基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包及其热管理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包及其热管理方法，本发明专利技术在电池包箱体内、电池模组的上部紧凑的设置了热电制冷器，通过高导热性的导热垫片和导热翅片与电池形成“电池模组—导热垫片—导热翅片—导热支撑板”和“电池模组—导热垫片—导热翅片—导热支撑立板—导热支撑板”的导热通路。在高温环境、低温环境和正常环境下可执行不同的工作模式，具有热响应快、导热效率高、温度控制精确、无噪声等优点；电池模组中的单体电池模块在得到均匀受热的同时增大了换热系数，进一步确保了电池工作的稳定性、可靠性和高效性；且整体结构紧凑，体积小，为整车的结构布置提供空间。

Battery Package Based on Perthes Effect and Heat Pipe Cooling and Its Thermal Management Method

The invention discloses a battery pack based on Perthes effect and heat pipe cooling and its thermal management method. The thermoelectric cooler is compactly arranged in the battery pack body and the upper part of the battery module. Through high thermal conductivity heat conduction gasket and heat conduction fin, the battery module, heat conduction gasket, heat conduction fin, heat conduction support plate and battery module, heat conduction gasket are formed. The heat conduction path of \heat conducting fin - heat conducting support plate - heat conducting support plate\. In high temperature environment, low temperature environment and normal environment, different working modes can be executed, which have the advantages of fast thermal response, high thermal conductivity, precise temperature control, no noise, etc. The single battery module in the battery module can be uniformly heated while increasing the heat transfer coefficient, further ensuring the stability, reliability and efficiency of the battery operation; and the overall structure is compact. The small size provides space for the structure layout of the whole vehicle.

