CN111883876A - 一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于动力电池的技术领域，提供了一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统。利用氟化液在电池表面的汽化来带走电池在工作过程中所产生的热量，汽化的氟化液在翅片表面进行凝结，凝结所放出的热量被冷却盘管中的冷却工质吸收，使得电池最高温度以及不同电池单体之间的温差得到了有效控制。相比于传统的风冷、液冷以及制冷剂直冷等冷却方式，具有以下优点：冷却盘管位于箱体上盖板的内部，有效的避免了因冷却盘管泄露而带来的安全隐患，提高了系统的安全性；每个电池模组之间相互连通，使得不同电池模组内氟化液液位以及氟化液蒸汽压均相等，保证了不同电池单体之间温度的均匀性。
Description
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，具体属于一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统。
背景技术
发展电动汽车是节能环保的一项重要战略。基于锂离子电池的电动汽车具有零排放、续航久等优势，因此以锂电池为动力源的新能源电动汽车在中国以每年35％的速度增长。然而锂电池对温度高度敏感，其最佳工作工作温度范围为： 15℃～35℃且其温差应控制在5℃以内。当锂电池的温度过高或过低时，会对锂电池的寿命产生很大的影响。因此，开发高效的电池热管理系统在实际应用中具有重要意义。
目前动力电池热管理的方式主要有4种，分别为风冷式、液冷式、相变材料冷却以及制冷剂直冷。罗意等人在“一种动力电池风冷模组”专利中(专利号： CN201922045742.7)利用风冷对圆柱形电池模组进行散热，其优点是结构简单、成本低，但其受环境温度影响较大，很难在炎热的季节对电池模组进行充分的散热。
赵永安等人在“电动汽车电池包液冷系统”专利中(专利号： CN201921695885.6)利用液冷的方式对电池模组进行散热，其优点在于液体的导热系数远高于空气，可以达到较好的散热效果。但是液冷系统一旦出现泄露，电池就会面临着短路的危险，存在着一定的安全隐患。
戴朝华在“一种大功率锂离子电池热管理系统”专利中(专利号：CN201820855714.4)利用相变材料冷却的方式对电池进行散热，其优点在于结构简单、能耗低。但是相变材料的导热系数低，无法在大倍率放电的条件下及时的将热量吸收。
孙世强等人在“一种采用制冷剂直冷系统的动力电池系统”专利中(专利号：CN201621061832.5)利用制冷剂直冷对电池组进行散热，其优点在于省去了中间换热环节，大大提高了换热效率。但是蒸发器的均温设计非常困难，目前并无有效的方式来实现每块蒸发板温度均匀。
鉴于上诉传统电池热管理中所采用的散热方式存在种种不足，有些研究机构提出了浸没式液冷的概念。例如谭思聪等人在“基于氟化液的密封浸没式电池包及其冷却系统”专利中(专利号：201822187949.3)提出将整个电池模组置于密闭的箱体内，结构简单，能量密度高。但是目前市场上应用的动力电池都是模块化的，将所有电池统一封闭在一个箱体内是不现实的，因此本发明提出了一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，使得电池在高倍率放电下，不同电池模组内的电池单体仍能保持优异的均温性能。
本发明的技术方案：
一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，包括：电池组模块以及冷却模块；
电池组模块包括：电池1、箱体2、箱体上盖板3、翅片4、液相连通管5、气相连通管6和氟化液8；其中箱体上盖板3盖装在箱体2上，箱体上盖板3内部设置有冷却盘管7；电池1位于箱体2底部；翅片4安装于箱体上盖板3的下表面用于强化换热；液相连通管5固定于箱体2下部，实现各电池模组串联，氟化液在其内部流通，使得各电池箱体内氟化液的液位高度保持一致；气相连通管6固定于箱体2上部，实现各电池模组串联，氟化液蒸汽在其内部流通，使得各电池箱体内氟化液蒸汽压力保持一致；当电池模组工作时开始发热，温度逐渐升高，电池模组所产生的热量被填充的氟化液带走，当氟化液温度没有达到沸点时，氟化液利用显热吸收电池模组所产生的热量；当电池模组表面温度升高到氟化液沸点以上时，氟化液开始沸腾，沸腾产生的氟化液蒸汽在翅片4 表面凝结，凝结的热量随即被位于箱体上盖板3内部冷却盘管7内的冷却工质带走；
