CN109149009A - 高效低温差集成液冷电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效低温差集成液冷电池系统，包括壳体、设置于壳体中的电池模组、设置于壳体中且与电池模组相接触的液冷集成装置和与液冷集成装置连接且用于改变在液冷集成装置8中流动的冷却液的流动方向的循环泵。本发明的高效低温差集成液冷电池系统，减缓电池的差异性变化，降低电池模组内部电芯的温度差异性，使得模组内部电芯温度一致性高，改善电池的充放电性能和使用寿命。

Description

高效低温差集成液冷电池系统

技术领域

本发明属于新能源动力电池热管理技术领域，具体地说，本发明涉及一种适于新能源汽车的高效低温差集成液冷电池系统。

背景技术

在能源短缺和环境污染等问题的压力下，节能与环保已成为全社会的共识。电动汽车由于在节能和减排方面优势明显，已受到国内外的重视。发展电动汽车，关键是动力电池，而大部分电池的电化学性能和循环寿命受温度的影响显著，温度过高或过低不利于电池性能的发挥。温度过高，电池容易出现过热、燃烧、爆炸等安全问题；温度过低，电池无法放电或放电深度较浅；温差过大，容易导致电池循环寿命极大降低。因此，合理的电池热管理系统，对于延长动力电池循环寿命，进而推动电动汽车的发展，具有重要意义。

现有技术中用于电池系统的冷却系统主要是液冷系统，而现有液冷系统的制热原理为：启动水泵和空调系统压缩机，冷却液经过水泵、热交换设备、液冷集成板和冷却液箱进行循环加热，被换热的冷却液将热量传递给水冷板，液冷集成板再把热量传递给动力电池。整个系统循环水路长，耗费大量无效的热量，电能利用率低；尤其是短时间加热时，热利用率更低。

现有技术的液冷系统的温度分布是固定的，但是依然存在温度高的电池芯单体温度一直高，温度低的电池芯单体温度一直低的问题，导致电池模组内部的电池芯的温度差异性会越来越大，一致性也会越来越差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种适于新能源汽车的高效低温差集成液冷电池系统，目的是降低电池模组内部电芯的温度差异性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：高效低温差集成液冷电池系统，包括壳体、设置于壳体中的电池模组、设置于所述壳体中且与所述电池模组相接触的液冷集成装置和与液冷集成装置连接且用于改变在液冷集成装置中流动的冷却液的流动方向的循环泵。

所述循环泵位于所述壳体的外部，循环泵为离心泵。

所述液冷集成装置包括与所述电池模组相接触的导热基体和设置于导热基体内部的发热元件，导热基体具有用于引导冷却液的冷却水道。

所述发热元件设置两个，所述冷却水道位于两个发热元件之间。

所述发热元件为正温度系数热敏电阻。

所述冷却水道包括依次设置且连通的第一引流腔、第二引流腔、第三引流腔、第四引流腔、第五引流腔、第六引流腔、第七引流腔、第八引流腔、第九引流腔、第十引流腔和第十一引流腔，第一引流腔、第三引流腔、第五引流腔、第七引流腔、第九引流腔和第十一引流腔的长度方向相平行且与所述发热元件的长度方向相平行，第二引流腔、第四引流腔、第六引流腔、第八引流腔和第十引流腔的长度方向相平行。

所述第一引流腔和所述第九引流腔处于同一直线上，所述第二引流腔位于第一引流腔和第十一引流腔之间且第二引流腔的长度方向与第一引流腔的长度方向相垂直，所述第三引流腔和所述第七引流腔位于第九引流腔和第十一引流腔之间，第三引流腔、第四引流腔、第五引流腔、第六引流腔、第七引流腔和第八引流腔位于第二引流腔和第十引流腔之间。

所述液冷集成装置还包括与所述导热基体连接的进液管和出液管，进液管可选择性的将来自所述循环泵的冷却液引导至导热基体的冷却水道中和将来自导热基体的冷却水道的冷却液引导至循环泵，出液管可选择性的将来自散热器的冷却液引导至导热基体的冷却水道中和将来自导热基体的冷却水道的冷却液引导至散热器。

