本發(fā)明涉及動(dòng)力電池散熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)及具有該換熱結(jié)構(gòu)的散熱裝置。

背景技術(shù)：

動(dòng)力電池如鋰離子電池能量密度高，體積小，循環(huán)壽命較長，在摩托車、電動(dòng)汽車上應(yīng)用潛力和市場很大。然而由于鋰離子電池在充放電過程中溫度升高影響自身性能與循環(huán)壽命，過高的溫度甚至引起熱失控、外殼膨脹破裂，導(dǎo)致自燃、爆炸等事故，而常規(guī)的鈷酸鋰電池溫度需要控制在50攝氏度以內(nèi)，以避免熱失控，提高安全性。磷酸鐵鋰電池的工作溫度雖然可以提升到60攝氏度或更高，但隨著溫度進(jìn)一步上升，電池容量衰減明顯，在高溫下仍然會發(fā)生熱失控和著火現(xiàn)象。因此動(dòng)力鋰離子電池散熱技術(shù)的研究和實(shí)施尤為迫切。

散熱系統(tǒng)通常采取風(fēng)冷冷卻。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)體積小，但是散熱效果非常有限。而吸熱材料如石蠟類型的相變材料具有相變過程吸收潛熱高、溫升小、化學(xué)穩(wěn)定性好、體積變化小、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在動(dòng)力鋰離子電池上能降低電池溫升速度、緩和熱沖擊，提高電池壽命和穩(wěn)定性。但是相變材料導(dǎo)熱率低，不能迅速、均勻地傳熱。

中國專利201210399617.6公開了一種電池模塊，包括：多個(gè)方形電池單體；以及限定了大致蜿蜒形狀的波紋翅片，所述波紋翅片帶有交替的直線段和頂部段，使得所述多組電池單體中的至少一個(gè)設(shè)置在所述波紋翅片的限定在相鄰直線段之間的區(qū)域中。該專利雖然具有一定的散熱效果，但動(dòng)力電池向翅片傳熱沒有專門的緊固機(jī)制，導(dǎo)致接觸縫隙和接觸熱阻較大，中心向外傳熱具有較大溫差，不適合于帶有相變材料的動(dòng)力電池裝置，也不適合于圓柱形電池，同時(shí)因?yàn)榫哂蓄~外蜿蜒形狀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致散熱體積和重量都較大，實(shí)際應(yīng)用性有限。

中國專利200910039125.4公開了一種帶有相變材料冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力電池裝 置，該裝置包括螺釘、若干電池單體、箱蓋通風(fēng)孔、電極連接軸、箱體頂蓋、側(cè)面通風(fēng)孔、框體；電池和殼體之間填充相變材料并采用絕緣橡膠密封；電池箱體開設(shè)通風(fēng)孔散熱。該專利通過填充相變材料雖然緩和了電池發(fā)熱沖擊，但是沒有解決相變材料導(dǎo)熱率低而導(dǎo)致散熱速度慢和溫度控制的缺點(diǎn)。

中國專利201110345442.6公開了一種LED燈太陽花散熱器，包括圓形散熱座和若干散熱鰭片，在圓形散熱座的外圓上排列有散熱鰭片，其特征在于：還包括散熱筋，在相鄰兩個(gè)散熱鰭片之間連接有散熱筋，所述散熱筋為弧形。所述散熱座由銅材料制成。該專利的散熱鰭片通過擠壓工藝制備而成，工藝相對復(fù)雜、耗時(shí)，且制得的散熱鰭片重量過重，體積龐大，不能用于對重量、體積要求高的如汽車等的動(dòng)力電池系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種傳熱效果好、緩沖撞擊效果好的具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)及具有該換熱結(jié)構(gòu)的散熱裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)，該換熱結(jié)構(gòu)位于產(chǎn)熱器件外側(cè)，用于強(qiáng)化產(chǎn)熱器件對外部環(huán)境的散熱能力，該換熱結(jié)構(gòu)包括位于所述產(chǎn)熱器件外部的導(dǎo)熱帶，所述導(dǎo)熱帶外側(cè)設(shè)有一組或多組環(huán)形翅片。

所述導(dǎo)熱帶呈長條形帶狀，在使用時(shí)，導(dǎo)熱帶直接或間接纏繞在產(chǎn)熱器件外側(cè)，其在使用時(shí)的形狀根據(jù)產(chǎn)熱器件的形狀變化。所述的纏繞帶、導(dǎo)熱帶的材料優(yōu)選為鋁、鋁合金輕質(zhì)材料，如型號6061、6063，也可以為銅、鐵、鈦等導(dǎo)熱金屬材料或石墨膜等非金屬導(dǎo)熱材料。

