CN115224389A - 具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，包括膨胀水箱(1)、泵(2)、液冷板(3)和换热器(4)，液冷板(3)内部设有换热管路且上部放置电池包(5)，电池包(5)分为若干个含温度传感器(6)的分区，液冷板(3)内的换热管路由进口母管(8)、出口母管(9)以及若干换热支管(10)构成，每一个电池包(5)分区的正下方均设有与之对应的换热支管(10)，液冷系统内充有磁流体。本发明还提供该系统控制方法，每隔一定的时间间隔，找出温度值偏低的电池包(5)分区，并使该电池包(5)分区所对应的换热支管(10)上设有的电磁铁(11)持续通电，吸附流经该换热支管(10)的磁流体使之流动减缓以实现热均衡。本发明的液冷系统结构简单，运行高效稳定，对应的控制方法高效方便，灵活性好。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统及控制方法。
背景技术
锂离子电池经常以电池包的形式广泛用于电动汽车、储能系统等国民经济各个部门和居民生活领域。锂离子电池包充放电过程产生热量，故通常需要冷却系统及时导走产热以保证电池包的安全稳定性能。其中液冷是电池包最为常见的冷却形式之一。对于液冷系统，一方面需要保证电池包的温度处于安全值以下，避免热失控；另一方面需要尽量使电池包各处温度保持较小的差异，以保证电池包内各电池单体工作时的一致性。目前公知的液冷系统可使用空调或冷水机组提供低温冷媒，使冷媒与冷却液在换热器中换热以保证较低的冷却液温度，通常情况下可以较好地杜绝电池包出现温度过高现象。但是，在保证电池包各处温度一致性方面却存在较大的难度，尤其是当电池包较大时，液冷系统中难免出现上游温度低、下游温度高的现象，且各电池单体的产热量也存在一定的差异。对于这一难题，当前公知的技术一般是在液冷系统中增设若干带阀门的热均衡回路，当某处温度过高时则启动该区域的阀门使得该区域的热均衡回路中流通冷却液，强化该区域的换热。这种方法需要大量管路和阀门，这一方面增加了管路系统的成本和复杂性，另一方面阀门的频繁启闭带来机械磨损，容易出现阀门损坏和漏液等故障。
因此，亟待提出新的具有热均衡功能的电池包液冷系统及其控制方法，不依赖机械调节方式来实现液冷系统热均衡，达到结构简单紧凑、调节方便灵活、运行高效稳定的目的。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种不依赖机械调节方式、结构简单紧凑、调节方便灵活、运行高效稳定的、具有热均衡功能的电池包液冷系统及其控制方法。
根据本发明的一个方面，提供一种具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，包括膨胀水箱、泵、液冷板和换热器，所述液冷板内部设有换热管路，所述膨胀水箱、泵、液冷板内的换热管路和换热器依次通过管道连通并构成液冷管路系统；所述液冷板上部放置电池包以吸收电池包的热量，实现电池包的冷却，所述电池包在水平方向分为若干个分区且每个分区在液冷板上的投影面积大致相等，每个电池包的分区内均设有1个温度传感器，所有温度传感器均与控制器电性连接；所述液冷板内的换热管路由进口母管、出口母管以及两端分别连通进口母管和出口母管的若干换热支管构成；所述进口母管通过管道与泵连通，所述出口母管通过管道与换热器连通；所述换热支管的数目和电池包的分区数目相等，且每一个电池包分区的正下方均设有与之对应的换热支管；每一个换热支管的外壁上均设有一个与传感器电性连接的电磁铁；所述膨胀水箱、泵、换热器和换热管路中填充有磁流体。
上述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，所述磁流体为磁性微纳米颗粒悬浮在水中所形成的具有磁性的胶体悬浊液。
优选地，所述磁性微纳米颗粒为粒径在3至15纳米的四氧化三铁。
上述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，所述液冷板和换热支管中均不含铁磁性物质。
优选地，所述液冷板和换热支管由铝制成，且换热支管的壁厚在0.5毫米至2毫米之间。
根据本发明的另一个方面，提供一种应用于上述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统的控制方法，液冷系统工作时，所有电磁铁默认处于不通电状态，每隔一定的时间间隔，通过控制器执行以下控制：控制器通过温度传感器采集每一个电池包分区的温度值并计算得到各温度值的平均值μ和标准差σ；找出温度值小于或等于μ-kσ的电池包分区，并使该电池包分区所对应的换热支管上设有的电磁铁持续通电，直到该电池包分区的温度值大于μ-kσ后才将与之对应的换热支管上设有的电磁铁恢复至不通电状态；其中k的取值在0.5至3.5之间。
