CN113809449A - 一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统 - Google Patents

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Abstract

为解决现有对航行器电池组进行热管理的方案无法保证电池间温度的均匀性、不具备经济性的技术问题，本发明提供了一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，针对航行器低、高速航行两种工作模式，分别采用被动冷却和主被动协同冷却的方式，匹配电池组的温控需求，有利于实现电池组的长航时供电。其中：主动冷却采用液冷系统实现，被动冷却采用高导热定型相变材料模块组件实现；在低速工况下，利用高导热定型相变材料模块组件将电池模组产生的热量以潜热的方式进行存储，防止电池模组温度快速上升；在高速工况下，采用主被动联合冷却，利用液冷系统将相变材料吸收的热量通过冷却剂与航行器壳体外的海水进行热交换，降低电池组的最高温度。

Description

一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统
技术领域
本发明涉及一种与电池在结构上相结合的温度控制装置，尤其涉及一种水下航行器电池组热管理系统。
背景技术
近年来，随着电动力技术的快速发展，其在航行器领域的应用也不断扩大。电动力航行器相比于传统的热动力航行器具备噪声低、无航迹、不受背压影响、训练成本低等优势。
现阶段电动力航行器主要采用锂电池供电，随着航行器朝着高速、长航程和高机动性方向的发展，对电池比能量和比功率要求越来越高。目前限制航行器高速发展的瓶颈之一就是电池在大倍率放电工况下带来的电池组热管理难题。相比于电动车而言，水下航行器的电池舱是密闭空间而且电池组的放电倍率也相对更大，造成电池组的热量不能及时传递到外界，持续的大倍率放电导致热量在舱体内快速累积，严重威胁航行器的运行安全。
为了延长航行器电池组的使用寿命，保障航行器运行过程中的安全，需要对航行器电池组进行热管理。由于空间限制，电池组热管理系统尽可能结构紧凑，同时要具备快速的散热能力，故传统的风冷散热方案受到限制。因此，目前通常采用电池架上的导轨与电池仓壳体接触建立热桥的方式将航行器电池组的热量导出，但该方案存在以下不足：
1、航行器电池组与外界的热量交换依靠电池架热桥实现，散热能力有限，并且热桥附近的电池温度明显低于电池组中心温度，无法保证电池间温度的均匀度，长时间工作后，由于温度的不均匀性导致电池输出性能的不一致性更加突出。
2、航行器的工作模式通常是低速巡航高速打击，这两种工作模式对应不同的放电倍率，采用单一的冷却方案不利于实现电池组的长航时供电，不具备经济性。
发明内容
为了解决现有对航行器电池组进行热管理的方案无法保证电池间温度的均匀性、不具备经济性的技术问题，本发明提供了一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统。
本发明的技术方案如下：
一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，包括电池舱壳体、设置在电池仓壳体内的导轨组件和电池架组件；
电池架组件通过导轨组件滑动支撑在电池舱段壳体内；
电池架组件包括多个沿电池仓壳体轴线平行设置的电池架；
其特殊之处在于：
还包括高导热定型相变材料模块组件、液冷系统和冷却模式切换单元；
高导热定型相变材料模块组件由多个相同结构、平行设置的高导热定型相变材料模块构成，每个高导热定型相变材料模块上均设有用于电池模组中各电池单体分别穿过的通孔；
液冷系统包括液冷管道、泵、冷却剂回收舱和冷却剂；液冷管道包括多根直管道、用于将位于中心的直管道的一端与泵出口相连的冷却剂进口管道、用于将位于周边的一根直管道的一端与冷却剂回收舱入口相连的冷却剂出口管道，以及用于将剩余的直管道端口两两相连形成冷却剂回路的多根U型管道；泵的入口与冷却剂回收舱的出口相连；
直管道均匀穿插在高导热定型相变材料模块组件中，每根直管道的长度方向与电池模组轴线平行，实现液冷系统与高导热定型相变材料模块组件的相互嵌套；
