CN111403849A - 一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，包括电池模组、压缩机、冷凝器、蒸发器、换热器、内循环风机、加热器、外循环风机，其组成电池散热模块、制冷模块、风冷内循环模块、风冷外循环模块、环境模拟模块、数据采集模块和电池充放电模块等。本发明为混联式动力电池风冷热管理实验系统，可实现对动力电池热管理实验研究过程的主动控制，混联式风道优化可以提高电池模组的温度均匀性，本发明便于动力电池热管理实验研究。

Description

一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统

技术领域

本发明涉及的是一种动力电池热管理系统。

背景技术

近年来，随着经济的发展，能源环境问题日益突出，新能源汽车也越来越为大家所关注。新能源汽车行业正朝着电动化和智能化方向发展。动力电池作为新能源汽车的重要组成部分，电池系统不仅为新能源汽车提供动力，而且也是参与新能源汽车整车控制和能量调度的核心环节。动力电池作为整车的核心部件，正朝着高能量密度、长续航里程、短充电时间、高安全性、高空间利用率、轻质化、长循环寿命的方向发展。但动力电池有其适宜的工作温度范围，在偏离最佳工作温度的工况下使用，会影响电池的安全性、动力性、可靠性和经济性。过冷工况下使用电池易导致电池充、放电效率与电池可用容量大大降低；过热工况下使用电池易导致电池加速老化、电池化学性能衰减、电解液泄露等内短路现象，严重情况下甚至导致电池冒烟、燃烧、爆炸等热失控事故。因此需要采用高能效、低功耗的电池热管理系统，对动力电池组进行热管理，来保证电池包在使用的过程中系统温度处于最佳范围，普遍认为25～40℃，保证电池组在合适的温度和温差范围内工作。

目前已有的电池热管理方式主要有：风冷、液冷和直冷三种，还有相变材料冷却和热管冷却。液冷电池热管理方式，所采用的冷媒有比热容大、热导率高、传热系数大、边界层薄、换热能力强、可集成散热和预热、温度均匀性好等优点；但液冷系统体积庞大，成本高昂，重量沉，密封性和绝缘性要求高，辅助部件能耗大，易发生冷却液泄露事故。直冷电池热管理方式，利用制冷工质相变冷却，散热效率高，能更好应对更大倍率的快充、快放问题，但直冷方式难以集成散、预热功能，系统复杂程度高。相变材料虽结构简单，冷却方便，散热速率快，不需额外泵功；但相变材料导热率低，相变潜热小，换热量有限，需额外增加系统体积，质量较重，大大缩减整个热管理系统的质量能量密度和体积能量密度，且不能将热量及时散出，相变材料热管理方式预热困难的问题更难以解决。热管技术虽传热系数高，导热性能好，温度均匀性高，热流密度可变，热流方向可逆，适应温度范围广，但热管和电池形状适应性要求高，结构较复杂，管内结构换热性差，绝缘性要求高，加工工艺要求高和成本高昂。

相比较而言，风冷动力电池热管理方式因其系统结构简单，占用空间小，重量轻，灵活度高、能耗低，成本低、无有害气体积压，易于维护而被广泛应用；然而，在风冷系统中，由于空气的比热容较小，导热系数低，对流换热系数小，散热所需时间长，高充、放电倍率冷却效果差，整个系统进出口压差大，流场不均匀，电池组中电池间冷却条件的差异将导致电池组产生较大的温差。传统动力电池风冷热管理系统设计中，往往由于电池自身结构各向异性和散热系统流道结构的差异，容易造成冷风温度随其流过电池风箱，沿流动方向逐渐升高，导致风冷散热系统中电芯与电芯之间，模组与模组之间的温度不均匀。很多学者通过调整风冷系统的结构改善系统内部空气流动情况，从而提高风冷系统的散热性能。

串行通风换热系数高，但进出口压差大；并行通风温度场一致性好，但换热系数低，空间占用率高。综上所述，动力电池热管理技术领域，迫切需要一种可以有效平衡电池散热系统结构差异，保证电池在最佳工作温度范围内使用，提高动力电池热管理系统温度均匀性，且集成散、预热功能于一体的风冷动力电池热管理系统。

