CN113823859B - 自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统 - Google Patents
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Abstract
为了对水下航行器的电池模组进行热管理，本发明提供了一种自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统。本发明通过将外界海水引入到电池模组内部进行电源冷却，省去了航行器自带冷却剂的环节，减轻了航行器的重量；通过在冷却剂入口处设置用于调节冷却剂入口开口大小的引流调节阀，且该引流调节阀的开度与电池模组的输出功率呈正相关，且可以根据航速来自适应地调整阀芯开度，减少了寄生能量的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下航行器电池模组冷却系统。
背景技术
水下航行器可以搜集海洋水文和气象、海底地形地貌以及海洋矿产等数据。常见的水下航行器动力系统分为热动力和电动力，相比于热动力水下航行器，电动力水下航行器具备结构简单、噪音低、性能稳定、速度响应快、能源补给方便等优点，逐渐成为水下航行器研发的主流方向。
锂电池由于具备高比能量、高安全性、输出性能稳定等优势，成为了电动力水下航行器的动力首选。水下航行器在工作过程中根据不同需求会不断进行航速切换，在高速航行状态下，动力电池需要进行大功率放电，会产生大量的热量，由于电池舱段是密闭空间，导致电池产生的热量不能及时有效地与外界进行热量交换，造成电池自身温度急剧升高。温度过高会降低电池的充放电容量，从而影响电池的使用寿命；更为严重的是热量在舱体内的持续累积会导致电池发生变形、造成电解质的泄漏、甚至诱发电池爆炸。因此，很有必要对电池模组进行严格的热管理，以使得电池处于正常的温控范围。由于水下航行器要进行长时间、多任务工作，对其热管理系统的能耗设计和空间设计提出了较为苛刻的要求，需要考虑以下几点：
第一点：水下航行器要进行长时间航行，需要将携带的能源尽可能多的用于动力推进系统，因此要尽量减少热管理所带来的寄生能量损耗，故常用的电扇风冷、水泵液冷受到限制。
第二点：水下航行器要进行多任务工作，需要搭载更多的功能载荷，但是水下航行器一旦完成外形设计，其重量限制就基本确定，因此要尽量降低热管理带来的重量增加。
发明内容
基于以上背景，为了对水下航行器的电池模组进行热管理，本发明提供了一种自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统。本发明在满足重量设计要求的前提下，能够自适应地根据航速将电池模组产生的热量与外界海水进行相应效率的热交换，实现了电池模组在高负荷工况下的快速降温，保证了电池工作的安全性和可靠性，且无寄生能量损耗。
本发明的技术方案是：
自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，包括电池舱段壳体、用于固定安装电池模组的电池架组件；
其特殊之处在于：
所述电池架组件中的各电池架均具有中空腔体，该中空腔体内设置有冷却剂流道；
电池舱段壳体的外壁上下设置有冷却剂入口和冷却剂出口，以及与所述冷却剂入口相匹配的引流调节阀；
引流调节阀的开度与所述电池模组的输出功率正相关，且开度能根据水下航行器航速自适应调整，实现根据航速自适应调节进入所述冷却剂入口的冷却剂流量；
所述冷却系统还包括设置在电池舱段壳体内的、用于将各电池架内部的冷却剂流道并行接入所述冷却剂入口和冷却剂出口之间的冷却剂管道。
进一步地，所述引流调节阀使冷却剂流量与航速自适应匹配，控制过程为：
