CN114497811B - 低能耗电池热管理系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低能耗电池热管理系统及其工作方法，包括电池管理系统，所述电池管理系统分别连接蒸发冷却电池箱装置、气相循环装置、气相散热冷凝装置、制冷剂储存供给装置，获取其运行数据控制系统的启闭；所述蒸发冷却电池箱装置的侧出口通过渐缩喷嘴与气相循环装置连通；所述气相循环装置的离心式压气机通过散热器与气相散热冷凝装置连通；所述气相散热冷凝装置分别通过气相管路和液相管路与制冷剂存储供给装置的制冷剂存储罐连通；所述制冷剂存储供给装置通过进液管路连接蒸发冷却电池箱装置的侧入口；本发明能够自动调节单体电池的冷却强度，保证电池箱内温度均匀性；根据周围的环境条件，通过饱和蒸汽压调整冷却温度和冷却强度，降低了能耗。

Description

低能耗电池热管理系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及储能电池热管理技术领域，特别是涉及一种低能耗电池热管理系统及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着新能源汽车保有量的增加，大量车用动力电池退役，退役电池如果处理不当，会造成环境污染、带来安全隐患，贻害无穷。为了提高材料的利用能效，电力部门和各研究机构将退役电池作为储能单元进行梯级利用。

但是经过车辆使用的退役电池内部状态与设计新电池差异很大，不同电池单体在放电过程中由于电池健康状态不同，产生的热量差别较大，且缺乏一定的规律性。由于单体电池需要的冷却强度差别较大，传统的风冷、冷板液冷、直冷方式、热管及相变热管理系统对每节电池的冷却能力差别较小，且不能根据电体电池的温度变化灵活的调整冷却强度。无法满足电池箱内多组电池的均匀冷却要求，极易导致电池过冷浪费能源，或者某节电池冷却不良出现热失效导致爆炸等安全隐患。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种低能耗电池热管理系统及其工作方法，能够自动调节单体电池的冷却强度，保证电池箱内的温度均匀性；系统能够根据周围的环境条件，通过饱和蒸汽压调整冷却温度和冷却强度，常规使用过程中热管理系统能够实现自循环不需要消耗电能，降低了能耗；该系统在电池大负荷使用或者电池产热量异常时能够迅速切换为强制冷却循环，强化冷却，保证了退役电池梯级使用的安全性，解决现有电池冷热管理系统在退役储能电池箱冷却过程中存在的冷却不均匀、能耗高及存在较大安全隐患的问题。

第一方面，本发明提供了一种低能耗电池热管理系统，包括电池管理系统，所述电池管理系统分别连接蒸发冷却电池箱装置、气相循环装置、气相散热冷凝装置、制冷剂储存供给装置，获取其运行数据控制系统的启闭；

所述蒸发冷却电池箱装置的侧出口通过渐缩喷嘴与气相循环装置连通；所述气相循环装置的离心式压气机通过散热器与气相散热冷凝装置连通；所述气相散热冷凝装置分别通过气相管路和液相管路与制冷剂存储供给装置的制冷剂存储罐连通；所述制冷剂存储供给装置通过进液管路连接蒸发冷却电池箱装置的侧入口。

进一步地，所述蒸发冷却箱装置包括箱体以及箱体内的多个储能电池，所述多个储能电池通过多孔板固定在箱体内部，且箱体内部装有制冷剂。

进一步地，所述箱体底端侧面开设有侧入口，所述箱体的顶端侧面还开设有侧出口。

进一步地，多个所述储能电池通过电池均衡器与电池管理系统连接；每个所述储能电池的侧面固定有温度传感器，所述温度传感器还与电池均衡器连接。

进一步地，所述侧出口的下方还固定有电池箱温度传感器和电池箱压力传感器，所述电池箱温度传感器和所述电池箱压力传感器与电池管理系统连接。

进一步地，所述气相循环装置包括渐缩喷嘴、可调压单向阀、电控旁通阀以及离心式压气机，所述渐缩喷嘴通过主循环气路与可调压单向阀连通，所述可调压单向阀的两端连通有旁通管路，所述旁通管路上连接有电控旁通阀；

所述可调压单向阀通过主循环气路与离心式压气机连通。

进一步地，所述气相散热装置包括风扇、液相管路、散热器以及气相管路，所述散热器的输入端与所述气相循环装置的离心式压气机连通，所述散热器的第一输出端通过气相管路与制冷剂存储罐的顶端连通，所述散热器的第二输出端通过液相管路与制冷剂存储罐的侧面连通。

