一种六边形结构的复合电池热管理系统

技术领域

本发明一种电池热管理技术领域，具体涉及一种六边形结构的复合电池热管理系统。

背景技术

传统的燃油汽车不仅会消耗大量的石油资源，而且汽车尾气也是造成环境污染的主要原因，在化石燃料紧缺，环境恶化的背景下，世界各国都开始大力推广无污染的新能源电动汽车，随着新能源电动汽车的快速发展，作为新能源电动汽车核心部件的动力电池也得到了广泛的应用，但是由于动力电池在充放电时的化学反应只能在一定的范围内进行，所以其需要较为严苛的工作温度条件，因此，设计一种高效的电池热管理系统迫在眉睫。

目前，基于液冷和风冷的传统电池热管理方法已经得到了较为完善的发展，技术相对成熟，但当电池组处于在高倍率放电或者高温环境的工况时，这两种电池热管理系统很难独立的对电池组进行散热，同时液冷会在一定程度上加剧电池组内部温度不均匀，另外，基于风冷和液冷的电池热管理方式均只能对电池组进行散热而不能对电池组进行预热。

基于相变和热电制冷的新型电池热管理方法近年来开始被大力发展，基于相变的电池热管理方法充分运用了相变材料的潜热特性，不需要额外的能量消耗就可以完成对电池组的热管理，但相变材料的传热性能较差，在相变材料中添加翅片、膨胀石墨及泡沫金属等方式可以很好的提高相变材料的导热性能，但相变材料的潜热也将会随之减少，基于相变的电池热管理方式大多只考虑提高相变材料的导热系数以更好的对电池组进行散热，鲜有研究人员考虑使用低导热相变材料来隔绝密集分布的电池可能发生的热失控现象。

基于热电制冷的电池热管理方式利用了热电元件的帕尔贴效应，即通入电流后热电元件一端吸热另一端放热，而转换电流方向吸热端和放热端也会随之转换，该特性极大的方便了电池热管理，可以轻松实现电池组的散热和预热要求，但会在一定程度上会导致电池组模块温度分布不均匀，所以需要同其他方法进行配合共同完成电池的热管理。

发明内容

为解决常规电池热管理系统散热效率低、未考虑对电池发生热失控的阻隔和只能对电池组进行散热而不能进行预热的问题。本发明提供一种六边形结构的复合电池热管理系统，该系统将被动电池热管理的相变与主动电池热管理的液冷、热电元件相耦合，既能满足电池组模块的散热要求，同时也能满足电池组的预热要求。

本发明采取的技术方案为：

一种六边形结构的复合电池热管理系统，该系统包括：

电池组模块、第一电池组支撑模块，第二电池组支撑模块，热电模块，第一液冷模块，第二液冷模块，中心部署模块；

所述第一电池组支撑模块为密闭且内部中空的六边形结构，其上分布有与电池单元大小相匹配的第一孔洞，电池组模块中的一部分电池单元紧密嵌入第一孔洞中，第一电池组支撑模块内部中空部分填充有第一相变材料；

所述第二电池组支撑模块为密闭且内部中空的六边形结构，其上分布有与电池单元大小相匹配的第二孔洞，电池组模块中的另一部分电池单元紧密嵌入第二孔洞中；第一电池组支撑模块放置在第二电池组支撑模块内部中空部分中，第二电池组支撑模块的内部中空部分填充有第二相变材料；

所述第二电池组支撑模块外壁贴附有热电模块；

所述第一液冷模块包含第一循环泵、内部充满冷却介质的第一液冷板；所述第二液冷模块包含第二循环泵、内部充满冷却介质的第二液冷板；第一循环泵、第二循环泵分别连接第一液冷板、第二液冷板，用于将冷却介质泵入到液冷板中；

所述第一液冷板放置于第一电池组支撑模块和第二电池组支撑模块的夹层中，第二液冷板将外壁贴附有热电模块的第二电池组支撑模块紧密包围起来；

所述中心部署模块连接电池组模块，中心部署模块连接电源模块，电源模块分别连接热电模块、第一液冷模块、第二液冷模块。

所述第一电池组支撑模块、第二电池组支撑模块均为铝制的、密闭且内部中空的六边形结构，其上分布有与电池单元大小相匹配的圆柱形孔洞，第二电池组支撑模块的内部中空部分也为六边形结构，其尺寸刚好能够将第一液冷板和第一电池组支撑模块紧密叠放其中。

