具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統的制作方法
【專利摘要】具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，涉及一種電池熱管理系統。本發明為了解決現有電池熱管理系統無法保證動力電池在任何工況下都可以在合理的溫度范圍內的問題。動力電池箱的中央內嵌有冷板，單體動力電池卡緊在電池卡槽與冷板之間，其與冷板相鄰的側面與冷板的側面接觸；單體動力電池的側面上均貼附有熱管蒸發段，單體動力電池側面上均鋪設有熱管，動力電池箱內填充相變材料；液體流道的進出口與管件相連；冷板、管件和水泵組成單相液體回路，其通過換熱器與電動汽車的制冷系統耦合在一起；可編程自動調溫器與水泵電連接，溫度傳感器的探頭貼附在電池上，并與可編程自動調溫器電連接。本發明用于動力電池熱管理。
【專利說明】具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電池熱管理系統，具體涉及一種具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統。
【背景技術】
[0002]在能源與環境問題的巨大挑戰下，發展新能源汽車已成為必然趨勢，因此各個國家對新能源汽車的開發十分重視。目前，新能源汽車主要包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池電動汽車及太陽能汽車等各類新能源汽車。而作為新能源汽車的代表，電動汽車因具備直接電機驅動，零排放的環境可靠性成為目前新能源汽車發展的熱點。
[0003]動力電池是電動汽車運行的動力源，其工作時存在最佳溫度范圍，如鋰離子電池，常規的工作溫度為-20?60°C，而最佳工作溫度為25°C，在此最佳工作溫度下，鋰離子電池工作在最穩定的狀態下，且使用壽命最長。在運行實際中，往往因為工作條件惡劣，造成動力電池溫度過高。電動汽車在某些運行工況下，如高速行駛或爬坡，電池發熱量增大，若內部發熱量不能及時排出會造成電池內部溫度升高超出工作溫度范圍；外部環境溫度過高，如炎熱的夏季，同樣會使動力電池溫度升高超出最佳工作溫度范圍。以上情形不僅縮短了電池的使用壽命、影響電池的容量，而且還會影響汽車的穩定運行甚至引發爆炸等安全事故。
[0004]結合目前國內外的一些動力電池熱管理控制方法，發現仍存在很多不足，單純采用被動熱控制方式，如相變材料、熱管等，僅能保證動力電池在一般情況下正常工作，在惡劣條件下往往失效。相變材料在完全相變的狀態下，不僅無法發揮其儲熱的性能，還會因為低熱導率造成電池熱量導出困難；熱管不僅有自然失效的可能，而且在電動汽車經歷崎嶇路面發生振蕩時極易損壞，在高溫環境下，傳熱性能也會降低甚至失效。
[0005]因此，對車用動力電池進行合理全面的熱管理控制，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。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服現有技術的不足，進而提供一種具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統。目的在于:動力電池在常規運行工況下，熱管理系統僅被動熱控制部分工作即可滿足電池的工作溫度要求；一旦運行工況較為惡劣，熱管理系統自發轉換為主動熱控制方式，為動力電池降溫，以保證動力電池工作在合理的溫度范圍內。
[0007]本發明為了解決上述技術問題所采取的技術方案是:
[0008]本發明所述具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統包括動力電池箱，動力電池箱包括電池箱外殼和電池箱頂蓋以及動力電池箱內部的電池卡槽，電池箱頂蓋和電池箱外殼配合，電池熱管理系統還包括冷板、熱管和熱管蒸發段；[0009]動力電池箱的中央內嵌有冷板，多個單體動力電池安裝在動力電池箱的卡槽內且分列在冷板左右兩側，單體動力電池卡緊在電池卡槽與冷板之間，且單體動力電池與冷板相鄰的側面與冷板的側面接觸；單體動力電池除與冷板相鄰的側面之外的其余側面上均貼附有熱管蒸發段，前后相鄰的兩個單體動力電池相鄰面共用一個熱管蒸發段，單體動力電池除與冷板相鄰的側面之外的其余側面上均鋪設有熱管，所述熱管的下端插在熱管蒸發段內，熱管的上端穿出電池箱頂蓋，熱管內設有相變工質；在動力電池箱剩余空間內填充相變材料；
[0010]所述電池熱管理系統還包括管件、換熱器和水泵，冷板的外形為長方體，冷板的內部加工有液體流道，所述液體流道為連續彎曲的蛇形流道，蛇形流道的進出口與動力電池箱外部的管件相連；冷板與管件和水泵共同組成單相液體回路，單相液體回路通過換熱器與電動汽車的制冷系統耦合在一起；