所述循环泵正转，循环泵输送的冷却液经所述进液管流入所述导热基体的冷却水道中，导热基体的冷却水道中的冷却液再经所述出液管流入所述散热器中；所述循环泵反转，散热器中的冷却液经所述出液管流入所述导热基体的冷却水道中，导热基体的冷却水道中的冷却液再经所述进液管流入循环泵中。

所述壳体包括相连接的电池上箱体和箱体底板，箱体底板上设有模组支撑板，所述电池模组位于电池上箱体的内部且电池模组设置于模组支撑板和箱体底板上。

本发明的高效低温差集成液冷电池系统，减缓电池的差异性变化，降低电池模组内部电芯的温度差异性，使得模组内部电芯温度一致性高，改善电池的充放电性能和使用寿命。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明高效低温差集成液冷电池系统的爆炸示意图；

图2是本发明高效低温差集成液冷电池系统的框图；

图3是液冷集成装置的结构示意图；

图4是液冷集成装置的剖视图；

图5是冷却水道的结构示意图；

图中标记为：1、电池上箱体；2、电池箱侧板；3、电池箱前面板；4、配电盒；5、第一冷却管路；6、第二冷却管路；7、电池模组；8、液冷集成装置；801、第一引流腔；802、第二引流腔；803、第三引流腔；804、第四引流腔；805、第五引流腔；806、第六引流腔；807、第七引流腔；808、第八引流腔；809、第九引流腔；810、第十引流腔；811、第十一引流腔；812、导热基体；813、发热元件；814、进液管；815、出液管；9、模组支撑板；10、箱体底板；11、循环泵；12、冷却器；13、散热器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图3所示，本发明提供了一种高效低温差集成液冷电池系统，包括壳体、设置于壳体中的电池模组、散热器13、设置于壳体中且与电池模组相接触的液冷集成装置8和与液冷集成装置8连接且用于改变在液冷集成装置8中流动的冷却液的流动方向的循环泵11。

具体地说，如图1和图2所示，循环泵11和散热器13位于壳体的外部，循环泵11为离心泵且为双向离心泵,循环泵11可在正转与反转之间进行切换。散热器13用于对冷却液进行降温，冷却液流过散热器13，散热器13与冷却液发生热交换。散热器13通过管路与循环泵11和液冷集成装置8连接。循环泵11正转时，将散热器13中的冷却液经循环泵11流入液冷集成装置8中，冷却液流过液冷集成装置8时，可对电池模组进行降温冷却，最后液冷集成装置8中的冷却液流回散热器13中，实现循环流动。循环泵11反转时，散热器13中的冷却液直接流入液冷集成装置8中，冷却液流过液冷集成装置8时，可对电池模组进行降温冷却，最后液冷集成装置8中的冷却液经循环泵11流回散热器13中，实现循环流动。通过控制液冷集成装置8中的冷却液的流动方向，消除温度高的电池模组内部的电池芯温度始终高，温度低的电池芯温度始终低的现象，减缓电池的差异性变化，模组内部电芯温度一致性高，改善电池的充放电性能和使用寿命。

