CN112701379B - 氮水预混定向射流式电池自动降温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮水预混定向射流式电池自动降温系统，包括电池和预混气体生成器，所述电池的外壳内平行设有多个隔热板,相邻两个隔热板之间填充有相变材料，所述相变材料中包裹有电芯；所述相变材料与外壳顶端之间设有预混气体管道，所述预混气体管道对应电芯的位置处设置有喷气口，所述喷气口中设有塞子，所述塞子的下端与相变材料抵接固定；所述预混气体管道的一端穿设出外壳，并与预混气体生成器连接，所述预混气体生成器用于生成高压氮气/水预混气体。本发明中，通过设置预混气体管道和塞子使相变材料兼具温度检测的功能，无需要检测电路即可实现电池异常发热时的定点紧急降温处理，结构简单，检测准确，安全性好。

Description

氮水预混定向射流式电池自动降温系统

技术领域

本发明涉及电池降温领域，特别涉及一种氮水预混定向射流式电池自动降温系统。

背景技术

目前，电池的应用范围越来越广泛，经常会采用电池给大的发热元件供电，此时，电池会产生较大的热量，需要及时将热量散发出去；另外，当负载发生短路等问题或电池内部发生短路时，会导致电池的温度急剧升高，如果不能及时降温，会发生起火甚至爆炸，此时，如果能够及时对电池进行降温可有效避免事故的发生。现在普遍采用电池温度在线监测装置对电池温度进行监测，发现温度异常后再通过紧急降温装置进行处置，但是在线监测装置并不能精确定位到故障的电芯，而且在线监测装置和紧急降温装置都是采用电路控制，在电池失火时也容易损坏失效，不能保证绝对的安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种无需电路控制且降温效果好的氮水预混定向射流式电池自动降温系统。

本发明的技术方案如下：

一种氮水预混定向射流式电池自动降温系统，包括电池和预混气体生成器，所述电池包括外壳和多个电芯，所述外壳内平行设有多个隔热板,相邻两个隔热板之间填充有相变材料，所述电芯包裹在相变材料中，所述相变材料与外壳顶端之间留有空隙，所述外壳对应空隙的位置处设有透气孔；在所述空隙中固设有预混气体管道，所述预混气体管道对应每一电芯的位置处均斜向下设置有至少一个喷气口，所述喷气口中设有塞子，所述塞子的下端与相变材料抵接固定；所述预混气体管道的一端穿设出外壳，并与预混气体生成器连接，所述预混气体生成器用于生成高压氮气/水预混气体。

进一步的，所述预混气体生成器包括缩放喷管、高压氮气产生装置、逆止阀和水箱；所述缩放喷管两端宽中间窄呈“沙漏”状，所述缩放喷管的一端与预混气体管道连接，另一端与高压氮气产生装置连接；所述缩放喷管的中部设有连接管，所述连接管与缩放喷管的内部空腔连通，所述连接管通过逆止阀与水箱连接。

进一步的，所述逆止阀包括阀体，所述阀体内设有空腔，所述空腔包括第一柱形腔、第二柱形腔和锥形腔，所述第一柱形腔的内径小于第二柱形腔的内径，所述第一柱形腔和第二柱形腔通过锥形腔连通，所述第二柱形腔的底部设有弹簧，所述弹簧的上端固设有锥形的阀芯，所述阀芯的形状与锥形腔相适配，所述第二柱形腔的侧壁上沿圆周方向均匀设有多个限位柱，所述限位柱的一端伸出至阀芯的正下方。

进一步的，所述预混气体管道包括主管道和分支管道，所述主管道从外壳内部的一端分别穿设过各隔热板，并从外壳的另一端穿出，在相邻的两个所述隔热板之间分别设有一个分支管道，所述分支管道与主管道连通，所述喷气口均设置在分支管道上。

进一步的，相邻两个所述隔热板之间填充的相变材料成台阶状，包括下台阶和上台阶，所述电芯均包裹在下台阶的相变材料中，所述分支管道均位于上台阶的上方，所述塞子与上台阶的上端面抵接。

进一步的，所述相变材料由膨胀石墨粉与石蜡混合制成，所述膨胀石墨粉与石蜡质量比为1：50～1：200。

进一步的，所述高压氮气产生装置产生的高压氮气的气压为0.2～0.3MPa。

进一步的，所述高压氮气/水预混气体中，水和氮气的质量比为0.2：1～0.8：1。

有益效果：本发明中，采用相变材料对电芯进行降温，降温效果好，同时，通过设置预混气体管道和塞子使相变材料兼具温度检测的功能，无需要检测电路即可实现电池异常发热时的定点紧急降温处理，结构简单，检测准确，安全性好。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施例的结构示意图；

