电池箱液冷散热结构的制作方法

本实用新型属于电动汽车锂电池领域，具体是电池箱液冷散热结构。

背景技术：

新能源汽车早已成为世界各国争相发展的热点，也是当今汽车产业发展的必然趋势，也是汽车行业的一次革命。电池管理是电动汽车几大关键模块之一，其优劣直接影响电动汽车的各项性能及安全稳定性。

新能源电动汽车主要以动力电池作为主要动力源，动力电池的主要性能指标有:容量、能量密度、功率、自放电率、充放电时间、循环使用寿命等。高容量、高能量密度、高功率、低放电率、高使用寿命、快速充电等是衡量动力电池优劣的关键参数动力电池依赖电池技术的发展，主要分为铅酸电池、镍氢电池、锂电池和燃料电池池等四个关键节点。其中，燃料电池还处在理论研究阶段，存在能量存储瓶颈问题。而前三种电池类型己经初步应用到电动汽车中，且对比这三种类型的电池性能，锂离子电池比能量、能量密度、比功率和循环使用寿命都远远高于其他两类电池。但是，锂电池相比前面两种电池也存在缺陷:(1)锂电池单体电压小，需要通过巨大数量的单体电池串联组合成动力电池，给电池管理带来更大的难度；(2)锂电池对温度、过流、过压敏感，电池性能易受其影响，会出现永久性损坏，严重时会出现电池燃烧、爆炸等危险。为了解决上述特殊问题，针对锂电池的热管理技术研究尤为重要。而其中的电池箱散热是电池热管理系统的重中之重，但是现在对电池组的散热结构设计一般只是根据相关参数做结构设计，现在的散热结构设计上，设计出的散热结构散热效果依然较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电池箱液冷散热结构，以期望解决目前还没有一种较好的电池组的散热结构的问题。

为了实现上述目的，对现在的电池箱散热液冷散热结构进行设计，包括以下操作步骤：

1)向计算机模拟系统输入相关参数建立电池组模型；

2)向计算机模拟系统输入相关参数，在电池组模型上下两侧分别建立主冷板；

3)向计算机模拟系统输入参数调节主冷板冷却液流量；

4)当调节流量后依然无法达到期望要求时，操作以下步骤：向电池组内的间隙内建立导热冷板，并调节导热冷板内的冷却液流量。

进一步的是，当调节流量后依然无法达到期望要求时进行该操作：调节主冷板的冷却水管管径大小，使电池箱的温度场分布达到最佳均衡。

进一步的是，上述电池箱的电池组、散热结构的划分采用结构网格和非结构网格混合的网格划分方式，包括以下步骤：

a、对电池组的电池单体，采用结构网络进行划分；

b、对散热结构模型的主冷板，采用非结构网格进行划分；

c、在两种网格划好之后，进行网格的组合和连接。

由于电池单体的结构简单，可以很轻松的划分出结构网格。对于主冷板部分，由于管道的存在结构化网格划分困难，为了更高的效率，故采用非结构网格进行划分，同样可以达到较好的效果。

进一步的是，进行计算机模拟时，选取优化目标为温度标准差，得到电池箱的温度场分布T1；选取优化目标为算数平均温度，得到电池箱的温度场分布T2；对比温度场分布T1和温度场分布T2，以找出最为合适电池散热的主冷板结构设计，得出散热结构的主冷板建立方案。通过这样的方式可以较为准确的找到建立方案。这里的最为合适即达到所需的优化目标。

电池组的散热结构的设计优化必须在保证整体散热能力的同时，提高单体电池之间温度的均匀性和一致性，通过对比包括最小散热弱度、温度标准差和算数平均温度为优化目标，结合计算机仿真模拟，能快捷、高效的对电池箱液冷散热结构进行建立。

进一步的是，上述计算仿真模拟采用数值模拟软件comsol，通过流体控制方程对建立的单体电池模型和设置的求解边界条件进行计算。

进一步的是，上述计算仿真模拟时，通过调节主冷板的冷却水管管径大小，使电池箱的温度场分布达到最佳均衡，得出电池箱液冷散热结构建立方案。

通过改变冷却水管管径，增大冷却液与电池的接触面积，改善电池组散热结构的性能，申请人发现通过单一的调控该水管管径，根据温度场分布进行建立，简单、快捷、有效。改变冷却液小管的管径，分别设置为7mm，11mm和15mm，在不同的流量下进行模拟分析。

本实用新型提供了一种电池箱液冷散热结构，包括将电池组夹持在中间的主冷板，上述电池组包括多个电池组单元，上述电池组单元之间设置有间隙，该间隙内设置有与主冷板热传递连接的导热冷板。

设置上述导热冷板以增加电池组单元与主冷板之间热量传递，改善电池从远离主冷板部分到靠近主冷板部分的温度梯度，通过增加导热冷板，会使距离冷却液较远的电池产生的热量可以快速地被冷却液带走。其中，增加电池间隙的导热冷板方案，相比没有导热冷板的方案，散热效果提升2.7-8.6％，同时采取改变冷却液入口端流量进行比较。