如图1至图5所示，液冷集成装置8包括与电池模组相接触的导热基体812和设置于导热基体812内部的发热元件813，导热基体812具有用于引导冷却液的冷却水道。发热元件813至少设置一个，冷却水道至少设置一个，导热基体812设置在电池模组的下方，导热基体812与电池模组的底面贴合，导热基体812为矩形板状结构，导热基体812具有与电池模组的底面贴合的接触面，该接触面为导热基体812的一侧面，该接触面为平面，电池模组为矩形结构，导热基体812的长度方向与电池模组的长度方向相平行，导热基体812的宽度方向与电池模组的宽度方向相平行，导热基体812的长度和宽度尺寸与电池模组的长度和宽度尺寸大致相等，导热基体812的接触面的长度方向与电池模组的长度方向相平行，导热基体812的接触面的宽度方向与电池模组的宽度方向相平行。导热基体812的材质为金属，导热效果好。发热元件813设置于导热基体812的内部，发热元件813通电后产生热量，对电池模组进行加热，导热基体812起到导热效果，以将发热元件813产生的热量传导到电池模组。发热元件813具有一定的长度，发热元件813的长度方向与导热基体812的长度方向相平行。冷却水道设置于导热基体812的内部，发热元件813优选为正温度系数热敏电阻。当电池模组需要冷却时，进入冷却水道内的冷却液给导热基体812散热，导热基体812给电池模组散热，实现降温目的；当电池模组需要加热时，发热元件813产生热量，加热导热基体812，导热基体812给电池模组加热。

如图4和图5所示，在本实施例中，发热元件813设置两个，冷却水道位于两个发热元件813之间且冷却水道位于两个发热元件813的中间位置处。冷却水道位于导热基体812的宽度方向上的中间位置处，冷却水道对应电池模组的底面中间区域，在此区域冷却和加热效果较好。在导热基体812上集成了加热和冷却结构，使得同一基体上能分时使用导热基体812进行散热，极大提高了集成度，减少了现有技术的加热辅助系统，节约了循环管路和整个循环装置造成的热损失，使用只需在电池模组表面贴合即可并由BMS(电池管理系统)直接进行自控，控制逻辑简明。BMS控制液冷集成装置8启动，直接加热动力电池，此种加热方式，加热过程中，外部循环系统不参与工作，热量直接传递给电池模组，热利用率高，加热高效。若加热10min，电热利用率为80％；若加热20min，电热利用率为85％；若加热30min，电热利用率为90％。若加热30min，电热利用率为95％以上。而现有的加热和冷却系统是分开的，且电池加热及冷却系统均由整车控制器进行控制，控制逻辑复杂。

如图4和图5所示，冷却水道为蛇形结构，冷却水道包括依次设置且连通的第一引流腔801、第二引流腔802、第三引流腔803、第四引流腔804、第五引流腔805、第六引流腔806、第七引流腔807、第八引流腔808、第九引流腔809、第十引流腔810和第十一引流腔811。第一引流腔801、第二引流腔802、第三引流腔803、第四引流腔804、第五引流腔805、第六引流腔806、第七引流腔807、第八引流腔808、第九引流腔809、第十引流腔810和第十一引流腔811为在导热基体812的内部设置的圆形腔体，第一引流腔801、第二引流腔802、第三引流腔803、第四引流腔804、第五引流腔805、第六引流腔806、第七引流腔807、第八引流腔808、第九引流腔809、第十引流腔810和第十一引流腔811均具有一定的长度，第一引流腔801、第三引流腔803、第五引流腔805、第七引流腔807、第九引流腔809和第十一引流腔811的长度方向相平行且与发热元件813的长度方向相平行，第一引流腔801的长度方向与导热基体812的长度方向相平行，第二引流腔802、第四引流腔804、第六引流腔806、第八引流腔808和第十引流腔810的长度方向相平行，第二引流腔802的长度方向与导热基体812的宽度方向相平。第十一引流腔811的长度最长，第一引流腔801和第九引流腔809处于同一直线上，第十一引流腔811的长度大于第九引流腔809的长度，第九引流腔809的长度大于第一引流腔801的长度。