[0011]單相液體回路與電動汽車的制冷系統耦合時，只需在電動汽車的制冷系統的管路上加裝換熱器即可，不涉及對制冷系統的其他改進，所述的電動汽車的制冷系統形式可以根據電動汽車的不同而不同；
[0012]所述電池熱管理系統還包括可編程自動調溫器和溫度傳感器，可編程自動調溫器與水泵電連接，可編程自動調溫器用于控制水泵工作，溫度傳感器的探頭貼附在單體動力電池上，并與可編程自動調溫器電連接，溫度傳感器用于檢測電池溫度并將溫度信號輸送至可編程自動調溫器。
[0013]單相液體回路工作時，汽車的制冷系統可由可編程自動調溫器控制開啟或關閉，也可由駕駛員手動開啟或關閉。
[0014]優選的:所述相變材料為固-液相變材料，相變溫度為20°C?35°C，可選用單一的相變材料，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/石蠟復合相變材料。
[0015]優選的:所述熱管內的相變工質的相變溫度為20°C?35°C，根據相變溫度選擇相變工質，如氟利昂或戊烷；
[0016]優選的:所述熱管為鋁合金金屬管，可彎曲以配合動力電池在汽車中的安放位置；
[0017]優選的:所述熱管的冷凝段和熱管蒸發段均設置有翅片。以增大與外部空氣的對流換熱面積。
[0018]優選的:所述熱管蒸發段與單體動力電池的接觸面、單體動力電池與冷板的接觸面以及冷板與動力電池箱的接觸面均涂覆導熱介質或加導熱片。
[0019]優選的:所述電池箱頂蓋與熱管配合處設有密封圈，電池箱頂蓋和電池箱外殼配合處設有密封條。
[0020]優選的:所述單相液體回路內的液態工質為含水95%的乙二醇水溶液，其凝固點為_50°C，也可選擇其他冷卻液。
[0021]優選的:所述熱管蒸發段為方形鋁板。
[0022]本發明與現有技術相比具有以下效果:
[0023]本發明的熱管理系統綜合考慮了動力電池在不同工況下的溫度控制，包括常規運行工況(電池發熱量不大且環境溫度適中)和較為惡劣的運行工況(發熱量大、高溫環境或熱管損壞失效)，并結合被動熱控方式及主動熱控方式的優點，提出了一種具有溫度自適應調節能力的熱管理系統，使動力電池工作在較為合理的溫度范圍內，從而保證了電池的安全穩定運行及使用壽命。其中，常規運行工況下，僅依靠相變材料與熱管組合的被動熱控方式，即滿足電池工作在最佳溫度范圍內，單相液體回路不工作；運行工況較為惡劣，動力電池超過設定的高溫閥值時，可編程自動調溫器對電池的高溫做出響應，控制液體回路和電動汽車制冷系統工作，為動力電池降溫。可編程自動調溫器控制水泵的轉速，實現熱管理系統的溫度自適應。此外，被動熱控手段與主動熱控手段的聯合使用使熱管理系統更具靈活性，液體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定運行的缺點，而相變材料和熱管的引入，使動力電池在常規運行工況下無需使用主動熱控，液體回路關閉，節約能源。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是動力電池箱主視剖面圖結構示意圖；
[0025]圖2是熱管的主視圖結構示意圖；
[0026]圖3是動力電池箱俯視剖面圖結構示意圖；
[0027]圖4是冷板流道結構示意圖；
[0028]圖5是單相流體回路工作原理圖；
[0029]圖6是一種具有溫度自適應能力的熱管理系統工作邏輯示意圖；
[0030]圖中:1-單體動力電池，2-冷板，3-翅片，4-熱管，5-相變材料，6-熱管蒸發段，
7-電池卡槽，8-液體流道，9-電池箱頂蓋，10-電池箱外殼，11-管件，12-換熱器，13-水泵，14-可編程自動調溫器，15-溫度傳感器，16-電動汽車的制冷系統。
【具體實施方式】
[0031]下面根據附圖詳細闡述本發明優選的實施方式。
[0032]【具體實施方式】:本實施方式的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統包括動力電池箱，動力電池箱包括電池箱外殼10和電池箱頂蓋9以及動力電池箱內部的電池卡槽7，電池箱頂蓋9和電池箱外殼10配合，電池熱管理系統還包括冷板2、熱管4和熱管蒸發段6 ；
[0033]動力電池箱的中央內嵌有冷板2，多個單體動力電池I安裝在動力電池箱的卡槽7內且分列在冷板2左右兩側，單體動力電池I卡緊在電池卡槽7與冷板2之間，如此，能保證單體動力電池I位置不發生移動，且單體動力電池I與冷板2相鄰的側面與冷板2的側面接觸，如此，熱量可以直接傳到冷板上；單體動力電池I除與冷板2相鄰的側面之外的其余側面上均貼附有熱管蒸發段6，前后相鄰的兩個單體動力電池I相鄰面共用一個熱管蒸發段6，單體動力電池I除與冷板2相鄰的側面之外的其余側面上均鋪設有熱管4，如此，以保證電池的溫度均勻，所述熱管4的下端插在熱管蒸發段6內，熱管4的上端穿出電池箱頂蓋9，熱管4內設有相變工質；在動力電池箱剩余空間內填充相變材料5。
