CN113147312A - 一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，本发明还公开了一种实现新能源汽车乘员空间富氧环境的新风系统的控制方法，当车载动力电池包处于非正常状态时，车载惰化综合控制单元监测到车载动力电池包内部某部位压力、氧气浓度的数据变化，进而控制直流变频空气压缩机以及大小流量电磁阀维持电池包内部的温度、压力、氧气浓度保持在正常安全状态；气体经过车载电池包进气口电磁阀后，富氮气体经过原液冷或直冷热管理系统的富氮气体出口管路分配注入车载动力电池包，本方法能够实现目前动力电池包内部空间的氧气隔离防火，同时改善增强目前电池包液冷或者直冷热管理在局部微小空间的温度均匀性控制效率。

Description

一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统及控制 方法
技术领域
本发明属于新能源汽车动力电池包的惰化防火及热管理优化技术领域，具体涉及一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统，本发明还包括一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统的控制方法。
背景技术
新能源汽车的动力来源主要依靠装载在电动汽车上的锂离子电池/电池包或镍氢电池/电池包，以及其他如磷酸铁锂刀片电池等并存使用，各种电池包都有不同优势及缺点，但是由于电动汽车作为一种交通工具，在各种恶劣使用工况下仍然存在着许多潜在危险因素，目前主要体现在动力电池包起火，燃烧，爆炸等极端危险状态，其发生的两个共同因素：电池包内部热失控及氧气存在。
目前新能源汽车电池包BMS管理系统普遍通过风冷，液冷，或者直冷等三种热量交换方式进行电池包内部均匀散热及热失控管理，并通过相应温度，感烟，电流，电压等传感器参数进行电池包内部安全工作状态检测预警。这几种方法均没有对电池包内部空间进行氧气隔离以及实现主动微空间热管理优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，能够主动产生富氮气体冲洗惰化电池包内部空间降低氧气含量防火，以及通过纯净氮气的流动进一步增强提高目前动力电池包液冷或者风冷方式的局部微小空间热传递效率，精确控制电池包内部温度均匀性。本方法能够实现目前动力电池包内部空间的氧气隔离防火，同时改善增强目前电池包液冷或者直冷热管理在局部微小空间的温度均匀性控制效率。
本发明的另一目的是提供一种实现新能源汽车乘员空间富氧环境的新风系统的控制方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统，包括空气氮氧分离膜组，空气氮氧分离膜组通过富氧气体出口管路与汽车车内空间连通，空气氮氧分离膜组还通过管道与车载空调蒸发器连接，车载空调蒸发器通过管道又与车载动力电池包内的液冷或者直冷富氮气体出口管路连通，车载动力电池包底部设置有车载电池包出气口电磁阀，车载电池包出气口电磁阀与车载惰化综合控制单元电性连接。
本发明第一技术方案的特点还在于，
车载空调蒸发器的输出端与所述车载动力电池包内的液冷或者直冷富氮气体出口管路的连接管道上设置有车载电池包进气口电磁阀，所述空气氮氧分离膜组与车载空调蒸发器的输入端连接的管道上还依次设置有大小流量电磁阀和气体流向转换电磁阀，气体流向转换电磁阀为三通阀，大小流量电磁阀的输出端与气体流向转换电磁阀的输入端连通，气体流向转换电磁阀的其中一个输出端与车载空调蒸发器的输入端连通，气体流向转换电磁阀的另一个输出端与所述车载电池包进气口电磁阀连通，车载电池包进气口电磁阀、气体流向转换电磁阀、大小流量电磁阀均与车载惰化综合控制单元电性连接。
空气氮氧分离膜组还通过管道与油水过滤器连接，油水过滤器与直流变频空气压缩机连接后最终与车载惰化综合控制单元连接。
直流变频空气压缩机还与车载空气进气滤清器连接。
车载动力电池包内设置有光学氧浓度传感器，光学氧浓度传感器与所述车载惰化综合控制单元连接。
本发明所采用的第二技术方案是，一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统的控制方法，基于一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、当车载动力电池包处于非正常状态时，车载惰化综合控制单元监测到车载动力电池包内部某部位压力、氧气浓度的数据变化，进而控制直流变频空气压缩机以及大小流量电磁阀维持电池包内部的温度、压力、氧气浓度保持在正常安全状态；
步骤2、如果车载动力电池包虽然处于正常工况，但电池包内部某微小部位存在温度升高，电池包内部整体温度均匀性异常超出阀值，此时车载惰化综合控制单元控制直流变频空气压缩机以及大小流量电磁阀，从而保持空气氮氧分离膜组输入端压力正常；