对于每一根直管道，其距离它周围最近的所有电池单体的距离相等；
冷却模式切换单元包括电控装置和分别设置在各高导热定型相变材料模块的内部的多个温度传感器；电控装置根据所述温度传感器的监测信号控制所述泵的启闭，从而控制所述液冷系统的启闭，实现冷却模式的切换；
所述冷却模式包括仅利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却的模式，以及同时利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却和利用液冷系统进行主动冷却的主被动联合冷却模式；
所述电池舱壳体和/或导轨组件内部为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构。
进一步地，单个高导热定型相变材料模块的端面上加工有M×N个以矩阵形式排布的第一电池安装孔；M和N均为大于等于2的整数；
在按照2×2排布的、每相邻的四个的第一电池安装孔之间，均还设置有第一管道安装孔，该第一管道安装孔的中心到它周围的四个第一电池安装孔的中心距离相等；
每个第一管道安装孔内均安装有一根所述直管道；
电池架的端面上加工有数目和位置与所述第一电池安装孔和第一管道安装孔一一对应匹配的第二电池安装孔和第二管道安装孔。
进一步地，高导热定型相变材料模块由相变材料、高导热膨胀石墨粉、定型树脂材料、绝缘剂和阻燃剂以一定比例制备而成。
进一步地，冷却剂回收舱底部与电池舱段壳体内壁共用。
进一步地，第二电池安装孔为由大孔和小孔构成的阶梯孔。
进一步地，所述大孔的直径比单体电池的直径大1-2mm，深度为2mm；小孔的直径比电池直径小5mm，深度为3mm。
进一步地，导轨组件和壳体均采用金属3D打印增材制造。
进一步地，冷却剂为水、油或纳米流体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明针对航行器低速航行和高速航行这两种工作模式，分别采用被动冷却和主被动协同冷却的方式，可以很好的匹配电池组的温控需求，有利于实现电池组的长航时供电。其中：主动冷却采用液冷系统实现，被动冷却采用高导热定型相变材料模块组件实现；在低速航行小倍率放电工况下，利用高导热定型相变材料模块组件将电池模组产生的热量以潜热的方式进行存储，防止电池模组温度快速上升；在高速航行大倍率放电工况下，采用主被动联合冷却方式，利用液冷系统将相变材料吸收的热量通过冷却剂与航行器壳体外的海水进行热交换，降低电池组的最高温度；由于液冷系统的每根直管道距离它周围最近的所有电池单体的距离相等，对这些电池单体的导热贡献一样，因此能有效改善电池间温度的均匀性。
2、采用高导热定型相变材料进行被动冷却，可以有效解决电池组低速航行过程中的热量累积问题，而且不产生寄生能量损耗。
3、由于单体电池之间被相变材料填充，当单个电池发生热故障时，相变模块可以起到热失控阻隔的作用，防止单个电池热失控蔓延至整个电池组，有助于提升航行器的安全性。
4、液冷系统和相变冷却系统相互嵌套，提高了热管理系统结构设计的紧凑性。
5、电池舱壳体以及安装导轨内部为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构，在保证一定的承载强度条件下，实现了电池组系统的轻量化设计。
6、液冷系统紧贴舱体内壁，航速慢时，舱体周围海水流动性小，散热慢；航速快时，舱体周围海水流动性大，散热快，实现了自适应航速调整换热的效果。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明中高导热定型相变材料模块组件的结构示意图。
图3为单个高导热定型相变材料模块的结构示意图。
图4为本发明中液冷系统的结构示意图。
图5为本发明中电池架的结构示意图。
图6为本发明中壳体及导轨组件内部金字塔型点阵的结构示意图。
