基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理装置及方法

1.本发明涉及动力电池热管理技术领域，具体涉及一种基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理装置及方法。


背景技术：

2.为了减少碳排放，电动汽车受到越来越多的关注，电动汽车的核心是电池组。由于拥有能量密度大的特点，锂离子动力电池在电动汽车中得到广泛的应用，为了保证电动汽车正常运行，防止热失控的发生，锂离子动力电池组的温度保持在20℃～40℃之间为最佳，各个动力电池之间的温差应当小于5℃，因此，需要动力电池热管理系统来保持电池的温度在合理范围内。
3.动力电池热管理有液体热管理、空气热管理和相变热管理，液体热管理存在液体泄漏导致电池组短路的问题，空气热管理虽然不会产生电池组短路的问题，但是各个动力电池之间的温差较大，此外，夏天我国部分地区环境温度会达到40℃以上，仅利用环境的空气无法冷却电池。相变材料可以通过相变吸收电池放出的热量，但是相变材料的吸热量有限，当吸热量达到最大时不能冷却电池。
4.半导体制冷/制热可以利用热电效应在半导体一面形成热端，一面形成冷端，从而达到制冷/制热的目的。但是半导体制冷/制热的成本高，只能成为一种辅助热管理的手段。因此，需要将多种热管理方式结合以弥补单一热管理方式的缺陷，达到动力电池热管理的目标。
5.中国专利公开一种应用于电池包的相变控温装置(cn110581327a)，其包括壳体，壳体中布置有若干用于放置电池的单元腔，各单元腔之间填充有复合填料，壳体的外侧布置有控温模组，控温模组包括半导体制冷片。设计半导体制冷片与复合填料配合进行温度控制，通过复合填料的吸热或放热可对电池包进行温度控制，通过启动半导体制冷片与复合填料协同工作可对电池包进行温度控制，从而对电池包灵活控温。
6.上述现有技术存在的不足是：
7.(1)其将半导体制冷片通过导热垫片与电池组侧面外壳连接，仅仅靠近外壳的电池能够接收到大部分冷量，电池组中间的电池能接收到的冷量较少，所以冷却效率较低；
8.(2)其中所有电池的热通过相变材料进行传递，相变材料热导率较低，再加上半导体制冷片只与电池组侧面外壳连接连接的原因，这将导致电池组中间位置和周边位置温差大，电池组均匀性较低；
9.(3)其中相变材料吸收热量转换为液体后只能通过自然冷却或者半导体制冷实质重新转换为固体，自然冷却时间长，而半导体制冷耗电会较高。


技术实现要素：

10.为解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理装置及方法。
11.本发明采用如下技术方案：一种基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理装置，
12.包括多个矩形均布的电池热管理单元，相邻电池热管理单元之间留有间隙；
13.所述电池热管理单元包括电池单元组和半导体制冷/制热机构；
14.所述电池单元组包括固定在底板上的多个矩形排布的电池单元，电池单元之间留有间隙；电池单元包括动力电池单元外壳，动力电池单元外壳中安装有多个动力电池，动力电池与动力电池单元外壳之间的缝隙中填充有相变微胶囊；电池单元还包括一个与动力电池贴合的温度传感器；相邻所述动力电池单元外壳之间连接有直热管，动力电池单元外壳内壁贴合设置有铜片ⅰ，铜片ⅰ与所述直热管连接；所述电池单元组中动力电池通过线排连接；
15.所述半导体制冷/制热机构包括位于电池单元组上方的支撑平台；所述支撑平台上固定有弯热管，弯热管下端位于相邻动力电池单元外壳外壁之间；所述弯热管上连接有半导体片，半导体片上连接有散热器，散热器上连接有风扇；所述支撑平台上安装有控制器，控制器电连接半导体片、风扇和所述温度传感器。
16.其进一步是：所述相变微胶囊是外侧包裹有热固性树脂的相变材料颗粒。
17.所述控制器通过温度传感器信号线连接所述温度传感器，控制器通过风扇电源线连接所述风扇。