如图4和图5所示，在导热基体812的宽度方向上，第二引流腔802位于第一引流腔801和第十一引流腔811之间且第二引流腔802的长度方向与第一引流腔801的长度方向相垂直，第二引流腔802的一端与第一引流腔801连接，第二引流腔802的另一端与第三引流腔803的一端连接。在导热基体812的宽度方向上，第三引流腔803和第七引流腔807位于第九引流腔809和第十一引流腔811之间，第三引流腔803并位于第七引流腔807和第十一引流腔811之间，第三引流腔803的一端与第二引流腔802的一端连接，第三引流腔803的另一端与第四引流腔804的一端连接，第三引流腔803的长度小于第十一引流腔811的长度，第七引流腔807的长度小于第三引流腔803的长度，第三引流腔803与第十一引流腔811之间的距离小于第三引流腔803与第七引流腔807之间的距离。在导热基体812的宽度方向上，第五引流腔805位于第三引流腔803和第九引流腔809之间，第五引流腔805的长度小于第九引流腔809的长度，第五引流腔805的一端与第四引流腔804的一端连接，第五引流腔805的另一端与第六引流腔806的一端连接，第六引流腔806的另一端与第七引流腔807连接。

如图4和图5所示，在导热基体812的长度方向上，第三引流腔803、第四引流腔804、第五引流腔805、第六引流腔806、第七引流腔807和第八引流腔808位于第二引流腔802和第十引流腔810之间，第六引流腔806位于第四引流腔804和第八引流腔808之间。第一引流腔801与第十一引流腔811之间的距离和第九引流腔809与第十一引流腔811之间的距离大小相同，第二引流腔802的长度小于第十引流腔810的长度，第八引流腔808的长度小于第二引流腔802的长度，第五引流腔805与第九引流腔809之间的距离小于第七引流腔807与第九引流腔809之间的距离，第七引流腔807的长度大于第五引流腔805的长度，第二引流腔802与第八引流腔808之间的距离小于第四引流腔804与第十引流腔810之间的距离，第七引流腔807处于导热基体812的长度和宽度方向上的中间位置，第十引流腔810位于两个发热元件813的中间位置处。冷却水道设置成图4和图5所示的曲折结构，冷却液流过导热基体812的大部分区域，冷却时能够与导热基体812充分发生热交换，对电池模组的冷却效果好。此种蛇形通道的结构是根据电池系统的产热特性以及热量传递和分布的规律进行设计，冷却水道在导热基体812内并没有平行分布，而是呈现蛇字形曲折回旋，能避免出现由于冷却液在进口端温度低，在出口端温度高而导致的电池靠近冷却液进口端部分冷却效果好，靠近出口端部分冷却效果不好的现象，从而可以进一步稳定电池包内部电芯之间的温度一致性，降低电池系统在使用过程中温度差。

如图3至图5所示，第一引流腔801和第十一引流腔811在导热基体812的同一端的端面上分别形成一个让冷却液通过的开口，也即第一引流腔801和第十一引流腔811是在导热基体812的同一端端面处开始沿导热基体812的长度方向朝向导热基体812的内部延伸形成。液冷集成装置8还包括与导热基体812连接的进液管814和出液管815，进液管814和出液管815位于壳体的内部，进液管814可选择性的将来自循环泵11的冷却液引导至导热基体812的冷却水道中和将来自导热基体812的冷却水道的冷却液引导至循环泵11，出液管815可选择性的将来自散热器13的冷却液引导至导热基体812的冷却水道中和将来自导热基体812的冷却水道的冷却液引导至散热器13。进液管814的一端与导热基体812固定连接且进液管814的该端与第一引流腔801连通，进液管814的另一端与第一冷却管路5的一端连接，第一冷却管路5的另一端与循环泵11连接，出液管815的一端与导热基体812固定连接且进液管814的该端与第十一引流腔811连通，出液管815的另一端与第二冷却管路6的一端连接，第二冷却管路6的另一端与散热器13连接，散热器13通过第三冷却管路与循环泵11连接。循环泵11正转，循环泵11输送的冷却液经进液管814流入导热基体812的冷却水道中，导热基体812的冷却水道中的冷却液再经出液管815流入散热器13中；循环泵11反转，散热器13中的冷却液经出液管815流入导热基体812的冷却水道中，导热基体812的冷却水道中的冷却液再经进液管814流入循环泵11中。循环泵11正转时，经进液管814进入冷却水道中的冷却液是依次流入第一引流腔801、第二引流腔802、第三引流腔803、第四引流腔804、第五引流腔805、第六引流腔806、第七引流腔807、第八引流腔808、第九引流腔809、第十引流腔810和第十一引流腔811，最后流出冷却水道，并进入出液管815中。循环泵11反转时，经出液管815进入冷却水道中的冷却液是依次流入第十一引流腔811、第十引流腔810、第九引流腔809、第八引流腔808、第七引流腔807、第六引流腔806、第五引流腔805、第四引流腔804、第三引流腔803、第二引流腔802和第一引流腔801，最后流出冷却水道，并进入进液管814中。

