本发明涉及一种高集成度的多层锂电池pack水冷封装板及其加工方法。设置了新的水流通道结构，在顶板和底板之间设置间隔板，间隔板起到阻挡水流的作用，从而可以使得水流在整个水冷板层均匀流动，防止产生主流效应，产生冷却死角。水冷板设置了超亲水和超疏水的复合材料，凹槽位置为超疏水位置，而凸起的顶部为超亲水位置；超疏水的位置可以保证冷却液在从中流过时降低杂质的沉积和堵塞，保证水流通道不会阻塞；同时超亲水的位置一方面可以提高冷却液和材料的热交换，同时由于超亲水位置具有激光辐照的微结构，从而使得比表面积变大，弥补了超疏水带来的热交换面积降低的问题。
1.一种多层锂电池pack水冷封装板的加工方法，用于加工一种高集成度的多层锂电池pack水冷封装板，其特征在于：高集成度的多层锂电池pack水冷封装板，包括边框（1）、电池片层（2）和水冷板层（3）；
通过边框（1）将电池片层（2）、水冷板层（3）安装到一起，水冷板层（3）上下均布置电池片层（2）；水冷板层（3）的数量为单层；水冷板层（3）上方和下方各设置两层电池片层（2）；
水冷板层（3）内部设置有水流通道（4），通过水流通道（4）中流过的冷却液对与水冷板层（3）接触的电池片层（2）进行降温；
边框（1）处安装有冷却控制器（5），冷却控制器（5）根据电池发热的功率和冷却水温度来控制冷却液的流速；
水冷板层（3）由顶板（6）、底板（7）和间隔层（8）构成；间隔层（8）的数量为两层，分别贴附在顶板（6）和底板（7）的表面；从上至下分别为顶板（6）、一层间隔层（8）、水流通道、另一层间隔层（8）和底板（7）；
顶板（6）和底板（7）由钛镁合金材料制成；间隔层（8）由复合聚四氟乙烯材料制成；
间隔层（8）的形状为具有方孔的网状，两个间隔层（8）之间设置有10‑15mm的间距，从而使得冷却液能够在间隔层（8）之间流动，同时由于间隔层（8）为网状，间隔层（8）的凹凸不平对冷却液的流动起到阻挡作用，使得冷却液产生涡流，进而使得冷却液和整个顶板（6）及整个底板（7）产生热交换；
顶板（6）和底板（7）使用钛镁合金板加工而成，并进行二次激光表面改性处理，之后在顶板（6）或者底板（7）表面覆盖间隔层（8）；间隔层（8）覆盖的表面积占比小于50%；
冷却控制器（5）连接流速检测模块、加压泵和水温传感器；
水温传感器包括水温检测矩阵，水温检测矩阵布置在水冷板层（3）的两个间隔层（8）之间，由多于20个温度探头组成，且温度探头设置在间隔层（8）的复合聚四氟乙烯材料的表面；
流速检测模块设置有流速检测矩阵，流速检测矩阵布置在水冷板层（3）的两个间隔层（8）之间，由多于20个流速探头组成，且流速探头设置在间隔层（8）的复合聚四氟乙烯材料的表面，且流速探头位于温度探头的上游；
加压泵设置在水冷板层（3）的冷却液入口处，对冷却液进行加压，使得冷却液流速提高；
冷却控制器（5）连接行车电脑，行车电脑连接电池的电流电压检测模块，获得电池的电压和电流；行车电脑设置有功率需求计算模块，功率需求计算模块根据电池的电压和电流利用经验公式计算得出电池的发热功率P；
根据经验公式，电池的发热功率和电池的电流呈正比，且与电池的电压呈反比，也即电压越低，电流越大，发热量越大；
行车电脑将发热功率发送至冷却控制器（5），冷却控制器（5）根据冷却液的水温T和发热功率P计算出冷却液的目标流速v；
冷却控制器（5）控制加压泵调节压力，控制冷却液流速，使得流速检测模块检测到的冷却液流速达到目标流速v；
步骤一、将水冷板层（3）的顶板（6）和底板（7）进行掩模，掩模形状与间隔层（8）形状相同，从而使得激光加工不会影响间隔层（8）与顶板（6）和底板（7）的连接；
步骤二、将掩模好的顶板（6）和底板（7）放置到第一激光束下进行烧蚀，烧蚀使得顶板（6）和底板（7）表面产生微爆炸，微爆炸使得顶板（6）和底板（7）表面产生超亲水微结构；
之后将进行第一次激光烧蚀后的顶板（6）和底板（7）放置于第二激光束下进行划线，划线使得顶板（6）和底板（7）的表面形成凹槽（9）和凸起（10）的微结构，控制激光划线参数，使得顶板（6）和底板（7）表面凹槽（9）位置形成超疏水结构；
步骤三、将顶板（6）和底板（7）表面贴附间隔层（8），并进行组装，安装流速检测矩阵和水温检测矩阵；在入水口安装加压泵，完成水冷板层（3）的制作；