18.所述半导体片上下均涂有导热硅脂，半导体片与上方的散热器和下方的弯热管紧贴。
19.所述支撑平台采用不导电的材料制作，支撑平台通过支架固定在底板上，支撑平台倾斜布置；所述支撑平台上侧面低位位置开设有水槽；两个薄铜片ⅱ下半部分紧贴所述水槽内壁，薄铜片ⅱ下端至水槽具有一定距离；两个所述薄铜片ⅱ上端均通过一条导线电连接所述控制器。
20.还包括串联电连接的风机电源、温控器和风机；所述风机位于矩形均布的电池热管理单元一侧，风机用于对电池热管理单元提供风冷气流；所述控制器由电动汽车蓄电池ⅰ供电，控制器通过信号线与电动汽车通讯总线连接；控制器内安装有为控制器供电的备用蓄电池ⅱ。
21.所述电池热管理单元中动力电池单元外壳朝向风机的一侧具有弧形凸起的导风部，动力电池单元外壳由树脂制成。
22.一种基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理方法，包括如下步骤：
23.夏天时，电动汽车行驶过程中，
24.当控制器接收到温度传感器检测温度低于40℃时，控制器不动作，半导体片和风扇均不接通，动力电池散发的热量由相变微胶囊吸收；此时，如果温控器检测环境温度低于40℃，风机打开；如果温控器检测环境温度高于40℃，风机关闭；
25.当控制器接收到温度传感器检测温度高于40℃时，控制器接通半导体片和风扇；半导体片冷端的冷凝水滴落在支撑平台后流入水槽中，当水槽内的水位升高至薄铜片ⅱ时，导线导通，控制器接收到这一信号后停止半导体片制冷；当控制器接收到导线未接通的信号10分钟后，若控制器接收到温度传感器温度高于40℃，控制器接通半导体片和风扇；此时，如果温控器检测环境温度低于40℃，风机打开；如果温控器检测环境温度高于40℃，风
机关闭；
26.冬天时，电动汽车准备启动时，风机关闭，
27.当控制器接收到温度传感器检测温度高于20℃时，控制器不动作，半导体片和风扇均不接通；
28.当控制器接收到温度传感器检测温度低于20℃时，控制器反接通半导体片，半导体片开始制热，加热动力电池。
29.其进一步是：当所述电动汽车蓄电池无法向控制器供电时，控制器由控制器内的备用蓄电池ⅱ供电；若控制器接收到温度传感器检测温度高于40℃，则控制器接通半导体片和风扇，半导体片开始制冷，直至蓄电池ⅱ耗尽。
30.当某一电池热管理单元中的控制器接收到温度传感器检测到动力电池的温度高于60℃时，则认为该动力电池有热失控的风险，除了接通该电池热管理单元中的半导体片和风扇外，还接通该电池热管理单元周围的其他电池热管理单元中的半导体片和风扇。
31.与现有技术，本发明的有益效果在于：
32.(1)半导体制冷片放在电池组上方，通过热管将冷量传输至电池组内，能够接收到冷量的电池更多，制冷制热效率高；相变材料热导率较低，而热管的热导率非常高，本发明通过设置热管，单位时间内能够将更多的热量从温度高的电池单元传递到温度低的电池单元，提升电池组的均匀性；
33.(2)采用多单元独立控制，一个半导体制冷片对应的电池数量少，可以实现更为精准的温度控制，避免局部高温而边部低温，造成制冷不工作的现象；
34.(3)电池单元之间设置有空气流道，通过前风机可进行空气强制对流冷却，也可在汽车行驶过程中空气通过汽车前部的百叶窗进入本电池热管理装置中进行空气强制对流冷却，降低能耗；动力电池单元外壳的结构合排布优化了空气流道，减小了空气流动阻力，远离空气入口的动力电池也能够得到冷却；
35.(4)设置了更为完善的电池温度控制方案；采用倾斜的支撑平台及水槽，收集环境湿度高时半导体制冷时产生水滴，并且与半导体制冷控制进行联动，当水槽内水位上升到一定程度时停止半导体制冷，防止水溢出水槽落入动力电池单元组中，避免了水滴对电池的影响；
36.(5)增加了额外蓄电池，当汽车蓄电池无法向半导体制冷片供电时，可以使用额外蓄电池中的电能为半导体制冷片供电，防止车祸等突发情况下的电池热失控。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明电池热管理单元的结构示意图。