进一步的是，上述导热冷板和主冷板的最小冷却水管管径为≥11mm。

改变主冷板中冷却液管道管径方案中，随着管径的增大，电池的散热效果改善较为明显；在采用变管径的拓扑优化的方案下，并设计导热冷板和主冷板的最小冷却水管管径为≥11mm，电池的温度均方差比大于11mm等管径的方案低了9-12％，这也使得导热冷板和主冷板的最小冷却水管管径设计在≥11mm时，冷却效果和管径扩大上为最佳效果管径值。

进一步的是，上述主冷板的冷却水管包括大管和小管，上述大管沿主冷板边沿设置，上述小管排布于主冷板内侧板面上并与大管连通。

进一步的是，所述小管包括直管和弯管，所述弯管用于连接相对两边大管的设置在主冷板内侧板面上。

进一步的是，所述大管上设置有延伸到主冷板内侧板面的延伸管。

进一步的是，所述直管一端与所述延伸管连接，该直管的另一端与远离延伸管的大管(11)连接。

进一步的是，所述大管管径为≥11mm、≤15mm。

进一步的是，所述小管管径为≥11mm、≤12mm。

进一步的是，所述主冷板的冷却水管连接有流向换向装置。

进一步的是，所述流向换向装置包括一个两端接口连接在冷却水管上的泵体组，该泵体组由两个流向相反的水泵组成。所述泵体组的水泵无法同时开启，所述泵体组上的水泵在当冷却水管的出入口温差达到1-2℃，水泵开闭关系对换。

本实用新型有益效果是分别采用了增加的电池间隙的导热冷板，改变冷板中冷却液管路的大小，及其改变冷却液进出口方向等。其中，增加电池间隙的导热冷板方案，相比没有冷板的方案，散热效果提升2.7-8.6％；改变冷板中冷却液管道管径方案中，随着管径的增大，电池的散热效果改善较为明显；而采用改变冷却液进出口方向的方案中，在电池的温度均一性方面，具有一定的效果。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来辅助对本实用新型的理解，附图中所提供的内容及其在本实用新型中有关的说明可用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型的电池组的结构示意图；

图2为本实用新型的主冷却板的示意图；

图3为本实用新型的电池组单元与导热冷却板的示意图；

图4为本实用新型的冷却板组的所有冷却管径在7mm时温度特征图；

图5为本实用新型的冷却板组的所有冷却管径在11mm时温度特征图；

图6为本实用新型的冷却板组冷却液出入口周期对换的电池温度场均方差的对比图(直线为出入口未对换，曲线为出入口周期对换)；

图中的编号依次为：1-主冷板，11-大管，12-小管，2-电池组单元，3-导热冷板。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。在结合附图对本实用新型进行说明前，需要特别指出的是：

本实用新型中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本实用新型的实施例通常仅是本实用新型一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

关于本实用新型中术语和单位。本实用新型的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1-6，一种电池箱液冷散热结构，选取所需锂电池产品为研究对象，根据相关的参数建立电池箱几何模型，磷酸铁锂具有更好的高温性能，同时制造材料中不含有稀缺金属，成本相对便宜。电池箱中的单体电池是以磷酸方型锂电池为原型，尺寸为167*112*42mm，重275g，单体电池是正极材料采用的是铝，负极材料是镍，电解液是锂盐，壳体材料是PE。

冷却结构是放置于电池上下表面的两个主冷板1，主冷板1内存在流通冷却液的管道。对模型进行必要的简化并将其等效为均匀的发热体。再设置边界条件，进行仿真模拟。引入单体电池分析中温度方差的概念。

具体包括以下操作步骤：

一、根据相关的参数建立电池箱几何模型；

二、确定并选取优化目标，上述优化目标包括最小散热弱度、温度标准差和算数平均温度，选取其中任意一个或多个的组合为优化目标；

三、对电池箱的电池组、散热结构进行网格划分设立边界条件；

四、设置求解控制域和求解计算目标，通过控制方程和计算边界条件计算，得到电池箱的温度场分布；

五、根据温度场分布，通过计算机仿真模拟，得出电池箱液冷散热结构建立方案。

在进行模拟的过程中，当调节流量后依然无法达到期望要求时，操作以下步骤：向电池组内的间隙内建立导热冷板，并调节导热冷板内的冷却液流量。

电池箱的电池组、散热结构的划分采用结构网格和非结构网格混合的网格划分方式，包括以下步骤：

a、对电池组的电池单体，采用结构网络进行划分；

b、对散热结构模型的主冷板1，采用非结构网格进行划分；

c、在两种网格划好之后，进行网格的组合和连接。

选取优化目标为温度标准差，得到电池箱的温度场分布T1；选取优化目标为算数平均温度，得到电池箱的温度场分布T2；对比温度场分布T1和温度场分布T2，以找出最为合适电池散热的主冷板结构设计，得出散热结构的主冷板建立方案。

以温度标准差为优化目标下，整体温度最为均匀，但是平均温度相对较高。选取算数平均温度和温度标准差为优化目标进行对比，以找出最为合适电池散热的冷板结构设计，通过这样的方式可以较为准确的找到建立方案。计算仿真模拟采用数值模拟软件comsol，通过流体控制方程对建立的单体电池模型和设置的求解边界条件进行计算。

