一种基于PCM吸热板散热的动力电池模组

技术领域

本发明涉及动力电池散热领域，尤其涉及到一种基于PCM吸热板散热的动力电池模组。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

因此，有必要对这样一种结构进行改善，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PCM吸热板散热的动力电池模组，采用多开孔PCM吸热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，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，在吸热板底板和顶板加工了独特的套筒结构强化传热，顶板套筒和底板套筒沿着流动方向通过顶板套筒连接板以及底板套筒连接板连接。不仅起到固定电池的作用，避免电池在运行中移位，而且增大了电池与吸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。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于PCM吸热板散热的动力电池模组，包括

电池组，所述电池组为若干阵列式排布的圆柱形电池；

PCM吸热板，所述PCM吸热板内部填充PCM复合导热多孔结构，其上设置有若干中空套筒，中空套筒内置圆柱形电池；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PCM吸热板上，多个圆柱形电池通过中空套筒间隔安装在PCM吸热板上，圆柱形电池和中空套筒之间微小缝隙填充导热硅胶以降低接触热阻，提升导热性能。

加热条，所述加热条成条状，设置在PCM吸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。

引流风扇，所述引流风扇设置在PCM吸热板的侧方，其用于对电池组和PCM吸热板进行风冷散热。

进一步的，所述吸热顶板和吸热底板构成中空腔，在中空腔内灌注有PCM相变材料，在所述吸热顶板上设有若干顶板套筒，在所述吸热底板上设有若干底板套筒，导热多孔结构设有若干中间套筒，顶板套筒、底板套筒和中间套筒对应设置，且构成用于安装圆柱形电池的套筒结构；

所述吸热顶板上的顶板套筒沿风冷流动方向通过上连接板相互连接，吸热底板上的底板套筒沿风冷流动方向通过下连接板相互连接；所述上连接板和下连接板用于增强圆柱形电池之间的导热；

所述吸热顶板上设有注液管，所述注液管用于往中空腔内灌注PCM相变材料以及维修和散热；在吸热顶板上设有排气孔，所述排气孔用于注液过程中吸热板内部排气；在所述吸热底板上设有与吸热顶板上排气孔对应的排气盲孔，所述排气盲孔用于注液完成后，通过与螺帽的连接，完成顶板套筒、导热多孔结构和吸热底板的密封与加固。

进一步的，所述顶板套筒和底板套筒呈直列排列分布于吸热顶板和吸热底板上；或

所述顶板套筒和底板套筒呈交错排列分布于吸热顶板和吸热底板上。

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。

进一步的，所述上游套筒与下游套筒之间具有套筒连接板、尾部套筒或者布置相连接加长翅片，或者在尾部套筒之间间隙布置非连接翅片，进一步加大散热面积，提高电池散热能力。所述的非连接翅片比连接套筒的加长翅片获得更低的温差。

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吸热板的导热能力，降低下游电池温度水平，提高电池模组均温性能。

进一步的，所述导热多孔结构包括由吸热顶板和吸热底板构成的若干中空腔，中空腔的内部布置导热多孔结构，并在其中灌注液态PCM相变材料。

进一步的，所述PCM为有机石蜡等相变材料；所述吸热顶板、吸热底板的材料为铝合金。

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。

进一步的，所述吸热顶板和吸热底板真空钎焊工艺连接。

进一步的，所述吸热底板套筒具有加大表面焊接扩展面，通过底部切削工艺实现，和吸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。

进一步的，所述吸热板的顶部和底部设置散热翅片，以提高吸热板的散热性能。

进一步的，所述注液孔位置可以放在边缘、中间或者四角，所述吸热板排气孔尽量放在容易形成流动死区的四角，远离注液孔位置，以利于气泡排除，避免嵌入空气气泡而影响吸热性能。

进一步的，所述吸热板的排气孔最后由螺帽进行密封，并且由于吸热底板排气盲孔的作用，螺帽同时起到了加固顶板与底板连接的作用。

进一步的，所述的吸热板套筒之间增加连接板，增强电池之间的导热，使电池模组的温度更加均匀一致。

所述PCM吸热板的外表面通过阳极氧化形成绝缘防腐耐热层。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一，采用PCM吸热板，内置PCM相变材料复合高空度多孔导热结构，中间开口间隔安装电池，和单纯金属热扩散板相比，在减轻重量同时增强了吸热能力，或者在同样重量与同样模组外廓尺寸下填充更多PCM以进一步提高吸热能力，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。并且，在吸热板底板和顶板均加工了套筒结构强化传热，顶板套筒和底板套筒沿着流动方向通过套筒连接板连接，不仅起到固定电池、稳定结构的作用，而且增大了电池与吸热板之间的接触面积，增强了电池向吸热板的传热速率。同时电池组的温差减小，均温性能也进一步改善。

