CN112178972A - 一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于动力电池的技术领域，提供了一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统。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，最终通过磁制冷系统将该热量传递给外界环境，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。相比于传统的冷却方式，具有以下优点：利用磁制冷技术不会产生温室效应，且其工作效率高；磁制冷系统无需压缩机，因此重量轻、震动和噪音较小、可靠性高、工作周期长；充分利用氟化液的相变来吸收电池在工作所产生的热量，无接触热阻、取热能力强、散热效率高；所采用的氟化液具有良好的阻燃特性，能够有效的抑制电池的起火与爆炸。
Description
技术领域
本发明属于动力电池的技术领域，具体属于一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统。
背景技术
随着科技的不断进步与发展，新能源汽车由于具有绿色环保等特点而受到了广泛的推广和使用。锂电池作为新能源汽车的主要动力来源，受到众多企业和科研院所的关注。虽然锂电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，但是锂电池对温度极其敏感，温度过高不仅会导致电池性能快速衰退，甚至引发热失控。因此设计一种高效的电池热管理系统是提升电动汽车整体性能的必要条件。目前电池热管理的方式主要有：风冷式、液冷式、相变材料冷却、制冷剂直冷以及目前倍受学者关注的两相浸没式液冷。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浸没在氟化液中，氟化液直接与电池表面接触，取热能力强，且无接触热阻。
两相浸没式液冷虽然具备上述诸多优点，但是其只能作为取热系统，并无散热功能，因此需要结合散热系统一同使用。传统散热系统大多采用气体压缩制冷技术，其热效率仅占卡诺循环的5％-10％，与此同时，采用压缩机噪音较大且所使用的制冷剂会污染环境。
鉴此，本发明提出一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，利用两相浸没的方式进行取热，利用磁制冷系统进行散热。其中采用两相浸没式取热可将取热过程降至最低，而磁制冷的热效率能占卡诺循环的30％-60％，制冷效率高、噪音小且不会造成环境污染。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统。利用两相浸没的方式取走电池在工作过程中所产生的热量，利用磁制冷系统将该部分热量传递给外界环境，工作效率高、震动和噪音较小、可靠性强。
本发明的技术方案：
一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，该利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统包括：电池组模块、磁制冷模块：
其中，电池组模块包括：电池1、箱体2、氟化液3、箱体上盖板4；其中电池1固定于箱体2底部，且部分或全部的浸没在氟化液3中；当电池处于工作状态时，电池开始产生热量。在产热的初始阶段，氟化液3未达到沸点，氟化液3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积累，当氟化液3达到沸点时，氟化液3开始沸腾，利用潜热来吸收电池所放出的热量。沸腾产生的氟化液3蒸汽在箱体上盖板4表面凝结，凝结所放出的热量最终通过磁制冷系统传递给外界环境。
磁制冷模块包括：第一循环和第二循环，所述第一循环和所述第二循环均具有磁制冷床、热端换热器、冷端换热盘管、电磁阀以及所述第一循环和所述第二循环共用的泵6；磁制冷模块利用磁性材料的磁热效应，不断的吸收氟化液蒸汽在凝结时所放出的热量，并将该热量传递给外界环境，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。
所述的磁制冷床内置有磁工质，用于在施加磁场或去除磁场过程中产生磁热效应。
所述的热端换热器，用于将所述磁制冷床在加磁场过程中产生的热量释放到外界环境中。