发明内容

本发明的目的在于提供可以保证整个动力电池热管理系统的安全性、动力性、经济性和可靠性的一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，其特征是：包括风冷外循环单元、风冷内循环单元，电芯之间通过连接排组成电池模组，电池模组置于电池风箱内，电池模组的总正极和总负极通过夹具线连接电池充放电仪，电池风箱设置第一进风口、第二进风口、回风口；风冷外循环单元包括第一进风支路、第二进风支路、回风干路，第一进风支路连通第一进风口和调风三通换向阀，第一进风支路上设置第一进风风速风量传感器、第一进风风温传感器、第一风量调节阀，第二进风支路连通第二进风口和调风三通换向阀，第二进风支路上设置第二进风风速风量传感器、第二进风风温传感器、第二风量调节阀，调风三通换向阀还连通外循环风机，回风干路连通回风口，回风干路上设置回风风量调节阀、回风风温传感器、回风风速风量传感器；风冷内循环单元包括内循环风机、加热器、固态继电器、内循环管路，内循环管路上设置加热器和内循环风机，加热器连接固态继电器，加热器和内循环风机之间的内循环管路连接外循环风机，加热器连接第一换热三通换向阀，第一换热三通换向阀连接板式换热器，内循环风机连接第二换热三通换向阀，第二换热三通换向阀连接板式换热器。

本发明还可以包括：

1、还包括压缩机组制冷单元，压缩机组制冷单元包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀，压缩机连接冷凝器，压缩机和冷凝器的连接管路上引出手动阀、热力电磁阀连接到蒸发器，冷凝器和蒸发器之间的管路上设置制冷主路和喷液支路，制冷主路上设置制冷电磁阀、膨胀阀，喷液支路上设置喷液电磁阀，蒸发器分别连接第一换热三通换向阀和第二换热三通换向阀。

2、第一进风口位于电池风箱后方、电池模组宽度方向的正中间，风道开口向后，第一进风口正对最中间的电芯，第一进风口的宽度大于等于电芯的厚度；第二进风口位于电池风箱左侧、电池厚度方向的前方，风道开口向左，宽度小于或等于电芯厚度；回风口位于电池风箱前方、电池模组前后方向的右侧，风道开口向前。

3、电池模组产热功率小于设定值时，第一换热三通换向阀和第二换热三通换向阀开启，冷风通过外循环风机吹出，冷风在调风三通换向阀位置切换为第一进风支路、第二进风支路，待吹出的冷风冷却完电池模组后，从回风口返回形成风冷外循环；当电池模组产热功率等于或大于设定值时，压缩机、冷凝器、制冷电磁阀、膨胀阀和蒸发器启动，对内循环风机吹出的风进行冷却；当单一的风冷内循环单元或压缩机组制冷单元不满足冷风要求时，同时开启风冷内循环单元和压缩机组制冷单元；当电池模组处于极端低温工况下、需要对电池模组进行加热时，加热器启动，加热内循环风机吹出的风，实现对电池模组进行预热。

本发明的优势在于：

1.本发明通过优化传统单一的串联或并联风道，设计新型混联式风冷流道，通过在风道中设置主、副支路，可提高整个风冷动力电池热管理系统对于电池工作于不同工况下不同产热功率的适应性，散热需求较大时，可以实现冷风从电池风箱后方中间风口进，前方右侧风口出；散热需求较小时，冷风也可以从电池左侧前方风口进，前方右侧风口出，该设计可以提高电池模组的温度均匀性，并且一定程度上减小系统能耗。

2.本发明通过设置有压缩机组制冷单元与简易换热器冷风单元，当系统散热需求较低时用简易换热器与冷风换热，系统散热需求较大时，用压缩机组制冷单元冷风，甚至在极端产热条件下两个制冷换热单元可以同时工作。本发明可以提高系统散热的灵活度，避免造成系统不必要的能量损失。