39.图2为本发明电池热管理单元的正视图。
40.图3为本发明电池热管理单元的侧视图。
41.图4为本发明电池热管理单元的俯视图。
42.图5为电池单元组的结构示意图。
43.图6为半导体制冷/制热机构的结构示意图。
44.图7为图6中省略风扇、散热器和半导体片后的结构示意图。
45.图8为图7中薄铜片ⅱ位置处的局部放大图。
46.图9为本发明电池热管理单元的组合示意图。
47.图10为本发明的安装示意图。
48.图中：1、动力电池单元外壳；2、动力电池；3、相变微胶囊；4、温度传感器；5、线排；6、直热管；7、支撑平台；8、铜片ⅰ；9、控制器；10、弯热管；11、散热器；12、风扇；13、半导体片；14、温度传感器信号线；15、风扇电源线；16、水槽；17、导线；18、薄铜片ⅱ；19、风机电源；20、温控器；21、风机；22、气流；23、电池热管理单元。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
50.实施例一
51.结合图1至图5所示，一种基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理装置，电池热管理单元23主要包括电池单元组和半导体制冷/制热机构。
52.本实施例中，电池单元组包括固定在底板上的4个矩形排布的电池单元。电池单元包括动力电池单元外壳1，动力电池单元外壳1由树脂制成，用于构建空气流道并约束动力电池2。各动力电池单元外壳1之间留有间隙，各动力电池单元外壳1同侧具有弧形凸起的导风部，其间形成的空气流道，能减小空气流动阻力。
53.动力电池单元外壳1中安装有5个动力电池2，动力电池2采用锂离子动力电池，各动力电池2通过线排5连接，线排5外有绝缘壳。相邻动力电池2之间以及与动力电池单元外壳1之间的缝隙中填充有相变微胶囊3。相变微胶囊3是外侧包裹有热固性树脂的相变材料颗粒，用于吸收动力电池在工作时发出的热量。每个电池单元中设置有一个温度传感器4，温度传感器4与动力电池2贴合，通过温度传感器4检测动力电池2的温度并将温度信号传递给控制器9。相邻动力电池单元外壳1之间连接有直热管6，动力电池单元外壳1内壁贴合设置有铜片ⅰ8，铜片ⅰ8与直热管6焊接连接。由于相变材料热导率较低，本方案设置了铜片ⅰ8与直热管6，由直热管6连接各个电池单元并进行热量传递，单位时间内能够将更多的热量从温度高的电池单元传递到温度低的电池单元，提升电池组温度的均匀性。
54.再结合图6所示，半导体制冷/制热机构包括位于电池单元组上方的支撑平台7。支撑平台7上固定有2个弯热管10，2个弯热管10下端位于相邻动力电池单元外壳1外壁之间。弯热管10用于将半导体片13的冷量/热量传递给电池单元。半导体片13用于制冷和制热，半导体片13与控制器9连接，半导体片13上下均涂有导热硅脂，半导体片13与上方的散热器11和下方的弯热管10紧贴并粘结。散热器11由不锈钢制成，用于扩散半导体片13热端的热量。散热器11上连接有风扇12，用于增加空气流动速度，提升单位时间内散热器11的散热量。控制器9安装在支撑平台7上，控制器9通过温度传感器信号线14连接温度传感器4，通过风扇
电源线15连接风扇12。控制器9用于接收动力电池2的温度信号，控制半导体片13的导通和风扇12的开关并向半导体片13和风扇12供电。
55.本实施例中，控制器9由电动汽车蓄电池ⅰ供电，控制器9通过信号线与电动汽车通讯总线连接，实现报故障及同其它控制器通讯的功能。控制器9内安装有为控制器9供电的备用蓄电池ⅱ。当电动汽车蓄电池无法向控制器9供电时，蓄电池ⅱ保证控制器9、半导体片13和风扇12仍然可以工作一段时间，向电池单元组提供冷量。
56.结合图7和图8所示，支撑平台7采用不导电的材料制作，支撑平台7通过支架固定在底板上。本实施例中，支架为角钢，支撑平台7为树脂制成，呈现3
°