所述導(dǎo)熱帶直接纏繞在產(chǎn)熱器件外側(cè)，所述產(chǎn)熱器件優(yōu)選為圓柱形或方柱形的電池。

所述導(dǎo)熱帶和產(chǎn)熱器件之間設(shè)置纏繞帶，且一條纏繞帶上可設(shè)有多條平行排列的導(dǎo)熱帶，所述纏繞帶纏繞在產(chǎn)熱器件外側(cè)，所述纏繞帶和導(dǎo)熱帶焊接或者通過粘結(jié)層連接在一起，即導(dǎo)熱帶間接纏繞在產(chǎn)熱器件外側(cè)，所述纏繞帶的材料包括鋁、鋁合金或石墨膜中的一種。

導(dǎo)熱帶與產(chǎn)熱器件有兩種連接方式：一種是導(dǎo)熱帶直接連接在產(chǎn)熱器件外，另一種是導(dǎo)熱帶先連接在纏繞帶上，然后纏繞帶纏繞在產(chǎn)熱器件上。在生產(chǎn)過程中， 保證纏繞帶、導(dǎo)熱帶與電池單體等產(chǎn)熱器件的壁面熱接觸良好，環(huán)形翅片能增大產(chǎn)熱器件與外部環(huán)境的換熱面積，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，相比于背景技術(shù)中的擠壓翅片而言，本發(fā)明環(huán)形翅片結(jié)構(gòu)更為輕薄，體積和重量都比較小，適合于排列緊密的電池包系統(tǒng)，同時(shí)，環(huán)形翅片通過導(dǎo)熱帶直接彎折而成，材料成本和制造成本都大大降低。

在纏繞帶上的環(huán)形翅片可以有多排，其在纏繞帶上呈順排或錯(cuò)排設(shè)置，所述順排為纏繞帶外側(cè)不同導(dǎo)熱帶上的環(huán)形翅片均勻呈列隊(duì)狀排布，所述錯(cuò)排為纏繞帶外側(cè)不同導(dǎo)熱帶上的環(huán)形翅片之間散亂分布。

所述的環(huán)形翅片不拘于特定的圓形或者橢圓形，可通過擠壓變形貼合周圍結(jié)構(gòu)形狀，而當(dāng)在外部猛烈沖撞等極端情況下，環(huán)形翅片收到?jīng)_擊即可通過局部彎曲變形來降低沖擊強(qiáng)度和沖擊波的傳播，再加上環(huán)形翅片與導(dǎo)熱帶的一體式結(jié)構(gòu)也能有效減少產(chǎn)熱器件在單位面積收到的沖擊力，從而多方面緩沖對產(chǎn)熱器件的撞擊強(qiáng)度，降低產(chǎn)熱器件破損的幾率，避免電池等產(chǎn)熱器件刺破、短路、起火甚至爆炸，提高安全性能。

所述產(chǎn)熱器件和導(dǎo)熱帶之間填充有界面導(dǎo)熱膠層。

所述界面導(dǎo)熱膠層的材料為以聚氨酯、有機(jī)硅、環(huán)氧樹脂或丙烯酸為基體的導(dǎo)熱粘結(jié)材料，所述界面導(dǎo)熱膠層的導(dǎo)熱率大于等于0.2W/m·K，界面導(dǎo)熱膠層能有效的消除導(dǎo)熱帶與電池單體之間的空氣縫隙，從而減小導(dǎo)熱熱阻；優(yōu)選的，所述的導(dǎo)熱粘結(jié)材料可以選自漢高、瓦克、道康寧等供應(yīng)商供應(yīng)的粘接膠，如道康寧的EA9189。

一種采用如上所述具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)的散熱裝置，包括箱體以及設(shè)置在箱體內(nèi)的多組換熱結(jié)構(gòu)，所述箱體和換熱結(jié)構(gòu)之間設(shè)有吸熱材料，所述吸熱材料包括相變材料、彈性灌封材料或絕緣導(dǎo)熱油中的一種。

所述相變材料為相變溫度在30～80℃的石蠟、脂肪酸或無機(jī)鹽相變材料中的一種或多種；

所述彈性灌封材料層為導(dǎo)熱率大于0.2W/m·K的有機(jī)硅、聚氨酯；

相變材料或彈性灌封材料具有一定的導(dǎo)熱效果：相變材料在溶化時(shí)的潛熱可以吸收電池產(chǎn)生的部分熱量，并保持溫度不變，從而降低電池溫度熱沖擊幅度，此外，通過電池包箱體導(dǎo)出另外部分熱量，從而進(jìn)一步降低電池溫度；彈性灌封材料通常具有導(dǎo)熱填料，也可以進(jìn)一步加強(qiáng)導(dǎo)熱，降低熱沖擊，此外，彈性灌封材料具有較 好的韌性和延展性能，可降低機(jī)械應(yīng)力，減緩機(jī)械沖擊。