3.压缩机组制冷单元采用制冷主路、热力旁通、喷液冷却三种回路结合的方式，当电池需要冷风时，制冷电磁阀开启；当压缩机回气口需要冷却时，喷液电磁阀开启；当整个制冷系统需要回温时，热力电磁阀开启工作给冷媒升温。本发明可以大大提高动力电池热管理系统的安全性和可靠性。

4.本发明通过在风冷内循环单元设置加热器和固态继电器，主动控制整个热管理系统是否加热，实现系统对电池的散、预热一体化热管理。本发明可以实现对动力电池风冷热管理实验系统多模块的集成，整个系统可实现实验参数的主动控制和实时监测，便于动力电池热管理实验研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为电池散热单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明提供一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，将电池风箱的风道改传统单一的串联或并联形式为混联形式，可更好保证电池风箱中不同位置电芯或模组温度一致性；对内循环回路吹出的风采用制冷机组主路和板式换热器旁路进行选择性冷却，同时系统集成对电池模组的散热和预热，各个支路上布置的传感器可以在实验过程中实现对不同参数的实时监控，可以满足动力电池风冷热管理不同的实验要求。本发明一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，包括：电芯1、连接排2、电池模组3、电池风箱4、防爆型高低温湿热试验箱5、进风控制电磁阀6、进风控制电磁阀7、出风控制电磁阀8、进风风速风量传感器9、进风风温传感器10、风量调节阀11、调风三通换向阀12、外循环风机13、加热器14、固态继电器15、换热三通换向阀16、压缩机17、手动阀18、冷凝器19、冷凝器散热翅片20、冷凝器散热风扇21、干燥过滤器22、制冷电磁阀23、膨胀阀24、喷液电磁阀25、热力电磁阀26、蒸发器27、板式换热器28、板式换热器散热翅片29、内循环风机30、回风风量调节阀31、回风风温传感器32、回风风速风量传感器33、进风支路34、进风支路35、回风干路36、数据通道37、数据采集器38、计算机39、电池充放电仪40。

实施时若干个电芯1通过连接排2连接成电池模组3，电池模组3放于电池风箱4内，电芯1与电芯1之间设置一定的距离作为风道，电池模组3的总正极和总负极通过夹具线接到模组充放电仪。风冷外循环单元包括两个进风支路和一个回风主路，通过风管连接外循环风机和调风三通换向阀，从外循环风机到调风三通换向阀部分为进风主路，调风三通换向阀将一个进风主路转化为两个进风支路，每个进风支路上设置进风风量调节阀、进风风温传感器、进风风速风量传感器，两个进风支路的风管分别接到电池外箱后方的中部和左侧的前方位置的两个进风口。一个回风主路从前方的右侧的回风口引出回风管，回风主路上设置回风风量调节阀、回风风温传感器、回风风速风量传感器。所有传感器的出线端接到数据采集器38，数据采集器38与计算机39连接，实现对数据的实时采集和监测。

制冷模块主要由压缩机17、蒸发器27、冷凝器19和膨胀阀24这四大件构成，包含主制冷、支喷液和热旁通三个通路。冷凝器19上设置冷凝器散热风扇21对其散热，通过冷凝器散热翅片20强化换热，板式换热器28通过与两个换热三通换向阀16连接，形成冷风支路。冷凝器19流出的冷媒通过干燥过滤器22处理，可防止制冷系统中的管路堵塞，增强本发明运行可靠性。风冷内循环单元主要通过管路连接内循环风机30和加热器14而成，固态继电器15连接加热器14。压缩机组制冷模块和风冷内循环模块通过在蒸发器27或者板式换热器28换热，实现对风冷内循环风机30所吹出风的冷却。

