CN113346160A - 一种混合式动力电池热管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合式动力电池热管理系统及方法，其特征在于，包括制冷‑热泵循环系统、循环水系统和控制器，其中，循环水系统包括电加热储热装置、储水箱、循环水泵、散热器和温度传感器；制冷‑热泵循环系统的出口依次通过电加热储热装置和储水箱并联连接动力电池堆和负载的进口；动力电池堆和负载的出口均通过循环水泵连接散热器的进口，循环水泵用于对循环水进行加压，所风冷散热器用于对循环水进行风冷散热；散热器内设置有用于实时采集循环水温度的温度传感器；散热器的出口连接制冷‑热泵循环系统的进口；控制器分别连接制冷‑热泵循环系统和循环水系统，本发明可广泛用于动力电池热管理领域中。

Description

一种混合式动力电池热管理系统及方法

技术领域

本发明是关于一种混合式动力电池热管理系统及方法，属于动力电池热管理领域。

背景技术

面对能源安全、环境污染和气候变化，大力发展储能是构建清洁低碳、安全高效能源系统的重要路径，其中，广泛应用于可再生能源调峰、电动汽车、智能移动设备等领域的电池储能方法(以锂电池为例)近年来得到大力的发展和推广，一方面，需要进一步开发能够提高电池容量和充放电速率的新方法，另一方面，开发高效的电池能量综合管理方方法，以保障电池的安全、稳定和高效的运行，避免电池自燃等安全事故的发生。

电池热管理系统作为关键的电池能量综合管理方式，目前已开发出水冷、风冷、热管冷却等电池热管理系统，然而，目前的动力电池热管理系统，往往功能比较单一，增加较多的辅助装置，温度调整范围有限，成本较高且效率较低，往往降低了动力电池的整体续航能力。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种续航能力高且效率高的混合式动力电池热管理系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合式动力电池热管理系统，包括制冷-热泵循环系统、循环水系统和控制器，其中，所述循环水系统包括电加热储热装置、储水箱、循环水泵、散热器和温度传感器；

所述制冷-热泵循环系统的出口依次通过所述电加热储热装置和储水箱并联连接动力电池堆和负载的进口，所述储水箱用于存储循环水，所述电加热储热装置用于当动力电池堆充电时进行储热以及加热模式下对循环水进行加热，所述制冷-热泵循环系统用于通过制冷剂对循环水进行冷却或加热；

动力电池堆和负载的出口均通过所述循环水泵连接所述散热器的进口，所述循环水泵用于对循环水进行加压，所述散热器用于对循环水进行散热；所述散热器内设置有用于实时采集循环水温度的所述温度传感器；所述散热器的出口连接所述制冷-热泵循环系统的进口；

所述控制器分别连接所述制冷-热泵循环系统和循环水系统，用于控制所述制冷-热泵循环系统和循环水系统中各电器件的工作。

进一步地，所述制冷-热泵循环系统包括蒸发器、压缩机、油液分离器、过滤干燥器和换热器；

所述蒸发器的第一出口依次通过所述压缩机、油液分离器和过滤干燥器连接所述换热器的进口，所述压缩机用于对制冷剂进行压缩，所述油液分离器用于去除压缩后制冷剂中的水分，所述过滤干燥器用于对去除水分后的制冷剂进行过滤干燥，所述换热器用于将过滤干燥后的制冷剂与外界空气进行换热；所述换热器的出口通过膨胀阀连接所述蒸发器的第一进口，所述膨胀阀用于对冷凝后的制冷剂进行降压；

所述蒸发器的第二出口连接所述电加热储热装置的进口，所述蒸发器的第二进口连接所述风冷散热器的出口。

进一步地，所述制冷-热泵循环系统还包括换热器风机；所述换热器风机固定设置在所述换热器的一侧。

进一步地，所述循环水系统还包括旁路管路；

所述旁路管路的进口连接所述风冷散热器的出口，所述旁路管路的出口连接所述电加热储热装置的进口，所述旁路管路上设置有调节阀门。

进一步地，所述循环水系统还包括风冷风机；所述风冷风机固定设置在所述散热器的一侧。

进一步地，所述电加热储热装置采用电加热储热箱、电加热器、储热材料或循环水与储热材料之间的换热设备。

进一步地，所述控制器内设置有：

参数设定模块，用于预先设定所述制冷-热泵循环系统在制冷模式和热泵模式下各电器件的工作程序，所述循环水系统在冷却模式和加热模式下各电器件的工作程序，以及所述散热器的冷却温度；

