一種動力電池液冷成組箱的製作方法

2023-09-09 19:35:30

本發明涉及電動汽車動力電池成組結構設計技術領域，具體涉及純電動汽車或混合動力汽車用動力電池液冷成組箱體及其液冷換熱薄板。

背景技術：

電動汽車的技術關鍵是動力電池，動力電池性能的優劣直接決定了電動汽車的整車性能、安全與使用壽命等。在動力電池各項性能參數中，溫度是影響電池的安全、性能和壽命的關鍵參數，過低則會導致整車性能下降，過高則可能會引發安全事故。

在高溫環境下，特別是在炎熱的夏季，動力電池在充放電過程中和高溫環境下使用時會釋放出大量的熱，受空間影響產生熱量累積，如果該熱量不能及時被排出，熱量將會使得電池包的溫度上升，此時須啟動散熱系統對動力電池冷卻；在低溫情況下，特別在寒冷的冬季，動力電池工作性能很差，甚至無法正常運行，此時必須對電池進行加熱升溫，使之處於最佳的使用溫度水平。

動力電池組的散熱和加熱結構不完善會引起電池包各個模塊溫度分布不均勻，使得每個電池單體的工作環境不一樣，嚴重影響單體電池性能的一致性，影響整個動力電池組的使用壽命。

隨著新能源汽車對動力電池容量需求的增大，動力電池箱體內裝載的單體電池數量在增多，但箱體空間有限，如何在一定空間內布置足夠多的單體電池，並組織有效的加熱與散熱結構設計，就顯得異常關鍵。

長方體動力電池是新能源汽車行業普遍採用的一種形狀規格，考慮到成本、密封性和安全性的因素，目前電動汽車動力電池組散熱和加熱的傳熱介質大都是氣體空氣。但是，使用空氣為介質存在有局限，包括：由於需要加熱或冷卻的空氣需要流過每一塊電池單體，而車內上千塊電池單體，電池單體之間的空隙很小，空氣流通的阻力太大，使得選用的風機轉速和功率增加，造成不必要的電能消耗，風機噪聲增加；一些結構設計甚至沒有空隙，無法實現針對每一塊電池單體進行空氣溫度調節。

近年來使用液體為傳熱介質的電動汽車熱管理方案也在逐漸得到重視，但其密封性要求高，液體的流道布局複雜，且大都由於電池箱體內的單體電池布局不規整，使得與單體電池直接換熱的單個液冷換熱元件的結構不統一，導致每個液冷換熱元件內部流過的液體阻力損失不一致，即液體流過所需的壓頭不一致，容易導致液體流量與所需換熱量不成比例關係，造成換熱效果不均勻，使得單體電池的溫差過大。

在動力電池的成組結構設計上，國務院頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》已明確了至2020年動力電池模塊的能量密度達到300Wh/kg，對應的單體電池能量密度至少達到330Wh/kg以上的目標；該目標一方面對單體電池性能指標提出要求，另一方面在電池模塊設計上，對於電池箱體內儘可能放置比較多的單體電池提出要求，是在保證固定安裝的前提下減輕箱體的重量。據文獻報導，現階段單體電池比能量僅為120-200Wh/kg，組合成電池包後，電池系統能量密度還不到90-120Wh/kg。

技術實現要素：

本發明是為避免上述現有技術所存的不足，針對長方體動力電池提供一種動力電池液冷成組箱，實現長方體動力電池的高效、均一的降溫散熱和升溫加熱，並通過模塊化設計，實現電池模組的緊湊布置以提高動力電池箱的能量密度。

本發明為解決技術問題採用如下技術方案：

本發明動力電池液冷成組箱的結構特點是：包括箱體、設置在箱體側壁上的總進出水模塊、固定在箱體內部的多組電池模組；

呈長方體的單體電池為立式排放，並以最大面積的面呈相對構成電池列，每個電池模組是由兩個電池列並列設置，並有液冷換熱薄板直立在兩列單體電池之間，在構成電池模組的兩個電池列的外部設置固定框，使兩個電池列形成一整體模塊；各單體電池的正極耳和負極耳均處在上部；

所述液冷換熱薄板是以長方形薄板為本體，在本體沿長度方向上的兩端、位於底部凸伸有凸耳，在其一端凸耳的正反兩面固聯有進水接頭形成進液端，在其另一端凸耳的正反兩面固聯有出水接頭形成出液端，所述本體的內腔設置有液體流道；所述進水接頭和出水接頭均與液體流道相貫通；

所述本體內腔液體流道的結構形式是：在所述進液端設置一條豎直導流筋，利用豎直導流筋將本體內腔分隔為進水側和出水側，所述進水側是與進水接頭相連通的豎直流道，豎直導流筋的頂端與長方形薄板的頂邊之間的空隙形成豎直流道出口，在所述出水側呈水平且上下間隔設置多道水平導流筋，形成水平折返的水平流道。

