一种基于VC均热板散热的动力电池模组

一种基于vc均热板散热的动力电池模组
技术领域
1.本发明涉及动力电池散热领域，尤其涉及到一种基于vc均热板散热的动力电池模组。


背景技术：

2.动力电池技术是制约电动汽车发展的关键技术，一个高效的电池模组散热系统对保证电动汽车各项性能至关重要。动力电池的化学性能受温度影响显著，在工作过程中，其自身释放热量导致电池温升，同时电动汽车的电池模组由数百节电池串并联形成且排布紧密，致使热量堆积，造成电池局部过热和温度分布不均，影响电池性能进而影响整车性能。电池模组的散热性能与均温性能对电池的使用性能、循环寿命以及安全性都具有重要影响。
3.目前市面上针对圆柱形和方形动力电池模组的散热技术主要是风冷和液冷。风冷和液冷都是利用冷却介质与电池散热表面发生对流换热带走热量，主要区别在于冷却介质的不同。风冷具有低成本，系统结构简单、便于维护等优点，但空气的比热容与导热系数低，随着电池能量密度的提高，仅用空气冷却无法满足将电池维持在50℃以下，电池温差也不能维持在5℃之内的使用要求。液冷具有冷却速度快、冷却效率高的优点，但对系统密封性和冷却液性能要求较高，结构复杂，安装维护不易，制造和使用成本高。
4.例如专利号为202010772517.8的专利文件公开了一种集风冷和液冷的电动汽车电池热管理装置，包括箱体和设置在箱体内的多排电池组；每排电池组均由多个单体电池组成；每个单体电池均嵌入于复合相变材料体中；复合相变材料体的顶部和底部分别与液冷板相贴合；液冷板与水泵连接；水泵与水箱连接；每两排相邻的电池组之间均设置有散热板；散热板的一端嵌入于复合相变材料体内，另一端裸露在箱体内的空气中；箱体上设置有用于对散热板进行换热的散热风扇。
5.上述专利方案通过在每两排相邻电池组之间设置散热板，利用散热板将单体电池的热量带走，达到冷却效果，并通过散热风扇将热空气排出至箱体外；与此同时利用水箱与液冷板之间形成的循环水路将单体电池顶部和底部以及复合相变材料体的热量带走，达到冷却效果，如此形成的散热循环，可以将电池的最高温升控制在合理的工作范围内。
6.但是，随着动力电池能量密度的提高和大规模集成化，对电动汽车的散热要求越来越高，需要开发更为高效的电池散热技术，并能够抑制某一电池热失控向周围电池的热蔓延和大规模热失控。同时动力电池在低温环境下，内阻增加，动力电池的输出能量不能充分释放，导致电动车续航里程缩短，影响乘驾体验。
7.因此，有必要对这样一种结构进行改善，以克服上述缺陷。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种基于vc均热板散热的动力电池模组，采用多开孔vc均热板作为高效热扩散板，可以大大增强电池之间导热能力，从而降低了电池局部热点与电池
之间的温差，能够实现高效热管理甚至于抑制电池热失控蔓延。通过引流风扇，以及尾部翅片、注液管，将多余热量带走，将电池整体温度保持在安全范围之内。并且，在均热板底板和顶板加工了独特的套筒结构强化传热(参见专利-一种强制对流动力电池散热装置zl201610296577.0)，不仅起到固定电池的作用，避免电池在运行中移位，而且增大了电池与均热板之间的接触面积增加了热流量，电池组的均温性能进一步改善。
9.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：
10.一种基于vc均热板散热的动力电池模组，包括
11.电池组，所述电池组若干阵列式排布的圆柱形电池；
12.vc均热板，所述vc均热板设置有若干中空套筒结构，圆柱形电池通过套筒结构设置在vc均热板上；具体地，所述中空套筒以直列排列或交错排列的形式分布在vc均热板上，多个圆柱形电池通过中空套筒间隔安装在vc均热板上，圆柱形电池和中空套筒之间微小缝隙填充硅胶以降低接触热阻，提升导热性能。
13.加热条，所述加热条成条状，设置在vc均热板的底部或者顶部套筒之间位置，不占用电池位置空间，其用于在低温情况下对电池组进行加热；加热条底部设置均热性能略优于顶部设置。
14.引流风扇，所述引流风扇设置在vc均热板的侧方，其用于对电池组和vc均热板进行风冷散热。
15.进一步的，所述vc均热板包括均热顶板、均热底板、以及设置在均热顶板和均热底板之间的均热毛细层；
16.在所述均热顶板上设有若干顶板套筒，在所述均热底板上设有若干底板套筒，顶板套筒和底板套筒对应设置；在均热顶板上还设有注液管和翅片，所述注液管用于往均热毛细层的内部灌注液态工质，所述的翅片和注液管用于电池模组散热。
17.进一步的，所述顶板套筒和底板套筒呈直列排列分布于均热顶板和均热底板上；或
18.所述顶板套筒和底板套筒呈交错排列分布于均热顶板和均热底板上。
19.进一步的，靠近下游的套筒以及尾部套筒沿电池方向加长，高于上游电池套筒长度，进一步加大下游电池接触面积以及下游电池两端向中部vc均热板的导热能力，降低下游电池温度水平，提高电池模组均温性能。
