CN113555617B - 基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，包括电池组、电池冷却模块、电池加热模块和循环管路，所述循环管路用于热管理液体工质的循环流动，所述循环管路包括与所述电池组连接的主循环管路、与所述电池加热模块连接的加热循环管路、与所述电池冷却模块连接的冷却循环管路；所述电池冷却模块包括热交换单元、喷射器和储存单元，所述冷却循环管路与所述热交换单元连接；所述喷射器通过管道分别连接所述热交换单元和所述储存单元；所述加热模块包括集热单元和换热单元，所述加热循环管路与所述换热单元连接，所述集热单元与所述换热单元通过管道连接。具有对电池系统进行高温冷却和低温加热的效果。

Description

基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统
技术领域
本发明属于电池技术领域，特别涉及一种基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统。
背景技术
电池系统的热管理技术是对电池温度进行有效管理和安全监控的关键技术，通过设计电池热管理系统，确保电池工作在合适的温度范围。电池热管理系统可避免电池温度过高、电池内部化学反应速度过快从而可能引发的爆炸和起火等安全事故，减小电池单体之间的温差从而提高电池单体一致性，避免电池充放电功率等电池主要性能及电池使用寿命的降低；同时解决低温环境下出现无法充电的问题，避免电池温度过低而导致的电池容量和功率等电池充放电性能的降低。电池热管理系统适用于动力电池、电池储能系统等，相较于风冷和自然冷却的电池热管理系统，液冷结构的电池热管理系统具有更高热效率、更高温度均匀性和安全性，能够起到提升电池安全性、储能密度、电池容量和功率、延长循环寿命等作用。
相关技术如公开号为CN106785185A的专利申请文件公开的一种液冷和加热一体化动力锂电池PACK。该项发明为一种液冷和加热一体化动力锂电池PACK。主要解决在PACK内采用加热装置存在空间不够用的问题。主要特征是：包括锂电池箱体、电池管理系统、液冷板、锂电池模组、泵、三通阀、翅片散热器、散热风扇和加热器。电池管理系统、液冷板和锂电池模组位于锂电池箱体内，液冷板与锂电池模组相接触；泵、三通阀、翅片散热器、散热风扇和加热器位于锂电池箱体外，三通阀分别经水管与泵、翅片散热器和加热器连接，泵的另一端经水管与液冷板的另一端连接。翅片散热器、加热器的另一端与液冷板的另一端连接，形成液体循环管路，散热风扇安装在翅片散热器上。
发明人认为相关技术存在与以下问题，采用空气通过翅片散热器将液冷工质的热量带走，最低温度为环境温度，如果在夏季高温天气可能出现电池温度过高的问题，影响到电池安全性、电池容量和功率、循环寿命等。且现有方案没有考虑到回收利用现有电池热量，造成有效热量的浪费，降低了电池系统效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，具有对电池系统进行高温冷却和低温加热的效果，且能进行电池热量的回收，提升电池系统效率。
本发明公开的一种基于喷射式回收和制冷的电池热管理系统，包含以下技术方案，
基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，包括电池组、电池冷却模块、电池加热模块和循环管路，其特征在于，
所述循环管路用于热管理液体工质的循环流动，所述循环管路包括与所述电池组连接的主循环管路、与所述电池加热模块连接的加热循环管路、与所述电池冷却模块连接的冷却循环管路；
所述电池冷却模块包括热交换单元、喷射器和储存单元，所述冷却循环管路与所述热交换单元连接；所述喷射器通过管道分别连接所述热交换单元和所述储存单元；
所述加热模块包括集热单元和换热单元，所述加热循环管路与所述换热单元连接，所述集热单元与所述换热单元通过管道连接。
更进一步的，所述集热单元包括太阳能集热器和蓄热水箱，所述太阳能集热器和所述蓄热水箱之间通过管道连接，所述蓄热水箱通过管道与所述换热单元连接。
更进一步的，所述集热单元包括太阳能集热器和蓄热水箱，所述太阳能集热器和所述蓄热水箱之间通过管道连接，所述蓄热水箱通过管道与所述换热单元连接。
更进一步的，所述热交换单元包括回热器、发生器和蒸发器，所述喷射器和所述发生器均通过管道与回热器连接，所述喷射器与所述回热器均通过管道与所述蒸发器连接；所述冷却循环管路与所述回热器以及所述蒸发器连接。