所述的冷端换热盘管位于箱体上盖板4内部，用于将所述磁制冷床在去磁场过程中产生的冷量释放到电池箱体中，使得氟化液3蒸汽遇冷液化。
所述的电磁阀为二位三通电磁阀，用于根据第一循环和第二循环所处的运行阶段进行流路切换，以形成相应回路。
所述的泵为电磁泵，用于驱动管路中的循环流体。
所述的磁制冷模块运行时共包含四个阶段，依次为：绝热加磁阶段、等磁场热流动阶段、绝热去磁阶段以及等磁场冷流动阶段。
所述的第一循环包括：电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅲ9、泵6、磁制冷床Ⅰ8、热端换热器Ⅰ11以及冷端换热盘管Ⅰ10。其中热端换热器Ⅰ11和冷端换热盘管Ⅰ10并联且其整体依次与电磁阀Ⅰ5、泵6、电磁阀Ⅱ7、磁制冷床Ⅰ8以及电磁阀Ⅲ9串联成环。
所述的第二循环包括：电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅳ13、泵6、磁制冷床Ⅱ12、热端换热器Ⅱ15以及冷端换热盘管Ⅱ14。其中热端换热器Ⅱ15和冷端换热盘管Ⅱ14并联且其整体依次与电磁阀Ⅰ5、泵6、电磁阀Ⅱ7、磁制冷床Ⅱ 12以及电磁阀Ⅳ13串联成环。
所述磁制冷床Ⅰ8比所述磁制冷床Ⅱ12提前一个运行阶段。即磁制冷床Ⅰ8 处于绝热加磁阶段时磁制冷床Ⅱ12处于等磁场冷流动阶段，磁制冷床Ⅰ8处于等磁场热流动阶段时磁制冷床Ⅱ12处于绝热加磁阶段，磁制冷床Ⅰ8处于绝热去磁阶段时磁制冷床Ⅱ12处于等磁场热流动阶段，磁制冷床Ⅰ8处于等磁场冷流动阶段时磁制冷床Ⅱ12处于绝热去磁阶段，以此保证磁制冷模块开启时泵6 始终处于运行状态。
本发明的有益效果：
1)利用磁制冷技术不会产生温室效应，且其工作效率高、能耗低；
2)磁制冷系统无需压缩机，因此重量轻、震动和噪音较小、可靠性高、工作周期长；
3)充分利用氟化液的相变来吸收电池在工作所产生的热量，无接触热阻、取热能力强、散热效率高；
4)所采用的氟化液具有良好的阻燃特性，能够有效的抑制电池的起火与爆炸。
附图说明
图1为一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统示意图
图中：1电池；2箱体；3氟化液；4箱体上盖板；5电磁阀Ⅰ；6泵；7电磁阀Ⅱ；8磁制冷床Ⅰ；9电磁阀Ⅲ；10冷端换热盘管Ⅰ；11热端换热器Ⅰ；12 磁制冷床Ⅱ；13电磁阀Ⅳ；14冷端换热盘管Ⅱ；15热端换热器Ⅱ
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。
本发明公开了一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，该利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统包括：电池组模块、磁制冷模块：
其中，电池组模块包括：电池1、箱体2、氟化液3、箱体上盖板4；其中电池1固定于箱体2底部，且部分或全部的浸没在氟化液3中；当电池1处于工作状态时，电池1开始产生热量。在产热的初始阶段，氟化液3未达到沸点，氟化液3利用显热来吸收电池1在工作过程中所产生的热量。随着电池1产热的不断积累，当氟化液3达到沸点时，氟化液3开始沸腾，利用潜热来吸收电池1所放出的热量。沸腾产生的氟化液3蒸汽在箱体上盖板4表面凝结，凝结所放出的热量最终通过磁制冷系统传递给外界环境。
磁制冷模块包括：第一循环和第二循环，所述第一循环和所述第二循环均具有磁制冷床、热端换热器、冷端换热盘管、电磁阀以及所述第一循环和所述第二循环共用的泵6；磁制冷模块利用磁性材料的磁热效应，不断的吸收氟化液3 蒸汽在凝结时所放出的热量，并将该热量传递给外界环境，使得电池1最高温度以及不同电池1单体之间的温差得到了有效控制。
在本示例中以1组6块的方形电池组为例，对整个系统进行说明。所述的电池1置于箱体2的底部，部分或全部的浸没在氟化液3中，在本示例中，电池全部浸没在氟化液中。所述的氟化液3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公司生产的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特性。
所述的磁制冷床内置有磁工质，在本示例中所采用的磁工质由钆及其化合物组成。磁工质具有磁热效应，在外加磁场的作用下磁工质会产生热量，该热量通过所述的热端换热器释放到外界环境。当外加磁场撤去时，磁工质会释放冷量，该冷量通过位于箱体上盖板4内部的冷端换热盘管释放到电池箱体中，使得氟化液3蒸汽遇冷液化。
