一种动力电池散热结构的制作方法
【专利摘要】一种动力电池散热结构，开口向上的电池包箱体内立式间隔布置若干个柱形电池，靠近电池顶部，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上，电池底部与电池包箱体底部之间衬垫缓冲下绝缘板，在上绝缘定位板和缓冲下绝缘板之间配置热扩散板，热扩散板外缘紧贴电池包箱体侧壁，热扩散板上开设与电池对应的通孔，通孔具有加大热扩散体，紧密外套在电池外壁，两者之间填充界面导热材料层，在电池周围间隔配置若干个导热柱，导热柱上下两端分别紧密接触热扩散板和电池包箱体，热扩散板下方填充相变材料层或热塑性灌封材料层。本装置传热强化效果优良，散热效果更好，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】
一种动力电池散热结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及动力电池冷却技术领域，尤其是涉及一种带有热扩散板和导热柱的复合散热装置。
【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、商务车上应用潜力和市场很大。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。因此动力锂尚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，风冷散热系统体积小，但是散热效果非常有限，并且电池温度均匀性差;此外，利用相变材料通常是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亦有一定的效果，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动力电池散热结构，该装置通过热扩散板、导热柱形成导热通路，复合运用相变材料吸热等多种散热方式，不仅散热速度快，散热效果好，电池使用过程中的均温性好，并且装置结构紧凑，重量相对较轻，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]开口向上的电池包箱体内立式间隔布置若干个柱形电池；
[0010]在电池顶部和底部之间的电池包箱体内横向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，通孔内缘紧密外套电池外壁；
[0011]在电池周围间隔配置若干个导热柱，导热柱紧密接触热扩散板和电池包箱体。
[0012]电池包箱体预先加工、安装导热柱，并与热扩散板连接，形成电池单体-热扩散板-导热柱-电池包箱体底部的导热通路，热扩散板紧密套装在电池的中下部、中部或者上部高度，避免圆柱电池顶部因缺乏散热途径导致温度过高。电池单体外部涂覆或包裹有绝缘膜层以实现电池外部的电绝缘。
[0013]进一步的，所述热扩散板下方的电池包箱体空间内填充相变材料层或热塑性灌封材料层。相变材料层为包含相变温度在30?80 °C的石蜡、脂肪酸和无机盐相变材料中的一种或多种的相变材料层;所述复合相变材料的多孔泡沫结构层为高导热泡沫结构层，如铝质泡沫金属，铜泡沫结构层，石墨泡沫结构层等，其空度在70%?98%之间，其多孔结构内填充相变材料，具有结构轻质、提高相变材料导热的作用。
[0014]热塑性灌封材料层为导热率大于0.2W/mK的有机硅、聚氨酯材料层。填充在热扩散板下部电池包箱体空间内的相变材料层或热塑性灌封材料层具有一定的导热效果:相变材料在溶化时的潜热可以吸收电池产生的部分热量，并保持温度不变，从而降低电池温度热冲击幅度，此外，通过热扩散板、导热柱和电池包箱体导出另外部分热量，从而进一步降低电池温度;热塑性灌封材料通常具有导热填料，也可以进一步加强导热，降低热冲击，此外，热塑性灌封材料具有较好的韧性和延展性能，可降低机械应力，减缓机械冲击。
[0015]再进一步，所述热扩散板下方的电池包箱体空间内部分填充或完全充满绝缘导热油或者具有导热填料的复合绝缘导热油;所述绝缘导热油为导热率大于0.05W/mK的有机导热油，为普通合成油或者精制矿物油的一种，例如:烷基苯型(苯环型)导热油，联苯和联苯醚低熔导热油，有机硅油，典型品牌如陶氏化学的DowTherm导热油，所述导热填料导热率在10W/mK以上，主要选择包括氧化铝、氢氧化铝、氮化硼、氮化铝、碳化硅等类似的具有导热功能的绝缘颗粒。在车辆行驶过程中，导热油的液态震荡产生的导热、对流综合作用有利于电池向外散热。导热填料可进一步增强传热。
[0016]再进一步，所述通孔内缘具有加大热扩散体，加大热扩散体紧密外套电池外壁。加大热扩散体可以增大热扩散板和电池之间的导热面积，提高导热效率。
[0017]再进一步，所述加大热扩散体和电池之间填充界面导热材料层。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:一是保证加大热扩散体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密封作用，避免热扩散板下方的相变材料或绝缘导热油，复合绝缘导热油等填充物因溶化而泄漏。
