一种复合式电池包热管理系统及热管理方法

本发明涉及电池热管理，尤其涉及一种复合式电池包热管理系统及热管理方法。

背景技术：

1、随着新能源汽车的发展，动力电池作为核心部件，承载着提供动力和存储能量的关键任务。在高能量密度和高功率输出的条件下，动力电池在充放电过程中会产生大量的热量。过高的温度不仅会影响电池的循环寿命，还可能导致热失控，带来安全隐患。因此，高效且均匀的热管理系统是保证电池组安全、稳定运行的关键。

2、目前应用较多的动力电池散热方式有液体冷却和相变材料冷却等方式，冷却液较大的比热容能够快速吸收并带走动力电池工作时产生的热量，使得电池模组在高温下快速散热，液体冷却方式在动力电池散热领域得到了广泛的应用。但是，由于电池模组的加热，冷却流体在流动方向上温度逐渐升高，会出现温度梯度的问题，导致动力电池组内部的温差较大，严重影响了动力电池的性能和寿命。

3、相变材料冷却技术利用材料在相变过程中吸收或释放大量潜热的特性，从而保持温度稳定。在电池热管理中，相变材料能够在电池温度过高时吸收热量，缓解温度升高的压力。然而，相变材料的热吸收能力依赖于其相变过程，当相变材料从固态转变为液态时，它能够吸收一定量的热量，但一旦相变材料完全融化，就无法继续吸热，从而使得冷却效果逐渐失效。如果电池继续工作，温度将会迅速上升，存在热失控的风险。另外，相变材料的散热效果在很大程度上依赖其接触面积，而大多数现有的相变材料散热结构无法提供足够的散热面积，导致散热效率较低，尤其在长时间高功率输出的工况下，冷却效果难以保持。

4、现有的液冷和相变材料冷却技术虽各有优缺点，但很难单独满足电池包在各种工作条件下的热管理需求。特别是在高功率放电、快速充电等极端工况下，单一冷却方式无法有效平衡冷却效率和温度均匀性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种复合式电池包热管理系统及热管理方法，能确保在不同工况下的高效散热，还能保证电池包内部温度的均匀性，减少温差对电池性能的影响，降低热失控风险，提高电池组的安全性和使用寿命。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一方面，本发明提供了一种复合式电池包热管理系统，包括：

4、电池包箱体，其具有顶部开口的安装腔，安装腔内充填有液冷介质，电池包箱体底部侧壁开设有与安装腔相连通的出液口；

5、多个单体电芯，固定设置于安装腔内并浸没于液冷介质中；

6、三周期极小曲面结构，设置于安装腔内并围绕在单体电芯外侧；

7、相变材料，设置于三周期极小曲面结构的孔隙中；

8、液冷箱，固定设置于电池包箱体顶部开口处并与安装腔相连通，液冷箱上开设有进液口；

9、控制装置，包括第一温度传感器、第二温度传感器、电磁流量阀及控制器，所述第一温度传感器设置于单体电芯上，用于检测单体电芯的温度，第二温度传感器用于检测相变材料的温度，电磁流量阀分别设置于进液口和出液口，第一温度传感器、第二温度传感器、电磁流量阀分别与控制器电性连接，所述控制器根据所获取的温度数据来控制电磁流量阀的开闭和液冷介质的流量。

10、在上述技术方案的基础上，优选的，所述安装腔内上下固定设置有上隔板和下隔板，所述上隔板和下隔板将安装腔分给为相互独立的上腔室和下腔室，所述上隔板和下隔板之间竖直固定设置有多个安装套，单体电芯竖直固定设置于安装套中，单体电芯与安装套之间具有冷却液通道，冷却液通道与液冷箱及下腔室连通，出液口与下腔室连通，三周期极小曲面结构设置于上腔室中。

11、在上述技术方案的基础上，优选的，所述冷却液通道内设置有与安装套内壁固定连接的螺旋流道。

12、在上述技术方案的基础上，优选的，所述安装套侧壁上开设有若干第一通孔，下隔板上开设有若干第二通孔，上腔室和冷却液通道通过第一通孔相连通，上腔室和下腔室通过第二通孔相连通，所述三周期极小曲面结构的孔隙中还设置有包裹相变材料的包覆层，所述包覆层为高导热聚合物或复合材料。

13、在上述技术方案的基础上，优选的，多个单体电芯排列形成若干电芯组，液冷箱内部设置有多个相互独立的分流腔，每个分流腔对应一个电芯组，分流腔底部设置有多个通液口，多个通液口与电芯组中的多个单体电芯一一上下对应。

14、在上述技术方案的基础上，优选的，所述通液口中固定设置有圆型结构的导流板，导流板与通液口之间具有环形通道，所述环形通道与冷却液通道相对应。

15、在上述技术方案的基础上，优选的，所述液冷箱底面和上隔板顶面相连接。

16、在上述技术方案的基础上，优选的，所述液冷箱底面和上隔板之间设置有间隔，上隔板上开设有若干与上腔室连通的第三通孔。

17、在上述技术方案的基础上，优选的，所述三周期极小曲面结构为gyroid曲面结构、primitive曲面结构、diamond曲面结构和i-wp曲面结构中的任意一种。