所述的泵6为电磁泵，用于驱动管路中的循环流体。在本示例中，所选用的循环流体为水。泵的两端均通过管路与电磁阀相连，所述的电磁阀为二位三通电磁阀，用于根据第一循环和第二循环所处的运行阶段进行流路切换，以形成相应回路。其中，第一循环包括：电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅲ9、泵6、磁制冷床Ⅰ8、热端换热器Ⅰ11以及冷端换热盘管Ⅰ10。其中热端换热器Ⅰ11 和冷端换热盘管Ⅰ10并联且其整体依次与电磁阀Ⅰ5、泵6、电磁阀Ⅱ7、磁制冷床Ⅰ8以及电磁阀Ⅲ9串联成环。第二循环包括：电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅱ7、电磁阀Ⅳ13、泵6、磁制冷床Ⅱ12、热端换热器Ⅱ15以及冷端换热盘管Ⅱ14。其中热端换热器Ⅱ15和冷端换热盘管Ⅱ14并联且其整体依次与电磁阀Ⅰ5、泵6、电磁阀Ⅱ7、磁制冷床Ⅱ12以及电磁阀Ⅳ13串联成环。
磁制冷模块运行时共包含四个阶段，依次为：绝热加磁阶段、等磁场热流动阶段、绝热去磁阶段以及等磁场冷流动阶段。其中，磁制冷床Ⅰ8比所述磁制冷床Ⅱ12提前一个运行阶段。即磁制冷床Ⅰ8处于绝热加磁阶段时磁制冷床Ⅱ12 处于等磁场冷流动阶段，磁制冷床Ⅰ8处于等磁场热流动阶段时磁制冷床Ⅱ12 处于绝热加磁阶段，磁制冷床Ⅰ8处于绝热去磁阶段时磁制冷床Ⅱ12处于等磁场热流动阶段，磁制冷床Ⅰ8处于等磁场冷流动阶段时磁制冷床Ⅱ12处于绝热去磁阶段，以此保证磁制冷模块开启时泵6始终处于运行状态。
下面通过一个完整的实施方式对上述利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统进行详细说明。
如图1所示，所述电池组模块包括：电池1、箱体2、氟化液3、箱体上盖板 4；当电池1处于工作状态时，电池1开始产生热量。在散热的初始阶段，氟化液3未达到沸点，氟化液3利用显热来吸收电池1在工作过程中所产生的热量。随着电池1工作的继续进行，当氟化液3达到沸点时，氟化液3开始沸腾，利用潜热来吸收电池所放出的热量。沸腾产生的氟化液3蒸汽在箱体上盖板4表面凝结，凝结所放出的热量随即通过磁制冷模块传递给外界环境。
磁制冷模块在运行的过程中分为四个阶段，四个循环阶段构成一个循环过程。
在循环的第一阶段，磁制冷床Ⅰ8处于绝热加磁阶段，磁制冷床Ⅱ12处于等磁场冷流动阶段。此时电磁阀Ⅰ5开启BC路关闭A路，电磁阀Ⅱ7开启DF路关闭E路，电磁阀Ⅳ13开启JK路关闭L路。在此期间第一循环内的流体处于静止状态，第二循环内的流体处于流动状态。此阶段的流动过程是：泵6驱动流体通过电磁阀Ⅱ7的DF路，流经磁制冷床Ⅱ12，带走磁制冷床Ⅱ12在去磁过程中所产生得冷量，而后通过电磁阀Ⅳ13的JK路流经冷端换热盘管Ⅱ14，将冷量传递给电池箱体，随后流体通过电磁阀Ⅰ5的BC路返回至泵6。
在循环的第二阶段，磁制冷床Ⅰ8处于等磁场热流动阶段，磁制冷床Ⅱ12处于绝热加磁阶段。此时电磁阀Ⅰ5开启AC路关闭B路，电磁阀Ⅱ7开启DE路关闭F路,电磁阀Ⅲ9开启GH路关闭I路。在此期间第一循环内的流体处于流动状态，第二循环内的流体处于静止状态。此阶段的流动过程是：泵6驱动流体通过电磁阀Ⅱ7的DE路，流经磁制冷床Ⅰ8，带走磁制冷床Ⅰ8在加磁过程中所产生得热量，而后通过电磁阀Ⅲ9的GH路流经热端换热器Ⅰ11，将热量传递给外界环境，随后流体通过电磁阀Ⅰ5的AC路返回至泵6。
在循环的第三阶段，磁制冷床Ⅰ8处于绝热去磁阶段，磁制冷床Ⅱ12处于等磁场热流动阶段。此时电磁阀Ⅰ5开启BC路关闭A路，电磁阀Ⅱ7开启DF路关闭E路，电磁阀Ⅳ13开启JL路关闭K路。在此期间第一循环内的流体处于静止状态，第二循环内的流体处于流动状态。此阶段的流动过程是：泵驱动流体通过电磁阀Ⅱ7的DF路，流经磁制冷床Ⅱ12，带走磁制冷床Ⅱ12在去磁过程中所产生的热量，而后通过电磁阀Ⅳ13的JL路流经热端换热器Ⅱ15，将热量传递给外界环境，随后流体通过电磁阀Ⅰ5的BC路返回至泵6。
在循环的第四阶段，磁制冷床Ⅰ8处于等磁场冷流动阶段，磁制冷床Ⅱ12处于绝热去磁阶段。此时电磁阀Ⅰ5开启AC路关闭B路，电磁阀Ⅱ7开启DE路关闭F路,电磁阀Ⅲ9开启GI路关闭H路。在此期间第一循环内的流体处于流动状态，第二循环内的流体处于静止状态。此阶段的流动过程是：泵6驱动流体通过电磁阀Ⅱ7的DE路，流经磁制冷床Ⅰ8，带走磁制冷床Ⅰ8在去磁过程中所产生得冷量，而后通过电磁阀Ⅲ9的GI路流经冷端换热盘管Ⅰ10，将冷量传递给电池箱体，随后流体通过电磁阀Ⅰ5的AC路返回至泵6。
