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CN108847511A - 一种基于电池模组的一体化换热结构 - Google Patents

一种基于电池模组的一体化换热结构 Download PDF

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Abstract

一种基于电池模组的一体化换热结构，含有冷板和至少一块分离式平板热管。冷板布置在电池模组下方；热管蒸发段紧贴于电池模组的两侧，通过热管弯折段和热管连接件与热管冷凝段连接；平面为平行四边形的热管冷凝段布置在冷板内部，使相邻热管冷凝段之间以及热管冷凝段与冷板侧壁面之间形成双流向的叶脉式流道，中心线两侧流体流向相反，流道中增加微型扰流片或微型凹槽。本发明采用平板热管与冷板技术相组合的结构设计，使热管冷凝段与冷板成为一体，不仅能实现高效散热，降低电池工作温度，提升电池模组均温性，且其体积小、结构紧凑，有效克服了传统热管冷却方式中热管散热能力上下游不一致所带来的电池均温性差的技术缺陷。

Description

一种基于电池模组的一体化换热结构
技术领域
本发明涉及一种电池模组的一体化换热结构，属于电池热管理与传热技术领域。
背景技术
高温强化散热与低温快速加热是动力电池热管理研究的重点，其中电池的强化传热研究是前沿与热点。目前研究方法主要有基于相变过程的相变材料(PCM)、热管的导热与基于风冷、液冷的散热。相变材料PCM或热管结构可显著强化电池的导热，实现均温。PCM利用其潜热吸收电池产生的热量，通过PCM的制备或增加泡沫金属、石墨等材料提高其导热性能，但存在泄露、潜热量不足等缺陷。热管导热能力强、温度均衡性好，常用热管有重力热管、烧结热管、脉动热管等，新型结构还有微通道热管、平板热管、回路热管等。以空气或液体为冷却介质的风冷、液冷散热，是目前商用电池模组实现散热的两种主要方式。风冷分为自然对流和强制冷却两种方式，但是散热与均温效果不佳，特别是在电池模组大倍率、大功率充放电情况下。液冷分为直接冷却和间接冷却，直接冷却将电池模组浸没在绝缘液体中实现热量传递而间接冷却通过冷却液在液冷板流道中流通与电池模组实现对流换热。由于液体对流换系数高于气体对流换热系数，实际液冷效果优于风冷，目前已成为主流趋势，但是液冷散热方式下电池模组的均温性较差。随着电池能量密度的提升以及电池大倍率充放电的需要，仅采用单一散热方式难以实现高效散热，特别是应对极端条件下的剧烈生热情况。研究表明，通过热管导热与液冷板集中散热的组合能够实现更为有效的电池散热，这种集中导热、梯度散热的换热结构设计能够有效降低电池工作温度，提升电池模组均温性。
目前热管与液冷技术组合散热的结构设计仍处于研究阶段，众多实验与仿真的结构基础基于若干带翅片的圆柱热管将电池产热导入液冷通道，两者为独立部件且单向液冷通道的结合，热管冷凝段与冷却液体换热不充分，为增强冷凝段换热，需加大冷却流量而使得液冷通道体积较大，且下游液体由于温度较高而对下游热管的散热能力明显低于上游热管，使热管之间的均温性较差。
发明内容
本发明旨在提出一种基于电池模组的一体化换热结构，将分离式平板热管与冷板相结合，实现快速散热和均温效果。
本发明的技术方案如下：
一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，该换热结构含有冷板和至少一块分离式平板热管，冷板布置在电池模组下方；热管蒸发段紧贴于电池模组的两侧；热管冷凝段布置在冷板内部，使相邻热管冷凝段之间以及热管冷凝段与冷板侧壁面之间形成一体化的流体通道结构。
优选的，每块热管蒸发段和热管冷凝段之间设有热管弯折段，热管弯折段的一端通过热管连接件与热管蒸发段相连；另一端与热管冷凝段固定连接。
优选地，在热管蒸发段与热管弯折段中间增加绝热段。
优选地，热管冷凝段的厚度与冷板厚度相同，为毫米量级，其垂直于厚度方向上的薄平面为平行四边形。
优选地，所述冷板中的流体通道呈双流向的叶脉式流道；该叶脉式流道由多块热管冷凝段以冷板平面长度方向的中心线对称布置而成；对称线同一侧的热管冷凝段均匀间隔布置；相邻热管冷凝段之间以及热管冷凝段与冷板侧壁面之间形成一体化的流体通道。
优选地，所述冷板内的流体通道为微型通道，流体通道中布置有微型扰流片和微型凹槽中的一种或两种。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：
本发明采用平板热管与冷板技术相组合的结构设计，使热管冷凝段与冷板成为一体，体积小，结构紧凑，换热能力强。采用的微通道平板热管与微流道设计能够实现微尺度下的流动换热效果，具有更高的换热系数和更轻的系统质量，且相变换热的换热系数具有高于单相换热的换热系数若干数量级的优势。
热管冷凝段与冷板一体化形成流体通道的设计将热管高效导热能力与冷板冷却能力相结合，实现集中导热和梯度换热，不仅能够实现高效散热，降低电池工作温度，还能提升电池模组的均温性。冷板中心线两侧的流体流向相反，中心线各有流体进口与出口，与单向流动的流体形成的下游温度逐渐升高的现象相比，能够保证冷板与电池模组的两端均温性；倾斜的流道设计有助于减小流体流动阻力，便于流体流通；流道中增设的微型扰流片或微型凹槽有助于破坏流体与流道壁面的热边界层厚度，强化换热。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于电池模组的一体化换热结构的外形图。
图2为平板热管与冷板的连接结构示意图。
图3a、图3b为冷板平面内部结构示意图，其中图3a为图2的A-A断面图；图3b为图2的B-B断面图。
图4为带有微型扰流片和微型凹槽的流体通道的结构示意图。
图中：1-电池模组；2-热管蒸发段；3-热管连接件；4-热管弯折段；5-热管冷凝段；6-冷板；7-流体通道；7a-流体进口；7b-流体出口；8-微型扰流片；9-微型凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：
图1为本发明提供的一种基于电池模组的一体化换热结构的外形图，该一体化换热结构含有冷板6和至少一块分离式平板热管，冷板布置在电池模组1的下方；每块分离式平板热管由热管蒸发段2、热管弯折段4和热管冷凝段5组成，其厚度薄至毫米，材料为铝或铜，管内含有吸液芯和相变介质，其工作能力不受重力或热管倾斜的影响，具有微尺度下的换热强化和平板均温效果。分离式平板热管还可在其蒸发段与弯折段中间增加绝热段，以满足电池模组热管理系统长距离导热需求。热管蒸发段2紧贴于电池模组1的两侧，热管冷凝段5布置在冷板6内部。热管弯折段4的一端通过热管连接件3与热管蒸发段2相连，以便于拆卸和维护方便，热管弯折段的另一端与热管冷凝段5固定连接；热管弯折段4有助于热管与冷板一体化结构的灵活布置，热管冷凝段布置在冷板内部形成一体化的流体通道7，有助于减小换热系统的体积。
如图2所示，冷板布置在电池模组下方，其内流体通道为微型通道，厚度为毫米量级，通过流体进、出口实现流体流动循环。当电池模组在充放电过程中产生热量时，分离式平板热管内的相变介质在蒸发段受热蒸发，在热管管内沿管路流过弯折段后到达冷凝段，遇冷凝结，将热量传递给冷板中的冷却流体，实现热量交，换冷凝后的液体受吸液芯的毛细力驱动回流至蒸发段；热量最终由冷却流体带离电池模组，实现高效散热和均温效果。
热管冷凝段5属于冷板内部结构(图2中用虚线表示)，与流体通道一同组成冷板的主要结构；冷凝段垂直于厚度方向上的薄平面为平行四边形，由此形成了相邻热管冷凝段之间的流道与冷板中心线夹角倾斜的特征，有助于减小流体在冷板流道中的流动阻力；冷却流体通过流体进口7a、流体出口7b在冷板中实现流动循环。
图3a为图2的A-A断面图，该图表示出了热管蒸发段2、热管冷凝段5和热管弯折段4之间的连接关系，以及冷板6与热管冷凝段5形成的一体化流体通道的结构关系。
图3b为图2的B-B断面图，即冷板内部结构示意图，同时示意了冷板流体通道内的流体流动。从图中可以看出，冷板中的流体通道7呈双流向的叶脉式流道，该叶脉式流道由多块热管冷凝段以冷板平面长度方向的中心线对称布置而成；中心线同一侧的热管冷凝段均匀间隔布置；相邻热管冷凝段之间以及热管冷凝段与冷板侧壁面之间形成流体通道。热管冷凝段在垂直于厚度方向上的薄平面优选采用平行四边形结构，由此形成了相邻热管冷凝段之间的流道与冷板中心线夹角倾斜的特征，有助于减小流体在冷板流道中的流动阻力。冷板的冷却流体可以为单相气体、单相冷却液或两相流体。流体分别从对称线两侧的流体进口7a双向流入，在流道中分叉、汇合，与热管冷凝段壁面进行微尺度下的流动换热，对热管冷凝段进行散热，携带热量的流体温度升高后由流体出口7b流出；冷板中心线两侧的流体流向是对称相反的，从而避免了冷板内的不同位置上的热管冷凝段温度不一致的情况，实现了冷板整体的均温效果。
图4为带有微型扰流片和微型凹槽的流体通道的结构示意图，冷板内的流体通道7为微型通道，流体通道中既可间隔布置微型扰流片8，也可以间隔布置微型凹槽9，或两者同时布置，以破坏流体与热管冷凝段进行对流换热时的壁面热边界层，对流动进行扰动从而实现强化换热的效果。

