CN106207311A - 一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统及流量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统及流量控制方法，动力电池系统包括顺次并列设置的第1到n个电池模组群；液冷系统包括冷却液输入管、冷却液输出管及设于其间、与电池模组群对应设置的第1到n个液冷通道；冷却液输入管、液冷通道和冷却液输出管分别为液冷回路，液冷通道分别与冷却液输入管和冷却液输出管空间连通；本发明根据电池模组群的发热功率计算出液冷回路所需要的冷却液流量比，对液冷回路进行流量控制设计并验证。本发明简化液冷系统的管路排布，节省空间和成本，解决因电池模组群发热不均而带来的散热不均的问题，冷却效率高，满足大倍率工况下的散热要求，满足动力电池系统对温差的要求，动力电池系统的寿命整体延长。
Description
技术领域
本发明属于用于直接转变化学能为电能的方法或装置、例如电池组的技术领域，特别涉及一种简化管路排布、解决散热不均问题的动力电池系统的分布式双侧液冷系统及流量控制方法。
背景技术
目前在国家的支持和市场的利好下，锂电池行业发展非常迅速，尤其是在公共交通系统，如大巴、乘用车和物流车等领域中，以锂电池为主的新能源交通工具日益增多。
然而，随着锂电池的大规模应用，关于锂电池应用时的问题也日益凸显。
随着消费者对电动汽车动力性能和快充性能等要求的提升，动力锂离子电池在使用过程中的发热问题越来越严重，尤其是在夏天的南方地区。电池的发热会使得电池的温度升高，进而使得电池的寿命降低，而传统的自然冷却方式与强制风冷方式的冷却效率较低，难以满足大倍率工况下的散热要求，同时也较难满足动力电池系统对温差的要求。
现有技术中，亦已经开发出了冷却效率与冷却均匀性较高的液冷系统，但随着消费者对电动汽车要求的提高，动力电池系统内的电池模组呈现出数量多、排布不规则、发热不均等现象，液冷系统存在着明显的弱势。
发明内容
本发明解决的技术问题是，现有技术中，随着消费者对电动汽车动力性能和快充性能等要求的提升，动力锂离子电池在使用过程中的发热问题越来越严重，而导致的电池的发热会使得电池的温度升高，进而使得电池的寿命降低，而传统的自然冷却方式与强制风冷方式的冷却效率较低，难以满足大倍率工况下的散热要求，同时也较难满足动力电池系统对温差的要求，而新晋的液冷系统由于消费者对电动汽车要求的提高，动力电池系统内的电池模组呈现出数量多、排布不规则、发热不均等现象，因而仍然存在着明显的弱势的问题，进而提供了一种优化的动力电池系统的分布式双侧液冷系统及流量控制方法。
本发明所采用的技术方案是，一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，所述动力电池系统包括顺次并列设置的第1到n个电池模组群；所述液冷系统包括冷却液输入管、冷却液输出管及设于冷却液输入管和冷却液输出管间的第1到n个液冷通道，所述第1到n个液冷通道与所述第1到n个电池模组群对应设置；所述冷却液输入管、第1到n个液冷通道和冷却液输出管分别为第1到n个液冷回路，所述第1到n个液冷通道分别与冷却液输入管和冷却液输出管空间连通。
优选地，所述任一液冷通道包括导入管、液冷板和导出管，所述液冷板与对应的电池模组群配合设置，所述导入管与冷却液输入管空间连通，所述导出管与冷却液输出管空间连通。
优选地，所述任一电池模组群包括并列设置的2排电池模组，所述液冷板设于2排电池模组间。
优选地，所述2排电池模组和液冷板间分别设有导热胶层。
优选地，所述任一液冷通道的导入管和导出管形状相同。
优选地，所述任一液冷通道的导入管和导出管包括直管和/或弯管。
优选地，所述直管包括均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管或突缩管的一种或几种。
一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统的流量控制方法，所述流量控制方法包括液冷回路的流量控制，步骤为：
步骤1.1：根据所述第1到n个电池模组群的发热功率，计算出第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量Q1,Q2,…,Qn，第i个液冷回路中所需要的冷却液流量为其中，表示第i个电池模组群的发热功率，ρ表示冷却液的密度，cP表示冷却液的比热容，△T表示冷却液的温升，计算出第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量比Q1：Q2：…：Qn；
步骤1.2：根据第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量比对第1到n个液冷回路进行流量控制设计，所述流量控制设计包括对第1到n个液冷回路的导入管和导出管采用均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管、突缩管或弯管的一种或几种的组合及设计；
