一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组

本发明属于液冷结构，具体涉及一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组。

背景技术：

1、锂离子电池因其能量密度高、响应速度快、自放电率低、循环寿命长等诸多优点，在电动汽车与电化学储能行业得到了广泛的采用。然而，需要注意的是，电池的温度直接影响其性能和寿命，温度过高或过低都会对电池产生负面影响，特别是工作温度过高，可能会导致电池容量明显下降、热失控，甚至发生火灾隐患。因此为了保证锂离子电池安全、稳定、高效地运行，电池的最佳操作温度一般保持在25℃至40℃之间，且电池模组内单体电池的最大温差应控制在5℃以下。因此，构筑有效的电池热管理系统对于将电池温度保持在适当范围内以减少热安全问题并最大限度地延长电池寿命至关重要。

2、电池热管理技术包括空气冷却技术、液体冷却技术、相变材料冷却技术、热管冷却技术以及上述冷却技术的组合。其中，液冷技术以其传热效率高、冷却速度快、结构紧凑等优势，逐渐成为电池热管理系统的主流冷却技术，在动力电池与储能电池领域广受欢迎。

3、液体冷却技术按照冷却剂与电池的接触方式可以分为直接冷却技术和间接冷却技术。直接冷却技术即将电池与冷却剂直接接触，一般是将电池浸入冷却剂中，因此又被称为浸没冷却技术。间接冷却技术则通过冷却板、微型通道、导热结构或夹套将电池的生热量传递到冷却剂中。由于浸没冷却技术的冷却剂与电池直接接触，没有接触热阻，因此浸没式电池热管理系统有着更高的传热效率。

4、浸没式冷却技术按照冷却剂流道的不同分为串流式冷却和并流式冷却。在串流式冷却中，冷却液体先进入一个冷板腔体，散热后再进入下一个腔体，流道连接简单，但不同部分的元器件会存在温差。并流式冷却中，冷却液在进入不同流道前提前会进行分流，然后再分别进入腔体内，散热更高效，但流道系统复杂。在相同介质冷却方式下，并流式冷却的冷却效果要优于串流并流式冷却。

5、在市场竞争的驱动下，锂离子电池的材料、尺寸和排布方式得到全方位优化，目前电池的尺寸参数逐渐向大尺寸靠拢。其中，圆柱形大尺寸电池提高了电池的能量密度和充放电速率，同时由于电池尺寸增大，电池组所需的电池数目也会减少，较少的数量也能减轻电池管理的难度。因此，未来大尺寸圆柱形电池将在电动汽车与电化学储能领域得道广泛的应用。然而由于大尺寸圆柱形电池成组布置时会出现较大的电池周向间隙，如何合理利用该间隙布置电池热管理系统器件，兼顾提升电池模组的能量密度和电池热管理系统性能便成为了一个很有价值的探索方向。

6、常规的浸没式电池热管理系统，如文献numerical study on heat dissipationperformance of a lithium-ion battery module based on immersion cooling(journal of energy storage，66(2023)107511)所描述的电池热管理系统，多个电池单元完全浸没在包含在电池壳体内的液体内，冷却工质从箱体的一侧壁的入口进入箱体，从另一侧壁的出口流出箱体，工质在箱体内以串行流动流经每一个电池单体。这种方式虽然利用了工质与电池侧壁的对流换热提高了传热系数，但上下游的工质存在很大的温度差，对不同位置的电池单体冷却的程度不同，必然导致电池单体温度范围不一致，造成较大的电池温差；同时，冷却剂在电池单体之间流动不充分，与部分区域的电池单体的对流换热面积较小，不利于整体传热系数的提升，以及电池最高温度的降低有限，针对上述问题，本发明提供一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、本发明提供了一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，包括用于收容若干个交错排列的圆柱电池的电池箱，电池箱内设有相配合的并流式工质引流模块和热导模块，或仅设有并流式工质引流模块和热导模块中的任一个；

4、并流式工质引流模块用于引导冷却剂进出电池箱并从下至上流经圆柱电池；

5、热导模块包括套设在圆柱电池外侧的散热套筒和散热套筒的外壁上设置的若干个呈均匀式交错分布的高度渐变翅片，任意两个相邻的圆柱电池上的高度渐变翅片之间的翅尖间距d1相等，且d1不大于单一圆柱电池上相邻的两个高度渐变翅片之间的翅尖间距d2。

6、作为本发明的进一步优化方案，高度渐变翅片中单个翅片的截面形状为菱形、水滴形、椭圆形以及平行四边形中的任一种。

7、作为本发明的进一步优化方案，并流式工质引流模块包括设于电池箱内的上层隔板和下层隔板，上层隔板配合下层隔板将电池箱内的空间分隔成从下至下分布且相互连通的水平上腔、电池腔以及水平下腔，电池箱的侧壁内开设有与水平下腔连通的冷却剂总入口和与水平上腔连通的冷却剂总出口。