步骤3、车载惰化综合控制单元可以根据电池包外部大气环境温度是否低于设定阀值，决定气体流向转换电磁阀的开关位置，如果外部环境温度高于设定阀值，则控制惰化富氮气体经过车载空调蒸发器冷却，最终进入车载电池包进气口电磁阀；
步骤4、气体经过车载电池包进气口电磁阀后，富氮气体经过原液冷或直冷热管理系统的富氮气体出口管路分配注入车载动力电池包；
步骤5、打开车载电池包出气口电磁阀将电池包工作过程中所产生热量排出车载动力电池包；
步骤6、步骤2中直流变频空气压缩机输出大流量空气进入空气氮氧分离膜组，从空气氮氧分离膜组分离出来的富氧气体经过富氧气体出口管路直接注入空调送风管路。
本发明第二技术方案的特点还在于，
步骤1中非安全机械状态指包括剧烈振、冲击、碰撞、挤压在内的极端条件；非正常状态指包括剧烈充放电、短路、浸水在内的极端条件。
本发明的有益效果是，采用电池包主动惰化装置产生氮气隔离氧气防火阻燃，同时精准实现电池包内部微小局部空间热管理温度均匀性。减少消除目前该技术领域存在的起火诱因，并且本发明可为乘员空间提供富氧环境，提高驾乘舒适性，减少长时间疲劳驾驶的安全风险。
附图说明
图1是本发明实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统结构示意图。
图中，101.直流变频空气压缩机；102.油水过滤器；103.空气氮氧分离膜组；104.大小流量电磁阀；105.气体流向转换电磁阀；106.车载电池包进气口电磁阀；107.富氮气体出口管路；108.车载电池包出气口电磁阀；109.光学氧浓度传感器；110.富氧气体出口管路；111.车载惰化综合控制单元，201.汽车车内空间；202.车载动力电池包；203.车载空调蒸发器；204.车载空气进气滤清器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统，结构如图1所示，包括空气氮氧分离膜组103，空气氮氧分离膜组103通过富氧气体出口管路110与汽车车内空间201连通，空气氮氧分离膜组103还通过管道与车载空调蒸发器203连接，车载空调蒸发器203通过管道又与车载动力电池包202内的液冷或者直冷富氮气体出口管路107连通，车载动力电池包202底部设置有车载电池包出气口电磁阀108，车载电池包出气口电磁阀108与车载惰化综合控制单元111电性连接。
车载空调蒸发器203的输出端与车载动力电池包202内的液冷或者直冷富氮气体出口管路107的连接管道上设置有车载电池包进气口电磁阀106，空气氮氧分离膜组103与车载空调蒸发器203的输入端连接的管道上还依次设置有大小流量电磁阀104和气体流向转换电磁阀105，气体流向转换电磁阀105为三通阀，大小流量电磁阀104的输出端与气体流向转换电磁阀105的输入端连通，气体流向转换电磁阀105的其中一个输出端与车载空调蒸发器203的输入端连通，气体流向转换电磁阀105的另一个输出端与所述车载电池包进气口电磁阀106连通，车载电池包进气口电磁阀106、气体流向转换电磁阀105、大小流量电磁阀104均与车载惰化综合控制单元111电性连接。
空气氮氧分离膜组103还通过管道与油水过滤器102连接，油水过滤器102与直流变频空气压缩机101连接后最终与车载惰化综合控制单元111连接。
直流变频空气压缩机101还与车载空气进气滤清器204连接。
车载动力电池包202内设置有光学氧浓度传感器109，光学氧浓度传感器109与车载惰化综合控制单元111连接。
一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统的控制方法，基于一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、当车载动力电池包202处于非正常状态时，车载惰化综合控制单元111监测到车载动力电池包202内部某部位压力、氧气浓度的数据变化，如果车载动力电池包202内部出现压力低于设定阀值，氧浓度高于设定阀值，则车载惰化综合控制单元111会提高直流变频空气压缩机101的转速，增大输出空气流量，同时开通大小流量电磁阀104为大流量位置，从而保持空气氮氧分离膜组103输入端压力正常，电池包惰化处于大流量工作状态产生大量富氮气体，进入车载动力电池包202内的液冷或者直冷富氮气体出口管路107的连接管道，以快速补充电池包内部流失的惰化富氮气体，在此非正常工作状态下，系统可以作为原有液冷或者直冷热量管理系统破损的后备风冷系统，继续维持电池包内部的温度，压力，氧气浓度保持在正常安全状态；
步骤1中非安全机械状态指包括剧烈振、冲击、碰撞、挤压在内的极端条件；非正常状态指包括剧烈充放电、短路、浸水在内的极端条件。