步骤1.3：所述第1到n个液冷回路的压力降相等，δp1＝δp2＝…＝δpn，第1到n个液冷回路中存在阻力损失其中p表示流体的压力，ρ表示流体密度，g表示重力加速度；
步骤1.4：由步骤1.3，所述第1到n个液冷回路的阻力损失应相等，即h1＝h2＝…＝hn；
步骤1.5：计算第1到n个液冷回路中总的局部阻力损失，其中，ζ为局部损失系数，S为回路的截面面积，j表示回路中出现管路扩张、收缩或者弯曲的点；
步骤1.6：由步骤1.4和步骤1.5，可得第1到n个液冷回路的流量比为并验证该流量比是否满足步骤1.1确定的液冷回路所需要的流量比，若满足，认为流量控制完成，转入步骤1.7，若不满足，返回步骤1.2，对第1到n个液冷回路重新进行流量控制设计；
步骤1.7：以CFD建模，利用数值方法进行离散和求解，得到冷却液在液冷回路中的流速分布以及第1到n个液冷回路中的流量值，验证步骤1.6，当误差小于5％时，认为完成流量控制，当误差大于等于5％时，返回步骤1.2。
优选地，所述步骤1.1中，△T为2～3开尔文。
优选地，所述步骤1.1中，对冷却液建立导热微分方程，其中，V为冷却液的体积，故即则第i个液冷回路的冷却液流量为
本发明提供了一种优化的动力电池系统的分布式双侧液冷系统及流量控制方法，通过将动力电池系统设置为并列的第1到n个电池模组群，将液冷系统设置为冷却液输入管、第1到n个液冷通道和冷却液输出管，以第1到n个液冷通道与第1到n个电池模组群对应，且冷却液输入管、第1到n个液冷通道和冷却液输出管分别为第1到n个液冷回路、空间连通，随后通过对冷却液的行进路径及液冷回路的流量、回路流阻进行控制，大大简化了液冷系统的管路排布，节省了空间和成本，解决了因电池模组群发热不均而带来的散热不均的问题，冷却效率高，得以满足大倍率工况下的散热要求，满足动力电池系统对温差的要求，动力电池系统的寿命整体延长。
附图说明
图1为本发明的立体图结构示意图；
图2为本发明的俯视图结构示意图；
图3为本发明的爆炸图结构示意图；
图4为本发明的电池模组群的纵截面结构示意图；
图1～图4中，n＝3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
如图所示，本发明涉及一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，所述动力电池系统包括顺次并列设置的第1到n个电池模组群1；所述液冷系统包括冷却液输入管2、冷却液输出管3及设于冷却液输入管2和冷却液输出管3间的第1到n个液冷通道，所述第1到n个液冷通道与所述第1到n个电池模组群1对应设置；所述冷却液输入管2、第1到n个液冷通道和冷却液输出管3分别为第1到n个液冷回路，所述第1到n个液冷通道分别与冷却液输入管2和冷却液输出管3空间连通。
本发明中，动力电池系统被设置为并列的第1到n个电池模组群1，液冷系统被设置为第1到n个液冷回路的形式，第1到n个液冷回路和第1到n个电池模组群1一一对应，完成第1到n个电池模组群1的冷却作业。
本发明中，液冷系统包括冷却液输入管2、第1到n个液冷通道和冷却液输出管3，即实际上与第1到n个电池模组群1对应的是第1到n个液冷通道，冷却液从冷却液输入管2输入，从第1到n个液冷通道分别穿过，完成第1到n个电池模组群1的冷却作业、带走热量后，自冷却液输出管3输出。
本发明中，液冷系统的管路排布大大简化，节省空间和成本，解决了因电池模组群发热不均而带来的散热不均的问题，冷却效率高，得以满足大倍率工况下的散热要求，满足动力电池系统对温差的要求，动力电池系统的寿命整体延长，在本发明中，只需在随后通过对冷却液的行进路径及液冷回路的流量、回路流阻进行控制即可完成第1到n个电池模组群1的冷却作业，保证散热均匀。
所述任一液冷通道包括导入管4、液冷板5和导出管6，所述液冷板5与对应的电池模组群1配合设置，所述导入管4与冷却液输入管2空间连通，所述导出管6与冷却液输出管3空间连通。
本发明中，任一液冷通道都应包括导入管4、液冷板5和导出管6，液冷板5与对应的电池模组群1配合，导入管4与冷却液输入管2空间连通，导出管6与冷却液输出管3空间连通，即冷却液从冷却液输入管2输入，由每一液冷通道的导入管4导入，流经当前的液冷板5，完成当前液冷板5对应设置的电池模组群1的冷却作业、带走热量后，由每一液冷通道的导出管6导出，最后汇集在一起，自冷却液输出管3输出，大大简化了液冷系统的管路排布，节省了空间和成本。
所述任一电池模组群1包括并列设置的2排电池模组7，所述液冷板5设于2排电池模组7间。
所述2排电池模组7和液冷板5间分别设有导热胶层8。
本发明中，为了能更为合理的设置液冷板5，同时也将液冷板5的液冷效果发挥到最佳，故将电池模组群1设置为并列的2排电池模组7，将液冷板5设置在2排电池模组7间，采用双侧冷却方式，即每个液冷板5同时冷却2排电池模组7，节省了空间与成本。