由此一个循环过程结束，后续运行过程重复上面四个阶段进行。
综上所述，本发明公开了一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统。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，最终通过磁制冷系统将该热量传递给外界环境，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。
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 (10)
1.一种利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，该利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统包括电池组模块和磁制冷模块；
电池组模块包括电池(1)、箱体(2)、氟化液(3)和箱体上盖板(4)；电池(1)固定于箱体(2)底部，且部分或全部的浸没在氟化液(3)中；当电池(1)处于工作状态时，电池(1)开始产生热量；在产热的初始阶段，氟化液(3)未达到沸点，氟化液(3)利用显热来吸收电池(1)在工作过程中所产生的热量；随着电池(1)产热的不断积累，当氟化液(3)达到沸点时，氟化液(3)开始沸腾，利用潜热来吸收电池(1)所放出的热量；沸腾产生的氟化液(3)蒸汽在箱体上盖板(4)表面凝结，凝结所放出的热量最终通过磁制冷系统传递给外界环境；
磁制冷模块包括第一循环和第二循环，第一循环和第二循环均具有磁制冷床、热端换热器、冷端换热盘管、电磁阀以及第一循环和第二循环共用的泵(6)；磁制冷模块利用磁性材料的磁热效应，不断的吸收氟化液(3)蒸汽在凝结时所放出的热量，并将该热量传递给外界环境，使得电池(1)最高温度以及不同电池单体之间的温差得到了有效控制。
2.根据权利要求1所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的第一循环包括电磁阀Ⅰ(5)、电磁阀Ⅱ(7)、电磁阀Ⅲ(9)、泵(6)、磁制冷床Ⅰ(8)、热端换热器Ⅰ(11)以及冷端换热盘管Ⅰ(10)；其中热端换热器Ⅰ(11)和冷端换热盘管Ⅰ(10)并联且其整体依次与电磁阀Ⅰ(5)、泵(6)、电磁阀Ⅱ(7)、磁制冷床Ⅰ(8)以及电磁阀Ⅲ(9)串联成环。
3.根据权利要求1或2所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的第二循环包括电磁阀Ⅰ(5)、电磁阀Ⅱ(7)、电磁阀Ⅳ(13)、泵(6)、磁制冷床Ⅱ(12)、热端换热器Ⅱ(15)以及冷端换热盘管Ⅱ(14)；其中热端换热器Ⅱ(15)和冷端换热盘管Ⅱ(14)并联且其整体依次与电磁阀Ⅰ(5)、泵(6)、电磁阀Ⅱ(7)、磁制冷床Ⅱ(12)以及电磁阀Ⅳ(13)串联成环。
4.根据权利要求1或2所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的冷端换热盘管位于箱体上盖板(4)内部，用于将磁制冷床在去磁场过程中产生的冷量释放到箱体(2)中，使得氟化液(3)蒸汽遇冷液化。
5.根据权利要求3所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的冷端换热盘管位于箱体上盖板(4)内部，用于将磁制冷床在去磁场过程中产生的冷量释放到箱体(2)中，使得氟化液(3)蒸汽遇冷液化。
6.根据权利要求1、2或5所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的磁制冷模块运行时共包含四个阶段，依次为：绝热加磁阶段、等磁场热流动阶段、绝热去磁阶段以及等磁场冷流动阶段；磁制冷床Ⅰ(8)比磁制冷床Ⅱ(12)提前一个运行阶段；即磁制冷床Ⅰ(8)处于绝热加磁阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于等磁场冷流动阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于等磁场热流动阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于绝热加磁阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于绝热去磁阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于等磁场热流动阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于等磁场冷流动阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于绝热去磁阶段，以此保证磁制冷模块开启时泵始终处于运行状态。
