CN114156560A - 一种浸没式液冷散热模组及散热方法 - Google Patents

Abstract

一种浸没式液冷散热模组及散热方法，包括底部开口的箱体，箱体底部设置有用于放置电池模组的液冷板，液冷板与箱体形成密闭结构，箱体内填充有用于浸没电池模组的冷却液，液冷板中通入有液冷介质。本发明通过在箱体内填充有用于浸没电池模组的冷却液，具有高安全性及高效散热性，通过设置流动有液冷介质的液冷板，对电池模组进行直接降温，提升电池模组的散热能力。本发明通过监控电池的温度对液冷板液冷介质的流速进行调节，控制电池的温度在合理的工作区间内。

Description

一种浸没式液冷散热模组及散热方法

技术领域

本发明属于电池储能系统集成与应用热管理与安全领域，具体而言，涉及一种浸没式液冷散热模组及散热方法，适用于高压电池系统的集成散热。

背景技术

储能系统作为灵活调度资源，参与新能源消纳、电力系统运行和安全稳定控制，发挥了显著作用。其中电化学储能是目前发展最快、应用最广的储能技术之一。然而锂离子电池存在本征安全问题，考虑到现有储能系统存在散热能力不足及电池温度分布均一性较差等问题，有一定风险造成其发生热失控事故。因而需要有效提升电池冷却系统的散热能力，保证电池模组具有一定的均一性，提升储能系统的安全性。

目前电池系统常用集成冷却方式有空气冷却、液冷、相变冷却等。其中空气冷却造价最低、技术最成熟，空气冷却是以空气为介质对电池系统进行散热，通过空气与电池表面接触进行对流换热来降低电池组表面温度，具有结构简单、成本低及易于维护等优点，是目前应用最广泛的冷却方法。空气冷却有自然对流和强制对流两种对流换热方式，由于空气的粘度低，导热系数小，相较于强制对流，自然对流所能带走的热量较少，空气换热系数小、效率低、受环境因素影响大，在大型储能系统中应用对电池温度一致性的控制效果有限，欲增强降温及温场均匀效果，需要降低空气初始温度、增大空气流量，造成散热系统功耗增加、噪音增大、效率降低，散热效果有限，研究与应用较少。

液体冷却方法以液体作为传热介质与电池表面进行热交换来降低电池表面的温度，将热导率较高的液体充满于排布在电池间隙的管道或冷板间接与电池接触对电池进行降温。液冷系统复杂的管道结构以及与电池紧密贴合的应用属性，将极大的提升高压电池系统内电场的不均匀分布，并改变电池对地寄生参数，增加电弧与共模干扰风险；采用水作为冷却介质的液冷系统产生的水汽附着在绝缘介质表面，极不均匀电场下容易引发沿面闪络，进而引发绝缘损伤与安全事故。液冷相较于空冷成本较高、结构更加复杂，但可以更好地改善电池系统均一性并控制电池的温升；相变材料冷却虽然可以实现较好的温度控制，但因为造价高、应用技术不成熟等问题，尚处于实验室验证阶段。

发明内容

为了有效提升电池冷却系统的散热能力，提升储能系统的温度均一性，降低电池因为可能的热失控问题造成的财产损失与人员伤亡，本发明目的是提供一种浸没式液冷散热模组及散热方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种浸没式液冷散热模组，包括箱体；所述箱体的底部与侧壁中至少一面开口，开口处设置有液冷板，所述液冷板与箱体形成密闭结构，所述箱体内设置有电池模组，所述箱体内填充有用于浸没所述电池模组的冷却液，所述液冷板中通入有液冷介质。

进一步的，所述箱体顶部开设有用于补充冷却液的补液口；所述冷却液的高度高于电池模组的电池的安全阀。

进一步的，所述冷却液为氟化液；所述液冷介质为去离子水、水-乙二醇混合溶液或矿物质导热油。

进一步的，所述液冷板一端开设有进液口，另一端开设有出液口，液冷板内设置有蛇形冷却管路，蛇形冷却管路一端与进液口相连通，另一端与出液口相连通；所述进液口连接有水冷机。

进一步的，所述液冷介质温度超过20℃时，通过水冷机将液冷介质降温至16-20℃，液冷介质温度低于16℃时，通过水冷机将液冷介质升温至16-20℃；所述进液口处设置有流量泵和流量计。