步骤四、通过边框（1）将电池片层（2）、水冷板层（3）安装到一起，水冷板层（3）上下均布置电池片层（2）；水冷板层（3）的数量为单层；
步骤五、在边框（1）处安装冷却控制器（5），冷却控制器（5）根据电池发热的功率和冷却水温度控制冷却液的流速；并在电池pack外部设置保护层，完成整个高集成度的多层锂电池pack水冷封装板的制作。
步骤一中的掩模材料选择黑色吸收板，吸收板对第一激光束和第二激光束吸收率都大于95%，且第一激光束和第二激光束的能量不会损坏黑色吸收板。
步骤二中的第一激光束选择紫外激光，激光波长248nm，光斑尺寸5 cm至10cm ，采用脉冲激光，脉冲频率500Hz，单脉冲能量1000J至3000J，采用辐照方式；
第二激光束选择1064nm飞秒脉冲激光，激光功率500W至1 kW；聚焦方式划线，激光光斑
由此在顶板（6）和底板（7）的表面形成了整体超疏水，即凹槽超疏水，在凸起（10）微结构顶部超亲水的复合微结构；凸起（10）微结构的顶部的微结构尺度为10nm级。
间隔层（8）由复合聚四氟乙烯材料制成，复合聚四氟乙烯材料中聚四氟乙烯的含量大于85%。
一种高集成度的多层锂电池pack水冷封装板及其加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及新能源汽车电池领域，具体涉及一种高集成度的多层锂电池pack水冷封装板及其加工方法。
背景技术
[0002] 电池发热问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。首先，锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，在过低温度下（如低于0°C）对电池进行充电，可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路。其次，生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热，并进而引起连锁放热反应，最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件，威胁到车辆驾乘人员的生命安全。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小，电池内部热量不易散出，更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题，从而进一步加速电池衰减，缩短电池寿命，增加用户的使用成本。
[0003] Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。车载电池组由6831节18650型锂离子电池组成，其中每69节并联为一组（brick），再将9组串联为一层（sheet），最后串联堆叠11层构成。电池热管理系统的冷却液为50%水与50%乙二醇混合物，如图2所示。
[0004] 传统的18650电池一方面安全系数低，能量密度不高；另一方面由于接触面积大，散热效果不好。基于上述问题，当前急需要设计一款高集成度的多层锂电池pack水冷封装板。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供一种高集成度的多层锂电池pack水冷封装板，包括边框、电池片层和水冷板层。
[0006] 通过边框将电池片层、水冷板层安装到一起，水冷板层上下均布置电池片层；水冷板层的数量为单层；水冷板层上方和下方各设置两层电池片层；
[0007] 水冷板层内部设置有水流通道，通过水流通道中流过的冷却液对与水冷板层接触的电池片层进行降温；
[0008] 边框处安装有冷却控制器，冷却控制器根据电池发热的功率和冷却水温度来控制冷却液的流速。
[0009] 水冷板层由顶板、底板和间隔层构成；间隔层的数量为两层，分别贴附在顶板和底板的表面；从上至下分别为顶板、一层间隔层、水流通道、另一层间隔层和底板；
[0010] 顶板和底板由钛镁合金材料制成；间隔层由复合聚四氟乙烯材料制成；
[0011] 间隔层的形状为具有方孔的网状，两个间隔层之间设置有10‑15mm的间距，从而使得冷却液能够在间隔层之间流动，同时由于间隔层为网状，间隔层的凹凸不平对冷却液的流动起到阻挡作用，使得冷却液产生涡流，进而使得冷却液和整个顶板及整个底板产生热交换。