其二，电池组一端的引流风扇工作可以根据工况打开，对PCM吸热板进行强制对流换热，同时加大了下游吸热板套筒高度，套筒之间、套筒与尾部翅片相连，利用PCM吸热板的高效吸热与翅片散热的协同效应，使得电池组最高温度与温差进一步下降，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。

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，PCM熔化也不会泄露。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。

其四，在PCM吸热板底部设置加热条，加热时通过PCM吸热板的均温效应，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

图1为本发明的电池模组总装结构示意图(直列顺排)。

图2为本发明中PCM吸热板结构爆炸图(直列顺排)。

图3a为本发明中PCM吸热板的俯视图(直列顺排)。

图3b为本发明中PCM吸热板的剖视图(直列顺排)。

图4为本发明中PCM吸热板A-A侧面剖视图(直列顺排)。

图5为本发明中中空腔PCM注液流动图(直列顺排，忽略套筒连接板以便于展示)。

图6为本发明中吸热板加热条示意图(直列顺排)。

图7为本发明中电池模组总装结构俯视图(交错)。

图8为本发明的电池模组总装结构示意图(交错)。

图9为本发明单面翅片风扇冷却工作示意图(直列顺排)。

图10为本发明上下双面翅片风扇冷却工作示意图(直列顺排、下游套筒加高)

图11为进风温度32oC本发明保持与金属板同体积的PCM吸热板、顶板尾部套筒间隙翅片，在电池3C(3倍倍率)放电结束时的电池温度云图。

图12为本发明进风温度32oC，保持与金属板同重量，加厚PCM吸热板(PCM厚度由4mm增至7mm)、顶板尾部套筒间隙翅片，在电池3C(3倍倍率)放电结束时的电池温度云图。

图中标记：1、电池组；2、PCM吸热板(直列顺排)；21、吸热顶板(直列顺排)；22、导热多孔结构(直列顺排)；23、吸热底板(直列顺排)；211、顶板套筒；212、翅片；213、螺帽；214、密封垫片；215、排气孔；216、注液管；217、上连接板；231、底板套筒；232、焊接扩展面；233、中空腔；234、排气盲孔；235、下连接板；3、PCM吸热板(交错)；4、加热条；41、开口；5、引流风扇；

具体实施方式

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。

如图1至图12所示，本发明提出的一种基于PCM吸热板散热的动力电池模组，包括

电池组1，所述电池组1为若干阵列式排布的圆柱形电池；

PCM吸热板2，内置导热多孔结构比如高空度泡沫铝，比如空度为96％的泡沫铝，并灌满PCM材料，所述PCM吸热板2设置有若干套筒结构，圆柱形电池通过套筒结构设置在PCM吸热板2上；

加热条4，所述加热条4设置在PCM吸热板2的底部，其上开孔容纳套筒，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PCM吸热板2的侧方，其用于对电池组1和PCM吸热板2进行风冷散热。

所述PCM吸热板(2)包括吸热顶板(21)、吸热底板(23)、以及设置在吸热顶板(21)和吸热底板(23)之间的导热多孔结构(22)；

所述吸热顶板21和吸热底板23构成中空腔233，在中空腔233内灌注有PCM相变材料，在所述吸热顶板21上设有若干顶板套筒211，在所述吸热底板23上设有若干底板套筒231，导热多孔结构22设有若干中间套筒，顶板套筒211、底板套筒231和中间套筒对应设置，且构成用于安装圆柱形电池的套筒结构；

所述吸热顶板21上的顶板套筒211沿风冷流动方向通过上连接板217相互连接，吸热底板23上的底板套筒231沿风冷流动方向通过下连接板235相互连接；所述上连接板217和下连接板235用于增强圆柱形电池之间的导热；

所述吸热顶板21上设有注液管215，所述注液管215用于往中空腔233内灌注PCM相变材料以及维修和散热；在吸热顶板21上设有排气孔214，所述排气孔214用于注液过程中吸热板2内部排气；在所述吸热底板23上设有与吸热顶板21上排气孔214对应的排气盲孔234，所述排气盲孔234用于注液完成后，通过与螺帽213的连接，完成顶板套筒211、导热多孔结构22和吸热底板23的密封与加固，排气盲孔略低于顶板，并用于观测确定注液是否注满。

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PCM吸热板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。