进一步的，所述电池模组的电池的极耳处设置有温度探测器。

进一步的，当电池模组为串联时，至少每相邻两块电池的极耳处布置有一个温度探测器，当电池模组为并联时，至少每组并联的电池中一块电池的极耳处布置一个温度传感器。

进一步的，所述浸没式液冷散热模组还包括控制模块，温度探测器与控制模块相连，控制模块用于根据温度探测器的探测温度控制流量泵。

进一步的，液冷板为平板结构，上表面和下表面均匀分布多个翅片，上表面的翅片浸入箱体内冷却液中，下表面翅片连接有制冷设备。

一种浸没式液冷散热方法，基于上述的一种浸没式液冷散热模组，包括以下步骤：

将电池模组浸没在冷却液中，并向电池模组的冷却板中通入液冷介质，当电池模组的温度高于基准值时，每超过1℃，流入液冷板的液冷介质的流量提升1-5L/min；当电池模组的温度低于基准值，每降低1℃，流入液冷板的液冷介质的流量降低0.1-1L/min。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过将电池模组浸没在冷却液中，采用直接接触式液冷方式，大幅提升热交换及冷却效率；本发明在直接接触式液冷方式的基础上引入液冷板，对冷却液和电池模组进行降温，提升电池的散热效率。

进一步的，采用氟化液、导热油或硅油作为冷却液，由于冷却液具有高热稳定性、高沸点且绝缘，在提升电池与外界热交换能力的同时可以有效抑制电池发生热失控后的燃烧等情况。冷却液为耐高温高比热容材料，具有持续降温和氧气隔绝作用，可有效防范电池热失控和火灾风险。

进一步的，并通过调节液冷板进水口的散热模组的流速，从而实现对电池模组温度的控制，将电池温度控制在合理范围之内。

本发明通过在箱体内填充有用于浸没电池模组的冷却液，具有高安全性及高效散热性，通过设置流动有液冷介质的液冷板，对电池模组进行直接降温，提升电池模组的散热能力。本发明通过监控电池的温度对液冷板液冷介质的流速进行调节，控制电池的温度在合理的工作区间内。

附图说明

图1为封闭式液冷电池模组示意图。

图2为液冷电池模组的内部电池排列方式示意图。

图3为液冷电池模组引入直接接触式冷却剂示意图。

图4为液冷板示意图。

图5为液冷电池模组仿真温度-时间曲线图。

图中，1为箱体，2为液冷板，3为进液口，4为电池模组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明的一种浸没式液冷散热模组，包括箱体1，箱体1内设置有电池模组4，每个电池模组4包括若干电池。箱体1顶部开设有一个可闭合的补液口，用于查看模组冷却液的流量，当冷却液出现损耗时及时补液。

参见图1，所述箱体1的底部与侧壁中至少一面开口，开口处设置有液冷板2；液冷板2与箱体1形成密闭结构。为了防止与电池直接接触的冷却液因蒸发出现耗散，箱体1与液冷板2形成的空间采用全封闭式的方式。

参见图3，本发明中以箱体1的底部开口为例进行说明。液冷板2设置在箱体1底部，箱体1内设置有电池模组4，电池模组4设置在液冷板2上，箱体1内填充有冷却液，电池模组4浸没在冷却液中，考虑到电池正常工况下温度应当小于45℃，冷却液选择沸点高于该温度的绝缘性液体作为冷却液，冷却液为氟化液。对于冷却液的使用量，应当保证其没过电池模组4的电池的安全阀。

参见图2，液冷板2中通入有液冷介质，液冷板的一端开设有进液口3，另一端开设有出液口。参见图4，液冷板2内设置有蛇形冷却管路，蛇形冷却管路一端与进液口相连通，另一端与出液口相连通。液冷介质从进液口3进入液冷板中，对电池模组4冷却后，从出液口排出。

液冷板2为平板结构，上表面和下表面均匀分布多个翅片，上表面翅片浸入箱体1内冷却液中，下表面翅片与外部制冷设备相连，与外界进行热交换，

水-乙二醇混合溶液中水与乙二醇的体积比可以为任意体积比。

本发明中电池模组4采用浸没式液冷的方式，将电池模组4内全部电池浸没在冷却液中，并引入液冷板同时对冷却液及电池模组4的电池进行降温。

在每个电池模组4液冷板的进液口3处设置有流量泵和流量计，该流量计有自动和手动两种控制方式。

对于本发明的液冷板，所选用的液冷介质可以从去离子水、水-乙二醇混合溶液或矿物质导热油中选择。为了将电池温度控制在合理的温度范围内，对流入液冷板的液冷介质，液冷板中的液冷介质的温度应当控制在18±2℃，进液口3连接有水冷机，当为液冷板提供循环功率的水冷机中的液冷介质温度超过20℃后对液冷介质进行降温，当水冷机中的液冷介质温度低于16℃后水冷机对液冷介质进行升温，直至温度重新达到18±2℃。并且通过对电池温度的监控，可以实时调整与进液口3相连的流量泵，进而控制进液口3处液冷介质的流量。

对于本发明的液冷板2，采用控制水冷机功率的方式调整进入电池模组4液冷板的液冷介质的流速，从而控制电池模组4的温度在合理的工作范围。对于电池模组4内电池的温度范围区间，应当通过仿真实验求得，通常取电池温度稳定后3个循环温度的平均值作为基准值，当电池模组4的温度高于基准值，每超过1℃流入液冷板的液冷介质的流量提升1-5L/min，直到水冷机的功率达到上限。当电池模组4的温度低于基准值，每降低1℃流入液冷板的液冷介质的流量降低0.1-1L/min，直至降低至无液冷介质流入液冷板。