20.进一步的，所述顶板套筒和底板套筒的内表面设有导热硅胶。
21.进一步的，所述底板套筒具有内外层结构，外层结构与顶板套筒对齐，内层结构用于支撑放置在套筒结构内的圆柱形电池。
22.进一步的，所述均热毛细层包括由均热顶板和均热底板构成的若干真空腔，在真空腔内灌注有液态工质，真空腔的内壁具有由烧结铝粉附着形成的毛细结构。
23.进一步的，所述液态工质为丙酮或者氨；所述均热顶板、均热底板的材料为铝合金。
24.进一步的，所述加热条的外部材质为聚酰亚胺，在加热条上开设有若干略大于底板套筒的开口。
25.进一步的，所述均热顶板和均热底板真空钎焊工艺连接。
26.进一步的，所述均热底板套筒具有加大表面，通过底部切削工艺实现，和均热底板
真空钎焊工艺大面积焊接连接，提高了加工便利性和密封性。
27.进一步的，所述均热板的顶部和底部设置散热翅片，以提高均热板的散热性能。
28.所述vc均热板的外表面通过阳极氧化形成绝缘防腐耐热层。
29.综上所述，本发明具有以下有益效果：
30.其一，采用vc均热板作为高效热扩散板，内部抽真空填充液体工质进行沸腾-凝结换热，中间开口间隔安装电池，与单纯金属扩散板相比，在降低重量同时可以将有效导热系数提高1-2个数量级，大大增强电池之间导热能力，从而显著降低了电池局部热点与电池之间的温差，能够实现高效热管理甚至于抑制电池热失控蔓延。并且，在均热板底板和顶板均加工了套筒结构强化传热，不仅起到固定电池的作用，而且增大了电池与均热板之间的接触面积，增强了电池向vc板的传热速率。同时电池组的温差减小，均温性能也进一步改善。
31.其二，电池组一端的引流风扇持续工作，对vc均热板进行强制对流换热，利用vc均热板的高效传热与风冷的强化的协同效应，使得电池组最高温度与温差明显下降，效果显著，且散热结构简单、紧凑、安全可靠，具有良好的应用前景。
32.其三，通过真空钎焊工艺将底板套筒加大表面和顶板进行焊接，焊接牢固、密封性好，成本低。电池与套筒之间添加导热硅胶，降低贴合面的接触热阻并吸收接触面膨胀应力，导热性能得到进一步提高。
33.其四，在vc均热板底部设置加热条，加热时通过vc均热板的均温效应，降低加热条的热点温度，提高加热效率，快速加热电池，保证电池模组在低温情况下的正常使用。
附图说明
34.图1为本发明的电池模组总装结构示意图(直列顺排)。
35.图2为本发明的电池模组总装示意图(带有加热条)。
36.图3为本发明中vc均热板结构爆炸图(直列顺排)。
37.图4为本发明中vc均热板外观示意图(直列顺排)。
38.图5为本发明中vc均热板a-a侧面剖视图(直列顺排)。
39.图6为本发明的电池模组总装结构示意图(交错)。
40.图7为本发明中直列顺排均热板加热条示意图。
41.图8为本发明风冷工作示意图(直列顺排)。
42.图9为本发明中金属热扩散板(不含均热板)工况下电池温度云图。
43.图10为本发明中有vc均热板工况下电池温度云图。
44.图11为本发明中热失控情况下电池模组及单颗热失控电池温度云图。
45.图中标记：1、电池组；2、vc均热板(直列顺排)；3、vc均热板(交错)；4、加热条；41、开口；5、引流风扇；21、vc均热板顶板(直列顺排)；22、vc均热板的毛细层(直列顺排)；221、上毛细板；222、下毛细板；223、毛细层；23、vc均热板底板(直列顺排)；24、vc均热板真空腔(直列顺排)；211、顶板套筒；231、底板套筒；31、vc均热板顶板(交错)；32、vc均热板的毛细层(交错)；33、vc均热板底板(交错)；34、vc均热板真空腔(交错)；212、带有注液孔的注液管；311、顶板套筒；312、底板套筒。
具体实施方式
46.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
47.如图1至图11所示，本发明提出的一种基于vc均热板散热的动力电池模组，包括
48.电池组1，所述电池组1若干阵列式排布的圆柱形电池；
49.vc均热板2，所述vc均热板2设置有若干套筒结构，圆柱形电池通过套筒结构设置在vc均热板2上；
50.加热条4，所述加热条4设置在vc均热板2的底部，其用于在低温情况下对电池组1进行加热；
51.引流风扇5，所述引流风扇5设置在vc均热板2的侧方，其用于对电池组1和vc均热板2进行风冷散热。
52.所述vc均热板2包括均热顶板21、均热底板23、以及设置在均热顶板21和均热底板23之间的均热毛细板22；
53.在所述均热顶板21上设有若干顶板套筒211，在所述均热底板23上设有若干底板套筒231，顶板套筒211和底板套筒231对应设置；在均热顶板21上还设有注液管212，所述注液管212用于往真空腔24的内部灌注液态工质。