本發明動力電池液冷成組箱的結構特點也在於：設置各電池模組中液冷換熱薄板的進水接頭同處在一側，出水接頭同處在另一側，利用連接管將各液冷換熱薄板的進水接頭與進水總接頭相連接，並利用連接管將液冷換熱薄板的出水接頭與出水總接頭相連接，實現各液冷換熱薄板在進水總接頭和出水總接頭之間的並聯連接。

本發明動力電池液冷成組箱的結構特點也在於：所述固定框包括上框和下框，所述上框為一條包裹電池模組的兩個側面和頂面的長窄筋條，長窄筋條的兩端相連有T形筋條；在電池模組的頂面，與長窄筋條呈十字相連有橫向筋條，所述橫向筋條兩端向下折彎並緊固電池模組；所述下框託承在電池模組的底面，並在兩側邊連有向上的折彎板，所述折彎板為鏤空板，所述折彎板在兩端延伸有耳板，利用所述耳板與T形筋條的兩端緊固連接。

本發明動力電池液冷成組箱的結構特點也在於：所述液冷換熱薄板的厚度為1mm-4mm，在其本體的兩個換熱面均設置有導熱膜和絕緣膜。

本發明動力電池液冷成組箱的結構特點也在於：所述凸耳是自本體底邊向下凸伸形成在本體下方，或是自本體側邊沿本體長度方向凸伸形成在本體兩側。

與現有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明採用液冷換熱，合理布置各單體電池構成電池模組，並在電池模組中設置液冷換熱薄板，利用液冷換熱薄板與單體電池的大面積的緊密接觸，實現快速冷熱量的傳遞，在單體電池與液冷換熱薄板之間實現了傳熱效率的最大化，從而實現對單體電池的迅速有效的升溫和降溫控制。

2、本發明將多組電池模組並列布置，實現各液冷換熱薄板在進水總接頭和出水總接頭之間的並聯連接，使各液冷換熱薄板之間的液體流動與換熱形成了並列的關係，進出每個液冷換熱薄板的液體流量與換熱量均能保持一致，每塊單體電池獲得相等的換熱量，從而實現每組電池模組內單體電池溫差的最小化，保證整個動力電池箱體內單體電池溫度的均一性，避免因常規成組連接所導致的箱體內單體電池過大的問題。

3、本發明基於輕量化設計的液冷換熱薄板和固定框，降低了換熱器件和緊固連接件的重量，同時根據箱體內部結構實現模塊化的電池模組在其內部的組合布局，易於在不同結構的電池箱體內部裝配更多的動力電池，從而能夠顯著提高動力電池箱體的能量密度。

附圖說明

圖1為本發明電池箱體結構示意圖；

圖2為本發明中電池模組結構示意圖；

圖3為本發明中液冷換熱薄板立體結構示意圖；

圖4為本發明中液冷換熱薄板內部流道示意圖；

圖5和圖6為本發明中液冷換熱薄板另一實施方式示意圖；

圖7是本發明應用於「T」箱體的結構示意圖；

圖中標號：1箱體，2單體電池，21正極耳，22負極耳，3電池模組，31上框，311長窄筋條，312為T形筋條，313橫向筋條，32下框，33支撐板，34邊條，4液冷換熱薄板，41進水接頭，42出水接頭，43長方形薄板，44凸耳，45豎直導流筋，46豎直流道，47水平導流筋，48水平流道，5總進出水模塊，51進水總接頭，52出水總接頭，53連接管。

具體實施方式

參見圖1和圖2，本實施例中動力電池液冷成組箱包括箱體1、設置在箱體1側壁上的總進出水模塊5、固定在箱體1內部的多組電池模組3；箱體1是規則的長方體結構，其進出水模塊5上設置有分別貫穿通過的進水總接頭51和出水總接頭52。

在箱體1中，呈長方體的單體電池2為立式排放，並以最大面積的面呈相對構成電池列，單體電池2是長方體型塑殼或鋼殼或鋁殼的鋰離子動力電池，每個電池模組3是由兩個電池列並列設置，並有液冷換熱薄板4直立在兩列單體電池之間，在構成電池模組3的兩個電池列的外部設置固定框，使兩個電池列形成一整體模塊；設置每個電池列中單體電池2的個數為2-6塊，各單體電池2的正極耳21和負極耳22均處在上部，以便於極柱的焊接操作，箱體1中並列且緊鄰擺放有10-50個電池模組3；圖1和圖2所示的一個電池模組3中排列有兩列電池列，每列電池列中有兩塊單體電池2，箱體1中共擺放有20個電池模組3。

