂的总重量约为25g。
39.由图6可以看出，采用4块柔性材料，相对于不采用散热结构电池包内温度能降低最高可达8摄氏度，且不采用散热结构的电池组最高温度为第5块电池，而中间采用柔性导热材料，最高温度的电池为第7块。全部采用柔性材料，相对于不采用散热结构最高温度可降低20摄氏度，由此可见一方面高导热柔性材料可以降低电池中心温度，此外，采用高导热柔性材料在相同时间内，可以快速将电池产生的热量散失到密闭装置壁面。
40.由测试结果可知，模拟电池包持续输入功率，使温度不断升高，不采取任何散热措施的装置在25min时温度已升高至120摄氏度，且温升与时间呈线性，这表明有限时间内有大量的热量聚集；而柔性导热材料可有效将电池包产生的热导出，显著降低电池核心温度，因此可以推断出采用此结构可以快速降低电池包内的温度。
41.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：包括若干电池单片和电池包外壳；每片电池单片一侧通过高导热粘合剂固定粘接高导热柔性材料；若干电池单片连同固定粘接的高导热柔性材料依次紧密叠放布置在电池包外壳内，且电池单片的一端与电池包外壳之间布置有高导热柔性材料，且高导热柔性材料一侧与电池包外壳之间通过高导热粘合剂粘接固定，高导热柔性材料另一侧与电池单片一端以及电池单片之间的高导热柔性材料紧密接触；电池单片的另一端为自由状态；所述电池包外壳固定布置在密封空间内，且电池包外壳一端与密封空间外壳之间填充有轻质多孔高导热结构，且所述轻质多孔高导热结构与所述电池包外壳一端以及所述密封空间外壳之间通过高导热粘合剂粘接固定；所述电池包外壳一端为与电池单片之间布置有高导热柔性材料的一端。2.根据权利要求1所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：在利用高导热粘合剂进行粘接的过程中，充分紧密挤压，去除粘接过程中混入的气泡，避免气泡影响热传导效果。3.根据权利要求1所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：所述密封空间外壳截面为圆形，所述电池包截面为矩形，所述电池包四角与所述密封空间外壳内表面接触；所述轻质多孔高导热结构截面为圆冠形，填充在所述电池包一端与所述密封空间外壳之间。4.根据权利要求1所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：电池包外壳和密封空间外壳采用高导热的铝合金材料。5.根据权利要求1所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：所述高导热柔性材料采用石墨片或石墨烯片，所述高导热粘合剂采用导热硅胶。6.根据权利要求1或5所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：所述高轻质多孔高导热结构为轻质高导热的碳泡沫或铝泡沫，孔隙率不低于95％，通过高导热泡沫中的泡沫杆结构实现从电池包外壳到密封空间外壳的高效热传导。7.根据权利要求6所述一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，其特征在于：所述高导热粘合剂厚度为0.1mm，高导热柔性材料厚度为0.3mm，轻质多孔高导热结构及相应高导热粘结剂带来的总增重不高于200g。

技术总结
本发明提出一种轻量化狭小密闭有限空间内的电池包散热装置，包括电池单片，电池单片间隙和下方布置的高导热粘合剂和高导热柔性材料，以及轻质多孔高导热结构将电池包外壳和密封空间外壳相连接，有利于热量高效疏导至密封空间的铝合金外壳从而通过热传导至外界环境中。本发明基于定向热疏导的思想，分别采用高导热柔性材料和轻质多孔高导热结构将电池单片产生的热量逐层由电池单片疏导至电池包铝合金外壳，再由电池包铝合金外壳疏导至密封空间的金属外壳进而将热量散发至外界环境中，此外，高导热粘合剂被用作将热疏导材料和需要连接的材料紧密结合，防止产生过大的接触热阻。本发明能够针对狭小密闭有限空间电池包实现高效散热的效果。现高效散热的效果。现高效散热的效果。


技术研发人员：昌敏 汪任之 汪辉 白俊强 赖柄竹
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2022.10.13
技术公布日：2023/8/28