Claims (6)

1.一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，该换热结构含有冷板和至少一块分离式平板热管，冷板(6)布置在电池模组下方；热管蒸发段(2)紧贴于电池模组(1)的两侧；热管冷凝段(5)布置在冷板(6)内部，使相邻热管冷凝段之间以及热管冷凝段与冷板侧壁面之间形成一体化的流体通道(7)结构。
2.按照权利要求1所述的一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，每块分离式平板热管中的热管蒸发段(2)和热管冷凝段(5)之间设有热管弯折段(4)，热管弯折段(4)的一端通过热管连接件(3)与热管蒸发段(2)相连；另一端与热管冷凝段(5)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，在热管蒸发段(2)与热管弯折段(4)之间设有绝热段。
4.根据权利要求1所述的一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，热管冷凝段(5)的厚度与冷板厚度相同，为毫米量级，其垂直于厚度方向的薄平面为平行四边形。
5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，所述冷板中的流体通道(7)呈双流向的叶脉式流道；该叶脉式流道由多块热管冷凝段以冷板平面长度方向的中心线对称布置而成；中心线同一侧的热管冷凝段均匀间隔布置；相邻热管冷凝段之间以及热管冷凝段与冷板侧壁面之间形成流体通道；中心线两侧流体流向相反。
6.根据权利要求5所述的一种基于电池模组的一体化换热结构，其特征在于，所述冷板内的流体通道(7)为微型通道，流体通道中布置有微型扰流片(8)和微型凹槽(9)中的一种或两种。
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