导热基体812共设置多个，各个导热基体812分别位于一个电池模组的下方且各个导热基体812分别与一个电池模组贴合，各个导热基体812分别与一个进液管814和一个出液管815连接，所有进液管814为并联，所有出液管815为并联，所有进液管814与第一冷却管路5连接，所有出液管815与第二冷却管路6连接。如图3所示，在本实施例中，导热基体812共设置四个。

在循环泵11正转时，第一引流腔801处为进液口，第十一引流腔811处为出液口；在循环泵11反转时，第一引流腔801处为出液口，第十一引流腔811处为进液口。冷却液流过冷却水道时会与导热基体812发生热交换，进液口处冷却液的温度会小于出液口处的冷却液的温度，相应的，电池模组上对应进液口处的冷却效果要好于对应出液口处的冷却效果，因此通过控制液冷集成装置8中的冷却液的流动方向，使得在对电池模组进行冷却时，冷却液设置成不是始终沿同一流动方向进行流动的，进液口与出液口可根据需要进行切换，可以消除温度高的电池模组内部的电池芯温度始终高，温度低的电池芯温度始终低的现象，减缓电池的差异性变化，提高电池模组内部电池芯的温度的一致性，改善电池的充放电性能和使用寿命。

循环泵11与BMS为电连接，循环泵11由BMS进行控制，BMS控制循环泵11在正转与反转之间进行切换。电池模组上设有用于检测电池芯温度的温度传感器，各个电池模组上均设置有温度传感器，温度传感器与BMS为电连接，BMS收集并监控温度传感器检测到的温度数据。温度传感器设置多个，设置于各个电池模组上的温度传感器检测到的温度大小可能不一致。BMS收集的温度数据中具有多个温度值，各个温度值分别由一个温度传感器检测获得，而且BMS收集的温度数据中具有一个最高温度值和一个最低温度值，最高温度值为温度数据的所有温度值中最大的温度值，最底温度值为温度数据的所有温度值中最小的温度值。比较最高温度值与最低温度值，当最高温度值与最低温度值之间的差值为3℃以内时，循环泵11处于正常状态(此时循环泵为正转状态)，循环泵的输出功率由PWM信号进行控制，此时循环泵无需切换运转方向；当最高温度值与最低温度值之间的差值处于6℃以内时，循环泵11处于正转状态，循环泵的输出功率由PWM信号进行控制；当最高温度值与最低温度值之间的差值超过6℃时，循环泵11需由正转状态切换至反转状态，而且在循环泵11反转运转一段时间后，最高温度值与最低温度值之间的差值又会处于3℃以内，然后循环泵11又由反转状态切换至正转状态，在循环泵11正转运转一段时间后，直至最终使最高温度值与最低温度值之间的差值处于3℃以内，完成电池系统的降温冷却，最后循环泵11停止运转。