[0012] 顶板和底板使用钛镁合金板加工而成，并进行二次激光表面改性处理，之后在顶板或者底板表面覆盖间隔层；间隔层覆盖的表面积占比小于50%。
[0013] 冷却控制器连接流速检测模块、加压泵和水温传感器；
[0014] 水温传感器包括水温检测矩阵，水温检测矩阵布置在水冷板层的两个间隔层之间，由多于20个温度探头组成，且温度探头设置在间隔层的复合聚四氟乙烯材料的表面；
[0015] 流速检测模块设置有流速检测矩阵，流速检测矩阵布置在水冷板层的两个间隔层之间，由多于20个流速探头组成，且流速探头设置在间隔层的复合聚四氟乙烯材料的表面，且流速探头位于温度探头的上游；
[0016] 加压泵设置在水冷板层的冷却液入口处，对冷却液进行加压，使得冷却液流速提高。
[0017] 冷却控制器连接行车电脑，行车电脑连接电池的电流电压检测模块，获得电池的电压和电流；行车电脑设置有功率需求计算模块，功率需求计算模块根据电池的电压和电流利用经验公式计算得出电池的发热功率P；
[0018] 根据经验公式，电池的发热功率和电池的电流呈正比，且与电池的电压呈反比，也即电压越低，电流越大，发热量越大；
[0019] 行车电脑将发热功率发送至冷却控制器，冷却控制器根据冷却液的水温T和发热功率P计算出冷却液的目标流速v；
[0020] 冷却控制器控制加压泵调节压力，控制冷却液流速，使得流速检测模块检测到的冷却液流速达到目标流速v。
[0021] 发热功率P的计算方法为：
[0022] P=k·I/U；
[0023] 其中k为常数系数，单位是V2，I为电池电流，单位是A，U为电池电压，单位是V，P为电池的发热功率，单位是W；
[0024] 目标流速的计算方式为：
[0025] v=m·T2·P；其中m为常数系数，单位是m/(s·℃2·W)，T为冷却液当前温度，单位是℃；
[0026] 冷却液的当前温度T为水温传感器获取水温检测矩阵的平均温度，流速检测模块的检测值为流速检测矩阵中所有流速探头检测值的平均值。
[0027] 一种多层锂电池pack水冷封装板的加工方法，用于加工所述的高集成度的多层锂电池pack水冷封装板，包括如下步骤：
[0028] 步骤一、将水冷板层的顶板和底板进行掩模，掩模形状与间隔层形状相同，从而使得激光加工不会影响间隔层与顶板和底板的连接；
[0029] 步骤二、将掩模好的顶板和底板放置到第一激光束下进行烧蚀，烧蚀使得顶板和底板表面产生微爆炸，微爆炸使得顶板和底板表面产生超亲水微结构；
[0030] 之后将进行第一次激光烧蚀后的顶板和底板放置于第二激光束下进行划线，划线使得顶板和底板的表面形成凹槽和凸起的微结构，控制激光划线参数，使得顶板和底板表面凹槽位置形成超疏水结构；
[0031] 步骤三、将顶板和底板表面贴附间隔层，并进行组装，安装流速检测矩阵和水温检测矩阵；在入水口安装加压泵，完成水冷板层的制作；
[0032] 步骤四、通过边框将电池片层、水冷板层安装到一起，水冷板层上下均布置电池片层；水冷板层的数量为单层；
[0033] 步骤五、在边框处安装冷却控制器，冷却控制器根据电池发热的功率和冷却水温度控制冷却液的流速；并在电池pack外部设置保护层，完成整个高集成度的多层锂电池pack水冷封装板的制作。
[0034] 步骤一中的掩模材料选择黑色吸收板，吸收板对第一激光束和第二激光束吸收率都大于95%，且第一激光束和第二激光束的能量不会损坏黑色吸收板。
[0035] 步骤二中的第一激光束选择紫外激光，激光波长248nm，光斑尺寸5 cm2至10cm2，采用脉冲激光，脉冲频率500Hz，单脉冲能量1000J至3000J，采用辐照方式；
[0036] 第二激光束选择1064nm飞秒脉冲激光，激光功率500W至1 kW；聚焦方式划线，激光光斑50μm以下；划线间距100μm；采用网格划线；
[0037] 由此在顶板和底板的表面形成了整体超疏水，即凹槽超疏水，在凸起（10）微结构顶部超亲水的复合微结构；凸起微结构的顶部的微结构尺度为10nm级。
[0038] 间隔层由复合聚四氟乙烯材料制成，复合聚四氟乙烯材料中聚四氟乙烯的含量大于85%。
[0039] 本发明的有益效果为：