[0034]進一步:所述電池熱管理系統還包括管件11、換熱器12和水泵13，冷板2的外形為長方體，冷板2的內部加工有液體流道8，所述液體流道8為連續彎曲的蛇形流道，使冷板有較高的傳熱效率，蛇形流道的進出口與動力電池箱外部的管件11相連；冷板2與管件11和水泵13共同組成單相液體回路，水泵驅動單相液體回路工作，單相液體回路通過換熱器12與電動汽車的制冷系統16耦合在一起，如此，汽車的制冷系統16充當冷源對動力電池進行冷卻。
[0035]單相液體回路與電動汽車的制冷系統耦合時，只需在電動汽車的制冷系統的管路上加裝換熱器即可，不涉及對制冷系統的其他改進，所述的電動汽車的制冷系統形式可以根據電動汽車的不同而不同。
[0036]進一步:所述電池熱管理系統還包括可編程自動調溫器14和溫度傳感器15，可編程自動調溫器14與水泵13電連接，可編程自動調溫器14用于控制水泵工作，溫度傳感器15分別與單體動力電池I和可編程自動調溫器14電連接，溫度傳感器15用于檢測電池溫度并將溫度信號輸送至可編程自動調溫器14。
[0037]單相液體回路工作時，汽車的制冷系統可由可編程自動調溫器控制開啟或關閉，也可由駕駛員手動開啟或關閉。
[0038]進一步:所述相變材料5為固-液相變材料，相變溫度為20°C?35°C，可選用單一的相變材料，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/石蠟復合相變材料。
[0039]進一步:所述熱管4內的相變工質的相變溫度為20°C?35°C，根據相變溫度選擇相變工質，如氟利昂或戊烷；
[0040]進一步:所述熱管4為鋁合金金屬管，可彎曲以配合動力電池在汽車中的安放位置；
[0041]進一步:所述熱管4的冷凝段和熱管蒸發段6均設置有翅片3。以增大與外部空氣的對流換熱面積。
[0042]進一步:所述熱管蒸發段6與單體動力電池I的接觸面、單體動力電池I與冷板2的接觸面以及冷板2與動力電池箱的接觸面均涂覆導熱介質或加導熱片。
[0043]進一步:所述電池箱頂蓋9與熱管4配合處設有密封圈，電池箱頂蓋9和電池箱外殼10配合處設有密封條。
[0044]進一步:所述單相液體回路內的液態工質為含水95%的乙二醇水溶液，其凝固點為_50°C，也可選擇其他冷卻液。
[0045]進一步:所述熱管蒸發段6為方形鋁板。
[0046]結合圖1至圖6，電池熱管理系統的工作過程如下:
[0047]在常規運行工況下，動力電池發熱并將熱量傳導給相變材料5和熱管，依靠相變材料的儲熱功能以及熱管的散熱功能，動力電池的溫度可維持在最佳的工作溫度范圍內，此時可編程自動調溫器14對此溫度范圍無響應，即單相液體回路不工作。
[0048]當運行工況變得較為惡劣時，僅依靠相變材料5和熱管4已不能維持動力電池的最佳工作溫度，一旦動力電池溫度高于可編程自動調溫器14設定的最高溫度閥值tmax (如40°C)，可編程自動調溫器14做出響應，控制水泵13工作，汽車制冷系統16和液體回路同時工作，液體回路中的液態工質流經冷板2，將動力電池傳給冷板2的熱量帶走，經過換熱器冷卻后，進入下一個換熱循環，直至動力電池溫度降至設定水泵停止工作溫度tmd (如20°C)，水泵停止工作。
[0049]所述可編程自動調溫器所設定的最高溫度閥值tmax與水泵停止工作溫度tmd可根據不同類型的動力電池及客戶需求進行差異性設定。但應保證一定的差值，可避免單相流體回路因頻繁啟動造成相關部件的損壞。
[0050]本發明能實現溫度自適應調節的關鍵在于采用了可編程自動調溫器，在實際運行中，為可編程自動調溫器配置芯片，可編程自動調溫器響應電池溫度，通過編寫程序對單相液體回路的使用與否進行選擇；并通過程序編寫轉速R與電池溫度t的函數關系，函數關系如下，
[0051]R=A(t-tfflax)n
[0052]其中，A和η為系數，可通過試驗測得，tmax為設定的電池最高溫度閥值。可編程溫度控制器據此調節水泵的轉速進而控制液體回路的流量以應對不同的發熱狀況，真正實現了溫度自適應。
[0053]本發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的汽車，包括電動汽車、混合動力汽車等均適用本發明的熱管理控制系統。
[0054]本發明真正實現了對電動汽車動力電池合理全面的熱管理控制，綜合考慮、節能環保，運用簡單的自動化控制，實現了一種具有溫度自適應能力的熱管理系統，其可行性和前景十分可觀。