54.所述电池组1由若干圆柱形的电池按不同方式排列而成，相邻电池之间设置间距，通过vc均热板2进行套装连接，有效提升电池组1的安全性，预防电池热失控现象的发生。
55.本例优选的排列方式为如图1、图2所示，相邻电池以一定间距直列顺序排列或者交错排列与vc均热板(直列顺排)和vc均热板(交错)分别配合使用。
56.所述电池组1的圆柱形电池插入所述vc均热板2的顶板套筒211和底板套筒231内，配合方式为紧配合，固定电池于vc均热板内，电池表面与套筒表面紧密贴合并添加导热硅胶以降低两者之间的接触热阻，加快热量传递。加热条4用于在寒冷天气快速加热电池，由于vc均热板的快速导热作用而不产生局部热点，避免了加热条4快速失效、提高了热安全性。带有注液孔的注液管212设置于vc均热板2的边缘，与vc均热板2垂直朝上布置，注液管212一方面用于vc均热板2内真空腔抽真空、注液工艺，在后期可以重新加工维修、多次抽真空和注液使用，同时也可以作为散热柱，进行散热。
57.以vc均热板(直列顺排)为例，如图3、图4所示，vc均热板2由顶板21、均热毛细板22、底板23组成。顶板上开设有顶板套筒211，底板上开设有底板套筒231，而底板套筒分为内外两部分，外套筒部分与顶板套筒大小、位置对齐，内套筒作为套筒结构的一部分不仅起固定电池的作用，并且起到支撑顶板和真空腔的作用。中间的均热毛细板22，有上下两层如图5所示，上毛细板221和下毛细板222由附着于底板内套筒的毛细层223连接为一个整体。顶板21与底板23由真空钎焊工艺将其连接，焊接效率高、结构牢靠、成本低。
58.以vc均热板中的电池组交错排列，如图6所示，vc均热板2由顶板21、均热毛细板22、底板23组成，开孔与电池组对应。
59.vc均热板由上到下的结构依次为顶板21、均热毛细板22、真空腔24、底板23。烧结铝粉附着于顶板和底板以及底板内套筒之上，形成毛细层223。
60.本发明的vc均热板的工质优选的为丙酮或者氨，顶板和底板的材料优选加工性能良好的铝合金，比如6061铝材。
61.本发明的加热条外部材质为聚酰亚胺，尺寸与均热板相仿，开口41尺寸略大于套筒尺寸，可以套装均热板套筒并紧密贴敷在均热板底板上，加热条如图7所示。
62.本发明以vc均热板为主要传热元件，同时耦合风冷以强化散热，对圆柱形电池进行散热的具体过程为：
63.圆柱形电池产生的热量在电池内部传递到电池壳体后，一方面通过电池与vc均热板的套筒贴合面传递给vc均热板，利用套筒和电池较大的接触面积进行热量传递，可以获得较大的热流量，同时套筒和圆柱形电池的配合方式为紧配合，起到了固定电池的作用，并在套筒与圆柱形电池之间添加导热硅胶达到降低接触热阻的作用。电池产热经由套筒的强化集热作用之后传递到vc均热板内部，vc均热板受热升温，温度达到启动温度后，均热板内部的液态工质发生汽化蒸发。由于引流风扇5的强制对流作用，导致vc均热板在相邻电池之间的顶板和底板温度较低，在压差作用下，套筒侧蒸发的高温气体向温度较低的相邻电池之间区域快速移动并凝结放热，导出热量。凝结的液体在毛细层内通过毛细作用回流至套筒附近。同时，位于电池组下游的电池比上游温度高，从而导致部分蒸气在压差作用下从下游向上游快速移动进行凝结散热，从而实现反向导热、降低温差，凝结的液体工质在毛细层回流至下游套筒附近，完成一个工作循环。
64.另一方面，如图8所示，与空气直接接触电池部分的热量，通过引流风扇5直接进行强化风冷散热。
65.本发明所述的一种基于vc均热板的圆柱形动力电池模组，考虑到电池低温的使用情况，在vc均热板底部设置加热条，加热时通过vc均热板的快速传热效应，一方面降低加热条的热点温度，另一方面快速将热量传至电池，保证电池模组在低温情况下快速升温，保证正常使用。
66.为了验证本发明的有效性与实用性，基于本发明的结构进行了热仿真分析。3c放电结束时的仿真结果如图9、图10所示，设定1m/s的进口风速，电池模组的温差由单纯热扩散板(无vc均热板)工况下的5.18℃下降到了加入vc均热板之后的3.21℃，电池模组温差下降1.97℃或者38％，最高温度也下降1.87℃即14％，体现了本发明散热与均温效果的双重优势。
67.为了验证本发明基于vc均热板的圆柱形动力电池模组的热安全性能，设置了热失控电池边界条件，在单颗电池发生热失控大量产热时针对热量蔓延进行了仿真分析。仍设置进口风速1m/s，热失控蔓延的仿真结果如图11所示，在单颗电池发生热失控最高温度超过600℃情况下，由于vc均热板快速导热作用，临近电池的温度最高仅为54.44℃，其他电池温度控制在54℃以下，远远低于电池的热失控温度120℃。这表明本发明具有很好的抑制热失控蔓延的效果。
68.综上所述，本发明充分利用了vc均热板的强化集热均温能力以及风冷强化散热，结构简单、紧凑，散热效果显著，整个电池模组的可靠性与安全性大大提升。