图2为电池的结构示意图；

图3为缩放喷管和逆止阀的结构示意图；

图4为逆止阀在打开状态时的结构示意图。

图中：1.外壳，2.隔热板，3.相变材料，4.电芯，6.缩放喷管，7.高压氮气产生装置，8.逆止阀，9.水箱，10.透气孔，31.下台阶，32.上台阶，51.主管道，52.分支管道，53.塞子，61.连接管，80.阀体，81第一柱形腔，82.第二柱形腔，83.锥形腔，84.弹簧，85.阀芯，86.限位柱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1和图2所示，本发明氮水预混定向射流式电池自动降温系统的一个优选实施例包括电池和预混气体生成器，所述电池包括外壳1和多个电芯4，所述外壳1内平行设有多个隔热板2,相邻两个隔热板2之间填充有相变材料3，所述相变材料3优选为采用膨胀石墨粉与石蜡混合制成，膨胀石墨粉与石蜡质量比为1：50～1：200，加入膨胀石墨粉后能够有效地提高石蜡的导热性能。相邻两个所述隔热板2之间填充的相变材料3成台阶状，包括下台阶31和上台阶32，所述电芯4均包裹在下台阶31的相变材料3中。通过将相变材料设置成台阶状，在电池正常工作时电芯4产生的热量只会使下台阶31的部分相变材料3融化，不会对上台阶32造成影响，能够避免预混气体误喷。所述下台阶31的上端面高于电芯4的上端面。所述相变材料3与外壳1顶端之间留有空隙，所述外壳1对应空隙的位置处设有透气孔10；在所述空隙中固设有预混气体管道。

所述预混气体管道包括主管道51和分支管道52，所述主管道51从外壳1内部的一端分别穿设过各隔热板2，并从外壳1的另一端穿出，在相邻的两个所述隔热板2之间分别设有一个分支管道52，所述分支管道52均位于上台阶32的上方，所述分支管道52与主管道51连通，所述分支管道52上对应每一电芯4的位置处均斜向下设置有至少一个喷气口，所述喷气口中设有塞子53，所述塞子53的下端与上台阶32的上端面抵接固定。所述预混气体管道的一端穿设出外壳1，并与预混气体生成器连接。由于降温所用的气体要考虑电芯4的绝缘问题，一般采用氮气给电芯4降温，但是纯氮气的比热容较低，因此降温效果较差；采用无法满足电芯4紧急降温的要求；本实施例通过在高压氮气中混入水，使水汽化后生成高压氮气/水预混气体，从而能够大大提升比热容，提高预混气体的吸热效果。但是预混气体中水的比重过高可能会引发电芯4短路，水的比重过低则降温效果达不到紧急降温的要求，综合评估后将水和氮气的质量比范围确定为0.2：1～0.8：1，优选为0.6：1。

如图3和图4所示，所述预混气体生成器包括缩放喷管6、高压氮气产生装置7、逆止阀8和水箱9。所述缩放喷管6两端宽中间窄呈“沙漏”状，所述缩放喷管6两端管口的内径相等，且管口处的内径与腰部最窄处的内径比为3：1～6：1；所述缩放喷管6的一端与主管道51连接，另一端与高压氮气产生装置7连接，所述高压氮气产生装置7用于输出气压为0.2～0.3MPa的氮气；所述缩放喷管6的中部设有连接管61，所述连接管61与缩放喷管6的内部空腔连通，所述连接管61通过逆止阀8与水箱9连接，所述水箱9中设有无杂质的纯净水或蒸馏水。

所述逆止阀8包括阀体80，所述阀体80内设有空腔，所述空腔包括第一柱形腔81、第二柱形腔82和锥形腔83，所述第一柱形腔81的内径小于第二柱形腔82的内径，所述第一柱形腔81和第二柱形腔82通过锥形腔83连通，所述第二柱形腔82的底部设有弹簧84，所述弹簧84的上端固设有锥形的阀芯85，所述阀芯85的形状与锥形腔83相适配，所述第二柱形腔82的侧壁上沿圆周方向均匀设有多个限位柱86，优选为设置四个限位柱86；所述限位柱86的一端伸出至阀芯85的正下方。通过合理选择限位柱86在高度方向上的位置，能够调节阀芯85处于打开状态时的出水量，进而调节缩放喷管6喷出的高压氮气/水预混气体中水和氮气的质量比。

本实施例的工作原理如下：

如图1至图3所示，电池供电时，电芯4产生的热量通过相变材料3散发出去，正常情况下，电芯4产生的热量只会使电芯4周边的极少部分相变材料3融化，不会影响到上台阶32部分的相变材料3，因此塞子53仍与上台阶32抵接固定；高压氮气产生装置7产生气压为0.2～0.3MPa的氮气，并通过缩放喷管6进入主管道51和各分支管道52后，在塞子53的阻挡下不会喷出。同时，逆止阀8中弹簧84在阀芯85上施加的弹性力略大于阀芯85自身重力与水箱9中的水对阀芯85的推力之和，再加上高压氮气因阀体80内外的气压差在阀芯85上产生向上的推力，从而形成向上的预紧力使阀芯85与锥形腔83的内壁紧密贴合，阻止水箱9中的水进入缩放喷管6。