进一步地，所述散热器和制冷剂存储罐之间还设置有风扇，所述风扇支座上安装环境温度传感器，风扇与环境温度传感器通过控制线路与电池管理系统连接。

进一步地，所述制冷剂存储供给装置包括制冷剂存储罐、进液管路以及电控截止阀，所述电控截止阀设置在进液管路上，所述电控截止阀与电池管理系统连接；

所述制冷剂存储罐的侧面还固定有存储罐温度传感器以及存储罐压力传感器，所述存储罐温度传感器和所述存储罐压力传感器与电池管理系统连接。

第二方面，本发明提供了一种低能耗电池热管理系统的工作方法，包括：

电池放电发热导致蒸发冷却电池箱装置内的液态制冷剂蒸发变成气相制冷剂，电池管理系统采集蒸发冷却电池箱装置的压力值，当蒸发冷却电池箱装置的压力值达到可调压单向阀的开启压力后，电池管理系统控制可调压单向阀开启；

气相制冷剂经主循环气路，流经离心式压气机，进入散热器，散热器向周围散失制冷剂带出的热量，部分制冷剂液化使散热器内的压力降低，维持气相制冷剂的自动循环，冷凝后的液相制冷剂由散热器下侧的液相管路流入制冷剂存储罐，未液化的制冷剂经上部气相管路进入制冷剂存储罐；当散热器散热能力不足时电池管理系统根据需求开启风扇，并调节风扇转速改变风量；制冷剂存储罐内的制冷剂由进液管路进入蒸发冷却电池箱装置的箱体内，不断自动循环实现冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过蒸发冷却电池箱装置安放储能电池并在电池之间分配制冷剂并通过直接蒸发的方式带走电池放热过程中产生的热量，将电池放热过程中产生的热量经气相循环装置的主循环气路，流经离心式压气机，进入气相散热装置的散热器，蒸发冷却电池箱装置与电池管理系统的通讯能够自动调节单体电池的冷却强度，保证电池箱内的温度均匀性。

2、本发明气相循环装置实现气相组分在压差作用下的自循环，并根据不同电池理想工作温度范围调整电池箱内制冷剂的气相组分的饱和压力，进而调整制冷剂的温度和冷却能力，在外界环境温度高于电池工作温度范围时启动离心式压气机提高气相压力，实现散热，电池箱维护时回收制冷剂，能够根据周围的环境条件，通过饱和蒸汽压调整冷却温度和冷却强度，常规使用过程中热管理系统能够实现自循环不需要消耗电能，降低了能耗；在电池大负荷使用或者电池产热量异常时能够迅速切换为强制冷却循环，强化冷却，保证了退役电池梯级使用的安全性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中所述的低能耗电池热管理系统的结构示意图；

图中：

储能电池1、多孔板2、薄片型温度传感器3、电池箱4、进液管路5、电控截止阀6、电池管理系统7、制冷剂存储罐8、制冷剂9、环境温度传感器11、风扇12、液相管路13、散热器14、气相管路15、离心式压气机16、主循环气路17、存储罐温度传感器18、存储罐压力传感器19、电控旁通阀20、可调压单向阀21、旁通管路22、渐缩喷嘴23、电池箱温度传感器24、电池箱压力传感器25、安全阀26、电池均衡器27。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种低能耗电池热管理系统，包括电池管理系统BMS，所述电池管理系统分别连接蒸发冷却电池箱装置、气相循环装置、气相散热冷凝装置、制冷剂储存供给装置，获取其运行数据控制系统的启闭；

所述蒸发冷却电池箱装置的侧出口通过渐缩喷嘴23与气相循环装置连通；所述气相循环装置的离心式压气机16通过散热器14与气相散热冷凝装置连通；所述气相散热冷凝装置分别通过气相管路15和液相管路13与制冷剂存储供给装置的制冷剂存储罐8连通；所述制冷剂存储供给装置通过进液管路5连接蒸发冷却电池箱装置的侧入口。

具体地，蒸发冷却电池箱装置包括储能电池1、多孔板2、薄片型温度传感器3、电池箱4、安全阀26，其功能是安放储能电池1并在电池之间分配制冷剂并通过直接蒸发的方式带走电池放热过程中产生的热量。所述蒸发冷却箱装置包括箱体以及箱体内的多个储能电池1，所述多个储能电池1通过多孔板固2定在箱体内部，且箱体内部装有制冷剂9；所述箱体底端侧面开设有侧入口，所述箱体的顶端侧面还开设有侧出口。

其中，多个所述储能电池通过电池均衡器27与电池管理系统连接；每个所述储能电池1的侧面固定有薄片型温度传感器3，所述薄片型温度传感器3还与电池均衡器27连接，所述侧出口的下方还固定有电池箱温度传感器24和电池箱压力传感器25，所述电池箱温度传感器24和所述电池箱压力传感器25与电池管理系统连接。