因此，通过设置上述结构的液冷集成装置8，集成度高，稳定性好，可以使得电池系统能够快速升温，也可以达到降低和控制电池温度差的目的，并能很好的实现低温差控制。

如图1所示，壳体包括相连接的电池上箱体1和箱体底板10，箱体底板10上设有模组支撑板9，电池模组位于电池上箱体1的内部且电池模组设置于模组支撑板9和箱体底板10上。电池上箱体1为内部中空的结构，箱体底板10为水平设置且箱体底板10位于电池上箱体1的下方，箱体底板10与电池上箱体1固定连接，模组支撑板9为竖直设置且模组支撑板9设置两个，模组支撑板9的下端与箱体底板10固定连接，模组支撑板9位于电池上箱体1的内部且两个模组支撑板9为相对布置，电池模组位于两个模组支撑板9之间，电池模组与两个模组支撑板9和下方的箱体底板10固定连接。电池上箱体1采用钢型材拼焊而成，有利于电池系统在跌落、挤压、碰撞等场景下的安全。电池上箱体1的端部设置有电池箱侧板2，电池箱侧板2设置两个且两个电池箱侧板2分别与电池上箱体1的一端固定连接，两个电池箱侧板2相平行，电池箱侧板2用于封闭电池上箱体1的端部开口，电池箱侧板2主要起到电池箱密封作用，由于电池系统安装在车架底部车身下方等部位且接近电池正负极的导电连接体，因此需设置电池箱侧板2密封电池上箱体1的两端，箱体底板10密封电池上箱体1的底部开口。电池箱侧板2选用绝缘材质制成，有利于提高安全性。优选的，电池箱侧板2选用吸塑材料模压制成，电池箱侧板2通过螺丝固定到电池上箱体1上。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高效低温差集成液冷电池系统，包括壳体和设置于壳体中的电池模组，其特征在于：还包括设置于所述壳体中且与所述电池模组相接触的液冷集成装置和与液冷集成装置连接且用于改变在液冷集成装置中流动的冷却液的流动方向的循环泵。

2.根据权利要求1所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述循环泵位于所述壳体的外部，循环泵为离心泵。

3.根据权利要求1或2所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述液冷集成装置包括与所述电池模组相接触的导热基体和设置于导热基体内部的发热元件，导热基体具有用于引导冷却液的冷却水道。

4.根据权利要求3所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述发热元件设置两个，所述冷却水道位于两个发热元件之间。

5.根据权利要求3或4所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述发热元件为正温度系数热敏电阻。

6.根据权利要求3至5任一所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述冷却水道包括依次设置且连通的第一引流腔、第二引流腔、第三引流腔、第四引流腔、第五引流腔、第六引流腔、第七引流腔、第八引流腔、第九引流腔、第十引流腔和第十一引流腔，第一引流腔、第三引流腔、第五引流腔、第七引流腔、第九引流腔和第十一引流腔的长度方向相平行且与所述发热元件的长度方向相平行，第二引流腔、第四引流腔、第六引流腔、第八引流腔和第十引流腔的长度方向相平行。

7.根据权利要求6所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述第一引流腔和所述第九引流腔处于同一直线上，所述第二引流腔位于第一引流腔和第十一引流腔之间且第二引流腔的长度方向与第一引流腔的长度方向相垂直，所述第三引流腔和所述第七引流腔位于第九引流腔和第十一引流腔之间，第三引流腔、第四引流腔、第五引流腔、第六引流腔、第七引流腔和第八引流腔位于第二引流腔和第十引流腔之间。

8.根据权利要求6或7所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述液冷集成装置还包括与所述导热基体连接的进液管和出液管，进液管可选择性的将来自所述循环泵的冷却液引导至导热基体的冷却水道中和将来自导热基体的冷却水道的冷却液引导至循环泵，出液管可选择性的将来自散热器的冷却液引导至导热基体的冷却水道中和将来自导热基体的冷却水道的冷却液引导至散热器。

9.根据权利要求8所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述循环泵正转，循环泵输送的冷却液经所述进液管流入所述导热基体的冷却水道中，导热基体的冷却水道中的冷却液再经所述出液管流入所述散热器中；所述循环泵反转，散热器中的冷却液经所述出液管流入所述导热基体的冷却水道中，导热基体的冷却水道中的冷却液再经所述进液管流入循环泵中。

10.根据权利要求1至9任一所述的高效低温差集成液冷电池系统，其特征在于：所述壳体包括相连接的电池上箱体和箱体底板，箱体底板上设有模组支撑板，所述电池模组位于电池上箱体的内部且电池模组设置于模组支撑板和箱体底板上。