更进一步的，所述储存单元包括冷凝器和储液器，所述冷凝器两端分别通过管道与喷射器以及储液器连接；所述储液器、所述回热器以及所述蒸发器之间设置有三通管，所述三通管的端部分别连接所述回热器、所述蒸发器以及所述储液器。
更进一步的，所述三通管上设置有节流阀，所述节流阀位于所述蒸发器与所述三通管的接点之间。
更进一步的，所述喷射器上设置有喷嘴，所述喷嘴为渐缩渐扩式喷嘴，所述喷嘴与所述喷射器连通。
更进一步的，所述主循环管路上设置有热管理工质泵，所述三通管上设置有制冷剂工质泵。
更进一步的，所述电池组包括多个电池本体，所述电池本体上设置有导热垫片和液冷板，所述主循环管路与所述液冷板连通。
更进一步的，所述主循环管路上安装有压力表。
本发明至少具有以下的优点：
1、通过液体工质冷却散热，有效解决电池温度过高和电池内部化学反应速度过快问题、提高电池安全性，提高电池单体温度均匀性和一致性，避免高温导致的充放电功率等电池性能降低和电池寿命降低；同时解决低温环境下电池无法充电的问题，避免低温导致的电池容量和功率等电池性能的降低。
2、使用太阳能集热器和蓄水箱作为集热单元，提高了提高系统效率和灵活性，通过电池热量的回收利用，进一步提高了电池系统效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请中电池系统的主体结构示意图；
图2示出了本申请中电池结构示意图。
附图标记：1、太阳能集热器；2、蓄热水箱；3、第一水泵；4、第二水泵；5、换热器；6、制冷剂工质泵；7、回热器；8、发生器；9、喷射器；10、冷凝器；11、储液器；12、节流阀；13、蒸发器；14、电池组；141、电池本体；142、导热垫片；143、液冷板；15、热管理工质泵；16、电加热器；17、压力表；18、热电偶；19、第一阀门；20、第二阀门；21、第三阀门；22、第四阀门。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，本实施例公开了一种基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，包括电池组14、循环管路、电池冷却模块和电池加热模块。
电池加热模块包括集热单元和换热单元，集热单元包括太阳能集热器1和蓄热水箱2，太阳能集热器1通过水管和蓄热水箱2连通，太阳能集热器1和蓄热水箱2之间的管道上安装有第一水泵3。太阳能集热器1通过内部的工质对蓄热水箱2中的水进行加热，并将加热后的水通过蓄热水箱2储存起来。太阳能集热器1内部的工质可以采用导热油、防冻液、水等液体，也可以使用空气等气体。使用太阳能集热器1，在晴天的白天可以通过工质对蓄热水箱2中的水进行加热，并且可以通过太阳能集热器1进行供热，在其他的时间可以通过蓄热水箱2中的热水进行供热，可以不间断地提供热源。换热单元包括与蓄热水箱2通过管道连接的换热器5，换热器5和蓄热水箱2之间的管道上安装有第二水泵4，用于进行热水的输送，换热器5用于进行热量交换并提供热量。
参照图1和图2，电池系统中的电池为多个电池合成的电池组14，电池组14包括多个电池本体141，电池本体141上安装有导热垫片142和液冷板143，导热垫片142和液冷板143用于进行电池本体141的热量传递，液冷板143两端连接有管道用于热管理液体工质的循环流动，换热降温后的热管理液体工质在流动时会带走电池产生的热量，实现了对电池的冷却散热。
参照图1和图2，在电池系统中安装有用于连接各部分元件的循环管路，循环管路用于热管理液体工质的循环流动，循环管路包括主循环管路、冷却循环管路和加热循环管路。主循环管路用于和电池组14进行连接，冷却循环管路和电池冷却模块相连接，加热循环管路与电池加热模块连接。主循环管路包括与电池组14中液冷板143两端连接的管路一和管路二，冷却循环管路包括管路三和管路四，加热循环管路包括管路五和管路六，冷却循环管路和加热循环管路之间为并联。管路三和管路五的端部均和管路一的端部连通，管路四和管路六的端部均和管路二的端部连通。冷却循环管路和加热循环管路择一工作，在需要加热时热管理液体工质通过加热循环管路，在需要冷却时热管理工质通过冷却循环管路。
参照图1，电池冷却模块包括喷射器9、冷凝器10、回热器7、发生器8、储液器11和蒸发器13。喷射器9用于对制冷剂进行压缩，用于进行制冷剂的制冷循环。热管理液体工质和制冷剂进行热交换，换热后的热管理液体工质用于对电池进行冷却散热。喷射器9和冷凝器10通过管道连接，冷凝器10和储液器11之间通过管道连接。发生器8和喷射器9通过管道连接，回热器7通过管道分别与发生器8以及蒸发器13连接。