本例优选的排列方式为如图1、图8所示，相邻电池以一定间距直列顺序排列或者交错排列与PCM吸热板(直列顺排)和PCM吸热板(交错)分别配合使用。

所述电池组1的圆柱形电池插入所述PCM吸热板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PCM吸热板内，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PCM吸热板的快速导热作用而不产生局部热点，避免了加热条4局部过热导致快速失效、提高了热安全性。带有注液孔的注液管215设置于PCM吸热板2的边缘，与PCM吸热板2垂直朝上布置，注液管215一方面用于PCM吸热板2内中空腔233注液工艺，在后期可以重新加工维修、多次重复注液使用，同时也可以作为散热柱，进行散热。

如图5所示，在吸热板注液时，PCM流动如图所示，本例设置如此目的在于保证PCM均匀分布，避免产生气泡导致局部导热变差；注液孔位置可以放在边缘、中间或者四角，而排气孔尽量放在容易形成流动死区的四角，远离注液孔位置，以避免空气气泡嵌入。

以PCM吸热板(直列顺排)为例，如图2、图3、图4所示，PCM吸热板2由顶板21、导热多孔结构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中空腔233的作用。中间的导热多孔结构22，可整体或者部分填充中空腔，所述的导热多孔结构由铜或者铝等高导热、高空度多孔材料制成，放置在吸热板内。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。

本发明的PCM优选的为石蜡、脂肪酸等有机相变材料，其熔点温度在30～60℃之间，熔点温度应高于电池使用的环境温度以发挥PCM潜热吸热的最佳性能，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。所选择多孔导热结构为高空度泡沫铝，比如96％的泡沫铝，泡沫铝复合PCM的导热系数测定为1.9W/mK,比相变材料0.2W/mK的导热系数高一个数量级，而复合材料密度只有0.87kg/L,远小于纯铝的密度2.7kg/L。

本发明的加热条外部材质为聚酰亚胺，尺寸与吸热板相仿，开口41尺寸略大于套筒尺寸，可以套装吸热板套筒并紧密贴敷在吸热板底板上，加热条如图6所示。

本发明以PCM吸热板为主要元件，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：

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PCM吸热板的套筒贴合面传递给PCM吸热板，利用套筒和电池较大的接触面积进行热量传递，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薄层导热硅胶达到降低接触热阻、缓冲应力的作用。铝制套筒表面阳极氧化，与导热硅胶、电池表面热缩膜共同组成电绝缘防护层。电池产热经由套筒的强化集热作用之后通过导热多孔结构传递到PCM吸热板内部，PCM吸热板受热升温，温度达到PCM熔化温度后在基本保持温度不变情况下通过相变潜热进行恒温吸热，从而保持电池温度恒定。

另一方面，如图9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。

如图10所示，在顶部与底部都增加双面翅片，通过引流风扇5直接进行强化风冷散热，可进一步强化传热。

本发明所述的一种基于PCM吸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PCM吸热板底部设置加热条，加热时通过PCM吸热板的快速传热效应，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，另一方面降低了加热条温度，保证加热条长期可靠工作而不产生过热危险。

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。设定1m/s的进口风速、进口温度32℃，3C放电结束时的基于与金属吸热板同体积的PCM吸热板仿真结果如图11和表1所示。在单纯热扩散板(无PCM吸热板)情形下电池模组的最高温度和温差分别为47.03℃和5.03℃。而采用PCM吸热板情形下的最高温度和温差分别为45.34℃与4.38℃，电池模组最高温度下降11.2％、温差下降12.9％.

设定1m/s的进口风速、进口温度32℃，3C放电结束时的基于与金属吸热板同重量的PCM吸热板仿真结果如图12和表1所示。发现同重量PCM吸热板情形下的最高温度和温差分别为44.64℃与3.95℃，电池模组最高温度下降15.9％、温差下降21.5％，而压力差则保持在较低水平～21.9Pa，体现了本发明散热与均温效果的双重优势。采用双面尾部翅片优于单面尾部翅片情形，使得最大温度降低1.8％，温差降低5％。

表1.不同结构情形下PCM吸热板热性能仿真结果对比

为了验证本发明电池模组热安全性能，设置了电池热失控的触发条件，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，进口风速1m/s。热失控蔓延仿真结果表明，改热失控电池达到600℃以上，但最接近的电池温度最高只有107℃，其他电池温度控制在100℃以下，明显低于电池的热失控温度120℃。这表明，本发明具有良好的抑制热失控蔓延的效果。

综上所述，本发明充分利用了PCM吸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。

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。

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。

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。