航速为0时，引流调节阀的阀芯位于冷却剂入口内使之闭合，需要依靠海水的作用力冲击才能打开；
航速越大，海水对引流调节阀的阀芯的冲击力越大，引流调节阀的阀芯开度就越大，流入冷却剂入口的海水流量越大；
与此同时，航速越大，则需要电池模组的输出功率越大，产热量越多，需要的冷却剂流量越大。
进一步地，引流调节阀有两种结构：
引流调节阀的第一种结构是：引流调节阀包括铰接的阀芯和底座；底座还与电池舱段壳体外壁相连；阀芯的前端具有形状及尺寸均与所述冷却剂入口相匹配的凸台；在阀芯与底座的铰接处安装有用于控制阀芯的开度的扭曲弹簧。
引流调节阀的第二种结构是：引流调节阀包括基座、推拉阀芯、弹簧；基座固定安装在电池舱段壳体外壁上；电池舱段壳体上开设有滑槽，所述冷却剂入口位于所述滑槽下方；
推拉阀芯卡设在所述滑槽处，推拉阀芯的下部边缘尺寸大于所述冷却剂入口的边缘尺寸，推拉阀芯的上部通过弹簧与所述基座连接，在外界海水或这弹簧的作用力下，推拉阀芯沿所述滑槽运动，实现调整冷却剂入口开口大小的功能。
进一步地，所述电池架组件包括靠近电池舱段壳体两端部的第一电池架、位于电池舱段壳体中部的第二电池架，以及位于第一电池架与第二电池架之间的N个第三电池架；N≥0；
第一电池架的上下两侧各设置有与其内部冷却剂流道相连通的第一T型冷却剂管道；第二电池架的上下两侧各设置有与其内部冷却剂流道相连通的十字型冷却剂管道；第三电池架的上下两侧各设置有与其内部冷却剂流道相连通的第二T型冷却剂管道；
第一T型冷却剂管道具有三个端口，一个端口为盲端，其余两个端口为开口端；第二T型冷却剂管道具有三个端口，均为开口端；十字形冷却剂管道具有四个端口，均为开口端；
N＞0时，通过将第一T型冷却剂管道、第二T型冷却剂管道和十字型冷却剂管道的相应开口端相连，将各电池架内部的冷却剂流道并行接入所述冷却剂入口和冷却剂出口之间；
N＝0时，通过将第一T型冷却剂管道和十字型冷却剂管道的相应开口端相连，将各电池架内部的冷却剂流道并行接入所述冷却剂入口和冷却剂出口之间。
进一步地，第一电池架、第二电池架和第三电池架的端面上均加工有用于固定电池模组中各单体电池的凹槽；所述凹槽表面涂覆有高导热硅脂。
进一步地，设置在各电池架上的冷却剂管道中，位于第一电池架上的第一T型冷却剂管道的管径最大，位于第二电池架上的第二T型冷却剂管道的管径随着其所在电池架距离所述冷却剂入口的远近尺寸稍有变化，距离入口段越远，管径越大。
进一步地，所述冷却剂流道为蛇形流道。
进一步地，所述冷却剂流道的表面具有一定的粗糙度。
进一步地，所述冷却剂入口和冷却剂出口处均还安装有过滤网。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过将外界海水引入到电池模组内部进行电源冷却，省去了航行器自带冷却剂的环节，减轻了航行器的重量；在冷却剂入口处设置用于调节冷却剂入口开口大小的引流调节阀，且该引流调节阀的开度与电池模组的输出功率呈正相关，且可以根据航速来自适应地调整阀芯开度，减少了寄生能量的损耗。
2、冷却剂入口和出口上下布置，冷却剂(海水)依靠自身重力进入冷却管道，无需增加水泵等额外功耗。
3、变尺寸的冷却剂管道设计可以平衡各个电池模组内的冷却剂流量，使得换热更加均匀。
4、电池架内部的冷却剂流道设计为蛇形流道，可以增加冷却剂与电池的换热量，同时实现了电池模组的均温需求。
5、电池架内部的冷却剂流道的表面具有一定的粗糙度，能够增加冷却剂流动过程中的扰动，进一步提高换热效率。
6、由于无需电扇、水泵等设备，降低了航行器的噪音，提高了航行器的隐蔽性。
7、本发明结构简单紧凑、换热效率高且没有寄生能量损耗，能够很好的实现电池模组的控温和均温指标，为水下装备电池模组的安全性和长寿命使用提供了有力保障，同时兼具很好的通用性。