所述热电模块由六块尺寸大小相同的热电元件所组成，热电元件的尺寸与第二电池组支撑模块外壁各面的尺寸相同，六个热电元件分别紧密贴附于第二电池组支撑模块外壁的六个面上。

所述热电元件包括上陶瓷导热板、下陶瓷导热板、PN半导体部件，其中，上陶瓷导热板紧贴于第二电池组支撑模块的外壁各面上，下陶瓷导热板紧贴于第二液冷板的内壁各面上，PN半导体部件分布于上陶瓷导热板和下陶瓷导热板之间。

所述第一液冷板、第二液冷板均为铝制密闭中空的六边形结构板，两液冷板上均设置有两个入水口和一个出水口，其中，两个入水口均设置在液冷板正上方的两上侧边处，出水口均设置在液冷板正上方的下边处。

所述第一循环泵、第二循环泵均连接恒温箱，用于使冷却介质的温度保持在一定范围内。

所述第一电池组支撑模块与电池组模块的各电池单元之间、第二电池组支撑模块与电池组模块的各电池单元之间、第一、第二电池组支撑模块与第一液冷板之间、第二电池组支撑模块和热电模块之间、热电模块和第二液冷板之间的接触面均设有导热硅脂，以消除各接触面之间的空气间隙，减小接触热阻，增大传热效率。

所述中心部署模块包括第一温度监控单元、第二温度监控单元、控制单元，第一温度监控单元由设置在第一电池组支撑模块中各电池单元的多个温度传感器组成，第二温度监控单元由设置在第二电池组支撑模块中各电池单元的多个温度传感器组成，控制单元分别连接第一温度监控单元、第二温度监控单元，控制单元对接收到的第一温度监控单元和第二温度监控单元的各温度传感器所采集的温度进行下一步处理。

所述第一温度监控单元和第二温度监控单元均以一定的时间步长△t将测量的各电池温度上传到控制单元，控制单元通过预设程序对第一、第二温度监控单元的温度进行处理并进行判断得到判断信号，电源模块接收判断信号后执行命令，调整通入第一循环泵、第二循环泵和热电模块的供电电流大小、以及通入热电模块的供电电流方向。

通过中心部署模块辅助电源模块分别完成热电模块、第一液冷模块和第二液冷模块多种工作模式的相互切换：考虑热电模块主要对第二电池组支撑模块中的电池进行热管理，而第一液冷模块主要对第一电池组支撑模块中的电池进行热管理，故使用温度平均加权法来平衡这种关系，控制单元接收到第一温度监控单元和第二温度监控单元上传的温度之后分别求取温度平均值并记为T

对于热电模块，第一温度监控单元的温度平均值T

对于第一液冷模块，第一温度监控单元的温度平均值T

所述热电模块有冷却、停止和加热三种工作模式，控制单元根据预订的程序对加权温度T

1)当加权温度T

2)当加权温度T

3)当加权温度T

所述第一液冷模块包含高功率和低功率两种工作模式，第一循环泵将冷却介质保持在一定温度范围并将其泵入到第一液冷板中：

①：当加权温度T

②：当加权温度T

所述第二液冷模块包含停止和启动两种工作模式，两种工作模式与热电模块的工作模式紧密相关，当热电模块在冷却和加热模式下工作时，电源模块向第二循环泵中通入电流，第二液冷模块开始工作，将冷却介质泵入第二液冷板，满足热电模块在冷却模式工作时的散热要求和在加热模式工作时的保温要求；当热电模块停止工作时，第二液冷模块也停止工作，以减少不必要的能量损耗。

本发明一种六边形结构的复合电池热管理系统，技术效果如下：

1)本发明将被动电池热管理系统的相变与主动电池热管理系统的液冷、热电元件相耦合，通过改变通入热电模块中电流的方向即可改变热电元件冷热端的切换，进而可以同时满足电池组的散热和预热要求，另外，考虑到电池热失控的影响，在两个电池组支撑模块内部分别使用不同导热性能的相变材料进行填充，实现了电池热管理系统在对电池组散热和阻挡热失控两者之间的平衡。

2)本发明在第一电池组支撑模块和第二电池组支撑模块内部填充不同的相变材料，考虑到第一电池组支撑模块内的电池分布更为密集，容易出现热失控现象，所以使用较低导热性的相变材料填充，对电池进行散热的同时也阻止热失控现象的扩散，而第二电池组支撑模块内的电池分布相对松散，所以使用高导热性的相变材料填充，使热电模块可以很好地对整体的电池组模块进行热管理。