參見圖3和圖4，本實施例中液冷換熱薄板4是以長方形薄板43為本體，在本體沿長度方向上的兩端、位於底部凸伸有凸耳44，在其一端凸耳44的正反兩面固聯有進水接頭41形成進液端，在其另一端凸耳44的正反兩面固聯有出水接頭42形成出液端，本體的內腔設置有液體流道；進水接頭41和出水接頭42均與液體流道相貫通；液冷換熱薄板4的厚度為1mm-4mm，在其本體的兩個換熱面均設置有導熱膜和絕緣膜，圖3及圖4所示的凸耳44是自本體底邊向下凸伸形成在本體下方，這一形式可以減小整個電池模組3的寬度。

圖2所示，為了實現對電池模組3的支撐，在電池箱體1內、處在電池模組3的底部設置有支撐板33，也利用支撐板33形成凸耳44的高度空間；在電池模組3的兩側邊，與下框32通過螺釘連接有邊條34，形成電池模組3在箱體1中的限位結構。

如圖4所示，本實施例中本體內腔液體流道的結構形式是：

在進液端設置一條豎直導流筋45，利用豎直導流筋45將本體內腔分隔為進水側和出水側，進水側是與進水接頭41相連通的豎直流道46，豎直導流筋45的頂端與長方形薄板43的頂邊之間的空隙形成豎直流道出口，空隙的寬度是豎直流道46的寬度0.5-1倍；在出水側呈水平且上下間隔設置多道水平導流筋47，形成水平折返的水平流道48；具體實施中，形成各層水平流道48的水平導流筋47為分段設置，段間形成過流通道，圖4中水平導流筋47共有7道，自上而下依次為第一道至第七道；其中，第一、第三、第五和第七道水平導流筋是在中部分段，在兩端與側壁有空隙，以此形成三個過流通道；第二、第四和第六道水平導流筋分為三段，在兩端與側壁形成相連，以此形成三個過流通道，相鄰兩層水平導流筋形成的過流通道處在相互交錯的位置上，以此避免過流短路。

如圖1和圖2所示，具體設置中，設置各電池模組3中液冷換熱薄板4的進水接頭41同處在一側，出水接頭42同處在另一側，利用連接管53將各液冷換熱薄板4的進水接頭41與進水總接頭51相連接，並利用連接管53將液冷換熱薄板4的出水接頭42與出水總接頭52相連接，實現各液冷換熱薄板4在進水總接頭51和出水總接頭52之間的並聯連接。

圖2示出，為了保證電池模組3的穩固性及符合輕量化準則，設置固定框包括有上框31和下框32，上框31為一條包裹電池模組3的兩個側面和頂面的長窄筋條311，長窄筋條311的兩端相連有T形筋條312；在電池模組3的頂面，與長窄筋條311呈十字相連有橫向筋條313，橫向筋條313兩端向下折彎並緊固電池模組3；下框32託承在電池模組3的底面，並在兩側邊連有向上的折彎板，折彎板為鏤空板，是在保證底部固定強度的前提下進一步減輕重量，提升箱體的能量密度，折彎板在兩端延伸有耳板，利用耳板與T形筋條312的兩端緊固連接。

具體實施中，在電池箱體1的外部，通過管道將加熱器、散熱器、微型泵以及控制閥等與總進出水模塊5上的進水總接頭51與出水總接頭52相連通，形成迴路，傳熱介質可以是去離子水與醇類的混合液。

工作過程：在電池溫度過高時，啟動散熱器、不啟動加熱器，通過與單體電池2緊密接觸的液冷換熱薄板4，將單體電池2的熱量傳遞給液冷換熱薄板4內的流體，流體並流匯集後經過出水總接頭52流出電池箱體1，將熱量通過散熱器傳遞外界環境，散熱器中的流體溫度降低後再循環流入電池箱體1內再次帶走單體電池2的熱量，也達到單體電池2持續散熱的目的；而在電池溫度過低情況下，則啟動加熱器、不啟動散熱器，加熱器將流體加熱，升溫後的流體通過進水總接頭51後通過每個電池模組3上的進水接頭41，然後並流分散進入每一塊液冷換熱薄板4，最終將熱量傳遞給每一塊單體電池2，達到加熱升溫的目的。

圖5和圖6所示針對長方體型軟包聚合物電池，其厚度相比與鋰離子動力電池要小得多，在與圖1所示同樣結構和尺寸的箱體中，共放置50個電池模組3；液冷換熱薄板43中凸耳44設置為自本體側邊沿本體長度方向凸伸形成在本體兩側。以此節省整個電池模組所佔高度，相應的，支撐板33和邊條34的高度都調整為更小；這一結構形式也適用於長方體型鋰離子動力電池。

圖7所示的箱體1設置為平面形狀呈「T」字形，「T」字的豎杆位置與圖1的排布形式相同，「T」字橫杆位置為加寬箱體，對於加寬的箱體，電池模組3設置為兩排。為了減少換熱流體介質在電池箱體1內部的迂迴流動，將總進出水模塊5設置在T形箱體1的中間段側壁上，各不同的分支管道分別與箱體1豎杆位置及橫杆位置中電池模組3中進水接頭及出水接頭相連通。