【技术实现步骤摘要】
基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包及其热管理方法
本专利技术属于车用动力锂电池领域，具体涉及一种基于珀尔帖效应和热管冷却的电池模组及其热管理方法。
技术介绍
动力锂离子电池能量密度高，体积小，循环寿命较长，在电动乘用车、商务车上应用潜力很大。然而由于锂离子电池在充放电过程中温度升高影响自身性能与循环寿命，过高的温度甚至引起热失控，导致自燃、爆炸等事故，常规的钴酸锂正极材料电池温度要求控制在50摄氏度以内，以避免热失控和起火爆炸，提高安全性。随着电池材料和工艺的进步，以磷酸铁锂为正极材料的电池工作温度虽然可以提升到60摄氏度或更高，但随着温度进一步上升，电池容量衰减依然明显，在高温下仍然会发生热失控和着火现象。另一方面，在低温下电池内阻大，化学反应活性差，启动困难。因此研究动力锂离子电池热管理技术及其实施尤为迫切。动力锂离子电池散热系统通常采取风冷或者液冷方式冷却电池，常规风冷散热系统结构简单，但是散热效果有限，并且电池温度均匀性差。液冷方式换热效率高，但其冷却能力受限于环境温度，暑热天气时冷却水温度可达40℃以上，反而阻隔电池散热。利用半导体的热电效应和热管冷却中的相变材料受热发生相变吸热进行热管理是一种新型电池热管理方式，半导体热电组件一般由Bi2Te3半导体材料制成，热电组件在通电情况下由珀尔帖效应形成制冷面和发热面，从而实现对电池的冷却或者加热作用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于珀尔帖效应和热管冷却的电池模组及其热管理方法，以解决现有技术所存在的问题。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，包括电池模组、热电制冷器以及热管冷却装置；电池模组包括箱体，箱体内设有若干个将箱体内腔均匀分隔成多个子腔的导热支撑立板，若干个方形电池模块均匀层叠横置在各子腔中，各电池模块的上端面处布置有导热翅片，各电池模块及导热翅片的周向侧面对应与导热支撑立板紧密贴合；位于上层的电池模块上方设有与其上端面处导热翅片直接接触的导热支撑板，导热支撑板横置且其四周紧贴在箱体内壁上；热电制冷器主要由壳体、下热交换板、上热交换板以及立置紧贴布置在下热交换板与上热交换板之间的热电元件组成，设置在壳体中的下热交换板与上热交换板间通过支撑加强筋固连成整体，热电元件为串联在一起的多个热电偶或是串、并联结合的多个热电偶；热管冷却装置包括盖体，若干个散热翅片间隔均匀的设置在盖体底部，散热翅片间有蛇形布置的导热通道，导热通道与盖体上的导热通道进口、出口相连；热电制冷器中的下热交换板位于电池模组中的导热支撑板上方且壳体与箱体螺栓连接，热管冷却装置中的导热通道位于上热交换板上方且盖体与壳体螺栓连接；热电元件的正负极与箱体外部的直流电源正负相连接。进一步，电池模块与导热翅片之间、导热翅片与导热支撑板之间布置有导热垫片。进一步，导热垫片为陶瓷基板，其与导热翅片相焊接，通过背胶与电池模块连接。进一步，箱体底部布置有导热加强筋。进一步，导热翅片上涂有相变材料层，导热翅片内部填充有绝缘导热油。进一步，还包括泡沫铝，泡沫铝布置在电池模块与箱体、导热支撑立板与箱体之间的空隙处。进一步，导热翅片为铜或铝材质；导热支撑板和导热支撑立板为氧化铝陶瓷板，其表面上有金属焊层。进一步，支撑加强筋是由低导热材料制成，其表面上涂有绝热材料。进一步，下热交换板与导热支撑板、以及上热交换板与热管冷却装置底部之间通过界面导热绝缘层紧贴在一起。一种适用于上述基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包的热管理方法，包括三种工作模式：在高温环境下执行制冷模式，热电制冷器靠近电池模组一侧的下平面温度下降至环境温度以下，成为制冷端面，通过热电制冷器和电池模组之间的导热支撑板控制电池模组工作在最佳温度范围内；而热电制冷器靠近热管冷却装置一侧的上平面温度上升，成为制热端面，其产生的热量可以通过热管冷却装置中导热通道内的相变材料发生相变实现吸收，避免箱体周围温度过高；在低温环境下执行加热模式，热电制冷器靠近电池模组一侧的下平面温度上升，成为制热端面，通过热电制冷器和电池模组之间的导热支撑板将热量传递到电池模组，实现对电池模组的预热；同时，热电制冷器靠近热管冷却装置一侧的上平面温度降低，成为制冷端面，如果制冷端面温度低于环境温度，则通过车载空调对热管冷却装置进行加热，导热通道内的相变材料吸收周围环境中的热量发生相变，制冷端面吸收导热通道内相变材料的热量温度逐渐升高；当制冷端面温度等于或高于环境温度时，随着电池模组工作时自身放热，可以切断车载空调对热管冷却装置的加热，关闭热电制冷器对电池模组的预热，通过箱体直接进行换热；在正常环境下工作，为避免电池包工作放热造成电池模组温度上升，可通过调节电流将热电制冷器上平面温度控制在电池模组的最佳工作温度范围以下，以保证吸收电池模组自身放热，使电池模组工作在最佳工作温度范围内，或始终将热电制冷器上平面温度控制在电池模组的最佳工作范围内，当电池模组因工作放热温度超过其最佳的工作范围时，利用热电制冷器的瞬态超冷性能吸收热量，将其温度控制在最佳的工作范围内。本专利技术的有益效果在于：1、能够保证动力锂电池的工作温度始终维持在最佳的工作范围内。由于夏季天气炎热，在加上不可避免的阳光暴晒，电池温度可以达到50℃～60℃，若没有电池冷却系统，会增大启动时热失控的概率。本专利技术采用二级的热电制冷器，其制冷效果远胜于一级制冷器，可以快速的将电池模组的温度降低到最佳工作范围内，大大提高电池工作的稳定性和可靠性。2、制冷、预热集成于一体，结构紧凑，热响应快。本装置不仅可以利用热电制冷器制冷，在低温环境下反向通电，通过导热支撑板、导热支撑立板、导热垫片、导热翅片对电池模块进行预热；小而紧凑的结构使其更好的适用于动力电池系统。3、接触式的换热结构，换热效率高。和传统的空气制冷，水制冷或水—乙二醇制冷相比，采用布置在电池包箱体内的顶部，电池模组上部的热电制冷装置，不需要水箱，避免了管道冷量损失的中间环节，热响应快，整体效率高，不仅相变材料发生相变可以制冷，还增加的外部的散热面积，进一步增加散热效果。总的来说，本专利技术通过高导热性的导热垫片和导热翅片与电池形成“电池模组—导热垫片—导热翅片—导热支撑板”和“电池模组—导热垫片—导热翅片—导热支撑立板—导热支撑板”的导热通路。在高温环境、低温环境和正常环境下可执行不同的工作模式，具有热响应快、导热效率高、温度控制精确、无噪声等优点；应用在动力锂离子上，在高温环境下能降低电池模组的温度，在低温环境下能够预热电池模组，从而大幅度提高电池模组的寿命和工作稳定性。结构布置上，电池模组中的单体电池模块在得到均匀受热的同时增大了换热系数，进一步确保了电池工作的稳定性、可靠性和高效性；另一方面，导热垫片和导热翅片的布置，可以有效的提高电池包箱体整体的机械强度，达到缓冲机械应力的目的。且整体结构紧凑，体积小，为整车的结构布置提供空间。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术的整体外观示意图；图2为本专利技术的整体外观俯视图；图3为本专利技术的整体外观主视图；图4为图3的剖面图；图5为图3的A-A剖面图；图6为热管冷却装置的导热通道示意图(导热通道进出口布置在异侧)；图7为热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：包括电池模组、热电制冷器以及热管冷却装置；电池模组包括箱体，箱体内设有若干个将箱体内腔均匀分隔成多个子腔的导热支撑立板，若干个方形电池模块均匀层叠横置在各子腔中，各电池模块的上端面处布置有导热翅片，各电池模块及导热翅片的周向侧面对应与导热支撑立板紧密贴合；位于上层的电池模块上方设有与其上端面处导热翅片直接接触的导热支撑板，导热支撑板横置且其四周紧贴在箱体内壁上；热电制冷器主要由壳体、下热交换板、上热交换板以及立置紧贴布置在下热交换板与上热交换板之间的热电元件组成，设置在壳体中的下热交换板与上热交换板间通过支撑加强筋固连成整体，热电元件为串联在一起的多个热电偶或是串、并联结合的多个热电偶；热管冷却装置包括盖体，若干个散热翅片间隔均匀的设置在盖体底部，散热翅片间有蛇形布置的导热通道，导热通道与盖体上的导热通道进口、出口相连；热电制冷器中的下热交换板位于电池模组中的导热支撑板上方且壳体与箱体螺栓连接，热管冷却装置中的导热通道位于上热交换板上方且盖体与壳体螺栓连接；热电元件的正负极与箱体外部的直流电源正负相连接。