[0040] 本发明的结构集成度高，结构精简，冷却效果好，安全性高。
[0041] 设置了新的水流通道结构，在顶板和底板之间设置间隔板，间隔板起到阻挡水流的作用，从而可以使得水流在整个水冷板层均匀流动，防止产生主流效应，产生冷却死角。
[0042] 水冷板设置了超亲水和超疏水的复合材料，凹槽位置为超疏水位置，而凸起的顶部为超亲水位置；超疏水的位置可以保证冷却液在从中流过时降低杂质的沉积和堵塞，保证水流通道不会阻塞；同时超亲水的位置一方面可以提高冷却液和材料的热交换，同时由于超亲水位置具有激光辐照的微结构，从而使得比表面积变大，弥补了超疏水带来的热交换面积降低的问题。
[0043] 同时一方面超亲水的位置微结构为10nm级别，从而使得杂质不易堆积，另外一方面即使杂质堆积，堆积会导致超亲水效果降低，从而使得堆积效果也降低，也即堆积到一定程度后会停止堆积；进一步降低了冷却液流道中的阻塞问题。
附图说明
[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0045] 附图1为本发明整体架构示意图；
[0046] 附图2为现有技术方案示意图；
[0047] 附图3为本发明水冷封装板结构爆炸图；
[0048] 附图4为本发明水冷封装板结构侧视图；
[0049] 附图5为本发明水冷板层的结构示意图；
[0050] 附图6为本发明水冷板层顶板的侧面结构示意图；
[0051] 附图7为本发明疏水结构和亲水结构显微图，左一为加工过程中划线时的显微图，中间为画好横线和竖线时的显微图，右一为凸起位置的高分辨显微图。
具体实施方式
实施例1
[0052] 现有技术中Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。车载电池组由6831节18650型锂离子电池组成，其中每69节并联为一组（brick），再将9组串联为一层（sheet），最后串联堆叠11层构成。电池热管理系统的冷却液为50%水与50%乙二醇混合物，如图2所示。
[0053] 本发明的技术方案参见图1、3‑6，一种高集成度的多层锂电池pack水冷封装板，包括边框1、电池片层2和水冷板层3。
[0054] 通过边框1将电池片层2、水冷板层3安装到一起，水冷板层3上下均布置电池片层2；水冷板层3的数量为单层；水冷板层3上方和下方各设置两层电池片层2；
[0055] 水冷板层3内部设置有水流通道4，通过水流通道4中流过的冷却液对与水冷板层3接触的电池片层2进行降温；
[0056] 边框1处安装有冷却控制器5，冷却控制器5根据电池发热的功率和冷却水温度来控制冷却液的流速。
[0057] 水冷板层3由顶板6、底板7和间隔层8构成；间隔层8的数量为两层，分别贴附在顶板6和底板7的表面；从上至下分别为顶板6、一层间隔层8、水流通道、另一层间隔层8和底板7；
[0058] 顶板6和底板7由钛镁合金材料制成；间隔层8由复合聚四氟乙烯材料制成；
[0059] 间隔层8的形状为具有方孔的网状，两个间隔层8之间设置有10‑15mm的间距，从而使得冷却液能够在间隔层8之间流动，同时由于间隔层8为网状，间隔层8的凹凸不平对冷却液的流动起到阻挡作用，使得冷却液产生涡流，进而使得冷却液和整个顶板6及整个底板7产生热交换。
[0060] 顶板6和底板7使用钛镁合金板加工而成，并进行二次激光表面改性处理，之后在顶板6或者底板7表面覆盖间隔层8；间隔层8覆盖的表面积占比小于50%。
[0061] 冷却控制器5连接流速检测模块、加压泵和水温传感器；
[0062] 水温传感器包括水温检测矩阵，水温检测矩阵布置在水冷板层3的两个间隔层8之间，由多于20个温度探头组成，且温度探头设置在间隔层8的复合聚四氟乙烯材料的表面；
[0063] 流速检测模块设置有流速检测矩阵，流速检测矩阵布置在水冷板层3的两个间隔层8之间，由多于20个流速探头组成，且流速探头设置在间隔层8的复合聚四氟乙烯材料的表面，且流速探头位于温度探头的上游；
[0064] 加压泵设置在水冷板层3的冷却液入口处，对冷却液进行加压，使得冷却液流速提高。
[0065] 冷却控制器5连接行车电脑，行车电脑连接电池的电流电压检测模块，获得电池的电压和电流；行车电脑设置有功率需求计算模块，功率需求计算模块根据电池的电压和电流利用经验公式计算得出电池的发热功率P；