附图说明
图1为本发明电池模组冷却系统实施例的结构示意图。
图2a为本发明中引流调节阀一种实施例的结构示意图。
图2b为本发明中引流调节阀第二种实施例的结构示意图。
图3为本发明中第一电池架的结构示意图。
图4为第一电池架端面凹槽的结构示意图。
图5为第一电池架内部流道的结构示意图。
图6为第二电池架的结构示意图。
图7为第三电池架的结构示意图。
1-电池舱段壳体；2-电池模组外导轨；3-电池模组内导轨；4-第一电池架；41-凹槽；42-冷却剂流道；43-第一T型冷却剂管道；431-盲端；5-第一电池模组；6-第三电池架；7-第二电池模组；8-第二电池架；81-十字型冷却剂管道；9-环肋；10-冷却剂入口；11-冷却剂出口；12-引流调节阀；121-底座；122-凸台；123-阀芯；124-扭曲弹簧；125-支撑轴；126-支撑座；127-基座；128-推拉阀芯；129-弹簧；130-滑槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例所提供的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，包括电池舱段壳体1、设置在电池舱段壳体1内的冷却剂管道、电池模组外导轨2、电池模组内导轨3、位于电池舱段壳体1两端部的第一电池架4、位于电池舱段壳体1中央的第二电池架8、位于电池舱段壳体1端部与中央之间的多个第三电池架6；在其他实施例中，若电池模组仅有两组，则可以省去第三电池架6。
在电池舱段壳体1的外壁上设置有冷却剂入口10和冷却剂出口11，冷却剂入口10位于电池舱段壳体1上表面的中部，冷却剂出口11与冷却剂入口10呈180度设置；冷却剂入口10和冷却剂出口11处均还安装有过滤网，过滤网的网眼直径小于5mm，以滤除海水中颗粒较大的杂质，防止其堵塞冷却管道。电池舱段壳体1的内表面均布设置有多个截面呈矩形的环肋9，用以提高电池舱段壳体1的抗冲击强度；环肋9的截面呈矩形，便于加工，同时可以提供需要的支撑强度，防止电池舱段壳体1受到大的外界冲击产生变形。
冷却剂管道包括与冷却剂入口10相连通的入口段、与冷却剂出口11相连通的出口段，以及由第一电池架4上下两侧的第一T型冷却剂管道43、第三电池架6上下两侧的第二T型冷却剂管道61和第三电池架8上下两侧的十字型冷却剂管道81连通构成的主管道。
第一电池架4、第二电池架8和第三电池架6均用于固定安装电池模组；第一电池架4、第二电池架8和第三电池架6的周向外壁均与电池模组内导轨3连接，且第一电池架4、第二电池架8和第三电池架6沿电池舱段壳体1的轴向平行设置；电池模组外导轨2沿电池舱段壳体1的轴向固定安装在电池舱段壳体1的内壁上的环肋9上，电池模组外导轨2与电池模组内导轨3过渡配合相匹配；通过至少两根电池模组内导轨3与相应数目的电池模组外导轨2的配合，将第一电池架4、第二电池架8和第三电池架6滑动支撑在电池舱段壳体1内。
图3-5所示为位于电池舱段壳体1两端部的第一电池架4的结构示意，第一电池架4的两个端面上均加工有用于固定电池模组中各单体电池的凹槽41，凹槽41的数目、形状、位置和尺寸与单体电池的数目、形状、位置和尺寸相匹配；在凹槽41的壁面涂有高导热硅脂，以利于电池单体与第一电池架4之间进行高效热传导；第一电池架4具有中空腔体，该中空腔体内设置有冷却剂流道42；优选的，将冷却剂流道42设计为蛇形流道，以提高冷却剂在电池架内部分布的均匀性，尽可能降低单体电池间的温差；冷却剂流道42的表面在加工时保留一定的粗糙度，从而增加冷却剂流动过程中的扰动，进一步提高换热效率；为防止漏电，第一电池架4的整个外表面涂覆有电绝缘漆；第一电池架4的上下两侧各设置有第一