[0018]再进一步，所述热扩散板上的通孔冲压成形，所述加大热扩散体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，加大热扩散体可朝上或者朝下，通孔冲压时四周翻成直边而自然形成的加大热扩散体，结构简单，利于加工。
[0019]再进一步，所述热扩散板为上、下间隔布置的两层，分别位于电池的中下部和上部高度位置。以便于进一步降低温升和温度梯度，多层热扩散板之间通过导热柱连接，从而增加电池向外的导热通路，消除局部热点、降低温升。
[0020]再进一步，多层热扩散板之间的导热柱可以采用以下连接方式:所述导热柱为上、下配置的两段式导热柱，两段导热柱的连接端面位于下层的热扩散板内，固定螺栓将上层热扩散板和两段导热柱紧固连接在一起。安装时，先将下段导热柱固定安装在电池包箱体底部上，然后安装下层热扩散板，再安装上段导热柱和上层热扩散板，便于装配和定位。
[0021]再进一步，所述通孔在热扩散板上叉排或者顺排，导热柱在电池包箱体内叉排或者顺排，导热柱与电池间隔平行排列。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导热柱和电池，结构紧凑，并且导热柱和电池的均匀间隔布置，也有利于提高导热效率。
[0022]再进一步，热扩散板为铝、铜、钛、铁等高导热率金属板，厚度为0.3?3mm;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。
[0023]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。
[0024]再进一步，所述导热柱的截面为圆形，方形，菱形，星形或其它类似的、具有较大的导热外缘的截面形状。
[0025]再进一步，所述导热柱与热扩散板之间通过固定螺栓固定，焊接固定或者导热套筒或者其它兼具固定与导热的连接方式固定，导热柱和电池包箱体底部之间通过固定螺栓固定，或者焊接固定，或者与电池包箱体底部一体成型，或者其它兼具固定与导热的连接方式固定。一方面形成电池-热扩散板-导热柱-电池箱体底板的散热通路，另一方面，加固热扩散板，提高机械强度。
[0026]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；电池底部与电池包箱体底部之间衬垫缓冲下绝缘板；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。电池包箱体和电池之间加装绝缘板以实现电绝缘，并且，除了电池底部通过缓冲下绝缘板向电池包箱体底部导热，通过上绝缘定位板向电池包箱体侧壁导热的导热途径外，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。
[0027]本实用新型的有益效果在于:
[0028]1、传热强化效果优良。由于电池内部导热率低，热阻大，本实用新型采用高导热率金属材料制作热扩散板和加大热扩散体，热扩散体与电池中部或者上部紧密连接，下部与导热柱和电池箱体固连，形成电池单体-热扩散板-导热柱-电池箱体底部的并联式导热通路，降低了电池散热热阻，从而解决了电池顶部温度过高的问题，也大大降低电池最高温度和温度不均匀性，具有优良的强化传热效果。
[0029]2、将本实用新型的热扩散板应用于动力锂离子电池等的复合散热装置中，电池箱体与热扩散板之间布置相变材料，相变材料在相变过程中吸热而使电池最高温度保持在相变熔点附近，通过热扩散板和导热柱结构，可以加快热量向相变材料的传递，从而进一步降低了电池温升，缓和热冲击。采用复合相变材料的多孔泡沫结构层，其泡沫结构材料为高导热材料铝、铜、石墨，空度在70%?98%之间，其孔洞结构可填充相变材料，从而提高相变材料传热速度并保持电池温度在较低水平。同时，与不带热扩散板和导热柱的电池系统相比，带有本实用新型的热扩散板和导热柱的复合散热装置的电池系统的散热效果更好，温度分布更均匀。
[0030]3、缓冲撞击效果好、成本低:热扩散板结构具有更低的硬度，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，此外，热扩散板和导热柱形成的导热通路外形紧凑，结构简单，材料用量少，节省成本，适用于动力电池系统。
【附图说明】
[0031 ]图1为本装置一种优选方案的透视正视结构示意图。
[0032]图2为图1的俯视结构示意图(去除上部绝缘板)。
[0033]图3为图2的A-A向剖视图。
[0034]图4为图2的B-B向剖视图。
[0035]图5为不同截面形状的导热柱示意图，虚线表示一个基本单元区域。
[0036]图6?12为18650圆柱形电池(18表示直径，65表示长度，单位均为mm)计算模拟结果，其中:
[0037]图6模拟结果:没有安装热扩散板和导热柱(对应H=Omm)的电池单体稳态情况下的温度云图(单位:K);
[0038]图7模拟结果:热扩散板安装高度为H=30mm的电池单体稳态情况下的温度云图(单位:K)；
[0039]图8模拟结果:热扩散板安装高度为H= 40mm的电池单体稳态情况下的温度云图(单位:K)；
[0040]图9模拟结果:热扩散板安装高度为H=50mm的电池单体稳态情况下的温度云图(单位:K)；
[0041 ]图10模拟结果:不同热扩散板安装高度所对应的电池单体稳态情况下的最高温度(图6?10中没有填充相变材料PCM);