[0066] 根据经验公式，电池的发热功率和电池的电流呈正比，且与电池的电压呈反比，也即电压越低，电流越大，发热量越大；
[0067] 行车电脑将发热功率发送至冷却控制器5，冷却控制器5根据冷却液的水温T和发热功率P计算出冷却液的目标流速v；
[0068] 冷却控制器5控制加压泵调节压力，控制冷却液流速，使得流速检测模块检测到的冷却液流速达到目标流速v。
[0069] 发热功率P的计算方法为：
[0070] P=k·I/U；
[0071] 其中k为常数系数，单位是V2，I为电池电流，单位是A，U为电池电压，单位是V，P为电池的发热功率，单位是W；
[0072] 目标流速的计算方式为：
[0073] v=m·T2·P；其中m为常数系数，单位是m/(s·℃2·W)，T为冷却液当前温度，单位是℃；
[0074] 冷却液的当前温度T为水温传感器获取水温检测矩阵的平均温度，流速检测模块的检测值为流速检测矩阵中所有流速探头检测值的平均值。实施例2
[0075] 一种多层锂电池pack水冷封装板的加工方法，用于加工所述的高集成度的多层锂电池pack水冷封装板，包括如下步骤：
[0076] 步骤一、将水冷板层3的顶板6和底板7进行掩模，掩模形状与间隔层8形状相同，从而使得激光加工不会影响间隔层8与顶板6和底板7的连接；
[0077] 步骤二、将掩模好的顶板6和底板7放置到第一激光束下进行烧蚀，烧蚀使得顶板6和底板7表面产生微爆炸，微爆炸使得顶板6和底板7表面产生超亲水微结构；
[0078] 之后将进行第一次激光烧蚀后的顶板6和底板7放置于第二激光束下进行划线，划线使得顶板6和底板7的表面形成凹槽9和凸起10的微结构，控制激光划线参数，使得顶板6和底板7表面凹槽9位置形成超疏水结构；
[0079] 步骤三、将顶板6和底板7表面贴附间隔层8，并进行组装，安装流速检测矩阵和水温检测矩阵；在入水口安装加压泵，完成水冷板层3的制作；
[0080] 步骤四、通过边框1将电池片层2、水冷板层3安装到一起，水冷板层3上下均布置电池片层2；水冷板层3的数量为单层；
[0081] 步骤五、在边框1处安装冷却控制器5，冷却控制器5根据电池发热的功率和冷却水温度控制冷却液的流速；并在电池pack外部设置保护层，完成整个高集成度的多层锂电池pack水冷封装板的制作。
[0082] 步骤一中的掩模材料选择黑色吸收板，吸收板对第一激光束和第二激光束吸收率都大于95%，且第一激光束和第二激光束的能量不会损坏黑色吸收板。
[0083] 步骤二中的第一激光束选择紫外激光，激光波长248nm，光斑尺寸5 cm2至10cm2，采用脉冲激光，脉冲频率500Hz，单脉冲能量1000J至3000J，采用辐照方式；
[0084] 第二激光束选择1064nm飞秒脉冲激光，激光功率500W至1 kW；聚焦方式划线，激光光斑50μm以下；划线间距100μm；采用网格划线；
[0085] 由此在顶板6和底板7的表面形成了整体超疏水，即凹槽超疏水，在凸起10微结构顶部超亲水的复合微结构；凸起10微结构的顶部的微结构尺度为10nm级。
[0086] 如图7所示的，凹槽位置为超疏水位置，而凸起的顶部为超亲水位置；超疏水的位置可以保证冷却液在从中流过时降低杂质的沉积和堵塞，保证水流通道不会阻塞；同时超亲水的位置一方面可以提高冷却液和材料的热交换，同时由于超亲水位置具有激光辐照的微结构，从而使得比表面积变大，弥补了超疏水带来的热交换面积降低的问题。
[0087] 同时一方面超亲水的位置微结构为10nm级别，从而使得杂质不易堆积，另外一方面即使杂质堆积，堆积会导致超亲水效果降低，从而使得堆积效果也降低，也即堆积到一定程度后会停止堆积；进一步降低了冷却液流道中的阻塞问题。
[0088] 间隔层8由复合聚四氟乙烯材料制成，复合聚四氟乙烯材料中聚四氟乙烯的含量大于85%。
[0089] 至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。
[0090] 提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。
[0091] 在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。