本发明中，为了进一步降低液冷板5表面与对应的2排电池模组7的表面的接触热阻，在2排电池模组7和液冷板5间分别设置导热胶层8，并通过一定的预紧力来保证液冷板5、导热胶层8和电池模组7之间的紧密接触，以降低液冷板5与电池模组7之间的传热热阻。
所述任一液冷通道的导入管4和导出管6形状相同。
本发明中，为了便于计算导入管4和导出管6的流阻进而完成流量控制，同时亦为了更顺畅的完成电池模组7的液冷作业，故一般情况下，任一液冷通道的导入管4和导出管6设置为相同；同时，从制造性的角度考虑，导入管4和导出管6形状相同更便于设置，当导入管4和导出管6的形状相同时，则在批量生产过程中，一个液冷通道只需要生产一种管型即可。
所述任一液冷通道的导入管4和导出管6包括直管和/或弯管。
所述直管包括均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管或突缩管的一种或几种。
本发明中，导入管4和导出管6需要根据实际的流量控制需求完成结构的设计，一般情况下，导入管4和导出管6可以为均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管、突缩管或弯管的一种或几种，冷却液流过均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管、突缩管或弯管的阻力损失各不相同，可以通过对导入管4和导出管6的结构进行设计，使其为均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管、突缩管或弯管的一种或几种的组合及设计，继而通过流阻控制完成流量控制的需求。
本发明中，不同回路中冷却液流量的分配对液冷系统的冷却均匀性影响比较大，当不同电池模组群1的发热量相同时，不同液冷回路的流量需要尽量设计成一致，当不同电池模组群1的发热量不同时，不同液冷回路的流量需要设计成不一致，用于冷却发热量较高的电池模组群1的回路，其冷却液流量应较大，用于冷却发热量较小的电池模组群1的回路，其冷却液流量应较小。
本发明还涉及一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统的流量控制方法，所述流量控制方法包括液冷回路的流量控制，其步骤为：
步骤1.1：根据所述第1到n个电池模组群1的发热功率，计算出第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量Q1,Q2,…,Qn，第i个液冷回路中所需要的冷却液流量为其中，表示第i个电池模组群1的发热功率，ρ表示冷却液的密度，cP表示冷却液的比热容，△T表示冷却液的温升，计算出第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量比Q1：Q2：…：Qn。
所述步骤1.1中，△T为2～3开尔文。
所述步骤1.1中，对冷却液建立导热微分方程，其中，V为冷却液的体积，故即则第i个液冷回路的冷却液流量为
本发明中，在液冷系统中，一般为了增强散热效率，电池到液冷板5这条传热路径上的热阻比较小，可以近似认为电池产生的热量全部被冷却液吸收。
本发明中，建立导热微分方程其中，V为冷却液的体积，为电池模组群1的发热功率，由于代表的热量是在冷却液内部进行传递的，当取冷却液的平均温升时，可以忽略，故以差分格式近似式中的偏导数项，得到对上式变换，则第i个液冷回路的冷却液流量为推导出第i个液冷回路中所需要的冷却液流量为的结果。
步骤1.2：根据第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量比对第1到n个液冷回路进行流量控制设计，所述流量控制设计包括对第1到n个液冷回路的导入管4和导出管6采用均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管、突缩管或弯管的一种或几种的组合及设计。
步骤1.3：所述第1到n个液冷回路的压力降相等，δp1＝δp2＝…＝δpn，第1到n个液冷回路中存在阻力损失其中p表示流体的压力，ρ表示流体密度，g表示重力加速度。
本发明中，由于第1到n个液冷回路是并联的关系，故而δp1＝δp2＝…＝δpn，同时阻力的损失亦一定存在，
步骤1.4：由步骤1.3，所述第1到n个液冷回路的阻力损失应相等，即h1＝h2＝…＝hn。
本发明中，由于流体粘性摩擦的存在，流体在均直管内流动产生的水力损失称为沿程阻力损失，流体在管道内流动时会产生水力损失，流体流经渐缩管、渐扩管、突缩管、突扩管以及弯头等管道构件时的水利损失称局部阻力损失，在很多情况下，相比于局部阻力损失，沿程阻力损失可以忽略不计，故用回路中总的局部阻力损失近似回路中的总阻力损失，在实际的流量控制过程中，由于第1到n个液冷回路是并联的关系，第1到n个液冷回路的阻力损失应相等，h1＝h2＝…＝hn。