[0042]图11模拟结果:热扩散板安装高度为H= 40mm的电池单体在添加相变材料下加热时间900S的温度云图(单位:K)。
[0043]图12模拟结果:热扩散板安装高度为H= 50mm的电池单体在添加相变材料下加热时间900S的温度云图(单位:K)。
[0044]图13为本装置另一种优选方案的透视正视结构示意图
[0045]图14为本装置第三种优选方案的透视正视结构示意图
[0046]图1?5，13?14中:I为电池，2为热扩散板，3为导热柱，4为电池包箱体侧壁，5为相变材料层，6为电池包箱体底部，7为缓冲下绝缘板，8为加大热扩散体，9为连接电路，10为上绝缘定位板，11为固定螺栓，12为导热套筒，20为灌料孔。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0048]如图1?5所示，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。靠近电池I顶部，在电池包箱体内配置上绝缘板10，上绝缘定位板10紧套在电池I上，电池I底部与电池包箱体底板6之间衬垫缓冲下绝缘板7。
[0049]在上绝缘定位板10和缓冲下绝缘板7之间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0.3?3mm，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;热扩散板2外缘紧贴电池包箱体侧壁4，热扩散板2上冲压出与电池I一一对应的通孔，冲压时在通孔内缘形成的向上或者向下的90度直角翻折面，即为加大热扩散体8，加大热扩散体8紧密外套在电池I的中、上部高度位置，加大热扩散体8和电池I之间填充界面导热材料层，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;热扩散板2下方间隔配置若干个导热柱3，导热柱3为铝、铜等高导热率金属柱体;导热柱3上端通过固定螺栓11锁紧在热扩散板2底部，下端焊接固定在电池包箱体底板6上;通孔在热扩散板2上叉排或者顺排，导热柱3在电池包箱体内叉排或者顺排，导热柱3与电池I间隔平行排列。
[0050]热扩散板2下方的电池包箱体空间内填充相变材料层5，复合相变材料的多孔泡沫结构层，或热塑性灌封材料层，相变材料层5为包含相变温度在30?80 °C的石蜡、脂肪酸和无机盐相变材料中的一种或多种的相变材料层;所述的复合相变材料的多孔泡沫结构层的泡沫结构材料为高导热材料铝、铜、石墨，空度在70%?98%之间，其孔洞结构可填充相变材料，具有结构轻质、提高相变材料导热的作用。以铝制泡沫金属为例为例，根据已发表文南犬(V.V.Calmidi and R.L.Mahajan,The Effective Thermal Conductivity of HighPorosity Fibrous Metal Foams,ASME J.Heat Transfer，Vol.I 2 I，pp.466-471，1999)可以计算在空度70 %和98%时复合材料的有效导热率分别为6.8W/mK和0.99ff/mK，都远大于相变材料本身的导热率0.2ff/mK，从而加快相变材料的吸热作用，降低电池温升速度。热塑性灌封材料层为导热率大于0.2W/mK的有机硅、聚氨酯材料层，如道康宁8760灌封胶。
[0051]如图13所示，电池I正极朝上成组，电池包箱体设置导热柱3，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的中下部和上部高度位置。导热柱3为上、下配置的两段式导热柱，两段导热柱的连接端面位于下层的热扩散板2内，固定螺栓11将上层热扩散板和两段导热柱紧固连接在一起。通过增设热扩散板2和导热柱3，增加电池向外的导热通路，消除局部热点、降低温升。
[0052]如图14所示，电池I正极朝上成组，电池包箱体设置热扩散板2和导热柱3，热扩散板2上设有两种不同尺寸的加大热扩散体，一种是包括套装在电池上的加大热扩散体8，套装连接缝隙可填装导热胶，即界面导热材料层，该实施例中，热扩散板2位于加大热扩散体8的腰部；另一种是套装在导热柱3上的导热套筒12，导热套筒12既起到紧密连接导热柱3和热扩散板2的作用，又起到加大热扩散体加强导热的作用。加大热扩散体8和热扩散板2之间，导热套筒12和热扩散板2之间分别通过焊接或者新型三维打印技术连接，套装缝隙可填装导热胶或者局部焊接，增加界面接触面积，降低热阻。
[0053]如图5所示，导热柱3的截面可以为圆形，方形，菱形或星形。
[0054]如图6?12所示，在计算机数值模拟过程中，热扩散板2、导热柱3、电池包箱体底部6材料均为铝合金6063，热扩散板2厚度为1mm，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，O表示为圆柱形电池)，发热功率模拟大倍率放电下发热情况，发热量为4W，电池包箱体底部6设为定温298K(25°C)。
[0055]如图6所示，没有热扩散板2和导热柱3时，其散热主要依赖于电池包箱体底部6导热和侧面自然对流，由于自身热阻和缓冲下绝缘板7的影响，电池I内部温度梯度高，电池I顶部局部温度最高，局部温度达到423K(150°C)，电池I底部的局部温度最低，为380K(由于电池底部紧贴缓冲下绝缘板，因此图6?9和图11?12中的最下面一段浅色虚线填充区域为是底部绝缘材料温度梯度，并非电池内部温差。)，电池内部温差为43K。