[0055]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】
1.一種具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，包括動力電池箱，動力電池箱包括電池箱外殼(10)和電池箱頂蓋(9)以及動力電池箱內部的電池卡槽(7)，電池箱頂蓋(9)和電池箱外殼(10)配合，其特征在于:電池熱管理系統還包括冷板(2)、熱管(4)和熱管蒸發段(6)； 動力電池箱的中央內嵌有冷板(2)，多個單體動力電池(1)安裝在動力電池箱的卡槽(7 )內且分列在冷板(2 )左右兩側，單體動力電池(1)卡緊在電池卡槽(7 )與冷板(2 )之間，且單體動力電池(1)與冷板(2 )相鄰的側面與冷板(2 )的側面接觸；單體動力電池(1)除與冷板(2)相鄰的側面之外的其余側面上均貼附有熱管蒸發段(6)，前后相鄰的兩個單體動力電池(1)相鄰面共用一個熱管蒸發段(6)，單體動力電池(1)除與冷板(2)相鄰的側面之外的其余側面上均鋪設有熱管(4 )，所述熱管(4 )的下端插在熱管蒸發段(6 )內，熱管(4 )的上端穿出電池箱頂蓋(9)，熱管(4)內設有相變工質；在動力電池箱剩余空間內填充相變材料(5)； 所述電池熱管理系統還包括單相液體回路，具體包括管件(11)、換熱器(12)和水泵(13),冷板(2)的外形為長方體,冷板(2)的內部加工有液體流道(8),所述液體流道(8)為連續彎曲的蛇形流道，蛇形流道的進出口與動力電池箱外部的管件(11)相連；單相液體回路通過換熱器(12)與電動汽車的制冷系統(16)耦合在一起； 所述電池熱管理系統還包括可編程自動調溫器(14)和溫度傳感器(15)，可編程自動調溫器(14)與水泵(13)電連接，可編程自動調溫器(14)用于控制水泵工作，溫度傳感器(15)的探頭貼附在單體動力電池(1)上，并與可編程自動調溫器(14)電連接，溫度傳感器(15)用于檢測電池溫度并將溫度信號輸送至可編程自動調溫器(14)。
2.根據權利要求1所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述相變材料(5)為固-液相變材料，相變溫度為20°C~35°C，所述相變材料(5)為石蠟或硝酸鋰三水化合物。
3.根據權利要求1所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述相變材料(5)為固-液相變材料，相變溫度為20°C~35°C，所述相變材料(5)為泡沫銅/石蠟復合相變材料或石墨/石蠟復合相變材料。
4.根據權利要求1所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述熱管(4)內的相變工質的相變溫度為20°C~35°C，相變工質為氟利昂或戊烷。
5.根據權利要求1所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述熱管(4)為鋁合金金屬管。
6.根據權利要求5所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述熱管(4)的冷凝段和熱管蒸發段(6)均設置有翅片(3)。
7.根據權利要求1所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述熱管蒸發段(6)與單體動力電池(1)的接觸面、單體動力電池(1)與冷板(2)的接觸面以及冷板(2)與動力電池箱的接觸面均涂覆導熱介質或加導熱片。
8.根據權利要求7所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述電池箱頂蓋(9)與熱管(4)配合處設有密封圈，電池箱頂蓋(9)和電池箱外殼(10)配合處設有密封條。
9.根據權利要求8所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述單相液體回路內的液態工質為含水95%的乙二醇水溶液，其凝固點為-50°C。
10.根據權利要求9所述的具有溫度自適應功能的熱管與單相液體回路耦合換熱的電池熱管理系統，其特征在于:所述熱管蒸發段(6)為方形鋁板。
【文檔編號】H01M10/625GK103928728SQ201410161464
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】王成安, 劉福東, 馬蘭新, 王程超, 譚建宇, 王富強 申請人:哈爾濱工業大學（威海）