3)本发明的电池热管理系统的两个液冷模块和热电模块均具有多种工作模式，考虑到热电模块和第一液冷模块对于两个电池组支撑模块内电池热管理的影响不同，本发明使用温度平均加权法来平衡这种关系，当热电模块在加热或冷却模式下工作时，第二液冷模块开始工作对热电模块进行保温或散热处理，热电模块停工时第二液冷模块也停止工作，同时，第一液冷模块根据电池组的温度执行高功率和低功率两种工作模式，最大可能的减少了能耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种新型六边形结构的复合电池热管理系统示意图。

图2为本发明电池热管理系统的第一电池组支撑模块示意图。

图3为本发明电池热管理系统的第二电池组支撑模块示意图。

图4为本发明电池热管理系统的第一液冷板示意图。

图5为本发明电池热管理系统的第二液冷板示意图。

图6为本发明电池热管理系统的电池组模块、第一电池组支撑模块、第二电池组支撑模块、热电模块、第一液冷模块及第二液冷模块组合的上视示意图。

图7为图6标注A放大后的细节示意图。

图8为本发明电池热管理系统的电池组模块、第一电池组支撑模块、第二电池组支撑模块、热电模块、第一液冷模块及第二液冷模块组合的前视示意图。

图9为本发明电池热管理系统中心部署模块的控制方法流程图。

其中：

1.电池组模块、2.第一电池组支撑模块、3.第二电池组支撑模块、4.热电模块、5.第一液冷模块、6.第二液冷模块、7.中心部署模块、8.电源模块，

201.第一相变材料、202.导热硅脂，

301.第二相变材料，

401.上陶瓷导热板、402.下陶瓷导热板、403.PN半导体部件，

501.第一液冷板、502.第一循环泵，

601.第二液冷板、602.第二循环泵，

701.第一温度监控单元、702.第二温度监控单元、703.控制单元。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种新型六边形结构的复合电池热管理系统示意图，包括：电池组模块1、第一电池组支撑模块2、第二电池组支撑模块3、热电模块4、第一液冷模块5、第二液冷模块6、中心部署模块7、电源模块8。

如图2所示，为本发明电池热管理系统的第一电池组支撑模块2示意图，所述第一电池组支撑模块2为铝制密闭中空的六边形结构，其上分布有与电池大小相匹配的圆柱形孔洞，电池组模块1中的部分电池单元紧密嵌入其中，内部的中空部分使用第一相变材料201进行填充。

如图3所示，为本发明电池热管理系统的第二电池组支撑模块3示意图，所述第二电池组支撑模块3为中间空心的铝制密闭且内部中空的六边形结构，其上均匀分布有与电池组模块1中各电池单元大小相匹配的圆柱形孔洞，电池组模块1中的另一部分电池紧密嵌入其中，内部的中空部分使用第二相变材料301进行填充，中间空心部分也为六边形结构，其尺寸刚好可以将第一液冷板501和第一电池组支撑模块2紧密叠放其中。

如图6、图7所示，所述热电模块4由六块尺寸大小相同的热电元件所组成，热电元件的尺寸与第二电池组支撑模块3外壁各面的尺寸相同，六个热电元件分别紧密贴附于第二电池组支撑模块3外壁的六个面上。热电元件由上陶瓷导热板401、下陶瓷导热板402及PN半导体部件403组成，上陶瓷导热板401紧贴于第二电池组支撑模块3的外壁各面上，下陶瓷导热板402紧贴于第二液冷板601的内壁各面上，热电元件通入正向电流时，上陶瓷导热板401的温度开始降低成为制冷端，下陶瓷导热板402的温度开始升高成为制热端，热电元件通入反向电流时，上陶瓷导热板401的温度开始升高成为制热端，下陶瓷导热板402的温度开始降低成为制冷端。

如图1所示，本实施例的第一液冷模块5由内部充满冷却介质的第一液冷板501、第一循环泵502组成，第二液冷模块6由第二液冷板601、第二循环泵602组成。如图4、图5所示，分别本发明电池热管理系统的第一液冷板501、第二液冷板示601结构示意图，其中，第一液冷板501和第二液冷板601均为铝制密闭中空的六边形结构板，两液冷板上均设置有两个入水口和一个出水口，其中，两个入水口均设置在液冷板正上方的两上侧边处，出水口均设置在液冷板正上方的下边处。