本发明中，局部阻力损失其中，ζ为局部损失系数，S为截面面积，Q为流体体积流量；以突扩管、突缩管和弯管为例，在突扩管中，故其中，S1为突扩前的管截面面积，S2为突扩后的管截面面积；在突缩管中，故其中，S1为突缩前的管截面面积，S2为突缩后的管截面面积；在弯管中，ζ＝kζ90°，故其中k和ζ90°的取值见表1和表2，其中，d表示管径，R表示弯管的弯曲半径，α为弯管的弯曲角。
表1弯管局部损失系数ζ90°
| d/R | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1.0 | 1.2 | 1.4 | 1.6 | 1.8 | 2.0 |
| ζ90° | 0.132 | 0.138 | 0.158 | 0.206 | 0.294 | 0.440 | 0.660 | 0.976 | 1.406 | 1.975 |
表2缓弯管局部损失系数k
步骤1.5：计算第1到n个液冷回路中总的局部阻力损失，其中，ζ为局部损失系数，S为回路的截面面积，j表示回路中出现管路扩张、收缩或者弯曲的点。
本发明中，对于第1到n个液冷回路，将每个液冷回路中所有的的局部阻力损失分别累加起来，即第1到n个液冷回路的阻力损失
步骤1.6：由步骤1.4和步骤1.5，可得第1到n个液冷回路的流量比为并验证该流量比是否满足步骤1.1确定的液冷回路所需要的流量比，若满足，认为流量控制完成，转入步骤1.7，若不满足，返回步骤1.2，对第1到n个液冷回路重新进行流量控制设计。
本发明中，通过阻力损失可以计算得到第1到n个液冷回路的流量比，以步骤1.1确定的液冷回路所需要的流量比验证该流量比，若满足，认为流量控制完成，若不满足，则需重新对第1到第n个液冷回路的流量控制进行设计。
步骤1.7：以CFD建模，利用数值方法进行离散和求解，得到冷却液在液冷回路中的流速分布以及第1到n个液冷回路中的流量值，验证步骤1.6，当误差小于5％时，认为完成流量控制，当误差大于等于5％时，返回步骤1.2。
本发明中，常见的冷却液都属于牛顿流体，牛顿流体的运动可以通过连续方程动量方程和能量方程来描述，其中，t表示时间，x、y和z分别为笛卡尔坐标的三个维度，u、v和w分别表示流体在x、y和z方向上的分速度，表示流体的速度，为哈密顿算子，μ表示流体的粘性系数，△表示拉普拉斯算子， 表示流体所受的体积力，e表示单位质量流体的内能，q表示热传递的热流密度，Σ表示流体的应力张量。
本发明中，将分布式液冷系统中第1到n个液冷回路的冷却液流动与能量变化情况用连续方程、动量方程和能量方程描述之后，利用数值方法进行离散和求解，即可以得出冷却液在分布式液冷系统中流速分布以及每一个回路中流量值，用以对步骤1.6进行验证，确认流量控制是否完成。
本发明中，举例来说，当不同的电池模组群1的发热量大小关系是自第1个到第n个逐渐增大的，那么回路的流阻大小关系应当设计成第1个到第n个液冷回路的流阻逐渐减小，从而回路中流量大小关系应当为第1个到第n个液冷回路的流量逐渐增大，而这只是定性的关系。实际的液冷系统设计过程中，先根据电池模组群1的发热功率计算出液冷回路所需要的流量比，之后通过流阻控制方法对液冷回路进行设计，控制液冷回路流量分配，以满足流量比要求，然后借助CFD建模进行定量计算，初步验证设计，并通过实验进行最后的验证。
本发明解决了现有技术中，随着消费者对电动汽车动力性能和快充性能等要求的提升，动力锂离子电池在使用过程中的发热问题越来越严重，而导致的电池的发热会使得电池的温度升高，进而使得电池的寿命降低，而传统的自然冷却方式与强制风冷方式的冷却效率较低，难以满足大倍率工况下的散热要求，同时也较难满足动力电池系统对温差的要求，而新晋的液冷系统由于消费者对电动汽车要求的提高，锂电池箱内的电池模组7呈现出数量多、排布不规则、发热不均等现象，因而仍然存在着明显的弱势的问题，通过将动力电池系统设置为并列的第1到n个电池模组群1，将液冷系统设置为冷却液输入管2、第1到n个液冷通道和冷却液输出管3，以第1到n个液冷通道与第1到n个电池模组群1对应，且冷却液输入管2、第1到n个液冷通道和冷却液输出管3分别空间连通，随后通过对冷却液的行进路径及液冷回路的流量、回路流阻进行控制，大大简化了液冷系统的管路排布，节省了空间和成本，解决了因电池模组群1发热不均而带来的散热不均的问题，冷却效率高，得以满足大倍率工况下的散热要求，满足动力电池系统对温差的要求，动力电池系统的寿命整体延长。
Claims (10)
1.一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述动力电池系统包括顺次并列设置的第1到n个电池模组群；所述液冷系统包括冷却液输入管、冷却液输出管及设于冷却液输入管和冷却液输出管间的第1到n个液冷通道，所述第1到n个液冷通道与所述第1到n个电池模组群对应设置；所述冷却液输入管、第1到n个液冷通道和冷却液输出管分别为第1到n个液冷回路，所述第1到n个液冷通道分别与冷却液输入管和冷却液输出管空间连通。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述任一液冷通道包括导入管、液冷板和导出管，所述液冷板与对应的电池模组群配合设置，所述导入管与冷却液输入管空间连通，所述导出管与冷却液输出管空间连通。