考虑到本发明中需要对电池的温度进行监控，需要引入温度探测器，温度探测器的位置应置于电池的极耳处，当电池模组4的连接方式中只有串联，至少每相邻两块电池的极耳处应布置一个温度探测器，当电池模组4的连接方式存在并联连接，至少每个并联的部分应当在其中一块电池的极耳处布置一个温度传感器。

本发明的浸没式液冷散热模组还包括控制模块，温度探测器与控制模块相连，控制模块用于根据温度探测器的探测温度控制流量泵。

浸没式液冷散热方法为：将电池模组浸没在冷却液中，并向冷却板中通入有液冷介质，当电池模组4的温度高于基准值时，每超过1℃，流入液冷板2的液冷介质的流量提升1-5L/min；当电池模组4的温度低于基准值，每降低1℃，流入液冷板2的液冷介质的流量降低0.1-1L/min。

实施例1

本散热模组中，选用60Ah的磷酸铁锂电池，通过2并16串进行成组，对于温度探测器的布置，每2块并联的电池负极极耳处布置一个温度传感器。电池在延最大接触面的方向间距为3mm，电池与模组外壁的间距为5mm，模组顶端到电池连接片的最短距离为10mm，所使用的直接接触式冷却液为氟化液，用量为5L，所使用的冷却为水-乙二醇溶液，进口流速为1.5L/min。

在Fluent软件中带入测量的电池发热功率数据，将环境初始温度设置在18℃，经过6个循环后，从图5可以看到，电池模组中电池的平均温度在26℃左右，温度上升最高的电池约上升10℃达到28℃，电池间温差较小，最大温差约2℃，模组一致性较好。

本发明采用浸没式液冷与液冷板冷却相结合的方式，在有效提升电池散热能力保证电池模组内电池温场一致性的同时，采用的冷却液具有持续降温和氧气隔绝作用，可有效防范电池热失控和火灾风险；本发明采用结合模组内电池温度场的变化情况控制流入液冷板的液冷介质的流速，可以进一步控制电池模组的温度保持在正常工作区间，提升模组的安全性。

本发明可以有效提升储能系统的散热能力及电池间一致性，降低电池发生热失控所造成的危害，提高系统的安全性，是未来储能冷却系统的一个发展方向。

Claims (10)

1.一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，包括箱体(1)；所述箱体(1)的底部与侧壁中至少一面开口，开口处设置有液冷板(2)，所述液冷板(2)与箱体(1)形成密闭结构，所述箱体(1)内设置有电池模组(4)，所述箱体(1)内填充有用于浸没所述电池模组(4)的冷却液，所述液冷板(2)中通入有液冷介质。

2.根据权利要求1所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，所述箱体(1)顶部开设有用于补充冷却液的补液口；所述冷却液的高度高于电池模组(4)的电池的安全阀。

3.根据权利要求1所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，所述冷却液为氟化液；所述液冷介质为去离子水、水-乙二醇混合溶液或矿物质导热油。

4.根据权利要求1所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，所述液冷板(2)一端开设有进液口(3)，另一端开设有出液口，液冷板(2)内设置有蛇形冷却管路，蛇形冷却管路一端与进液口相连通，另一端与出液口相连通；所述进液口(3)连接有水冷机。

5.根据权利要求4所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，所述液冷介质温度超过20℃时，通过水冷机将液冷介质降温至16-20℃，液冷介质温度低于16℃时，通过水冷机将液冷介质升温至16-20℃；所述进液口(3)处设置有流量泵和流量计。

6.根据权利要求1所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，所述电池模组(4)的电池的极耳处设置有温度探测器。

7.根据权利要求6所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，当电池模组(4)为串联时，至少每相邻两块电池的极耳处布置有一个温度探测器，当电池模组(4)为并联时，至少每组并联的电池中一块电池的极耳处布置一个温度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，所述浸没式液冷散热模组还包括控制模块，温度探测器与控制模块相连，控制模块用于根据温度探测器的探测温度控制流量泵。

9.根据权利要求1所述的一种浸没式液冷散热模组，其特征在于，液冷板(2)为平板结构，上表面和下表面均匀分布多个翅片，上表面的翅片浸入箱体(1)内冷却液中，下表面翅片连接有制冷设备。

10.一种浸没式液冷散热方法，其特征在于，基于权利要求1至9中任一项所述的一种浸没式液冷散热模组，包括以下步骤：

将电池模组浸没在冷却液中，并向电池模组的冷却板中通入液冷介质，当电池模组(4)的温度高于基准值时，每超过1℃，流入液冷板(2)的液冷介质的流量提升1-5L/min；当电池模组(4)的温度低于基准值，每降低1℃，流入液冷板(2)的液冷介质的流量降低0.1-1L/min。

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