步骤2、如果车载动力电池包202虽然处于正常工况，但电池包内部某微小部位存在温度升高，电池包内部整体温度均匀性异常超出阀值，此时原有的液冷或者直冷热量管理系统无法进行微小空间的精准温度调节，这时车载惰化综合控制单元111会降低直流变频空气压缩机101的转速，使其输出空气流量减小，同时开通大小流量电磁阀104为小流量位置，从而保持空气氮氧分离膜组103输入端压力正常，此条件下系统会产生小流量高纯度的洁净惰化富氮气体，进入车载动力电池包202内的液冷或者直冷富氮气体出口管路107的连接管道，经过液冷或者直冷后的低温小流量惰化富氮气体会迅速扩散到电池包内部所有微小局部空间，快速高效消除微小局部温度均匀性超差，弥补原有液冷或者直冷热量管理系统的死区，同时减少电池包202内部结构设计复杂性，增加电池包内部有效空间，减少电池包无效重量，提高热管理系统可靠性，增加电池能量密度。
步骤3、车载惰化综合控制单元111可以根据电池包外部大气环境温度是否低于设定阀值，决定气体流向转换电磁阀105的开关位置，如果外部环境温度高于设定阀值，则控制惰化富氮气体经过车载空调蒸发器203冷却，最终进入车载电池包进气口电磁阀106；
步骤3具体如下：
车载惰化综合控制单元111依据汽车运行外部环境所处的季节温度是否高于设定控制阈值(0～40℃),来判断并控制气体流向转换电磁阀105的动作。
当环境温度低于设定控制阈值(0～40℃)，车载惰化综合控制单元111会切换控制气体流向转换电磁阀105，使系统惰化气体不流经车载空调蒸发器203进行冷却，并切换控制气体流向转换电磁阀105，使系统惰化气体流至车载电池包进气口电磁阀106，此时来自空气氮氧分离膜组103出口的高温富氮气体会经过大，小流量电磁阀104、气体流向转换电磁阀105、车载电池包进气口电磁阀106进入车载动力电池包202，给电池包内部升温以提高外部低温环境下的电池包供电效率。
反之，来自空气氮氧分离膜组103出口的富氮气体会经过大，小流量电磁阀104、气体流向转换电磁阀105，然后流经车载空调蒸发器203，经过空调器降温后再通过车载电池包进气口电磁阀106注入车载动力电池包202，保持电池包内部处于安全运行温度。
步骤4、气体经过车载电池包进气口电磁阀106后，富氮气体经过原液冷或直冷热管理系统的富氮气体出口管路107分配注入车载动力电池包202；
步骤4中，当车载动力电池包202处于非安全机械状态时，作为原有液冷或直冷热管理系统的电池包惰化气体风冷备份系统，在原有液冷或直冷热管理系统有可能损坏无法正常工作的极端情况下，大流量富氮气体由富氮气体出口管路107分配注入车载动力电池包202，低温富氮气体经过车载动力电池包202的各个电池芯，带走局部热量，同时维持电池包内部的惰化气氛，在极端破损状态下使电池包处于安全可控状态；
如果车载动力电池包202虽然处于正常工况，但电池包内部某微小部位存在温度升高，电池包内部整体温度均匀性异常超出阀值，此时原有的液冷或者直冷热量管理系统无法进行微小空间的精准温度调节。这时车载惰化综合控制单元111会降低直流变频空气压缩机101的转速，使其输出空气流量减小，同时开通流量电磁阀104为小流量位置，从而保持空气氮氧分离膜组103输入端压力正常，此条件下系统会产生小流量高纯度的洁净惰化富氮气体，进入车载动力电池包202内的液冷或者直冷富氮气体出口管路107的连接管道，经过液冷或者直冷后的低温小流量惰化富氮气体会迅速扩散到电池包内部所有微小局部空间，快速高效消除微小局部温度均匀性超差，弥补原有液冷或者直冷热量管理系统的死区，同时减少电池包202内部结构设计复杂性，增加电池包内部有效空间，减少电池包无效重量，提高热管理系统可靠性，增加电池能量密度。
步骤5、打开车载电池包出气口电磁阀108将电池包工作过程中所产生热量排出车载动力电池包202；
步骤6、步骤2中直流变频空气压缩机101输出大流量空气进入空气氮氧分离膜组103，从空气氮氧分离膜组103分离出来的富氧气体经过富氧气体出口管路110直接注入空调送风管路。
本方法在电池包正常工况下可以控制产生小流量低温富氮气体，优化增强目前的液冷或者直冷热量转移方法，精准提高电池包内部微小局部空间热管理效率及温度均匀性；本方法可以在危险场景控制产生大流量低温富氮气体注入动力电池包，利用富氮气体使动力电池包内的所有电气部件处于低氧含量惰化气氛空间，起到阻燃隔绝防止起火；同时利用产生的富氧气体注入汽车空调送风系统，在汽车乘员空间形成富氧环境，提高驾乘舒适性，减少长时间疲劳驾驶的安全风险。
本发明中的空气氮氧分离膜组103，型号为HIFLU304X,生产厂家为西安鹏泰航空动力技术有限公司。车载惰化综合控制单元111，型号为MAFM2100，生产厂家为西安鹏泰航空动力技术有限公司。光学氧浓度传感器109可同时测量电池包内部空间的氧浓度、温度、压力等参数，型号为MAFM200A000，生产厂家为西安鹏泰航空动力技术有限公司。