T型冷却剂管道43，单个第一T型冷却剂管道43具有三个端口，其中一个端口为盲端431，其余两个端口为开口端；位于第一电池架4上侧面的第一T型冷却剂管道43的两个开口端中，其中一个开口端与第一电池架4内部冷却剂流道相连通，另一个开口端与紧挨第一电池架4的第三电池架6上侧面的第二T型冷却剂管道61的其中一个开口端相连通；位于第一电池架4下侧面的第一T型冷却剂管道43的两个开口端中，其中一个开口端与第一电池架4内部冷却剂流道相连通，另一个开口端与紧挨第一电池架4的第三电池架6下侧面的第二T型冷却剂管道61的其中一个开口端相连通。
图6所示为位于电池舱段壳体1中央的第二电池架8的结构示意，第二电池架8的与第一电池架4的区别仅在于：第二电池架8上没有设置T型冷却剂管道，而是在上下两侧面分别设置了十字型冷却剂管道81，单个十字型冷却剂管道81具有四个开口端；位于第二电池架8上侧面的十字型冷却剂管道81的四个开口端中，上下两个开口端分别与冷却剂管道的入口段和第二电池架8内部冷却剂流道相连通，左右两个开口端分别与第二电池架8左右两侧的第三电池架6上侧面的第二T型冷却剂管道61的其中一个开口端相连通；位于第二电池架8下侧面的十字型冷却剂管道81的四个开口端中，上下两个开口端分别与第二电池架8内部冷却剂流道和冷却剂管道的出口段相连通，左右两个开口端分别与第二电池架8左右两侧的第三电池架6下侧面的第二T型冷却剂管道61的其中一个开口端相连通。
图7所示为位于第一电池架4与第二电池架8之间的第三电池架6，第三电池架6与第一电池架4的区别仅在于：第三电池架6上下两侧面各设置的是第二T型冷却剂管道61，单个第二T型冷却剂管道61的三个端口均为开口端；对于紧挨第二电池架8的第三电池架6，其上侧面的第二T型冷却剂管道61的一端与第二电池架8上侧面的十字型冷却剂管道81的其中一个端口相连，另一端与其旁边的第三电池架6上侧面的第二T型冷却剂管道61的一端相连，第三个端口与它自身内部的冷却剂流道相连通；对于紧挨第二电池架8的第三电池架6，其下侧面的第二T型冷却剂管道61的一端与第二电池架8下侧面的十字型冷却剂管道81的其中一个端口相连，另一端与其旁边的第三电池架6下侧面的第二T型冷却剂管道61的一端相连，第三个端口与它自身内部的冷却剂流道相连通；对于其余的第三电池架6，其上、下侧面的第二T型冷却剂管道61的端口分别与位于它两侧的电池架上的T型冷却剂管道的相应开口端相连通。
组装时，一个电池模组通过一对电池架紧固，电池模组中各单体电池的两端分别位于这一对电池架上相应的凹槽内；相邻两个电池架上的T型/十字型冷却剂管道通过双头螺母联接，从而将相邻两个电池架内部的冷却剂流道并行连通在入口段与出口段之间。
这里以图1所示冷却系统为例对电池模组的安装顺序进行说明：
先安装第一电池架4，再在第一电池架4上的凹槽表面涂覆高导热硅脂，然后将第一电池模组5安装到第一电池架4上的凹槽41中；
接下来安装第三电池架6，先将第三电池架6上的第二T型冷却剂管道与与第一电池架4上的第一T型冷却剂管道通过双头螺母相连接，在第二电池架6的凹槽内填充高导热硅脂，再将第二电池模组7安装到第三电池架6上的凹槽中。
按照上述组装方法，根据水下航行器的功率需求，增加相应数目的电池架和电池模组。
为了保证各个电池架内部的冷却剂流量尽可能相等，设置在电池架上下两侧的冷却剂管道尺寸稍有变化，具体为：位于最端部的第二电池架4上的第一T型冷却剂管道43的管径最大，第二电池架6上的第二T型冷却剂管道的尺寸随着其距离冷却剂入口10的远近稍有变化，距离冷却剂入口10越远，管径越大，以抵消流体局部损失和沿程损失所带来的影响。
本发明冷却系统中的冷却剂的路径如下：