参照图1，在电池充放电或者外界环境温度较高的情况下，一般需要进行电池的冷却散热。电池冷区系统进行工作，在进行散热作业时，电池正常工作，热管理工质泵安装在管路一上，用于驱动热管理液体工质循环流动，回热器7和管路三连接。热管理液体工质会在回热器7中进行热量交换。
参照图1，回热器7和蒸发器13的管道上安装有制冷剂工质泵6，制冷剂工质泵6驱动制冷剂流入到回热器7中进行吸热，制冷剂的温度升高。储热水箱和发生器8之间也连接有管道并且该处管道上安装有水泵，水泵会驱动储热水箱中的水流入到发生器8中进行放热，将热量传递给了制冷剂。通过在发生器8中的两次吸热，使得制冷剂吸热气化并增压，形成了高温高压的饱和蒸汽。发生器8和喷射器9之前通过管道连接，饱和蒸汽进入到喷射器9中，喷射器9上安装有喷嘴，制冷剂通过喷射器9上的渐缩渐扩喷嘴喷出，产生高速气流，喷出的蒸汽在喷嘴中流速升高、喷出并膨胀，在喷出的过程中其压力形成一定的真空度，从而使得蒸发器13出口的低压蒸汽被引射，低压蒸汽流入到喷射器9中，两股制冷剂蒸汽在喷射器9中混合、增压。从喷射器9喷出来的混合气体流入冷凝器10中并放热，最终液化成为饱和液体，饱和液体流入到储液器11中作为冷凝液储存。
参照图1，电池加热单元和电池冷却单元之间相互独立又协同配合，电池加热单元中集热模块的蓄热水箱2为发生器8提供热量进行热量交换，减少了能源损耗，提高了工作效率。
参照图1，储液器11中流出的冷凝液分为两路，储液器11和蒸发器13之间通过管道连接，并且在储液器11和蒸发器13的之间的管道上安装有节流阀12。一路冷凝液通过流经节流阀12并且降低压力后进入到蒸发器13中，冷凝液在蒸发器13中吸收热管理液体工质的热量并气化，完成蒸发器13中的制冷。储液器11和回热器7之间也连接有管道，另一路冷凝液进入到回热器7，在回热器7和储液器11之间的管道上安装有循环泵和阀门，冷凝液在经过循环泵时会被升压，进入到回热器7中后，因为回热器7中的热管理液体工质被电池组14加热过，温度较高，冷凝液会被热管理液体工质加热，吸收热管理液体工质的热量，回收了热管理液体工质冷却电池后的热量，被加热后的制冷剂重新进入到发生器8中，制冷剂吸热气化，开始下一轮的制冷循环。而在回热器7被吸收了热量的热管理液体工质会通过蒸发器13进一步放热，热管理液体工质温度进一步降低后，通过循环管路进行循环，继续带走电池组14的热量，回到热管理工质泵15。
参照图1，上述的冷却散热过程的进一步说明如下，制冷剂经过制冷剂工质泵6，升压后首先被回热器7加热、再进入发生器8，再流入喷射器9，在发生器8和冷凝器10之间进行正向卡诺循环，通过回热器7热管理液体工质放热、为正向卡诺循环提供部分热源，实现了电池热量的回收和电池冷却模块效率提升。通过设置喷射器9，因为喷射器9在喷射过程中形成一定的真空度，从而使得蒸发器13出口的低压蒸汽被引射，低压蒸汽流入到喷射器9中正向卡诺循环为电池冷却模块的制冷系统压缩做功提供了额外的动力。喷射器9的结构设置减小了电池冷却模块的制冷系统的制冷剂工质泵6功耗。从冷凝器10流出的制冷剂经过膨胀阀节流后，流经蒸发器13吸收热管理工质的热量并蒸发，冷凝器10和蒸发器13之间的循环为逆卡诺循环，制冷工质完成制冷。
参照图1，电池加热模块包括集热单元和换热单元，热管理液体工质在热管理工质泵15的驱动下流经换热器5，换热器5和蓄热水箱2通过管道连通，蓄热水箱2中的热水进入到了换热器5中，对热管理液体工质进行加热。必要时（极端低温天气）开启电加热器16进一步加热，经过管道流入到电池组14底部的液冷板143，通过液冷板143加热电池组14，用来升高电池组14的温度。热管理工质通过管系汇流后流入制冷剂工质泵6，开始下一轮的电池加热模块循环。
参照图1，当电池组14温度过高时，开启电池冷却模块及其相应的第一阀门19和第二阀门20，关闭第三阀门21和第四阀门22，热管理液体工质只会在电池冷却模块中进行循环，和制冷剂进行换热，用来对电池组14进行冷却散热。当电池组14温度较低时，切换至开启电池加热模块及其相应的第三阀门21和第四阀门22，关闭第第一阀门19和第二阀门20，热管理液体工质只会在电池加热模块中进行循环。
参照图1，在电池冷却模块运行时，通过监测电池组14的温度，调节热管理工质泵15的流量、制冷剂工质泵6的流量，实现制冷量的调节、热管理工质的流量/压力和温度调节，实现电池组14温度降低并维持到合适的工作温度。在电池加热模块运行时，通过监测电池组14温度，热管理工质泵15的流量、第二水泵4流量、电加热器16功率，方便实现电池组14温度升高并维持到合适的工作温度。