冷却模块包括：冷却盘管7、压缩机9、冷凝器10以及节流阀11；冷却盘管7、压缩机9、冷凝器10以及节流阀11依次通过管路连接成环，供制冷剂循环。
所述的电池1为圆柱形电池、方形电池以及软包电池，其全部或部分浸没于氟化液8中。
所述的箱体2与箱体上盖板3之间构成的空间是密闭的。
所述的翅片4外表面涂敷一层超疏水涂层，使其表面的凝结方式为珠状凝结，大大提高了冷凝传热效率。
所述的氟化液8具有良好的介电特性且具有阻燃性，其在1标准大气压下沸点为0～50℃。
所述的翅片4可以增加冷源与氟化液蒸汽的接触面积，提高氟化液蒸汽的冷凝速率。
本发明的有益效果：
1)利用利用氟化液的相变来带走电池组工作过程中所产生的热量，散热效率高、能耗低；
2)氟化液直接与电池外表面相接触，接触充分且无接触热阻，大大增强了散热系统的取热能力；
3)所采用的氟化液具有良好的介电特性，不会造成电池内部短路等情况；克服了传统液冷可能出现泄露而造成短路所带来的安全隐患；
4)所采用的氟化液具有阻燃性，可以在极端条件下(碰撞造成的电池短路) 有效的抑制电池的燃烧和爆炸；
5)每个电池模组之间相互连通，使得不同电池模组内氟化液液位以及氟化液蒸汽压均相等，保证了不同电池单体之间温度的均匀性
6)由于各电池箱体内的气液相均相互连通，仅对一个箱体进行抽真空和灌注就可实现对所有箱体的抽真空和灌注，大大简化了抽真空和灌注的流程。
7)冷却盘管位于箱体上盖板的内部，有效的避免了因冷却盘管泄露而带来的安全隐患，提高了系统的安全性。
附图说明
图1为相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统示意图
图2为电池组箱体斜视图
图中：1电池；2箱体；3箱体上盖板；4翅片；5液相连通管；6气相连通管；7冷却盘管；8氟化液；9压缩机；10冷凝器；11节流阀。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明公开了一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，包括：电池组模块以及冷却模块。
电池组模块包：电池1、箱体2、箱体上盖板3、翅片4、液相连通管5、气相连通管6、氟化液8；其中电池1位于箱体2底部；翅片4安装于箱体上盖板3的下表面用于强化换热；液相连通管5连接于箱体2两侧的下方位置，气相连通管6连接于箱体2两侧的上方位置，两者分别用于平衡不同电池模组内氟化液8 液位以及氟化液蒸汽压；当电池模组工作时开始发热，温度逐渐升高，电池模组所产生的热量被填充的氟化液带走，当氟化液温度没有达到沸点时，氟化液利用显热吸收电池模组所产生的热量；当电池模组表面温度升高到氟化液沸点以上时，氟化液开始沸腾，沸腾产生的氟化液蒸汽在翅片4表面凝结，凝结的热量随即被位于箱体上盖板3内部冷却盘管7内的冷却工质带走。
冷却模块包括：冷却盘管7、压缩机9、冷凝器10以及节流阀11供制冷剂循环；冷却盘管7、压缩机9、冷凝器10以及节流阀11依次通过管路连接成环。如图1所示，为相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统示意图，在本示例中以1组6个电池为例，对整个系统进行说明。所述的电池1包括圆柱形电池、方形电池以及软包电池。箱体2与箱体上盖板3之间是通过压紧垫片的方式实现密封的，其中箱体上盖板3设有充液管(附图未示出)，用于对箱体2抽真空以及灌注氟化液。
所述的氟化液8为绝缘阻燃液体且在1大气压下沸点为0～50℃的氟化液，在本示例中使用的是3M公式生产的HFE-7000氟化液，其沸点为34℃，具有良好的介电特性以及优良的阻燃性。电池应全部或部分浸没在氟化液中，在本示例中，电池全部浸没在氟化液中。
如图2所示，为电池组箱体斜视图。其中，翅片4可以增加冷源与氟化液蒸汽的接触面积，提高氟化液蒸汽的冷凝速率。在本示例中采用的翅片为金属铝翅片，其外表面涂敷一层超疏水涂层，在本示例中，涂敷的是一层特氟龙涂层，待表面干燥后，测得表面接触角大于150度。因此，氟化液在其表面的凝结方式为珠状凝结，大大提高了冷凝传热效率。
如图1所示，为电池组箱体主视图，其中液相连通管5把各电池箱体串联起来，氟化液可在其内部流通，利用连通器原理使得各电池箱体内氟化液的液位高度保持一致。在本示例中，液相连通管5采用的是PVC透明钢丝软管，通过强力金属卡箍与箱体连接而实现密封。气相连通管6把各电池箱体串联起来，氟化液蒸汽可在其内部流通，使得各电池箱体内氟化液蒸汽压力保持一致，进而使得每个箱体内氟化液的沸点保持一致。在本示例中，气相连通管6采用的是PVC 透明钢丝软管，通过强力金属卡箍与箱体连接而实现密封。