[0056]如图7?9所示，当采用热扩散板2时，电池I上部热量可直接通过热扩散板2、导热柱3向电池箱体底部散热，从而降低电池上部的热阻，避免电池温度急剧升高。同时，由于每个电池I都和电池包箱体底部6相连形成导热通路，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。如图7所示，在热扩散板安装高度为H= 30mm时，电池等温线最高温度346K，电池局部最低温度为327K，电池内部温差为19K;如图8所示，在热扩散板安装高度为H=40mm时，电池局部最高温度338K，电池局部最低温度为328K，电池内部温差为1K;如图9所示，在热扩散板安装高度为H=50mm时，电池局部最高温度340K，电池局部最低温度为332K，电池内部温差为8K。不同的热扩散板安装高度对电池的最高温度及电池内部温差有明显影响，由图7?1可以看到，在本例下，安装高度为40mm时，电池内部的等温线最高温度为338K，为三个实施例中的电池局部最高温度的最低值;安装高度为50mm时，电池内部的温差最小，为8K。
[0057]如图11?12所示，添加相变材料可以进一步降低温度上升。在本实施例中，采用石蜡作为相变材料，其溶点设为313K(40°C)，基于加热900S的数值模拟温度云图示于图11?12中。模拟结果表明，由于相变材料的潜热吸热作用，使得电池最高温度降低。在H = 40mm下，电池等温线最高温度为324K，局部温度接近326K，电池局部最低温度为313K，电池内部温度差为13K，比没有添加相变材料时温度水平要低。而在安装高度H = 30mm、添加相变材料情况下，电池局部最高温332K，电池局部最低温度为314K，电池内部温度差18K，这表明，添加相变材料是H=40mm的安装情况优于H=30mm情形。
【主权项】
1.一种动力电池散热结构，其特征在于: 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); 在电池顶部和底部之间的电池包箱体内横向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，通孔内缘紧密外套于电池(I)的外壁； 在电池周围间隔配置若干个导热柱(3)，导热柱(3)紧密接触热扩散板(2)和电池包箱体。2.根据权利要求1所述的动力电池散热结构，其特征在于: 所述热扩散板(2)下方的电池包箱体空间内填充相变材料层(5)，或者复合相变材料的多孔泡沫结构层，或者热塑性灌封材料层，或者绝缘导热油； 所述的相变材料层(5)为相变温度在30?80°C的石蜡、脂肪酸或无机盐相变材料层； 所述相变材料为相变温度在30?80°C的石蜡、脂肪酸或无机盐相变材料； 所述复合相变材料的多孔泡沫结构层为空度在70%?98%之间的高导热泡沫结构层，其多孔结构内填充相变材料； 所述热塑性灌封材料层为导热率大于0.2W/mK的有机硅、聚氨酯材料层； 所述绝缘导热油是导热率大于0.05W/mK的有机导热油。3.根据权利要求1所述的动力电池散热结构，其特征在于:所述通孔内缘具有加大热扩散体(8)，加大热扩散体(8)紧密外套于电池(I)的外壁。4.根据权利要求3所述的动力电池散热结构，其特征在于: 所述加大热扩散体(8)和电池(I)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。5.根据权利要求3所述的动力电池散热结构，其特征在于:所述热扩散板(2)上的通孔冲压成形，所述加大热扩散体(8)为冲压时在通孔内缘形成的70?90度翻折面。6.根据权利要求1所述的动力电池散热结构，其特征在于:所述通孔在热扩散板(2)上叉排或者顺排，导热柱(3)在电池包箱体内叉排或者顺排，导热柱(3)与电池(I)间隔平行排列。7.根据权利要求1所述的动力电池散热结构，其特征在于:所述热扩散板(2)为铝、铜、钛、铁高导热率金属板，厚度为0.3?3mm;所述导热柱(3)为铝、铜等高导热率金属柱体。8.根据权利要求7所述的动力电池散热结构，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。9.根据权利要求1所述的动力电池散热结构，其特征在于:所述导热柱(3)与热扩散板(2)之间通过固定螺栓(11)固定，焊接固定或者导热套筒(12)固定，导热柱(3)和电池包箱体底部(6)之间通过固定螺栓(11)固定，或者焊接固定，或者与电池包箱体底部(6)—体成型。10.根据权利要求1所述的动力电池散热结构，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；电池(I)的底部与电池包箱体底部(6)之间衬垫缓冲下绝缘板(7);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】H01M10/625GK205646054SQ201620111439
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】张恒运, 夏欣, 王之伟, 金光灿
【申请人】上海工程技术大学