制冷-热泵循环控制模块，用于根据预设的所述制冷-热泵循环系统在制冷模式和热泵模式下各电器件的工作程序，控制所述制冷-热泵循环系统中各电器件的开启或关闭；

循环水控制模块，用于根据预设的所述循环水系统在冷却模式和加热模式下各电器件的工作程序、所述散热器的冷却温度以及所述温度传感器实时采集的温度，控制所述循环水系统中各电器件的开启或关闭。

一种混合式动力电池热管理方法，包括以下内容：

1)当动力电池堆和负载需要进行冷却时，循环水系统开启冷却模式通过循环水对动力电池堆和负载进行冷却，制冷-热泵循环系统开启制冷模式通过制冷剂对循环水进行冷却；

2)当动力电池堆和负载需要进行加热时，循环水系统开启加热模式通过循环水对动力电池堆和负载进行加热，制冷-热泵循环系统开启热泵模式对循环水进行加热。

进一步地，所述步骤1)的具体过程为：

1.1)当动力电池堆和负载需要进行冷却时，循环水系统开启冷却模式通过储水箱内的循环水对动力电池堆和负载进行冷却；

1.2)升温后的循环水进入循环水泵进行加压后进入散热器进行冷却，若温度传感器采集的冷却后循环水的温度达到预先设定的冷却温度，则进入步骤1.3)；否则，进入步骤1.5)；

1.3)冷却后的循环水进入蒸发器内通过制冷剂进行冷却，达到冷却要求的循环水通过电加热储热装置进入储水箱；

1.4)为循环水冷却后的制冷剂依次通过压缩机压缩、油液分离器去除水分、过滤干燥器过滤干燥后进入换热器与外界空气进行换热，冷凝后的制冷剂通过膨胀阀进行降压后再次进入蒸发器，为循环水进行冷却，进入步骤1.5)；

1.5)开启调节阀门，冷却后的循环水直接通过旁路管路经电加热储热装置进入储水箱。

进一步地，所述步骤2)的具体过程为：

2.1)当动力电池堆和负载需要进行加热时，电加热储热装置对循坏水进入加热，散热器停止工作；

2.2)加热后的循环水对动力电池堆和负载进行加热；

2.3)在热泵模式下，蒸发器变为冷凝器，换热器变为蒸发器，此时，通过调节压缩机内的四通阀，使得制冷剂的流动方向反转，对循环水进行加热。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于设置有制冷-热泵循环系统和循环水系统，从动力电池堆或负载流出的循环水依次流经循环水泵、风冷散热器、蒸发器、电加热储热箱和储水箱等部件，通过循环水系统的冷却模式和加热模式，能够实现动力电池的高效热管理。

2、当室外温度低于电池需求的工作温度时，可通过循环水系统的风冷散热器进行冷却，当室外温度高于电池需求的工作温度时，可通过制冷-热泵循环系统的制冷循环进行冷却，通过风冷与制冷不同的组合方式，能够降低电池热量管理的能耗，还可以通过多温区定点冷却的方式，即冷却水和环境温度不同的温区，冷却方式不同，可采用直接风冷、制冷循环、及风冷+制冷循环等方式，实现对电池热管理系统温度的精准控制。

4、本发明的制冷-热泵循环系统还具有热泵模式，采用充电蓄热功能，可在冬季低温环境独立运行时，对动力电池进行适当保温，减少电池的低温耗能及延长电池放电时间，综合提高电池利用效率，可以广泛应用于动力电池热管理领域中。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明实施例提供的混合式动力电池热管理系统及方法通过制冷、风冷及热泵、电加热储热等组合，通过制冷模式和加热模式，能够实现动力电池混合式的高效热管理。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种混合式动力电池热管理系统，包括制冷-热泵循环系统1、循环水系统2和控制器，其中，制冷-热泵循环系统1包括蒸发器11、压缩机12、油液分离器13、过滤干燥器14、换热器15、换热器风机16和膨胀阀17，循环水系统2包括电加热储热装置21、储水箱22、循环水泵23、风冷散热器24、温度传感器、风冷风机25、旁路管路26和调节阀门27。

蒸发器11的第一出口依次通过压缩机12、油液分离器13和过滤干燥器14连接换热器15的进口，压缩机12用于对制冷剂进行压缩，油液分离器13用于去除压缩后制冷剂中的水分，过滤干燥器14用于对去除水分后的制冷剂进行过滤干燥，换热器15用于将过滤干燥后的制冷剂与外界空气进行换热。换热器15的一侧设置有换热器风机16，换热器风机16用于对换热器15进行冷却，换热器15的出口通过膨胀阀17连接蒸发器11的第一进口，膨胀阀17用于对冷凝后的制冷剂进行降压。