的倾斜。支撑平台7上侧面低位位置开设有水槽16，在高湿环境下半导体片13制冷时冷端的水滴能够流入水槽16内。两个薄铜片ⅱ18下半部分紧贴水槽16内壁，薄铜片ⅱ18下端至水槽16具有一定距离。两个薄铜片ⅱ18上端均通过一条导线17电连接控制器9。当水槽16内的水位升高接触薄铜片ⅱ18，由于水能够导电，薄铜片ⅱ18焊接的导线17导通，控制器9接收到这一信号后停止半导体片13制冷，半导体片冷端不再产生水滴，这样可以防止水溢出水槽落入电池单元组中。水槽16内的水慢慢蒸发，当控制器9接收到导线17未接通的信号一段时间后，根据动力电池2的温度决定是否需要接通半导体片13和风扇12。
57.结合图9和图10所示，电池热管理单元23呈矩形排列，相邻电池热管理单元23之间留有间隙，形成的空气流道。电池热管理单元23中动力电池单元外壳1导风部朝向风机21的一侧。风机21与风机电源19、温控器20串联。本实施例采用多单元独立控制，一个半导体制冷片对应的电池数量少，可以实现更为精准的温度控制，避免局部高温而边部低温，造成制冷不工作的现象。
58.实施例二
59.一种基于相变材料和半导体的风冷动力电池热管理方法，在上述实施例一的基础上，包括如下步骤：
60.1)夏天时，电动汽车行驶过程中，
61.当控制器9接收到温度传感器4检测到的动力电池2的温度均低于40℃时，控制器9不动作，半导体片13和风扇12均不接通。动力电池散发的热量由相变微胶囊3吸收；
62.此时如果温控器20检测环境温度低于40℃，则打开风机21，电动汽车外部的空气沿着气流22流向电池热管理单元23，动力电池2的发热量传递至相变微胶囊3再传递至空气，最终热量被空气带走；
63.如果温控器20检测环境温度高于40℃时，关闭风机21。
64.当控制器9接收到温度传感器4检测到动力电池2的温度高于40℃时，控制器9接通半导体片13和风扇12，半导体片13上端为热端，热量被风扇12和散热器11带走，半导体片13下端为冷端，半导体片13开始制冷，冷量通过弯热管10向动力电池单元组内扩散，达到冷却动力电池2的目的；此时，如果温控器20检测环境温度低于40℃，风机21打开；如果温控器20检测环境温度高于40℃，风机21关闭；
65.半导体片13冷端在环境空气湿度高的情况下表面会凝露，水滴落在支撑平台7后流入水槽16中，当水槽16内的水位升高至一定程度时，与薄铜片ⅱ18焊接的导线17导通，控制器9接收到这一信号后停止半导体片13制冷，防止水溢出水槽16落入电池单元组中；
66.当控制器9接收到导线17未接通的信号10分钟后，若动力电池2的温度高于40℃则
接通半导体片13和风扇12。
67.2)冬天时，电动汽车准备启动时，风机21关闭，
68.当控制器9接收到温度传感器4检测到各个动力电池2的温度均高于20℃时，控制器9不动作，半导体片13和风扇12均不接通；
69.当控制器9接收到温度传感器4检测到动力电池2的温度低于20℃时，控制器9反接通半导体片13，半导体片13上端为冷端，下端为热端，半导体片13开始制热，热量通过弯热管10向电池单元组内扩散，达到加热动力电池2的目的。
70.3)当发生车祸等突发事故导致电动汽车蓄电池无法向控制器9供电时，控制器9由备用蓄电池ⅱ供电，控制器9仍然通过温度传感器4检测动力电池2的温度；
71.当检测温度高于40℃时，控制器9接通半导体片13和风扇12，半导体片13上端为热端，热量被风扇12和散热器11带走，半导体片13下端为冷端，半导体片13开始制冷，冷量通过弯热管10向电池单元组内扩散，直至半导体片13和风扇12耗尽控制器9内蓄电池ⅱ的电能。
72.4)当某一电池热管理单元23中的控制器9接收到温度传感器4检测到动力电池2的温度高于60℃时，则认为该动力电池2有热失控的风险，除了接通该电池热管理单元23中的半导体片13和风扇12外，还发出信号接通该电池热管理单元23周围的其他电池热管理单元23中的半导体片13和风扇12，防止热量扩散引发周围电池过热。
73.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。