3.根据权利要求2所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述任一电池模组群包括并列设置的2排电池模组，所述液冷板设于2排电池模组间。
4.根据权利要求3所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述2排电池模组和液冷板间分别设有导热胶层。
5.根据权利要求2所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述任一液冷通道的导入管和导出管形状相同。
6.根据权利要求2所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述任一液冷通道的导入管和导出管包括直管和/或弯管。
7.根据权利要求6所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统，其特征在于：所述直管包括均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管或突缩管的一种或几种。
8.一种采用权利要求1～7任一所述的动力电池系统的分布式双侧液冷系统的流量控制方法，其特征在于：所述流量控制方法包括液冷回路的流量控制，步骤为：
步骤1.1：根据所述第1到n个电池模组群的发热功率，计算出第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量Q1,Q2,…,Qn，第i个液冷回路中所需要的冷却液流量为其中，表示第i个电池模组群的发热功率，ρ表示冷却液的密度，cP表示冷却液的比热容，△T表示冷却液的温升，计算出第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量比Q1：Q2：…：Qn；
步骤1.2：根据第1到n个液冷回路所需要的冷却液流量比对第1到n个液冷回路进行流量控制设计，所述流量控制设计包括对第1到n个液冷回路的导入管和导出管采用均直管、渐扩管、渐缩管、突扩管、突缩管或弯管的一种或几种的组合及设计；
步骤1.3：所述第1到n个液冷回路的压力降相等，δp1＝δp2＝…＝δpn，第1到n个液冷回路中存在阻力损失其中p表示流体的压力，ρ表示流体密度，g表示重力加速度；
步骤1.4：由步骤1.3，所述第1到n个液冷回路的阻力损失应相等，即h1＝h2＝…＝hn；
步骤1.5：计算第1到n个液冷回路中总的局部阻力损失，其中，ζ为局部损失系数，S为回路的截面面积，j表示回路中出现管路扩张、收缩或者弯曲的点；
步骤1.6：由步骤1.4和步骤1.5，可得第1到n个液冷回路的流量比为并验证该流量比是否满足步骤1.1确定的液冷回路所需要的流量比，若满足，认为流量控制完成，转入步骤1.7，若不满足，返回步骤1.2，对第1到n个液冷回路重新进行流量控制设计；
步骤1.7：以CFD建模，利用数值方法进行离散和求解，得到冷却液在液冷回路中的流速分布以及第1到n个液冷回路中的流量值，验证步骤1.6，当误差小于5％时，认为完成流量控制，当误差大于等于5％时，返回步骤1.2。
9.根据权利要求8所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统的流量控制方法，其特征在于：所述步骤1.1中，△T为2～3开尔文。
10.根据权利要求8所述的一种动力电池系统的分布式双侧液冷系统的流量控制方法，其特征在于：所述步骤1.1中，对冷却液建立导热微分方程，其中，V为冷却液的体积，故即则第i个液冷回路的冷却液流量为
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Denomination of invention: A distributed two side liquid cooling system for power battery system and its flow control method Effective date of registration: 20210120 Granted publication date: 20190402 Pledgee: The Bank of Nanjing Limited by Share Ltd. of Hangzhou city Small and micro businesses franchise branch Pledgor: HANGZHOU GENERALPOWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021330000069 |
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