当电池中某一电芯4出现异常急剧发热时，散发的热量使该电芯4周边的相变材料3大量融化，当上台阶32上与该电芯4周围的塞子53抵接的相变材料3开始融化后，塞子53被高压氮气推出喷气口，高压氮气从喷气口快速喷向该电芯4进行降温。与此同时，由于缩放喷管6两端宽中间窄呈“沙漏”状，高压氮气在快速通过缩放喷管6时在缩放喷管6的腰部形成低压，吸出逆止阀8的第二柱形腔82中的气体，从而使第二柱形腔82中的气压低于阀体80外的气压，阀体80内外的气压差在阀芯85上形成向下的推力。

如图4所示，此时，施加在阀芯85上的向下的力之和大于弹簧84在阀芯85上施加的弹性力，使阀芯85向下移动并与限位柱86抵接限位，在阀芯85与锥形腔83的内壁之间形成空隙，使水箱9中的水通过锥形腔83、第二柱形腔82和连接管61后进入逆止阀8中；通过选择限位柱86的位置能够调节阀芯85与锥形腔83的内壁之间形成的空隙的大小，从而调节逆止阀8的进水量。

在逆止阀8中高速流动的高压氮气使进入逆止阀8中的水迅速汽化，与氮气混合形成高压氮气/水预混气体，从喷气口快速喷出给电芯4降温，由于高压氮气/水预混气体中水和氮气的质量比在0.2：1～0.8：1之间，既能加快电芯4的降温速度，又能避免电芯4发生短路；之后，氮气/水预混气体从外壳1上的透气孔10中排出，避免水汽在外壳1内部凝结成水滴。

本实施例通过相变材料3检测电芯4是否异常发热，检测时间短，反应速度快，并且实现了对异常发热电芯4的定点降温，降温效率高。不仅能够有效避免电芯4异常发热导致的失火、爆炸事故，而且大大减少了电芯4异常发热后形成的高温对电池中其他电芯4的影响，在电芯4降温后只需要更换异常发热的电芯4和其他少量检测不合格的电芯4，大部分电芯4还可继续使用，能够极大地降低事故损失。

本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，包括电池和预混气体生成器，所述电池包括外壳和多个电芯，所述外壳内平行设有多个隔热板,相邻两个隔热板之间填充有相变材料，所述电芯包裹在相变材料中，所述相变材料与外壳顶端之间留有空隙，所述外壳对应空隙的位置处设有透气孔；在所述空隙中固设有预混气体管道，所述预混气体管道对应每一电芯的位置处均斜向下设置有至少一个喷气口，所述喷气口中设有塞子，所述塞子的下端与相变材料抵接固定；所述预混气体管道的一端穿设出外壳，并与预混气体生成器连接，所述预混气体生成器用于生成高压氮气/水预混气体；所述高压氮气/水预混气体中，水和氮气的质量比为0.2：1～0.8：1。

2.根据权利要求1所述的氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，所述预混气体生成器包括缩放喷管、高压氮气产生装置、逆止阀和水箱；所述缩放喷管两端宽中间窄呈“沙漏”状，所述缩放喷管的一端与预混气体管道连接，另一端与高压氮气产生装置连接；所述缩放喷管的中部设有连接管，所述连接管与缩放喷管的内部空腔连通，所述连接管通过逆止阀与水箱连接。

3.根据权利要求2所述的氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，所述逆止阀包括阀体，所述阀体内设有空腔，所述空腔包括第一柱形腔、第二柱形腔和锥形腔，所述第一柱形腔的内径小于第二柱形腔的内径，所述第一柱形腔和第二柱形腔通过锥形腔连通，所述第二柱形腔的底部设有弹簧，所述弹簧的上端固设有锥形的阀芯，所述阀芯的形状与锥形腔相适配，所述第二柱形腔的侧壁上沿圆周方向均匀设有多个限位柱，所述限位柱的一端伸出至阀芯的正下方。

4.根据权利要求1所述的氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，所述预混气体管道包括主管道和分支管道，所述主管道从外壳内部的一端分别穿设过各隔热板，并从外壳的另一端穿出，在相邻的两个所述隔热板之间分别设有一个分支管道，所述分支管道与主管道连通，所述喷气口均设置在分支管道上。

5.根据权利要求4所述的氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，相邻两个所述隔热板之间填充的相变材料成台阶状，包括下台阶和上台阶，所述电芯均包裹在下台阶的相变材料中，所述分支管道均位于上台阶的上方，所述塞子与上台阶的上端面抵接。

6.根据权利要求1所述的氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，所述相变材料由膨胀石墨粉与石蜡混合制成，所述膨胀石墨粉与石蜡质量比为1：50～1：200。

7.根据权利要求1所述的氮水预混定向射流式电池自动降温系统，其特征在于，所述高压氮气产生装置产生的高压氮气的气压为0.2～0.3MPa。

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