通过精准控制小流量富氮惰化气体在电池包内部液冷或者直冷热管理系统中的流动，来提高动力电池包内部微小局部空间的热传递效率，精准控制电池包温度均匀性。以及利用大流量富氮气体冲洗惰化电池包内部空间来降低氧气含量，隔绝氧气环境等两个途径同时实现电池包热管理增强优化以及电池包隔离防火。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统，其特征在于，包括空气氮氧分离膜组(103)，空气氮氧分离膜组(103)通过富氧气体出口管路(110)与汽车车内空间(201)连通，空气氮氧分离膜组(103)还通过管道与车载空调蒸发器(203)连接，车载空调蒸发器(203)通过管道又与车载动力电池包(202)内的液冷或者直冷富氮气体出口管路(107)连通，车载动力电池包(202)底部设置有车载电池包出气口电磁阀(108)，车载电池包出气口电磁阀(108)与车载惰化综合控制单元(111)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统，其特征在于，所述车载空调蒸发器(203)的输出端与所述车载动力电池包(202)内的液冷或者直冷富氮气体出口管路(107)的连接管道上设置有车载电池包进气口电磁阀(106)，所述空气氮氧分离膜组(103)与车载空调蒸发器(203)的输入端连接的管道上还依次设置有大小流量电磁阀(104)和气体流向转换电磁阀(105)，气体流向转换电磁阀(105)为三通阀，大小流量电磁阀(104)的输出端与气体流向转换电磁阀(105)的输入端连通，气体流向转换电磁阀(105)的其中一个输出端与车载空调蒸发器(203)的输入端连通，气体流向转换电磁阀(105)的另一个输出端与所述车载电池包进气口电磁阀(106)连通，车载电池包进气口电磁阀(106)、气体流向转换电磁阀(105)、大小流量电磁阀(104)均与车载惰化综合控制单元(111)电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，其特征在于，所述空气氮氧分离膜组(103)还通过管道与油水过滤器(102)连接，油水过滤器(102)与直流变频空气压缩机(101)连接后最终与车载惰化综合控制单元(111)连接。
4.根据权利要求3所述的一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，其特征在于，所述直流变频空气压缩机(101)还与车载空气进气滤清器(204)连接。
5.根据权利要求4所述的一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统，其特征在于，所述车载动力电池包(202)内设置有光学氧浓度传感器(109)，光学氧浓度传感器(109)与所述车载惰化综合控制单元(111)连接。
6.一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求5所述的一种实现车载电池包惰化防火及热管理优化系统，具体按照以下步骤实施：
步骤1、当车载动力电池包(202)处于非正常状态时，车载惰化综合控制单元(111)监测到车载动力电池包(202)内部某部位压力、氧气浓度的数据变化，进而控制直流变频空气压缩机(101)以及大小流量电磁阀(104)维持电池包内部的温度、压力、氧气浓度保持在正常安全状态；
步骤2、如果车载动力电池包(202)虽然处于正常工况，但电池包内部某微小部位存在温度升高，电池包内部整体温度均匀性异常超出阀值，此时车载惰化综合控制单元(111)控制直流变频空气压缩机(101)以及大小流量电磁阀(104)，从而保持空气氮氧分离膜组(103)输入端压力正常；
步骤3、车载惰化综合控制单元(111)可以根据电池包外部大气环境温度是否低于设定阀值，决定气体流向转换电磁阀(105)的开关位置，如果外部环境温度高于设定阀值，则控制惰化富氮气体经过车载空调蒸发器(203)冷却，最终进入车载电池包进气口电磁阀(106)；
步骤4、气体经过车载电池包进气口电磁阀(106)后，富氮气体经过原液冷或直冷热管理系统的富氮气体出口管路(107)分配注入车载动力电池包(202)；
步骤5、打开车载电池包出气口电磁阀(108)将电池包工作过程中所产生热量排出车载动力电池包(202)；
步骤6、步骤2中直流变频空气压缩机(101)输出大流量空气进入空气氮氧分离膜组(103)，从空气氮氧分离膜组(103)分离出来的富氧气体经过富氧气体出口管路(110)直接注入空调送风管路。
7.根据权利要求6所述的一实现车载电池包惰化防火及热管理优化的系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1中非安全机械状态指包括剧烈振、冲击、碰撞、挤压在内的极端条件；非正常状态指包括剧烈充放电、短路、浸水在内的极端条件。
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