在此建立下得到了一种电池箱液冷散热结构，包括将电池组夹持在中间的主冷板1，上述电池组包括多个电池组单元2，上述电池组单元2之间设置有间隙，该间隙内设置有与主冷板1热传递连接的导热冷板3。

上述主冷板1的冷却水管包括大管11和小管12，上述大管11沿主冷板1边沿设置，上述小管12排布于主冷板1内侧板面上并与大管11连通，述小管12呈盘管结构或弯管结构。

计算仿真模拟时，采用增加导热冷板3散热结构的优化方法，设计紧贴电池壁面的高导热率的导热冷板3以增加电池与主冷板1之间热量传递。同样，采取改变冷却液入口端流量的方法，设置流量为10g/s，20g/s和30g/s，并对比增加导热冷板3后结果与未增加的结果。

随着流量的增加，电池最大、最小和平均温度都有所下降，这与未加导热冷板3的结果相似，同样，增加的流量对温度下降作用有限。加电池间隙的导热冷板方案，相比没有导热冷板的方案，散热效果提升2.7-8.6％。

上述导热冷板3和主冷板1的最小冷却水管管径为≥11mm。

从以上结果可以看到，简单的增加冷却液的流速，不能很有效的降低电池组的温度，经分析认为，冷却液与电池的接触面积可能对电池组散热结构的性能影响很大，所以可以改变冷却液小管12的管径以达到冷却的效果。11mm管径温度场分析，由于冷板结构的改变，所以需要对冷板结构重新建模并划分网格，经计算后，得到如下冷却液入口流量为10g/s、15g/s、20g/s、25g/s、30g/s。如图4、5可以看到，在采用11mm小管管径下，电池各个温度特征值相对于7mm管径有了比较可观的下降，从最高温度来看，最高温在10g/s流量下为306.24K，最高温度差为6.56K，而在7mm管径下，其最高温度为309.25K，最高温度差为8.39K。所以采用11mm的管径对散热效果提升相对增加流量提升的效果要显著很多。

而对于温度均衡性的指标，电池均方差，其值随着流量的增加递减，但是减少的量有限。相对于7mm来说，温度均衡性方面要表现的更好。15mm管径温度场分析，同样，电池整体温度随着流量的增加而下降，同时下降也不明显。另外值得注意的是，相对于11mm管径的温度，在各个流量下，电池的各温度特征值都要低0.4K左右，这个温度差距不大，远没有从管径从7mm到11mm时的温度变化剧烈，所以可以认为，电池的整体的温度随着管径的增大呈现而减少，但是其减少的速度越来越慢，直到最后稳定在某个值上。另外，电池的温度均方差值也随着流量的上升呈下降趋势。相对于横向的对比7mm和11mm值发现，该值随着管径的增大表现出一定的下降趋势，相对于11mm管径，其值下降了1.7％-6.8％不等。

设计导热冷板3和主冷板1的最小冷却水管管径为≥11mm，电池的温度均方差比大于11mm等管径的方案低了9-12％，这也使得导热冷板3和主冷板1的最小冷却水管管径设计在≥11mm时，冷却效果和管径扩大上为最佳效果管径值。

上述电池箱液冷散热结构中可以设置流向换向装置，可以采用一个泵体组，该泵体组由两个流向相反的水泵组成。冷却方法操作步骤为：对电池箱液冷散热结构的冷却水管中冷却液进行周期换向流动，使冷却液的出入口进行周期对换。所述泵体组的水泵无法同时开启，所述泵体组上的水泵在当冷却水管的出入口温差达到1-2℃，水泵开闭关系对换。

在冷却过程中，如果冷却液的出口和入口不变，那么通过调整管道管径、流量等方法去改善电池的温度特性，由于入口端的水温较低，靠近入口端的电池的温度始终要低于远离入口端电池，这是不可避免的。为克服这种现象，在瞬态过程中，每隔一段时间，将电池的冷却液入口变为出口，将出口变为入口，以平衡电池的冷却液出入口附近温度。或者设定一个最大电池温差值，当电池的实际温差大于这个温差值之后改变冷却液的进出口。采用改变冷却液进出口方向，使电池的在温度均一性方面具有较好的效果，也起到保护主冷板1和导热冷板3的作用。

本实施方式建立了电池箱的散热模型，并对散热结构的进行分析和优化。分别采用了增加的电池间隙的导热冷板3，改变冷板中冷却液管路的大小，及其改变冷却液进出口方向等方法。其中，增加电池间隙的导热冷板3，相比没有导热冷板3的方案，散热效果提升2.7-8.6％；改变冷板中冷却液管道管径方案中，随着管径的增大，电池的散热效果改善较为明显，特别管径从7mm增大到11mm的情况下，平均温度下降了25％左右，而在采用变管径的拓扑优化的方案下，电池的温度均方差比15mm等管径的方案低了12％；而采用改变冷却液进出口方向的方案中，模拟分析结果显示，在电池的温度均一性方面，具有一定的效果。

以上对本实用新型的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。基于本实用新型的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。