参照图1，在主循环管路的管路一和管路二上均安装有压力表，在电池组14的各个电池本体141上均安装有热电偶。热电偶用于检测热管理工质和电池本体141的温度，压力表用于测量管路中热管理工质的压力。
通过上述的技术方案，形成了一套液体工质流动系统，能够实现对电池进行冷却和加热，包括太阳能集热系统、电池冷却模块和电池加热模块。在高温环境或电池快速充放的条件下，通过液体工质对电池进行冷却散热，也即电池冷却模块。在低温环境或电池启动需要的条件下，通过液体工质对电池进行加热，也即电池加热模块。
此外，本发明的电池热管理系统适用于动力电池、电池储能系统等，相较于传统的风冷或自然冷却的电池热管理系统，本发明的电池热管理系统同时具备高温散热和低温加热功能，且具有更低功耗、更高温度均匀性，提升了电池安全性、系统效率、储能密度、高温/低温环境下维持了电池性能和循环寿命；通过搭载新能源场站/厂区的太阳能设备提高了提高系统效率和灵活性，通过电池热量的回收利用，进一步提高了电池系统效率。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，包括电池组(14)、电池冷却模块、电池加热模块和循环管路，其特征在于，
所述循环管路用于热管理液体工质的循环流动，所述循环管路包括与所述电池组(14)连接的主循环管路、与所述电池加热模块连接的加热循环管路、与所述电池冷却模块连接的冷却循环管路；
所述电池冷却模块包括热交换单元、喷射器(9)和储存单元，所述冷却循环管路与所述热交换单元连接；所述喷射器(9)通过管道分别连接所述热交换单元和所述储存单元；所述热交换单元包括回热器(7)、发生器(8)和蒸发器(13)，所述喷射器(9)和所述发生器(8)均通过管道与回热器(7)连接，所述喷射器(9)与所述回热器(7)均通过管道与所述蒸发器(13)连接；所述冷却循环管路与所述回热器(7)以及所述蒸发器(13)连接；所述储存单元包括冷凝器(10)和储液器(11)，所述冷凝器(10)两端分别通过管道与喷射器(9)以及储液器(11)连接；所述储液器(11)、所述回热器(7)以及所述蒸发器(13)之间设置有三通管，所述三通管的端部分别连接所述回热器(7)、所述蒸发器(13)以及所述储液器(11)；
所述加热模块包括集热单元和换热单元，所述加热循环管路与所述换热单元连接，所述集热单元与所述换热单元通过管道连接。
2.根据权利要求1所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述集热单元包括太阳能集热器(1)和蓄热水箱(2)，所述太阳能集热器(1)和所述蓄热水箱(2)之间通过管道连接，所述蓄热水箱(2)通过管道与所述换热单元连接。
3.根据权利要求2所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述换热单元包括换热器(5)，所述换热器(5)通过管道与所述蓄热水箱(2)连接，所述加热循环管路与所述换热器(5)连接。
4.根据权利要求1所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述三通管上设置有节流阀(12)，所述节流阀(12)位于所述蒸发器(13)与所述三通管的接点之间。
5.根据权利要求1所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述喷射器(9)上设置有喷嘴，所述喷嘴为渐缩渐扩式喷嘴，所述喷嘴与所述喷射器(9)连通。
6.根据权利要求1所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述主循环管路上设置有热管理工质泵（15），所述三通管上设置有制冷剂工质泵(6)。
7.根据权利要求1所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述电池组(14)包括多个电池本体(141)，所述电池本体(141)上设置有导热垫片(142)和液冷板(143)，所述主循环管路与所述液冷板(143)连通。
8.根据权利要求1所述的基于喷射式热回收和制冷的电池热管理系统，其特征在于，所述主循环管路上安装有压力表（17）。
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