18、第二方面，本发明公开了一种复合式电池包热管理方法，其利用了第一方面所述的复合式电池包热管理系统，包括步骤如下：

19、s1、当单体电芯温度低于40℃，相变材料温度小于33℃，电池包箱体内的冷却液处于静态，静态冷却液及相变材料两者协同来实现单体电芯散热；

20、s2、当单体电芯温度高于40℃，相变材料温度大于33℃且低于35℃，以低流量向电池包箱体内循环通入冷却液，冷却液流经单体电芯表面带走热量，同时相变工质吸收冷却液中的热量，辅助热管理系统实现主被动同步散热；

21、s3、当单体电芯温度高于40℃，相变材料温度大于35℃，此时相变材料完全融化，以高流量向电池包箱体内循环通入冷却液，电池热管理系统的冷却方式转化为主动浸没式动态冷却。

22、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

23、(1)本发明通过结合静态冷却、低流量动态冷却、高流量动态冷却和相变材料的多层次热管理，实现了以下技术效果：1、在不同温度条件下，动态调整冷却策略，确保高效散热。2、相变材料结合三周期极小曲面结构的使用使得电池包内部的单体电芯温度散热效率提升，散热更加均匀，避免局部过热。3、根据需要选择合适的冷却模式，避免不必要的能量消耗，特别是在低温条件下通过静态冷却和相变材料的被动散热，节约能源。4、多种冷却方式的结合提高了系统的整体可靠性和灵活性，适应不同的工作环境和需求。

24、(2)通过设置上隔板、下隔板及安装套，一方面用来实现对单体电芯在安装腔内的固定，通过将单体电芯固定设置于安装套中，液冷介质充填于冷却液通道中，可以实现对单体电芯浸没式冷却，由于每个单体电芯分别设置于安装套内，冷却液通道为单体电芯提供了独立的冷却空间，保证了各空间内的液冷介质单独为单体电芯进行散热，使得每个空间内的温度分布更加均匀，从而确保所有的单体电芯均温性更高；另一方面上隔板、下隔板及安装套的设置，将安装腔分割出上腔室，上腔室是一个封闭空间，提供了三周期极小曲面结构及相变材料的容纳空间，由此以来，液冷介质不会进入上腔室中，避免相变材料融化后随液冷介质流走。

25、(3)在螺旋流道的设置下，当电池包箱体内的液冷介质处于循环流动时，液冷介质从上往下经过螺旋流道，可以增加液冷介质与单体电芯接触时间，提高冷却效率，另外，螺旋流道的设置，一方面可以对单体电芯在安装套内进行固定，确保单体电芯结构稳定性，另一方面，螺旋流道为螺旋板体，螺旋板体分别和安装套内壁及单体电芯外壁接触，可以使单体电芯释放的热量快速通过螺旋流道传递到安装套，并被三周期极小曲面结构快速的传递到相变材料中，提高相变材料的相变吸热效能。

26、(4)通过在安装套上设置第一通孔，下隔板上设置第二通孔，可以使液冷介质直接和相变材料进行接触，相变材料和液冷介质之间的热交换更加直接和高效，换热面积更大，液冷介质能够更迅速地将热量传递给相变材料，加快其由固态向液态的相变过程，同时，缩短了热量从单体电芯到相变材料的传递路径，使得相变材料能够更快速地吸收热量，实现相变转换。

27、(5)通过包覆层将相变材料封装在内，形成相变微胶囊结构，当相变材料由固态转变为液态时，包覆层能够有效防止其流出，进而防止其在融化后混入到液冷介质中流走，保证了相变材料的完整性和系统的稳定性。

28、(6)通过在通液口中固定设置有圆型结构的导流板，导流板与通液口之间具有环形通道，环形通道与冷却液通道相对应。由此设置，分流腔内的液冷介质通过环形通道流出大部分能够进入到冷却液通道中，液冷介质沿冷却液通道向下流动，可以减少液冷介质对单体电芯顶面的直接冲击，避免因长时间高流量冲击对单体电芯造成的物理损伤。

29、(7)通过将液冷箱底面和上隔板之间设置间隔，上隔板上开设有若干与上腔室连通的第三通孔。由此以来，从环形通道流出的液冷介质会充填于上隔板和液冷箱之间的空间内，该部分液冷介质处于流动的低温冷却液，且这些液冷介质在流动时，一部分快速穿过冷却液通道实现对单体电芯进行换热，另一部分会穿过第三通孔进入到上腔室内，实现对相变材料液态向固体的转换，从而使相变材料能够快速的复苏，进而重复的发挥其吸热作用，提高单体电芯的散热效率。