海水从冷却剂入口10进入，经冷却剂管道的入口段进入主管道，再通过各个歧管进入各电池架内部的冷却剂流道，然后从各个电池架底部的冷却剂管道流出，通过底部的冷却剂管道汇入冷却主管道的出口段，最后经过冷却剂出口11流至外界。
为自适应地根据航速调节冷却系统的冷却剂流量，本发明在电池舱段壳体1的外壁上设置有与冷却剂入口10相匹配的引流调节阀12，其开度与电池模组的输出功率正相关，且开度能根据航速自适应调整，从而能够根据航速自适应调节进入冷却剂入口的冷却剂流量。
如图2a所示为引流调节阀12的一种结构，包括阀芯123和底座121，引流调节阀12整体通过底座121安装在电池舱段壳体1外壁上，且位于电池舱段壳体1的中轴线上；引流调节阀12的底座121上设有支撑座126，支撑座126处设置有支撑轴125，阀芯123的一端套设在支撑轴125上；在阀芯123与底座121的铰接处还装有用于控制引流调节阀12开度的扭曲弹簧124；本实施例中，扭曲弹簧124可以采用具有两个自由端的形式，其中一个自由端与阀芯123固定连接，另一个自由端与底座121固定连接，从而利用扭曲弹簧124控制引流调节阀12的开度；引流调节阀12的阀芯123的前端设有凸台122，凸台122的形状及尺寸均与电池舱段壳体1上的冷却剂入口10的形状及尺寸相匹配，阀芯123的打开方向与水下航行器的前进方向相反。航速为0时，阀芯123前端凸台122位于冷却剂入口10内，冷却剂入口10是闭合状态，需要依靠海水的作用力冲击阀芯123使之打开。自适应地根据航速调节冷却剂流量的原理是：航速越大，电池模组放电功率越大，产热量越多，需要的冷却剂流量越大；同时，航速越大，海水对阀芯123的冲击力越大，引流调节阀12的开度也就越大，流入冷却剂入口10的海水流量越大，两者刚好供需相匹配，从而使冷却系统达到自适应航速的目的。
如图2b所示为引流调节阀12的第一种结构，包括基座127、推拉阀芯128、弹簧129；基座127固定安装在电池舱段壳体1外壁上；电池舱段壳体1上开设有滑槽130，冷却剂入口10位于所述滑槽130下方；
推拉阀芯128卡设在所述滑槽130处，推拉阀芯128的下部边缘尺寸大于所述冷却剂入口10的边缘尺寸，推拉阀芯128的上部通过弹簧129与基座127连接，在外界海水或这弹簧129的作用力下，推拉阀芯128沿所述滑槽130运动，实现调整冷却剂入口10开口大小的功能，进而实现了根据航速自适应调节流入冷却剂入口10的海水流量的功能。
Claims (7)
1.自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，包括电池舱段壳体(1)、用于固定安装电池模组的电池架组件；
其特征在于：
所述电池架组件中的各电池架均具有中空腔体，该中空腔体内设置有冷却剂流道；
电池舱段壳体(1)的外壁上下设置有冷却剂入口(10)和冷却剂出口(11)，以及与所述冷却剂入口(10)相匹配的引流调节阀(12)；
引流调节阀(12)的开度与所述电池模组的输出功率正相关，且开度能根据水下航行器航速自适应调整，实现根据航速自适应调节进入所述冷却剂入口(10)的冷却剂流量；
所述冷却系统还包括设置在电池舱段壳体(1)内的、用于将各电池架内部的冷却剂流道并行接入所述冷却剂入口(10)和冷却剂出口(11)之间的冷却剂管道；
所述电池架组件包括靠近电池舱段壳体(1)两端部的第一电池架(4)、位于电池舱段壳体(1)中部的第二电池架(8)，以及位于第一电池架(4)与第二电池架(8)之间的N个第三电池架(6)；N≥0；
第一电池架(4)的上下两侧各设置有与其内部冷却剂流道相连通的第一T型冷却剂管道；第二电池架(8)的上下两侧各设置有与其内部冷却剂流道相连通的十字型冷却剂管道；第三电池架(6)的上下两侧各设置有与其内部冷却剂流道相连通的第二T型冷却剂管道；