1-电池舱壳体；2-第一安装导轨；3-第二安装导轨；4-电池架；5-冷却剂进口管道；6-泵；7-冷却剂回收舱；8-电池模组；9-高导热定型相变材料模块；10-电控装置；11-连接管道；12-U型管道；13-直管道；14-冷却剂出口管道；15-金字塔型点阵；16-第一电池安装孔；17-第一管道安装孔；18-第二电池安装孔；19-第二管道安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例所提供的主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，包括电池舱壳体1、设置在电池仓壳体1内的导轨组件、高导热定型相变材料模块组件、液冷系统、电池架组件和冷却模式切换单元。
导轨组件包括设置在电池仓壳体1内壁上的第一安装导轨2和设置在电池模组周向外壁上的第二安装导轨3，二者之间为过渡配合；通过第一安装导轨2与第二安装导轨3的相互配合，将电池架4滑动支撑在电池仓壳体1内。本实施例中，第一安装导轨2为外导轨，第二安装导轨3为内导轨；在其他实施例中，也可以采用第一安装导轨2为内导轨，第二安装导轨3为外导轨的配合方式。
电池舱壳体1、第一安装导轨2和第二安装导轨3内部均为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构15，以兼顾承载强度和轻量化；本实施例中金字塔点阵结构15取其中一个单元来分析，每个斜柱直径为1mm，与水平面的立体夹角是45°，本领域技术人员可以根据具体的需求来改变这些参数，但是结构是一样的；考虑到传统加工方式的复杂度和加工成本，第一安装导轨2、第二安装导轨3以及电池舱壳体1均采用金属3D打印增材制造加工模式，加工材料选用铝及其合金材料。电池舱壳体1的内壁上还加工有多个环形肋，用于提高电池舱壳体1的抗冲击和抗压能力；当电池舱壳体1的内壁上具有环形肋时，第一安装导轨2安装在环形肋上。
如图2-3所示，高导热定型相变材料模块组件由多个相同结构的、平行设置的高导热定型相变材料模块9构成，每个高导热定型相变材料模块(9)上均设有用于电池模组中各电池单体分别穿过的通孔；
本实施例中，单个高导热定型相变材料模块9上加工有M×N个以矩阵形式排布的第一电池安装孔16，M和N均为大于等于2的整数；在按照2×2排布的、每相邻的四个的第一电池安装孔16之间，均还设置有第一管道安装孔17，该第一管道安装孔17的中心到它周围的四个第一电池安装孔16的中心距离相等，有助于实现热量的均匀传递；第一电池安装孔16和第一管道安装孔17的轴向与电池仓壳体1的轴向一致。高导热定型相变材料模块9中选用的相变材料为石蜡、高碳醇等有机材料，研究表明电池的最适工作温度范围应接近室温，所以相变材料的熔点选择为35℃±2℃；考虑到纯相变材料导热系数比较低，因此我们在相变材料中添加高导热膨胀石墨粉，以提高其导热性能；此外，纯相变材料在相变过程中会发生固体向液体转变，因此在其中加入定型树脂材料，可以有效避免相变材料的泄漏；为了进一步保障电池组的安全性，在相变材料中加入绝缘剂和阻燃剂，防止电池产生电漏和热失控蔓延现象。
综上所述，高导热定型相变材料模块9中各成分的配比根据实际需求选用和调整，例如若对绝缘和阻燃要求较高，则相应可以提高绝缘剂和阻燃剂的占比；若对导热系数要求较高，则可以提高膨胀石墨粉的量；但需要注意的是，其他材料占比的提供，会降低相变材料的占比，从而影响高导热定型相变材料模块9的潜热和导热系数，因此，需要根据实际应用环境，权衡利弊，调整各组分的占比。
如图4所示，液冷系统包括液冷管道、泵6、冷却剂回收舱7和冷却剂。
液冷管道由直管道13、用于将位于中心的直管道13的一端与泵6出口相连的冷却剂进口管道5、用于将位于周边的一根直管道13的一端与冷却剂回收舱7入口相连的冷却剂出口管道14、以及用于将剩余的直管道13端口两两相连形成冷却剂回路的多根U型管道12、以及用于连接泵6与冷却剂回收舱7的连接管道11构成。其中，直管道13均匀穿插在高导热定型相变材料模块组件中，每根直管道13的长度方向与电池模组轴线平行，实现液冷系统与高导热定型相变材料模块组件的相互嵌套；为了保证导热的均匀性，对于每一根直管道13，其距离它周围最近的所有电池单体的距离相等。