具体地，所述气相循环装置包括渐缩喷嘴23、可调压单向阀21、电控旁通阀20以及离心式压气机16，所述渐缩喷嘴23通过主循环气路17与可调压单向阀21连通，所述可调压单向阀21的两端连通有旁通管路22，所述旁通管路22上连接有电控旁通阀20；所述可调压单向阀21通过主循环气路17与离心式压气机16连通。

气相循环装置，其功能是正常使用过程中实现气相组分在压差作用下的自循环，并根据不同电池理想工作温度范围调整电池箱内制冷剂的气相组分的饱和压力，进而调整制冷剂的温度和冷却能力，在外界环境温度高于电池工作温度范围时启动离心式压气机提高气相压力，实现散热，电池箱维护时回收制冷剂。

具体地，所述气相散热装置包括风扇12、液相管路13、散热器14以及气相管路15，散失气相组分携带的热量，降低焓值冷凝；所述散热器14的输入端与所述气相循环装置的离心式压气机16连通，所述散热器14的第一输出端通过气相管路15与制冷剂存储罐8的顶端连通，所述散热器14的第二输出端通过液相管路13与制冷剂存储罐8的侧面连通，所述散热器14和制冷剂存储罐8之间还设置有风扇12，所述风扇12通过环境温度传感器11与电池管理系统连接。

具体地，所述制冷剂存储供给装置包括制冷剂存储罐8、进液管路5以及电控截止阀6，制冷剂存储供给装置主要用于存储制冷剂，并向电池箱提供冷凝后的制冷剂9；所述电控截止阀6设置在进液管路5上，所述电控截止阀6与电池管理系统连接；所述制冷剂存储罐8的侧面还固定有存储罐温度传感器18以及存储罐压力传感器19，所述存储罐温度传感器18和所述存储罐压力传感器19与电池管理系统连接。

BMS电池管理系统包括电池箱温度传感器24、电池箱压力传感器25、环境温度传感器11、存储罐温度传感器18、存储罐压力传感器19、电池均衡器27，功能是采集系统的温度、压力、电流、电压等运行参数，并根据设定的程序调整可调单向阀的开启压力，开启或关闭离心式压气机及冷却风扇的转速。

电池放电产生热量，使电池升温，电池周围的液态制冷剂蒸发变成气相，当电池箱上部的气相压力达到可调压单向阀21的开启压力后，气相制冷剂经主循环气路17，流经离心式压气机16，进入散热器14，散热器14向周围散失制冷剂9带出的热量，部分制冷剂9液化使散热器14内的压力降低，维持气相制冷剂的自动循环，冷凝后的液相制冷剂由散热器14下侧的液相管路13流入制冷剂存储罐8，未液化的制冷器上部气相管路15进入制冷剂存储罐8。当散热能力不足时电池管理系统根据需求开启风扇，并调节风扇12转速改变风量。制冷剂存储罐8内的制冷剂由进液管路5进入电池箱内，不断自动循环实现冷却。电池箱的上部气相区域到气相循环管路之间，由渐缩喷嘴23链接，使电池箱上部气相制冷剂流经喷嘴时加速，增加气相组分的自循环能力，并提高制冷剂的蒸发能力。

为了使系统可靠稳定运行：

气相循环管路中可调压单向阀21可以根据电池的工作温度需求及环境温度，通过控制系统调节弹簧的预紧力，调节单向阀的开启压力，使电池箱内的气相组分保持在设定的饱和压力，当包括压力一定时电池箱内的饱和温度一定，当外界环境温度较高时为了增加散热能力可以在电池的许用工作温度范围内提高饱和制冷剂的饱和温度。

气相循环管路上安装了电控旁通阀20，当电池箱需要维护，电控旁通阀开启，制冷剂存储罐和电池箱之间的电控截止阀关键，离心式压气机起动，电池箱内的制冷剂迅速蒸发，经散热器冷却变成液相后储存在制冷剂存储罐，降低了维护成本，节能减排。

电池在正常环境温度下，依靠制冷剂的饱和温度和外界环境温差可以实现制冷剂的散热降温液化，在特殊高温恶劣环境中实用时，外界环境温度高于电池的安全使用温度时，仅靠提高电池箱的饱和温度已经不能满足冷却要求，这时起动离心式压气机压缩气相制冷剂增加饱和压力、饱和温度，采用强制循环方式散热，保证电池使用过程中的安全性。

针对退役电池稳定性差的问题，电池箱上安全阀，安全阀和外界的大气相通，当BMS电池管理系统传感器监测到某单体电池出现不可控的温度升高，或者达到临界安全温度时，控制系统打开旁通阀，电池箱与外界相同，使制冷剂迅速蒸发降温，同时屏蔽异常电池单体，保证系统的安全性。