第一T型冷却剂管道具有三个端口，一个端口为盲端，其余两个端口为开口端；第二T型冷却剂管道具有三个端口，均为开口端；十字形冷却剂管道具有四个端口，均为开口端；N＞0时，通过将第一T型冷却剂管道、第二T型冷却剂管道和十字型冷却剂管道的相应开口端相连，将各电池架内部的冷却剂流道并行接入所述冷却剂入口(10)和冷却剂出口(11)之间；
N＝0时，通过将第一T型冷却剂管道和十字型冷却剂管道的相应开口端相连，将各电池架内部的冷却剂流道并行接入所述冷却剂入口(10)和冷却剂出口(11)之间；
所述引流调节阀(12)使冷却剂流量与航速自适应匹配，控制过程为：
航速为0时，引流调节阀(12)的阀芯位于冷却剂入口(10)内使之闭合，需要依靠海水的作用力冲击才能打开；
航速越大，海水对引流调节阀(12)的阀芯的冲击力越大，引流调节阀(12)的阀芯开度就越大，流入冷却剂入口(10)的海水流量越大；
与此同时，航速越大，则需要电池模组的输出功率越大，产热量越多，需要的冷却剂流量越大；
所述引流调节阀(12)包括铰接的阀芯(123)和底座(121)；底座(121)还与电池舱段壳体(1)外壁相连；阀芯(123)的前端具有形状及尺寸均与所述冷却剂入口(10)相匹配的凸台(122)；在阀芯(123)与底座(121)的铰接处安装有用于控制阀芯(123)的开度的扭曲弹簧(124)。
2.根据权利要求1所述的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其特征在于：引流调节阀(12)包括基座(127)、推拉阀芯(128)、弹簧(129)；基座(127)固定安装在电池舱段壳体(1)外壁上；电池舱段壳体(1)上开设有滑槽(130)，所述冷却剂入口(10)位于所述滑槽(130)下方；
推拉阀芯(128)卡设在所述滑槽(130)处，推拉阀芯(128)的下部边缘尺寸大于所述冷却剂入口(10)的边缘尺寸，推拉阀芯(128)的上部通过弹簧(129)与所述基座(127)连接，在外界海水或这弹簧(129)的作用力下，推拉阀芯(128)沿所述滑槽(130)运动，实现调整冷却剂入口(10)开口大小的功能。
3.根据权利要求1所述的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其特征在于：第一电池架(4)、第二电池架(8)和第三电池架(6)的端面上均加工有用于固定电池模组中各单体电池的凹槽；所述凹槽表面涂覆有高导热硅脂。
4.根据权利要求1所述的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其特征在于：设置在各电池架上的冷却剂管道中，位于第一电池架(4)上的第一T型冷却剂管道(43)的管径最大，位于第二电池架(6)上的第二T型冷却剂管道的管径随着其所在电池架距离所述冷却剂入口(10)的远近尺寸稍有变化，距离入口段越远，管径越大。
5.根据权利要求4所述的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其特征在于：所述冷却剂流道为蛇形流道。
6.根据权利要求5所述的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其特征在于：所述冷却剂流道的表面具有一定的粗糙度。
7.根据权利要求6所述的自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其特征在于：所述冷却剂入口(10)和冷却剂出口(11)处均还安装有过滤网。
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