本实施例中：直管道13有多根，其数目与高导热定型相变材料模块9上的第一管道安装孔17的数目相等，每个第一管道安装孔17内均安装有一根直管道13；U型管道12有多根，用于将直管道13两两相连，最终使得所有直管道13相连通，形成一个冷却剂流路；在将直管道13连通时，将位于中部的一根直管道13的一端预留出来用于与冷却剂进口管道5的一端相连，位于上部的一根直管道13的一端预留出来用于与冷却剂出口管道14的一端相连；冷却剂进口管道5的另一端与泵6的出口相连，冷却剂出口管道14的另一端与冷却剂回收舱7的入口相连；冷却剂回收舱7的出口通过连接管道11与泵6的入口相连。
冷却剂可以选择水、油、纳米流体等，纳米流体中纳米粒子可选择碳纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒、金属铜纳米颗粒等，也可以为它们的混合物。
利用泵6可将冷却剂回收舱7中的冷却剂输送至直管道13中，进入到直管道13后，冷却剂在由直管道13与U型管道12构成的冷却剂流路中流动期间与高导热定型相变材料模块9进行热交换，然后经冷却剂出口管道14流回冷却剂回收舱7内，从而将热量携带至冷却剂回收舱7，最后冷却剂在冷却剂回收舱7内与外界海水进行热量交换。本发明将冷却剂回收舱7的底部直接与电池舱壳体1共用(即将电池舱壳体1的一部分内壁作为冷却剂回收舱7的底部)，能够减少冷却剂与海水之间的换热热阻，提高换热效率。
电池架组件包括多个沿电池仓壳体1轴线平行设置的电池架4，一组电池模组8通过一对电池架4进行安装紧固；如图4所示，电池架4的端面上加工有第二电池安装孔18和第二管道安装孔19；第二电池安装孔18和第二管道安装孔19的数目和位置分别与高导热定型相变材料模块9上的第一电池安装孔16和第一管道安装孔17一一对应匹配；第二电池安装孔18用于安装固定电池单体，第二管道安装孔19用于支撑安装液冷系统中的直管道13。
第二电池安装孔18的两端均为由大孔和小孔构成的阶梯孔；大孔的直径比单体电池的直径大1-2mm，深度为2mm，便于单体电池安装；小孔的直径比电池直径小5mm，深度为3mm，用于电池的承载。同一个电池架4两侧的单体电池的连接导线可以穿过阶梯孔，进行串并联连接。为了防止电池漏电，在电池架4的外表面涂覆有电绝缘漆。阶梯孔除了前述定位安装以及走线的作用外，还起到减重的目的。
冷却模式切换单元包括电控装置10和设置在每一个高导热定型相变材料模块9的内部的温度传感器；电控装置10用于实现冷却系统的控制管理，当电控装置10通过温度传感器监测到高导热定型相变材料模块9内部温度高于相变材料的熔点时，电控装置10便启动液冷系统中的泵6，使液冷系统开始工作。电控装置10还能控制泵6的功率，使泵6的功率随着水下航行器的航速进行匹配工作；电控装置10采用现有单元实现。
本发明电池组热管理系统的安装方法为：
选取一层电池模组8(本实施例中为圆柱形电池模组)先安装在电池架4上的第二电池安装孔18内，然后安装一个高导热定型相变材料模块9，再安装电池模组8另外一端的电池架4，逐层安装，直至完成。
安装完电池模组8后，先将各个直管道13贯穿整个电池模组8，再通过U型管道12进行各个直管道13之间的回路连接，然后将冷却剂进口管道5和冷却剂出口管道14的一端与直管道13进行连接。
最后，将冷却剂进口管道5的另一端与泵6的出口连接，将冷却剂出口管道14的另一端与冷却剂回收舱7的入口端连接，将泵6的入口与冷却剂回收舱7的出口端连接。
上述管路连接完成后，接通泵6以及温度传感器与电控装置10之间的线路。
本发明电池组热管理系统的工作原理是：
水下航行器在高速航行过程中，电池模组8会产生大量的热，这部分热首先被高导热定型相变材料模块9吸收存储，当其中一个或多个高导热定型相变材料模块9的内部温度高于相变材料的熔点温度时，启动液冷系统；
通过液冷系统中的冷却剂将高导热定型相变材料模块9内部存储的热量携带至冷却剂回收舱7内，最后冷却剂回收舱7内的高温冷却剂与航行器壳体1外面的海水进行高效热量交换变成低温冷却剂，然后再由泵6送入至液冷管道中循环工作，从而减少电池模组8的热量积累，实现电池模组8的温控要求，保障水下航行器安全稳定运行。

Claims (8)

1.一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，包括电池舱壳体(1)、设置在电池仓壳体(1)内的导轨组件和电池架组件；
电池架组件通过导轨组件滑动支撑在电池舱段壳体(1)内；