如图1、图6所示，所述第一液冷板501紧密放置于第一电池组支撑模块2和第二电池组支撑模块3的夹层中，第二液冷板601将外壁贴附有热电模块4的第二电池组支撑模块3紧密包围起来，第一循环泵502和第二循环泵602将冷却介质分别泵入到第一液冷板501和第二液冷板502中，第一循环泵502和第二循环泵602中均包含有恒温水箱以使冷却介质的温度保持在一定范围内。

本实施例的第一、第二电池组支撑模块与电池组模块1的各电池之间、第一、第二电池组支撑模块与第一液冷板501之间、第二电池组支撑模块3和热电模块4之间、热电模块4和第二液冷板601之间的接触面均使用一层导热硅脂202，以消除各接触面之间的空气间隙，减小接触热阻，增大传热效率。

如图1所示，中心部署模块7由第一温度监控单元701、第二温度监控单元702及控制单元703组成，其中，第一温度监控单元701由第一电池组支撑模块2中各电池单元正上方中心处的温度传感器组成，第二温度监控单元702由第二电池组支撑模块3中各电池单元正上方中心处的温度传感器组成，控制单元703对接收到的第一温度监控单元701和第二温度监控单元702的各温度传感器所采集的温度进行下一步处理。

本实施例的第一温度监控单元701和第二温度监控单元702均以一定的时间步长△t将测量的各电池温度上传到控制单元703，控制单元703通过预设程序对第一、第二温度监控单元的温度进行处理并进行判断得到判断信号，电源模块8接收判断信号后执行命令，调整通入第一循环水泵502、第二循环水泵602和热电模块4的供电电流大小及通入热电模块4的供电电流方向。

本实施例的电池热管理系统通过中心部署模块7辅助电源模块8分别完成热电模块4、第一液冷模块5和第二液冷模块6多种工作模式的相互切换，考虑热电模块4主要对第二电池组支撑模块3中的电池进行热管理，而第一液冷模块501主要对第一电池组支撑模块2中的电池进行热管理，故使用平均温度加权法来平衡这种关系，如图9所示，控制单元703接收到第一温度监控单元701和第二温度监控单元702上传的温度之后分别求取温度平均值并记为T

对于热电模块4，第一温度监控单元701的温度平均值T

对于第一液冷模块5，第一温度监控单元701的温度平均值T

如图9所示，所述热电模块4有冷却、停止和加热三种工作模式，控制单元703根据预订的程序对加权温度T

1)：当加权温度T

2)：当加权温度T

3)：当加权温度T

进一步的，所述第一液冷模块5拥有高功率和低功率两种工作模式，第一循环水泵502将冷却介质保持在一定温度范围并将其泵入到第一液冷板501中：

①、当加权温度T

②、当加权温度T

所述第二液冷模块6拥有停止和启动两种工作模式，如图9所示，两种工作模式与热电模块4的工作模式紧密相关，当热电模块4在制冷和制热模式下工作时，电源模块8向第二循环泵602中通入电流，第二液冷模块6开始工作，将冷却介质泵入第二液冷板601，满足热电模块4在制冷模式工作时的散热要求和在制热模式工作时的保温要求；当热电模块4停止工作时，第二液冷模块6也停止工作，以减少不必要的能量损耗。

本发明所述六边形结构的电池热管理系统内部的第一电池组支撑模块2内的电池分布相对更加紧密，单体电池发热情况较为严重，更容易引起电池热失控现象，所以第一电池组支撑模块2内部填充的第一相变材料201可以是但不仅限于纯石蜡或添加少量翅片、泡沫金属或膨胀石墨的低导热相变材料，低导热相变材料201作为散热介质也作为单体电池之间热失控的阻隔墙。

本发明所述六边形结构的电池热管理系统外部的第二电池组支撑模块3内的电池分布相对更加松散，单体电池发热情况相对易控，所以第二电池组支撑模块3内部填充的第二相变材料301可以是但不仅限于在石蜡材料中添加翅片、泡沫金属或膨胀石墨制成的高导热相变材料，以提高对第二电池组支撑模块3中的电池进行散热和预热的效率，同时也能够将热电模块4的制冷或制热量以较高的导热速率传递到第一液冷板501。

如图2所示，本发明所述第一液冷板501紧密放置于第一电池组支撑模块2和第二电池组支撑模块3的夹层中，将第一、第二电池组支撑模块隔离开来，在对电池组模块1进行散热和预热的同时也作为单体电池热失控的阻隔墙，有效提高了电池组模块1的温度均匀性。