一种风冷式动力电池散热装置的制造方法
【专利摘要】一种风冷式动力电池散热装置，开口向上的电池包箱体内间隔布置若干个柱形电池，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板，热扩散板通过套筒紧密外套在电池上；所述热扩散板两端与电池包箱体两侧侧壁留有空隙，在上述两侧侧壁上分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板上开设或不开设通风孔，如果开设通风孔，通风孔连通热扩散板上下方的电池包箱体空间。本装置散热效果好，温度分布更均匀，外形紧凑，结构简单，适用于动力电池系统。
【专利说明】
一种风冷式动力电池散热装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及动力电池冷却技术领域，尤其是涉及一种风冷式动力电池散热装置。
【背景技术】
[0002]动力电池如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需要控制在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，电池容量衰减明显，在高温下仍然会发生热失控和着火现象。因此动力锂离子电池散热技术的研究和实施尤为迫切。
[0003]动力锂离子电池散热系统通常采取风冷方式冷却电池通道，常规风冷散热系统体积小，但是散热效果有限，并且电池温度均匀性差。利用相变材料潜热吸热是另外一种电池热管理方式，相变材料如石蜡材料具有相变过程吸收潜热高、温升小、化学稳定性好、体积小、结构简单、价格低廉等优点，应用在动力锂离子电池上能降低电池温升速度、缓和热冲击，提高电池寿命和稳定性，但是相变材料也同时存在导热率低，不能迅速、均匀地传热等缺点。
[0004]专利201210399617.6公开了一种电池模块，包括:多个方形电池单体；以及限定了大致蜿蜒形状的波纹翅片，所述波纹翅片带有交替的直线段和顶部段，使得所述多组电池单体中的至少一个设置在所述波纹翅片的限定在相邻直线段之间的区域中。该专利虽然具有一定的散热效果，但动力电池向翅片传热没有专门的紧固机制，导致接触缝隙和接触热阻较大，中心向外传热具有较大温差，不适合于大功率动力型电池。
[0005]专利200910039125.4公开了一种带有相变材料冷却系统的动力电池装置，该装置包括螺钉、若干电池单体、箱盖通风孔、电极连接轴、箱体顶盖、侧面通风孔、框体;所述的电池单体是以电池作为基体，外部加装壳体；电池和壳体之间填充相变材料并采用绝缘橡胶密封;电池箱体开设通风孔散热。该专利通过填充相变材料虽然缓和了电池发热冲击，但是没有解决相变材料导热率低而导致散热速度慢和温度控制不足的缺点。当相变材料完全溶化后，潜热吸热结束，过低的导热系数反而阻挡热量向电池箱体的散热速度。
[0006]专利201110345442.6公开了一种LED灯太阳花散热器，包括圆形散热座和若干散热鳍片，在圆形散热座的外圆上排列有散热鳍片，其特征在于:还包括散热筋，在相邻两个散热鳍片之间连接有散热筋，所述散热筋为弧形。所述散热座由铜材料制成。该专利的散热鳍片通过挤压工艺制备而成，工艺相对复杂、耗时，且制得的散热鳍片重量过重，体积庞大，不能用于对重量、体积要求高的如汽车等的动力电池系统。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种风冷式动力电池散热装置，该装置通过热扩散板形成优良导热通路，加装风扇形成强制对流的主动冷却方式，一方面提高散热速度，降低最大温度，另一方面，电池使用过程中的均温性好，并且装置结构紧凑，体积相对较小，利于在有限的空间内布置。
[0008]本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0009]一种风冷式动力电池散热装置，其特征在于:
[0010]开口向上的电池包箱体内间隔布置若干个柱形电池，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板，热扩散板上开设与电池对应的通孔，通孔内缘通过套筒紧密外套在电池上；
[0011]所述热扩散板两端与电池包箱体两侧侧壁留有空隙，在上述两侧侧壁上分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板上开设或不开设通风孔，如果开设通风孔，通风孔连通热扩散板上下方的电池包箱体空间。
[0012]电池包箱体具有进风口和排风口，在进风口和/或排风口上配置若干风扇，以形成强制对流的主动式风冷散热结构;热扩散板一方面可增加对流换热面积，从而降低最高温差，另一方面，热扩散板一般由导热系数较高的材料如铝、铜、钛等制成，具有反向导热能力，从而降低电池上游和下游之间的温差，提高电池温度均匀性;热扩散板上的通孔内缘由冲压工艺或其它加工方式形成套筒结构，可增大热扩散板和电池之间的导热面积，提高机械稳定性和导热效率;热扩散板上可开设若干通风孔，降低风阻，平衡热扩散板上下两侧的风量，从而进一步提升风扇效率和风速、降低电池最高温度。