电池架组件包括多个沿电池仓壳体(1)轴线平行设置的电池架(4)；
其特征在于：
还包括高导热定型相变材料模块组件、液冷系统和冷却模式切换单元；
高导热定型相变材料模块组件由多个相同结构、平行设置的高导热定型相变材料模块(9)构成，每个高导热定型相变材料模块(9)上均设有用于电池模组中各电池单体分别穿过的通孔；
液冷系统包括液冷管道、泵(6)、冷却剂回收舱(7)和冷却剂；液冷管道包括多根直管道(13)、用于将位于中心的直管道(13)的一端与泵(6)出口相连的冷却剂进口管道(5)、用于将位于周边的一根直管道(13)的一端与冷却剂回收舱(7)入口相连的冷却剂出口管道(14)，以及用于将剩余的直管道(13)端口两两相连形成冷却剂回路的多根U型管道(12)；泵(6)的入口与冷却剂回收舱(7)的出口相连；
直管道(13)均匀穿插在高导热定型相变材料模块组件中，每根直管道(13)的长度方向与电池模组轴线平行，实现液冷系统与高导热定型相变材料模块组件的相互嵌套；
对于每一根直管道(13)，其距离它周围最近的所有电池单体的距离相等；
冷却模式切换单元包括电控装置(10)和分别设置在各高导热定型相变材料模块(9)的内部的多个温度传感器；电控装置(10)根据所述温度传感器的监测信号控制所述泵(6)的启闭，从而控制所述液冷系统的启闭，实现冷却模式的切换；
所述冷却模式包括仅利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却的模式，以及同时利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却和利用液冷系统进行主动冷却的主被动联合冷却模式；
所述电池舱壳体(1)和/或导轨组件内部为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构(15)。
2.根据权利要求1所述的主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：
单个高导热定型相变材料模块(9)的端面上加工有M×N个以矩阵形式排布的第一电池安装孔(16)；M和N均为大于等于2的整数；
在按照2×2排布的、每相邻的四个的第一电池安装孔(16)之间，均还设置有第一管道安装孔(17)，该第一管道安装孔(17)的中心到它周围的四个第一电池安装孔(16)的中心距离相等；
每个第一管道安装孔(17)内均安装有一根所述直管道(13)；
电池架(4)的端面上加工有数目和位置与所述第一电池安装孔(16)和第一管道安装孔(17)一一对应匹配的第二电池安装孔(18)和第二管道安装孔(19)。
3.根据权利要求1所述一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：高导热定型相变材料模块(9)由相变材料、高导热膨胀石墨粉、定型树脂材料、绝缘剂和阻燃剂以一定比例制备而成。
4.根据权利要求1或2或3所述一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：冷却剂回收舱(7)底部与电池舱段壳体(1)内壁共用。
5.根据权利要求2所述一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：第二电池安装孔(18)为由大孔和小孔构成的阶梯孔。
6.根据权利要求5所述一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：所述大孔的直径比单体电池的直径大1-2mm，深度为2mm；小孔的直径比电池直径小5mm，深度为3mm。
7.根据权利要求1或2或3所述一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：导轨组件和壳体均采用金属3D打印增材制造。
8.根据权利要求1或2或3所述一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，其特征在于：冷却剂为水、油或纳米流体。
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