69.在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”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，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
70.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
71.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，包括电池组(1)，所述电池组(1)若干阵列式排布的圆柱形电池；vc均热板(2)，所述vc均热板(2)设置有若干套筒结构，圆柱形电池通过套筒结构设置在vc均热板(2)上；加热条(4)，所述加热条(4)设置在vc均热板(2)的底部，其用于在低温情况下对电池组(1)进行加热；引流风扇(5)，所述引流风扇(5)设置在vc均热板(2)的侧方，其用于对电池组(1)和vc均热板(2)进行风冷散热。2.根据权利要求1所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述vc均热板(2)包括均热顶板(21)、均热底板(23)、以及设置在均热顶板(21)和均热底板(23)之间的均热毛细板(22)；在所述均热顶板(21)上设有若干顶板套筒(211)，在所述均热底板(23)上设有若干底板套筒(231)，顶板套筒(211)和底板套筒(231)对应设置；在均热顶板(21)上还设有注液管(212)，所述注液管(212)用于往均热毛细板(22)的内部灌注液态工质以及维修和散热。3.根据权利要求2所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述顶板套筒(211)和底板套筒(231)呈直列排列分布于均热顶板(21)和均热底板(23)上；或所述顶板套筒(211)和底板套筒(231)呈交错排列分布于均热顶板(21)和均热底板(23)上。4.根据权利要求2或3所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述顶板套筒(211)和底板套筒(231)的内表面设有与电池紧密连接的导热硅胶。5.根据权利要求2所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述底板套筒(231)具有内外层结构，外层结构与顶板套筒(211)对齐，内层结构用于支撑放置在套筒结构内的圆柱形电池。6.根据权利要求2所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述均热毛细板(22)包括由均热顶板(21)和均热底板(23)构成的若干真空腔(24)，在真空腔(24)内灌注有液态工质，真空腔(24)的内壁具有由烧结铝粉附着形成的毛细结构。7.根据权利要求6所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述液态工质为丙酮或者氨；所述均热顶板(21)、均热底板(23)的材料为铝合金；所述的底板套筒(231)具有与顶板(21)紧密连接的加大表面。8.根据权利要求2所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述加热条(4)的外部材质为聚酰亚胺，在加热条(4)上开设有若干与略大于底板套筒(231)的开口(41)。9.根据权利要求2所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述均热顶板(21)和均热底板(23)真空钎焊工艺连接。10.根据权利要求1所述的基于vc均热板散热的动力电池模组，其特征在于，所述vc均热板(2)的外表面通过阳极氧化形成绝缘防腐耐热层。

技术总结
本发明公开了一种基于VC均热板散热的动力电池模组，包括电池组，所述电池组若干阵列式排布的圆柱形电池；VC均热板，所述VC均热板设置有若干套筒结构，圆柱形电池通过套筒结构设置在VC均热板上；加热条，所述加热条设置在VC均热板的底部，其用于在低温情况下对电池组进行加热；引流风扇，所述引流风扇设置在VC均热板的侧方，其用于对电池组和VC均热板进行风冷散热。本发明采用VC均热板作为高效热扩散板，可以大大增强电池之间导热能力，从而降低了电池局部热点与电池之间的温差，能够实现高效热管理甚至于抑制电池热失控蔓延。效热管理甚至于抑制电池热失控蔓延。效热管理甚至于抑制电池热失控蔓延。


技术研发人员：张恒运 刘新田 黄碧雄 杨皓 方宇
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/22