[0013]进一步的，所述通孔在热扩散板上叉排或者顺排。这种布置方式不仅充分利用了电池包箱体的内部空间，在有限的空间内尽可能多的布置电池，结构紧凑，并且电池的均匀间隔布置，也有利于提高散热效率。
[0014]再进一步，所述套筒和电池之间填充界面导热材料层;所述界面导热材料层为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体，导热率不小于0.2W/mK的导热粘结胶层。界面导热材料层具有两个作用:一是保证套筒和电池之间的导热接触面充分，避免局部区域因加工、装配等原因形成的空隙造成的导热中空带，二是界面导热材料层还可以起到固定作用，避免接触界面松动。
[0015]再进一步，所述热扩散板为上、下间隔布置的多层，以便于加大换热面积，进一步降低电池温升和温度梯度。
[0016]再进一步，所述热扩散板上的通孔冲压成形，所述套筒为冲压时在通孔内缘形成的70?90度的直角或者接近直角翻折面，套筒可朝上或者朝下，通孔冲压时四周翻成直边而自然形成的套筒，结构简单，利于加工。
[0017]再进一步，热扩散板为铝、铜、钛、铁等高导热率金属板，厚度为0.1?5mm;导热柱为铝、铜等高导热率金属柱体。热扩散板、导热柱的材料选择不仅导热效率高，并且易于加工。
[0018]再进一步，所述热扩散板为铝板或铝合金板，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层。阳极氧化后的铝或其合金，提高了硬度和耐磨性，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K，耐击穿电压高达2000V，具有优良的电绝缘性。
[0019]再进一步，所述进风口上配置的风扇是离心式鼓风扇，排风口上配置的风扇是轴流式排风扇，以加强空气对流效果。
[0020]再进一步，在电池包箱体内配置上绝缘定位板，上绝缘定位板紧套在电池顶部，位于热扩散板上方;所述电池包箱体通过空气冷却或者液体冷却，电池箱体材料为金属铝，并带有加强筋。加强筋不仅增大电池包箱体的机械强度和耐冲击性，也增加了电池箱的表面积，加速电池包箱体表面的传热作用。
[0021 ]本实用新型的有益效果在于:
[0022]1、传热强化效果优良。由于电池表面积有限，热阻大，本实用新型采用高导热率金属材料制作的热扩散板和套筒，可大大提高换热面积，强化风冷换热，降低了电池散热热阻，从而大大降低电池最高温度。同时，热扩散板的高导热能力，也降低电池温度不均匀性，具有优良的强化传热和均温效果。
[0023]2、缓冲撞击效果好、成本低:热扩散板结构加工容易，成本低，具有较好的韧性、更低的硬度，当在外部冲撞等极端情况下，受到冲击即可弯曲变形，吸收应力从而缓冲对产热器件的撞击强度；
[0024]3、强制对流加强散热效果，通过开设进风口和排风口形成强制对流风道，对热扩散板、电池本身等散热，进一步加强了散热效果。
【附图说明】
[0025]图1为本装置一种优选方案的透视正视结构示意图。
[0026]图2为图1的A-A向剖视图。
[0027]图3为图2的B-B向剖视图。
[0028]图4?5为两种不同的套筒结构与热扩散板的配合示意图。
[0029]图6为具有三层热扩散板的散热装置截面剖视图。
[0030]图7?9为8X8顺排阵列的18650圆柱形电池(18表示直径，65表示长度，单位均为_)风扇冷却的计算模拟结果，其中:
[0031]图7模拟结果:没有安装热扩散板的电池的温度云图(单位:°C);
[0032]图8模拟结果:在电池中部安装一块热扩散板的电池的温度云图(单位:°C);
[0033]图9模拟结果:在电池上部、中部、下部分别安装三片热扩散板的电池的温度云图(单位,C)。
[0034]其中:I为电池，2为热扩散板，4为通风孔，6为风扇，7为界面导热材料层，8为套筒，9为连接电路，10为上绝缘定位板，11为电池包箱体侧壁。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0036]如图1?3，图6所不，开口向上的电池包箱体内立式间隔布置若干个柱形电池I，电池I可以是方柱、圆柱或者铝塑膜软包形等不同包装形式。靠近电池I顶部，在电池包箱体内配置上绝缘板1，上绝缘定位板1紧套在电池I上。
[0037]如图6所示，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置了三块热扩散板2，如图1所示，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置了一块热扩散板2。热扩散板2为铝、铜、钛、铁等高导热率金属板，厚度为0.1?5mm，热扩散板2外表面带有一层经阳极氧化钝化处理后，具有电绝缘强度的氧化膜层。