所述絕緣導(dǎo)熱油為導(dǎo)熱率大于0.05W/m·K的有機(jī)導(dǎo)熱油。

絕緣導(dǎo)熱油為普通合成油或者精制礦物油的一種，例如：烷基苯型(苯環(huán)型)導(dǎo)熱油，聯(lián)苯和聯(lián)苯醚低熔導(dǎo)熱油，有機(jī)硅油，典型品牌如陶氏化學(xué)的DowTherm導(dǎo)熱油。在車輛行駛過程中，導(dǎo)熱油的液態(tài)震蕩產(chǎn)生的導(dǎo)熱、對流綜合作用有利于電池向外散熱。導(dǎo)熱填料可進(jìn)一步增強(qiáng)傳熱。

所述箱體的材料為鋁或銅，所述箱體的外側(cè)設(shè)有加強(qiáng)筋，所示箱體的外側(cè)通過空氣或液體進(jìn)行冷卻。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)傳熱強(qiáng)化效果優(yōu)異：本發(fā)明采用鋁或鋁合金作為導(dǎo)熱帶，在導(dǎo)熱帶上部分彎折得到一體成型的環(huán)形翅片，并將導(dǎo)熱帶纏繞產(chǎn)熱器件使環(huán)形翅片向外伸展到外部環(huán)境中，從而可以增大產(chǎn)熱器件與外部環(huán)境的換熱面積，強(qiáng)化傳熱效果；

(2)結(jié)構(gòu)靈活、適于裝配、緩沖撞擊效果好：環(huán)形翅片結(jié)構(gòu)具有更低的硬度，且是通過導(dǎo)熱帶直接彎折而成，當(dāng)在外部沖撞等極端情況下，環(huán)形翅片收到?jīng)_擊即可彎曲變形，從而緩沖對產(chǎn)熱器件的撞擊強(qiáng)度，此外，導(dǎo)熱帶的外形緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，鋁材用量和體積都很少，從而大大節(jié)省成本，特別適用于動(dòng)力電池系統(tǒng)；

(3)將本發(fā)明的導(dǎo)熱帶應(yīng)用于動(dòng)力鋰離子電池等的復(fù)合散熱裝置中，電池與外殼箱體之間布置的相變材料在相變過程中吸熱而使電池最高溫度保持在相變?nèi)埸c(diǎn)附近，通過翅片結(jié)構(gòu)，可以加快熱量向相片材料的傳遞，從而降低了電池溫升，緩和熱沖擊。同時(shí)與不帶導(dǎo)熱帶的電池系統(tǒng)相比，帶有本發(fā)明的導(dǎo)熱帶的復(fù)合散熱裝置的電池系統(tǒng)的散熱效果更好，溫度分布更均勻。

附圖說明

圖1為本發(fā)明換熱結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為附著在纏繞帶的橢圓環(huán)形翅片以及連續(xù)導(dǎo)熱帶；

圖3為附著在纏繞帶的橢圓環(huán)形翅片以及斷開式導(dǎo)熱帶；

圖4為本發(fā)明換熱結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為可直接纏繞的環(huán)形翅片導(dǎo)熱帶；

圖6為可直接纏繞的直線環(huán)形翅片導(dǎo)熱帶；

圖7為帶有8個(gè)環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)；

圖8為散熱裝置的側(cè)視圖；

圖9為散熱裝置的俯視剖面圖；

圖10為不帶翅片導(dǎo)熱帶的數(shù)值仿真結(jié)果；

圖11為帶有4個(gè)翅片導(dǎo)熱帶的數(shù)值仿真結(jié)果；

圖12為帶有8個(gè)翅片導(dǎo)熱帶的數(shù)值仿真結(jié)果；

圖13為帶有導(dǎo)熱帶和環(huán)形翅片的電池包順排放置、采用風(fēng)冷的實(shí)施方式。

其中，1為產(chǎn)熱器件，2為纏繞帶，3為導(dǎo)熱帶，4為環(huán)形翅片，5為界面導(dǎo)熱膠層，6為電池單體，7為箱體，8為吸熱材料，9為定位絕緣板，10為電線。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該換熱結(jié)構(gòu)用于強(qiáng)化產(chǎn)熱器件對外部環(huán)境的散熱能力，該換熱結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外依次包括產(chǎn)熱器件1、界面導(dǎo)熱膠層5、纏繞帶2和導(dǎo)熱帶3，導(dǎo)熱帶3上設(shè)有4個(gè)環(huán)形翅片4，其中纏繞帶2、導(dǎo)熱帶3和環(huán)形翅片4的材質(zhì)為鋁，導(dǎo)熱帶3和纏繞帶2焊接連接，界面導(dǎo)熱膠層5的材質(zhì)為EA9189。其中，該換熱結(jié)構(gòu)所用的導(dǎo)熱帶結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，導(dǎo)熱帶3可以為連續(xù)型導(dǎo)熱帶，也可以為斷開式的導(dǎo)熱帶。