蒸发器11的第二出口依次通过电加热储热装置21和储水箱22并联连接动力电池堆3和负载4的进口，储水箱22用于存储循环水，电加热储热装置21用于当动力电池堆3充电时进行储热以及加热模式下对循环水进行加热，蒸发器11用于通过制冷剂对循环水进行冷却。动力电池堆3和负载4的出口均通过循环水泵23连接风冷散热器24的进口，循环水泵23用于对循环水进行加压，风冷散热器24用于对循环水进行风冷散热。风冷散热器24内设置有温度传感器，温度传感器用于实时采集风冷散热器24内循环水的温度。风冷散热器24的一侧设置有风冷风机25，风冷风机25用于对风冷散热器24进行冷却，风冷散热器24的出口并联连接蒸发器11的第二进口和旁路管路26的进口，旁路管路26上设置有调节阀门27，旁路管路26的出口连接电加热储热装置21的进口。

控制器分别连接制冷-热泵循环系统1和循环水系统2，用于控制制冷-热泵循环系统1和循环水系统2中各电器件的工作。

在一个优选的实施例中，控制器内设置有参数设定模块、制冷-热泵循环控制模块和循环水控制模块。

参数设定模块用于预先设定制冷-热泵循环系统1在制冷模式和热泵模式下各电器件的工作程序，循环水系统2在冷却模式和加热模式下各电器件的工作程序，以及风冷散热器24的冷却温度。

制冷-热泵循环控制模块用于根据预设的制冷-热泵循环系统1在制冷模式和热泵模式下各电器件的工作程序，控制制冷-热泵循环系统1中各电器件的开启或关闭。

循环水控制模块用于根据预设的循环水系统2在冷却模式和加热模式下各电器件的工作程序、风冷散热器24的冷却温度以及温度传感器实时采集的温度，控制循环水系统2中各电器件的开启或关闭。

在一个优选的实施例中，电加热储热装置21可以采用电加热储热箱、电加热器、储热材料或循环水与储热材料之间的换热设备等。

在一个优选的实施例中，换热器风机16和风冷风机25均可以采用轴流式风机。

在一个优选的实施例中，压缩机12可以采用螺杆式压缩机。

在一个优选的实施例中，换热器15可以采用板翅式换热器、板片式换热器等。

实施例2

本实施例提供一种混合式动力电池热管理方法，包括以下步骤：

1)当动力电池堆3和负载4需要进行冷却时，循环水系统2开启冷却模式通过循环水对动力电池堆3和负载4进行冷却，制冷-热泵循环系统1开启制冷模式通过制冷剂对循环水进行冷却，具体为：

1.1)当动力电池堆3和负载4需要进行冷却时，循环水系统2开启冷却模式通过储水箱22内的循环水对动力电池堆3和负载4进行冷却。

1.2)循环水冷却动力电池堆3和负载4后温度升高，升温后的循环水进入循环水泵23进行加压后进入风冷散热器24进行冷却，若温度传感器采集的冷却后循环水的温度达到预先设定的冷却温度，则进入步骤1.3)；否则，进入步骤1.5)。

1.3)冷却后的循环水进入蒸发器11内通过制冷剂进行冷却，使得循环水的温度达到冷却要求，达到冷却要求的循环水通过电加热储热装置21进入储水箱22。

1.4)为循环水冷却后的制冷剂依次通过压缩机12压缩、油液分离器13去除水分、过滤干燥器14过滤干燥后进入换热器15与外界空气进行换热，冷凝后的制冷剂通过膨胀阀17进行降压后再次进入蒸发器11，为循环水进行冷却，进入步骤1.5)。

1.5)开启调节阀门27，冷却后的循环水直接通过旁路管路26经电加热储热装置21进入储水箱22。

2)当动力电池堆3和负载4需要进行加热时，循环水系统2开启加热模式通过循环水对动力电池堆3和负载4进行加热，制冷-热泵循环系统1开启热泵模式对循环水进行加热，具体为：

2.1)当动力电池堆3和负载4需要进行加热时，电加热储热装置21对循坏水进入加热，风冷散热器24停止工作。

2.2)加热后的循环水对动力电池堆3和负载4进行加热。

2.3)在热泵模式下，蒸发器11具备冷凝器功能，换热器15则变为蒸发器，此时，通过调节压缩机12内的四通阀，使得制冷剂的流动方向反转，对循环水进行加热。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，包括制冷-热泵循环系统、循环水系统和控制器，其中，所述循环水系统包括电加热储热装置、储水箱、循环水泵、散热器和温度传感器；

所述制冷-热泵循环系统的出口依次通过所述电加热储热装置和储水箱并联连接动力电池堆和负载的进口，所述储水箱用于存储循环水，所述电加热储热装置用于当动力电池堆充电时进行储热以及加热模式下对循环水进行加热，所述制冷-热泵循环系统用于通过制冷剂对循环水进行冷却或加热；