7.根据权利要求3所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的磁制冷模块运行时共包含四个阶段，依次为：绝热加磁阶段、等磁场热流动阶段、绝热去磁阶段以及等磁场冷流动阶段；磁制冷床Ⅰ(8)比磁制冷床Ⅱ(12)提前一个运行阶段；即磁制冷床Ⅰ(8)处于绝热加磁阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于等磁场冷流动阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于等磁场热流动阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于绝热加磁阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于绝热去磁阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于等磁场热流动阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于等磁场冷流动阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于绝热去磁阶段，以此保证磁制冷模块开启时泵始终处于运行状态。
8.根据权利要求4所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的磁制冷模块运行时共包含四个阶段，依次为：绝热加磁阶段、等磁场热流动阶段、绝热去磁阶段以及等磁场冷流动阶段；磁制冷床Ⅰ(8)比磁制冷床Ⅱ(12)提前一个运行阶段；即磁制冷床Ⅰ(8)处于绝热加磁阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于等磁场冷流动阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于等磁场热流动阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于绝热加磁阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于绝热去磁阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于等磁场热流动阶段，磁制冷床Ⅰ(8)处于等磁场冷流动阶段时磁制冷床Ⅱ(12)处于绝热去磁阶段，以此保证磁制冷模块开启时泵始终处于运行状态。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的磁制冷床内置有磁工质，用于在施加磁场或去除磁场过程中产生磁热效应；
所述的热端换热器，用于将磁制冷床在加磁场过程中产生的热量释放到外界环境中；
所述的电磁阀为二位三通电磁阀，用于根据第一循环和第二循环所处的运行阶段进行流路切换，以形成相应回路；
所述的泵为电磁泵，用于驱动管路中的循环流体。
10.根据权利要求6所述的利用磁制冷散热的两相浸没式电池液冷系统，其特征在于，所述的磁制冷床内置有磁工质，用于在施加磁场或去除磁场过程中产生磁热效应；
所述的热端换热器，用于将磁制冷床在加磁场过程中产生的热量释放到外界环境中；
所述的电磁阀为二位三通电磁阀，用于根据第一循环和第二循环所处的运行阶段进行流路切换，以形成相应回路；
所述的泵为电磁泵，用于驱动管路中的循环流体。
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2020
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