【技术特征摘要】
1.基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：包括电池模组、热电制冷器以及热管冷却装置；电池模组包括箱体，箱体内设有若干个将箱体内腔均匀分隔成多个子腔的导热支撑立板，若干个方形电池模块均匀层叠横置在各子腔中，各电池模块的上端面处布置有导热翅片，各电池模块及导热翅片的周向侧面对应与导热支撑立板紧密贴合；位于上层的电池模块上方设有与其上端面处导热翅片直接接触的导热支撑板，导热支撑板横置且其四周紧贴在箱体内壁上；热电制冷器主要由壳体、下热交换板、上热交换板以及立置紧贴布置在下热交换板与上热交换板之间的热电元件组成，设置在壳体中的下热交换板与上热交换板间通过支撑加强筋固连成整体，热电元件为串联在一起的多个热电偶或是串、并联结合的多个热电偶；热管冷却装置包括盖体，若干个散热翅片间隔均匀的设置在盖体底部，散热翅片间有蛇形布置的导热通道，导热通道与盖体上的导热通道进口、出口相连；热电制冷器中的下热交换板位于电池模组中的导热支撑板上方且壳体与箱体螺栓连接，热管冷却装置中的导热通道位于上热交换板上方且盖体与壳体螺栓连接；热电元件的正负极与箱体外部的直流电源正负相连接。2.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：电池模块与导热翅片之间、导热翅片与导热支撑板之间布置有导热垫片。3.根据权利要求2所述的基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：导热垫片为陶瓷基板，其与导热翅片相焊接，通过背胶与电池模块连接。4.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：箱体底部布置有导热加强筋。5.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：导热翅片上涂有相变材料层，导热翅片内部填充有绝缘导热油。6.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：还包括泡沫铝，泡沫铝布置在电池模块与箱体、导热支撑立板与箱体之间的空隙处。7.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应和热管冷却的电池包，其特征在于：导热翅片为铜或铝材质；导热支撑板和导...

【专利技术属性】
技术研发人员：石万凯，仇昌盛，贺刚，杨辉前，白咏雪，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50