实施例二

本实施例提供了一种低能耗电池热管理系统的工作方法，包括：

电池放电发热导致蒸发冷却电池箱装置内的液态制冷剂蒸发变成气相制冷剂，电池管理系统采集蒸发冷却电池箱装置的压力值，当蒸发冷却电池箱装置的压力值达到可调压单向阀的开启压力后，电池管理系统控制可调压单向阀开启；

气相制冷剂经主循环气路，流经离心式压气机，进入散热器，散热器向周围散失制冷剂带出的热量，部分制冷剂液化使散热器内的压力降低，维持气相制冷剂的自动循环，冷凝后的液相制冷剂由散热器下侧的液相管路流入制冷剂存储罐，未液化的制冷剂经上部气相管路进入制冷剂存储罐；当散热器散热能力不足时电池管理系统根据需求开启风扇，并调节风扇转速改变风量；制冷剂存储罐内的制冷剂由进液管路进入蒸发冷却电池箱装置的箱体内，不断自动循环实现冷却。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低能耗电池热管理系统，其特征在于，包括电池管理系统，所述电池管理系统分别连接蒸发冷却电池箱装置、气相循环装置、气相散热冷凝装置、制冷剂储存供给装置，获取各个装置的运行数据控制各装置的运行；

所述蒸发冷却电池箱装置的侧出口通过渐缩喷嘴与气相循环装置连通；所述气相循环装置的离心式压气机通过散热器与气相散热冷凝装置连通；所述气相散热冷凝装置分别通过气相管路和液相管路与制冷剂存储供给装置的制冷剂存储罐连通；所述制冷剂存储供给装置通过进液管路连接蒸发冷却电池箱装置的侧入口；

所述蒸发冷却电池箱装置包括箱体以及箱体内的多个储能电池，所述多个储能电池通过多孔板固定在箱体内部，且箱体内部装有制冷剂；

所述气相循环装置包括渐缩喷嘴、可调压单向阀、电控旁通阀以及离心式压气机，所述渐缩喷嘴通过主循环气路与可调压单向阀连通，所述可调压单向阀的两端连通有旁通管路，所述旁通管路上连接有电控旁通阀；

所述可调压单向阀通过主循环气路与离心式压气机连通；

所述气相散热冷凝装置包括风扇、液相管路、散热器以及气相管路，所述散热器的输入端与所述气相循环装置的离心式压气机连通，所述散热器的第一输出端通过气相管路与制冷剂存储罐的顶端连通，所述散热器的第二输出端通过液相管路与制冷剂存储罐的侧面连通；

所述制冷剂存储供给装置包括制冷剂存储罐、进液管路以及电控截止阀，所述电控截止阀设置在进液管路上，所述电控截止阀与电池管理系统连接；

所述制冷剂存储罐的侧面还固定有存储罐温度传感器以及存储罐压力传感器，所述存储罐温度传感器和所述存储罐压力传感器与电池管理系统连接。

2.如权利要求1所述的一种低能耗电池热管理系统，其特征在于，所述箱体底端侧面开设有侧入口，所述箱体的顶端侧面还开设有侧出口。

3.如权利要求1所述的一种低能耗电池热管理系统，其特征在于，多个所述储能电池通过电池均衡器与电池管理系统连接；每个所述储能电池的侧面固定有温度传感器，所述温度传感器还与电池均衡器连接。

4.如权利要求2所述的一种低能耗电池热管理系统，其特征在于，所述侧出口的下方还固定有电池箱温度传感器和电池箱压力传感器，所述电池箱温度传感器和所述电池箱压力传感器与电池管理系统连接。

5.如权利要求1所述的一种低能耗电池热管理系统，其特征在于，所述散热器和制冷剂存储罐之间还设置有风扇，所述风扇支座上安装环境温度传感器，风扇与环境温度传感器通过控制线路与电池管理系统连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种低能耗电池热管理系统的工作方法，其特征在于，包括：

电池放电发热导致蒸发冷却电池箱装置内的液态制冷剂蒸发变成气相制冷剂，电池管理系统采集蒸发冷却电池箱装置的压力值，当蒸发冷却电池箱装置的压力值达到可调压单向阀的开启压力后，电池管理系统控制可调压单向阀开启；

气相制冷剂经主循环气路，流经离心式压气机，进入散热器，散热器向周围散失制冷剂带出的热量，部分制冷剂液化使散热器内的压力降低，维持气相制冷剂的自动循环，冷凝后的液相制冷剂由散热器下侧的液相管路流入制冷剂存储罐，未液化的制冷剂经上部气相管路进入制冷剂存储罐；当散热器散热能力不足时电池管理系统根据需求开启风扇，并调节风扇转速改变风量；制冷剂存储罐内的制冷剂由进液管路进入蒸发冷却电池箱装置的箱体内，不断自动循环实现冷却。