本实施例中，电池模组3放置于防爆型高低温湿热试验箱5内，电池充放电仪40给电池模组3进行充电或放电，电池模组3产热，系统根据电池产热功率的大小，制冷单元会选择运行压缩机组制冷模块还是板式换热器28旁路模块冷风。电池产热功率很小时，换热三通换向阀16开启，系统选择板式换热器28旁路模块对内循环回路吹来的风进行降温，此时的冷风通过外循环风机13吹出，冷风在调风三通换向阀12位置切换为两个进风支路，可以分别通过对应的两个调节阀调节风量后进入到电池风箱，待吹出的冷风冷却完电池后，从回风口返回形成风冷外循环。整个过程中第一进风支路，第二进风支路和回风主路上的风温风速风量等参数由对应的传感器监测后，通过数据通道传输到数据采集器38，通过计算机39收集到的数采数据，监控整个热管理系统。当电池产热功率超出一定的范围，压缩机17、冷凝器19、制冷电磁阀23、膨胀阀24和蒸发器27启动，相互配合进行工作，对内循环风机30吹出的风进行冷却，而后重复进行上述工作过程；当单一的压缩机组制冷模块无法满足冷风要求时，系统同时开启压缩机组主路制冷模块和板式换热器28旁路制冷模块，达到系统散热要求。当电池模组处于极端低温工况下，需要对电池模组进行加热时，风冷内循环模块中的加热器14启动，加热内循环风机30吹出的风，而后重复上述工作过程，实现对电池模组3进行高效的预热。

综上所述：本发明为一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，本发明耦合了传统单一的串联和并联风道，形成了多个主、副支路同时存在的混联式风道。根据电池模组不同的产热功率，对应不同的散热需求，配套对应的散热控制策略，可以大大提高电池热管理系统中电池的温度均匀性。本发明根据电池模块产热量配对相应冷却方案，可以避免系统不必要的耗能。本发明集成散热和预热功能于一体，可以保证电池温度处在合适的工作温度范围，增加整个风冷电池热管理系统的应用场景，系统实时监控数据，能够满足不同风冷电池热管理的实验需求。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，包括电池模组散热模块，压缩机组制冷模块，风冷内循环模块，风冷外循环模块，环境模拟单元、数据采集单元和电池充放电单元；风冷外循环模块，包括两个进风支路和一个出风干路。电池模组散热单元包括电芯，连接排，电池模组，电池风箱，第一进风控制电磁阀，第二进风控制电磁阀，出风控制电磁阀；对于正负极极耳上有螺栓孔的电芯，通过连接排将若干个电芯连接成电池模组，连接排上设置配合极耳螺栓孔径的通孔；对于正负极耳上无螺栓孔的电芯，通过激光焊技术，将连接排与电芯极耳焊接成电池模组；电芯之间留有距离以形成风道，连接好的电池模组设置于电池风箱内。

电池风箱总共设有三个风口，其中两个进风口，一个出风口；电池风箱整体呈长方体空腔结构，内部空腔用于放置电芯；第一进风口位于电池风箱后方、电池宽度方向的正中间，风道开口向后，第一进风口正对最中间的电池，第一进风口的宽度、电池厚度方向大于等于电芯的厚度；第二进风口位于电池风箱左侧、电池厚度方向的前方，风道开口向左，宽度小于或等于电芯厚度；出风口位于电池风箱前方、电池前后方向的右侧，风道开口向前。

风冷外循环单元包括两个进风支路和一个回风干路；设置三通阀于外循环风机与电池风箱上的两个进风口之间，调风三通换向阀将外循环风机吹出的一个进风主路转为两个进风支路；两个进风支路分别包括进口风量调节阀、进口风温传感器、进口风速风量传感器；一个回风干路包括回风风量调节阀、回风风温传感器、回风风速风量传感器；一根进风支路管对应接到电池风箱后方的中间的第一进风口，另一根进风支路管对应接到电池风箱的左侧前方的第二进风口；一根出风干路管对应接到电池风箱的前方右侧的出风口。

风冷内循环单元包括内循环风机、加热器、固态继电器和内循环管路；冷却风内循环回路上加热器连有固态继电器，系统集成散热和预热功能于一体。整个实验系统对风冷内循环吹出的风进行换热的模块包括压缩机组制冷单元和简易换热器换热模块，压缩机组制冷单元包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、制冷电磁阀、喷液电磁阀、热力电磁阀、干燥过滤器和手动阀，冷凝器上设置散热风扇和散热翅片；简易换热器换热模块包括板式换热器和三通阀，板式换热器设置散热翅片。电池模组散热模块置于环境模拟单元内，电池模组与电池充放电仪相连接，传感器监测到的数据通过数据通道传输给数据采集器。