动力电池堆和负载的出口均通过所述循环水泵连接所述散热器的进口，所述循环水泵用于对循环水进行加压，所述散热器用于对循环水进行散热；所述散热器内设置有用于实时采集循环水温度的所述温度传感器；所述散热器的出口连接所述制冷-热泵循环系统的进口；

所述控制器分别连接所述制冷-热泵循环系统和循环水系统，用于控制所述制冷-热泵循环系统和循环水系统中各电器件的工作。

2.如权利要求1所述的一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，所述制冷-热泵循环系统包括蒸发器、压缩机、油液分离器、过滤干燥器和换热器；

所述蒸发器的第一出口依次通过所述压缩机、油液分离器和过滤干燥器连接所述换热器的进口，所述压缩机用于对制冷剂进行压缩，所述油液分离器用于去除压缩后制冷剂中的水分，所述过滤干燥器用于对去除水分后的制冷剂进行过滤干燥，所述换热器用于将过滤干燥后的制冷剂与外界空气进行换热；所述换热器的出口通过膨胀阀连接所述蒸发器的第一进口，所述膨胀阀用于对冷凝后的制冷剂进行降压；

所述蒸发器的第二出口连接所述电加热储热装置的进口，所述蒸发器的第二进口连接所述风冷散热器的出口。

3.如权利要求2所述的一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，所述制冷-热泵循环系统还包括换热器风机；所述换热器风机固定设置在所述换热器的一侧。

4.如权利要求1所述的一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，所述循环水系统还包括旁路管路；

所述旁路管路的进口连接所述风冷散热器的出口，所述旁路管路的出口连接所述电加热储热装置的进口，所述旁路管路上设置有调节阀门。

5.如权利要求1所述的一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，所述循环水系统还包括风冷风机；所述风冷风机固定设置在所述散热器的一侧。

6.如权利要求1所述的一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，所述电加热储热装置采用电加热储热箱、电加热器、储热材料或循环水与储热材料之间的换热设备。

7.如权利要求1所述的一种混合式动力电池热管理系统，其特征在于，所述控制器内设置有：

参数设定模块，用于预先设定所述制冷-热泵循环系统在制冷模式和热泵模式下各电器件的工作程序，所述循环水系统在冷却模式和加热模式下各电器件的工作程序，以及所述散热器的冷却温度；

制冷-热泵循环控制模块，用于根据预设的所述制冷-热泵循环系统在制冷模式和热泵模式下各电器件的工作程序，控制所述制冷-热泵循环系统中各电器件的开启或关闭；

循环水控制模块，用于根据预设的所述循环水系统在冷却模式和加热模式下各电器件的工作程序、所述散热器的冷却温度以及所述温度传感器实时采集的温度，控制所述循环水系统中各电器件的开启或关闭。

8.一种混合式动力电池热管理方法，其特征在于，包括以下内容：

1)当动力电池堆和负载需要进行冷却时，循环水系统开启冷却模式通过循环水对动力电池堆和负载进行冷却，制冷-热泵循环系统开启制冷模式通过制冷剂对循环水进行冷却；

2)当动力电池堆和负载需要进行加热时，循环水系统开启加热模式通过循环水对动力电池堆和负载进行加热，制冷-热泵循环系统开启热泵模式对循环水进行加热。

9.如权利要求8所述的一种混合式动力电池热管理方法，其特征在于，所述步骤1)的具体过程为：

1.1)当动力电池堆和负载需要进行冷却时，循环水系统开启冷却模式通过储水箱内的循环水对动力电池堆和负载进行冷却；

1.2)升温后的循环水进入循环水泵进行加压后进入散热器进行冷却，若温度传感器采集的冷却后循环水的温度达到预先设定的冷却温度，则进入步骤1.3)；否则，进入步骤1.5)；

1.3)冷却后的循环水进入蒸发器内通过制冷剂进行冷却，达到冷却要求的循环水通过电加热储热装置进入储水箱；

1.4)为循环水冷却后的制冷剂依次通过压缩机压缩、油液分离器去除水分、过滤干燥器过滤干燥后进入换热器与外界空气进行换热，冷凝后的制冷剂通过膨胀阀进行降压后再次进入蒸发器，为循环水进行冷却，进入步骤1.5)；

1.5)开启调节阀门，冷却后的循环水直接通过旁路管路经电加热储热装置进入储水箱。

10.如权利要求8所述的一种混合式动力电池热管理方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：

2.1)当动力电池堆和负载需要进行加热时，电加热储热装置对循坏水进入加热，散热器停止工作；

2.2)加热后的循环水对动力电池堆和负载进行加热；

2.3)在热泵模式下，蒸发器变为冷凝器，换热器变为蒸发器，此时，通过调节压缩机内的四通阀，使得制冷剂的流动方向反转，对循环水进行加热。

Images