[0038]如图1?3，图6所示，所述热扩散板2两端与电池包箱体两侧侧壁11留有空隙，在上述两侧侧壁上分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板2上开设若干通风孔4，连通热扩散板2上下方的电池包箱体空间。
[0039]如图4?5所示，热扩散板2上冲压出与电池I对应的通孔，冲压时在通孔内缘形成的向上、向下的90度直角翻折面，即为套筒8。套筒8紧密外套在电池I的中、上部高度位置。热扩散板2可以具有单向套筒，也可以具有双向套筒，形成双向套筒的一个方法是将两个具有同样单向套筒的热扩散板2呈镜像相对粘结而成。
[0040]如图3所示，套筒8和电池I之间填充界面导热材料层7，界面导热材料层7为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体，导热率不小于0.2W/mK的导热粘结胶层。
[0041]如图1?3所示，若干风扇6设置在电池包箱体排风口处，距离热扩散板2些余间隙，可降低热扩散板2尾端回流效应。风扇也可设置在电池包箱体进风口，其中以风扇6设置在电池包箱体排风口处为宜，可避免冷风直吹电池I，减少电池I温度不均匀度。
[0042]如图6所示，电池I正极朝上成组，为了进一步降低温升和温度梯度，可以安装多层热扩散板，分别位于电池I的下部、中部和上部位置。
[0043]如图7?9所示，在计算机数值模拟过程中，热扩散板2、电池包箱体底部6材料均为铝合金6063，热扩散板2厚度为1.8mm，电池型号为18650锂电池(其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池)，发热功率模拟普通倍率放电下发热情况，发热量为IW，进风口空气温度设为定温30 °C。
[0044]如图7所示，没有热扩散板2时，其散热主要依赖于电池的强迫对流，由于空气的热容效应，随着流通方向空气温度上升，导致电池上下游温差较大，接近排风口的最高温度为53°C，上下游电池温差超过13°C.
[0045]如图8所示，当采用热扩散板2时，电池单体热量可直接通过热扩散板的扩展表面向空气换热，从而降低电池热阻，避免电池温度过高。同时，由于热扩散板2的导热作用，电池温度均匀性好，避免了因温度梯度造成的部分电池容量过快衰减，从而提高电池整体寿命和使用年限。当采用三块热扩散板时，电池的最高温度进一步下降，电池间的温差进一步降低，如图9所示。
【主权项】
1.一种风冷式动力电池散热装置，其特征在于: 开口向上的电池包箱体内间隔布置若干个柱形电池(I)，在电池顶部和底部之间的电池包箱体内配置至少一块热扩散板(2)，热扩散板(2)上开设与电池(I)对应的通孔，通孔内缘通过套筒(8)紧密外套在电池(I)上； 所述热扩散板(2)两端与电池包箱体两侧侧壁(11)留有空隙，在上述两侧侧壁上分别开设进风口和排风口，并且，进风口和/或排风口上配置风扇，热扩散板(2)上开设或不开设通风孔(4)，如果开设通风孔(4)，通风孔(4)连通热扩散板(2)上下方的电池包箱体空间。2.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于:所述通孔在热扩散板(2)上叉排或者顺排。3.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于: 所述套筒(8)和电池(I)之间填充界面导热材料层(7); 所述界面导热材料层(7)为以聚氨酯、有机硅、环氧树脂或丙烯酸为基体，导热率不小于0.2W/mK的导热粘结胶层。4.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于:所述热扩散板(2)上的通孔冲压成形，所述套筒(8)为冲压时在通孔内缘形成的70?90度翻折面。5.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于:所述热扩散板(2)为高导热率金属板，厚度为0.1?5mm。6.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于:所述热扩散板(2)为铝板或铝合金板，其外表面覆盖一层经阳极氧化钝化处理后，具有中压电绝缘强度的氧化膜层。7.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于:所述进风口上配置的风扇是离心式鼓风扇，排风口上配置的风扇是轴流式排风扇。8.根据权利要求1所述的风冷式动力电池散热装置，其特征在于: 在电池包箱体内配置上绝缘定位板(10)，上绝缘定位板(10)紧套在电池(I)顶部，位于热扩散板(2)上方;所述电池包箱体通过空气冷却或者液体冷却，电池箱体材料为金属铝，并带有加强筋。
【文档编号】H01M10/625GK205646065SQ201620405413
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】张恒运, 王兆强, 许莎, 王之伟
【申请人】上海工程技术大学