實(shí)施例2

一種具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，該換熱結(jié)構(gòu)是將導(dǎo)熱帶3直接彎折形成4個(gè)的環(huán)形翅片4，固定在產(chǎn)熱器件1上，且環(huán)形翅片4的形狀如圖5、圖6所示，該環(huán)形翅片4可以是橢圓形的，也可以是直線型的，根據(jù)換熱能力的需求可以任意選擇環(huán)形翅片4的形狀，只要其在導(dǎo)熱帶3的基礎(chǔ)上向外延伸即可。

實(shí)施例3

一種具有環(huán)形翅片的換熱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1類似，不同之處在于本實(shí)施例的環(huán)形翅片共有8個(gè)，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

實(shí)施例4

一種具有環(huán)形翅片換熱結(jié)構(gòu)的散熱裝置，其結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示，該散熱裝 置為一個(gè)電池包，所采用的產(chǎn)熱器件為電池單體6，該電池包包括箱體7和多個(gè)設(shè)置在箱體內(nèi)部的電池單體6，電池單體6通過定位絕緣板9與箱體7固定，電池單體6與定位絕緣板9通過粘結(jié)材料進(jìn)行粘接密封；相鄰的兩組電池單體6通過電線10連接，位于兩端的電池單體6通過連接電路連接外部電路，箱體7的外側(cè)設(shè)有加強(qiáng)筋。

其中，每個(gè)電池單體6的外側(cè)設(shè)有纏繞帶、導(dǎo)熱帶，導(dǎo)熱帶上設(shè)有4個(gè)環(huán)形翅片4，邊角電池單體6上的環(huán)形翅片4可以承受擠壓以貼合外殼內(nèi)壁面，而不影響電池裝配和散熱性能。電池單體6與箱體7之間設(shè)有吸熱材料8，該吸熱材料為相變溫度為30～40℃的石蠟，導(dǎo)熱帶與電池單體之間還填充有以聚氨酯為基體的界面導(dǎo)熱膠層，其導(dǎo)熱率為0.2W/m·K，外殼箱體的材料為鋁。

實(shí)施例5

設(shè)立空白組，即在產(chǎn)熱器件的外側(cè)纏繞單純的導(dǎo)熱帶，導(dǎo)熱帶上不設(shè)環(huán)形翅片。將空白組及實(shí)施例1、實(shí)施例3的換熱結(jié)構(gòu)分別做數(shù)值仿真，其結(jié)果分別如圖10、圖11和圖12所示，其中，相變材料為石蠟，固液相變溫度區(qū)間為326-326.15K，導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/m·K，產(chǎn)熱器件為18650圓柱電池，產(chǎn)熱功率為8W。所述環(huán)形翅片為橢圓形，材料為鋁，厚度t為0.4mm，伸展長度為2a＝6mm，寬度為2b＝4mm，這里a為長軸b為短軸。和不帶有環(huán)形翅片純相變材料情形相比，帶有4個(gè)環(huán)形翅片可以大大降低電池的最高溫度。橢圓形翅片的換熱面積S1可由下式計(jì)算(數(shù)學(xué)手冊，高等教育出版社，1979)。

纏繞帶為0.4mm厚的鋁帶側(cè)面換熱面積為

S2＝π×18.2×65＝3717mm²。

其換熱面積之和為S1+S2＝11321mm²，遠(yuǎn)大于18650電池側(cè)面的換熱面積3676mm²，從而明顯提高換熱效率。而翅片和纏繞帶總重為8.08克，只占電池重量的20％。

如果采用平面內(nèi)導(dǎo)熱率更高的石墨膜作為導(dǎo)熱帶，其橫向?qū)崧士蛇_(dá)1000W/m·K以上，為鋁材的5倍，則在同樣導(dǎo)熱效果情況下，其厚度可以大大降低，從而進(jìn)一步降低重量。若進(jìn)一步增加翅片數(shù)量到8個(gè)，可進(jìn)一步降低電池的最高溫度，不過重量會有所增加。

實(shí)施例6

本實(shí)施方式為風(fēng)冷強(qiáng)制對流。一種具有環(huán)形換熱翅片的電池模組，平行順排排列，風(fēng)扇將冷風(fēng)從電池頭部或者底部吹入，經(jīng)過電池單體6的間隙，通過電池表面和環(huán)形翅片4的延展面積對流換熱，將電池模組的熱量帶走。該環(huán)形翅片4可以為橢圓形、直線型，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以選擇翅片形狀，本實(shí)施例采用直線型，其具體結(jié)構(gòu)如圖13所示，圖中的箭頭表示風(fēng)向。

上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。