如图1所示，电池组模块包：电池1、箱体2、箱体上盖板3、翅片4、液相连通管5、气相连通管6以及氟化液8。当电池开始工作时，电池会不断的产生热量，该热量会被填充的氟化液吸收。在电池工作的初始阶段，氟化液的温度并未达到沸点，其利用显热来吸收电池在工作过程中所产生的热量。随着电池产热的不断进行，电池表面温度逐渐达到沸点及沸点以上，氟化液开始沸腾，沸腾产生的氟化液蒸汽在翅片表面进行凝结，凝结所放出的热量在冷却模块的作用下传递给外界环境。
如图1所示，所述冷却模块包括：冷却盘管7、压缩机9、冷凝器10以及节流阀11。冷却模块内循环的工质为冷媒，在本示例中所采用的冷媒为R134a。其中冷媒在冷却盘管7内吸收氟化液蒸汽在翅片4表面凝结所放出的热量而汽化，汽化的冷媒经过压缩机9压缩后在冷凝器10内液化，将热量传递给了外界环境。液化的冷媒经过节流阀11后又回到了冷却盘管7内，完成冷媒的循环。
由于不同地区以及同一地区不同季节之间的温度差异巨大，例如热带地区全年温度居高不下，如果没有保温隔热措施，就会造成箱体内氟化液爆沸，影响散热。为此，有必要在箱体外表面加一层保温隔热层，在本示例中，在电池箱体外面表面贴敷了一层保温隔热的气凝胶(附图未示出)。与此同时，在严寒地区，保温隔热层能有效的抑制电池温度的降低，从而避免了短时间内停车的冷启动问题，延长了电池的使用寿命。
综上所述，本发明公开了一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统。每个电池模组之间通过气、液相连通管相连，使得不同电池模组内氟化液液位以及氟化液蒸汽压均相等，保证了不同电池单体之间温度的均匀性。充分利用液体的相变来进行取热和散热，使得整个传热过程的热阻降到了最低，极大的降低了系统的能耗。
以上所述的具体示例，对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本发明。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，其特征在于，该相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统包括：电池组模块以及冷却模块；
电池组模块包括：电池(1)、箱体(2)、箱体上盖板(3)、翅片(4)、液相连通管(5)、气相连通管(6)和氟化液(8)；其中箱体上盖板(3)盖装在箱体(2)上，箱体上盖板(3)内部设置有冷却盘管(7)；电池(1)位于箱体(2)底部；翅片(4)安装于箱体上盖板(3)的下表面用于强化换热；液相连通管(5)固定于箱体(2)下部，实现各电池模组串联，氟化液在其内部流通，使得各电池箱体内氟化液的液位高度保持一致；气相连通管(6)固定于箱体(2)上部，实现各电池模组串联，氟化液蒸汽在其内部流通，使得各电池箱体内氟化液蒸汽压力保持一致；当电池模组工作时开始发热，温度逐渐升高，电池模组所产生的热量被填充的氟化液带走，当氟化液温度没有达到沸点时，氟化液利用显热吸收电池模组所产生的热量；当电池模组表面温度升高到氟化液沸点以上时，氟化液开始沸腾，沸腾产生的氟化液蒸汽在翅片(4)表面凝结，凝结的热量随即被位于箱体上盖板(3)内部冷却盘管(7)内的冷却工质带走；
冷却模块包括：冷却盘管(7)、压缩机(9)、冷凝器(10)以及节流阀(11)；冷却盘管(7)、压缩机(9)、冷凝器(10)以及节流阀(11)依次通过管路连接成环，供制冷剂循环。
2.根据权利要求1所述的相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，其特征在于，所述的电池(1)为圆柱形电池、方形电池以及软包电池，其全部或部分浸没于氟化液(8)中。
3.根据权利要求1或2所述的相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，其特征在于，所述的箱体(2)与箱体上盖板(3)之间构成的空间是密闭的。
4.根据权利要求1或2所述的相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，其特征在于，所述的翅片(4)外表面涂敷一层超疏水涂层，使其表面的凝结方式为珠状凝结，大大提高了冷凝传热效率。
5.根据权利要求3所述的相互连通的模块化电池模组浸没式液冷系统，其特征在于，所述的翅片(4)外表面涂敷一层超疏水涂层，使其表面的凝结方式为珠状凝结，大大提高了冷凝传热效率。
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