8、作为本发明的进一步优化方案，上层隔板内开设有与圆柱电池一一对应的上通孔，下层隔板内开设有与圆柱电池一一对应的凹坑，且凹坑的侧壁上开设有若干个下通孔，上通孔和凹坑均呈与圆柱电池相适配的圆形结构。

9、作为本发明的进一步优化方案，凹坑侧壁上的下通孔包括若干个且均呈圆弧形结构，所有的下通孔呈间断式环形阵列分布。

10、作为本发明的进一步优化方案，凹坑的横向截面半径为圆柱电池半径的1.01-1.1倍，深度为下层隔板厚度的0.1-0.5倍。

11、作为本发明的进一步优化方案，上层隔板开设的上通孔半径为圆柱电池半径的1.05-1.2倍。

12、作为本发明的进一步优化方案，下通孔的内环半径与凹坑的横向截面半径相等，外环半径为圆柱电池半径的1.1-1.4倍。

13、本发明的有益效果在于：

14、1、本发明是基于浸没式冷却的电池热管理模组结构设计，通过在每个圆柱电池外侧壁上安装散热套筒，并在散热套筒外侧壁上安装高度渐变翅片，有效增大了电池与液体工质之间的对流换热面积，显著提升了浸没式冷却的传热系数，并且降低了储能电池的最高温度，能够大幅提升浸没式冷却的传热系数，降低储能电池的最高温度；

15、2、本发明中，液体工质能够完全浸没电池并与电池发生对流换热，通过在每个电池上方的上层隔板开设上圆形通孔，电池下方的下层隔板上开设下圆弧形通孔，使得液体工质从下至上流动与电池发生对流换热，此并流式冷却方式可使冷却剂分流后同时流经圆柱电池，减小冷却剂的混合流动所产生的影响，显著降低了圆柱电池之间的温差，使得电池模组的温度场高度均匀化，有利于实现更好的冷却效果，实现了浸没式冷却的传热系数的提升和电池的最高温度的降低。

16、3、本发明通过设计不同形状的散热翅片，调节了液体工质的流动，能够使边界层重新发育，产生液体工质在翅片之间的二次流动，改善液体工质混合路径，从而增强散热套筒的传热效果，使电池模组的温度场高度均匀化。

技术特征：

1.一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，包括用于收容若干个交错排列的圆柱电池的电池箱(1)，其特征在于，所述电池箱(1)内设有相配合的并流式工质引流模块和热导模块，或仅设有并流式工质引流模块和热导模块中的任一个；

2.根据权利要求1所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述高度渐变翅片(22)中单个翅片的截面形状为菱形、水滴形、椭圆形以及平行四边形中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述并流式工质引流模块包括设于电池箱(1)内的上层隔板(13)和下层隔板(14)，所述上层隔板(13)配合下层隔板(14)将电池箱(1)内的空间分隔成从下至下分布且相互连通的水平上腔(11)、电池腔以及水平下腔(12)，所述电池箱(1)的侧壁内开设有与水平下腔(12)连通的冷却剂总入口(12a)和与水平上腔(11)连通的冷却剂总出口(11a)。

4.根据权利要求3所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述上层隔板(13)内开设有与圆柱电池(2)一一对应的上通孔(13a)，所述下层隔板(14)内开设有与圆柱电池(2)一一对应的凹坑(14a)，且凹坑(14a)的侧壁上开设有若干个下通孔(14b)，所述上通孔(13a)和凹坑(14a)均呈与圆柱电池(2)相适配的圆形结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述凹坑(14a)侧壁上的下通孔(14b)包括若干个且均呈圆弧形结构，所有的所述下通孔(14b)呈间断式环形阵列分布。

6.根据权利要求4所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述凹坑(14a)的横向截面半径为圆柱电池半径的1.01-1.1倍，深度为下层隔板(14)厚度的0.1-0.5倍。

7.根据权利要求3所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述上层隔板(13)开设的上通孔(13a)半径为圆柱电池半径的1.05-1.2倍。

8.根据权利要求4所述的一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，其特征在于，所述下通孔(14b)的内环半径与凹坑(14a)的横向截面半径相等，外环半径为圆柱电池半径的1.1-1.4倍。

技术总结本发明涉及一种基于高度渐变翅片套筒的圆柱电池浸没式热管理模组，属于液冷结构技术领域，包括用于收容若干个交错排列的圆柱电池的电池箱，电池箱内设有相配合的并流式工质引流模块和热导模块，或仅设有并流式工质引流模块和热导模块中的任一个，并流式工质引流模块用于引导冷却剂进出电池箱并从下至上流经圆柱电池，热导模块包括套设在圆柱电池外侧的散热套筒和散热套筒的外壁上设置的若干个呈均匀式交错分布的高度渐变翅片。本发明是基于浸没式冷却的电池热管理模组结构设计，能够大幅提升浸没式冷却的传热系数，降低储能电池的最高温度，且使电池模组的温度场高度均匀化。技术研发人员：唐志国,李兴豪,石念杭,古博雅,马明宇,金缨,王宜彬受保护的技术使用者：合肥工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2