Claims (5)

1.一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，其特征是：包括风冷外循环单元、风冷内循环单元，电芯之间通过连接排组成电池模组，电池模组置于电池风箱内，电池模组的总正极和总负极通过夹具线连接电池充放电仪，电池风箱设置第一进风口、第二进风口、回风口；风冷外循环单元包括第一进风支路、第二进风支路、回风干路，第一进风支路连通第一进风口和调风三通换向阀，第一进风支路上设置第一进风风速风量传感器、第一进风风温传感器、第一风量调节阀，第二进风支路连通第二进风口和调风三通换向阀，第二进风支路上设置第二进风风速风量传感器、第二进风风温传感器、第二风量调节阀，调风三通换向阀还连通外循环风机，回风干路连通回风口，回风干路上设置回风风量调节阀、回风风温传感器、回风风速风量传感器；风冷内循环单元包括内循环风机、加热器、固态继电器、内循环管路，内循环管路上设置加热器和内循环风机，加热器连接固态继电器，加热器和内循环风机之间的内循环管路连接外循环风机，加热器连接第一换热三通换向阀，第一换热三通换向阀连接板式换热器，内循环风机连接第二换热三通换向阀，第二换热三通换向阀连接板式换热器。

2.根据权利要求1所述的一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，其特征是：还包括压缩机组制冷单元，压缩机组制冷单元包括压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀，压缩机连接冷凝器，压缩机和冷凝器的连接管路上引出手动阀、热力电磁阀连接到蒸发器，冷凝器和蒸发器之间的管路上设置制冷主路和喷液支路，制冷主路上设置制冷电磁阀、膨胀阀，喷液支路上设置喷液电磁阀，蒸发器分别连接第一换热三通换向阀和第二换热三通换向阀。

3.根据权利要求1或2所述的一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，其特征是：第一进风口位于电池风箱后方、电池模组宽度方向的正中间，风道开口向后，第一进风口正对最中间的电芯，第一进风口的宽度大于等于电芯的厚度；第二进风口位于电池风箱左侧、电池厚度方向的前方，风道开口向左，宽度小于或等于电芯厚度；回风口位于电池风箱前方、电池模组前后方向的右侧，风道开口向前。

4.根据权利要求2所述的一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，其特征是：电池模组产热功率小于设定值时，第一换热三通换向阀和第二换热三通换向阀开启，冷风通过外循环风机吹出，冷风在调风三通换向阀位置切换为第一进风支路、第二进风支路，待吹出的冷风冷却完电池模组后，从回风口返回形成风冷外循环；当电池模组产热功率等于或大于设定值时，压缩机、冷凝器、制冷电磁阀、膨胀阀和蒸发器启动，对内循环风机吹出的风进行冷却；当单一的风冷内循环单元或压缩机组制冷单元不满足冷风要求时，同时开启风冷内循环单元和压缩机组制冷单元；当电池模组处于极端低温工况下、需要对电池模组进行加热时，加热器启动，加热内循环风机吹出的风，实现对电池模组进行预热。

5.根据权利要求3所述的一种混联式可控型动力电池风冷热管理实验系统，其特征是：电池模组产热功率小于设定值时，第一换热三通换向阀和第二换热三通换向阀开启，冷风通过外循环风机吹出，冷风在调风三通换向阀位置切换为第一进风支路、第二进风支路，待吹出的冷风冷却完电池模组后，从回风口返回形成风冷外循环；当电池模组产热功率等于或大于设定值时，压缩机、冷凝器、制冷电磁阀、膨胀阀和蒸发器启动，对内循环风机吹出的风进行冷却；当单一的风冷内循环单元或压缩机组制冷单元不满足冷风要求时，同时开启风冷内循环单元和压缩机组制冷单元；当电池模组处于极端低温工况下、需要对电池模组进行加热时，加热器启动，加热内循环风机吹出的风，实现对电池模组进行预热。

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