本发明的有益效果在于：本发明充分利用了磁流体的性质，即当周围没有磁场时，磁流体就像普通的液体一样；但当装有磁流体的容器放到强磁场旁边时，磁流体表面就会变硬被受到磁力吸附。根据这一原理，若电池包的某个分区温度过低，则使该分区正下方对应的换热支管上的电磁铁通电产生磁场，对流经该换热支管的磁流体形成磁力吸附作用，进而增大了这一局部的流动阻力损失，导致该换热支管内的磁流体流速减缓，换热效果减弱；相应地，其他换热支管分配的磁流体流量就会适当增加并起到一定的强化换热作用。而电池包的所有分区均不存在温度过低的现象时，所有电磁铁均不通电，不产生磁场，磁流体内的微观颗粒只是存在强烈的布朗运动，能够保持悬浮而不聚沉，与普通冷却液没有明显差别。因此，本发明的液冷系统可不依赖机械调节方式来实现液冷系统热均衡，调节过程无机械磨损，无漏液风险，不需要增设专门的热均衡管路，除了电磁铁通电时增大冷却液局部阻力损失外，不带来其他的额外流动损失，整个液冷系统结构简单紧凑、调节方便灵活、运行高效稳定。
附图说明
图1为本发明实施例中具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统的结构示意图，图中1为膨胀水箱1、2为泵、3为液冷板、4为换热器、5为电池包、6为温度传感器、7为控制器。
图2为图1中液冷板3内的换热管路的结构示意图，图中7为控制器、8为进口母管、9为出口母管、10为换热支管、11为电磁铁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1至图2所示，一种具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，包括膨胀水箱1、泵2、液冷板3和换热器4，所述液冷板3内部设有换热管路，所述膨胀水箱1、泵2、液冷板3内的换热管路和换热器4依次通过管道连通并构成液冷管路系统；所述液冷板3上部放置电池包5以吸收电池包5的热量，实现电池包5的冷却，所述电池包5在水平方向分为若干个分区且每个分区在液冷板3上的投影面积大致相等，每个电池包5的分区内均设有1个温度传感器6，所有温度传感器6均与控制器7电性连接；所述液冷板3内的换热管路由进口母管8、出口母管9以及两端分别连通进口母管8和出口母管9的若干换热支管10构成；所述进口母管8通过管道与泵2连通，所述出口母管9通过管道与换热器4连通；所述换热支管10的数目和电池包5的分区数目相等，且每一个电池包5分区的正下方均设有与之对应的换热支管10；每一个换热支管10的外壁上均设有一个与传感器6电性连接的电磁铁11；所述膨胀水箱1、泵2、换热器4和换热管路中填充有磁流体。
上述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，所述磁流体为磁性微纳米颗粒悬浮在水中所形成的具有磁性的胶体悬浊液。
优选地，所述磁性微纳米颗粒为粒径在3至15纳米的四氧化三铁。
上述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，所述液冷板3和换热支管10中均不含铁磁性物质。
优选地，所述液冷板3和换热支管10由铝制成，且换热支管10的壁厚在0.5毫米至2毫米之间。
应用于上述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统的控制方法，液冷系统工作时，所有电磁铁11默认处于不通电状态，每隔一定的时间间隔，通过控制器7执行以下控制：控制器7通过温度传感器6采集每一个电池包5分区的温度值并计算得到各温度值的平均值μ和标准差σ；找出温度值小于或等于μ-kσ的电池包5分区，并使该电池包5分区所对应的换热支管10上设有的电磁铁11持续通电，直到该电池包5分区的温度值大于μ-kσ后才将与之对应的换热支管10上设有的电磁铁11恢复至不通电状态；其中k的取值在0.5至3.5之间。
实施例
某储能用磷酸铁锂锂离子电池包液冷系统，其结构示意见图1和图2，图2中的箭头用于表示磁流体的流入和流出方向。电池包5分为4个分区，各分区的编号依次记为1#、2#、3#和4#，每个分区设有1个温度传感器6并对应1个换热支管10，每个换热支管10在距离进口母管8的一半换热支管10长度处设有1个电磁铁11。为了观察方便，图2中只绘制2个换热支管10，实际上进口母管8和出口母管9之间并联有4个换热支管10，每个换热支管10以蛇形管形式以提供充足的换热面积。换热器4的内部有冷媒流过以磁流体换热，换热器4内部的冷媒通过管路与外部压缩机和散热器等形成制冷回路。
本实施例中，k的取值为1.5。某时刻，1#、2#、3#和4#电池包分区内的温度采集值分别为46.0℃、52.0℃、53.0℃和52.0℃，四者的平均值μ＝50.8℃，标准差σ＝2.8℃，故μ-kσ＝46.6℃。由于1#电池包分区内的温度采集值小于μ-kσ，故使1#电池包分区所对应的换热支管10上设有的电磁铁11持续通电并对该处的磁流体产生磁力吸附作用，使得服务于1#电池包分区的流量减小，换热效果减弱以使1#电池包分区的温度逐渐升高，而其他电磁铁11保持原来默认的不通电状态。
一段时间后，1#、2#、3#和4#电池包分区内的温度采集值分别为51.9℃、51.8℃、52.1℃和52.3℃，四者的平均值μ＝52.0℃，标准差σ＝0.2℃，故μ-kσ＝51.7℃，所有电池包分区内的温度采集值均大于μ-kσ，故所有电磁铁11均保持默认的不通电状态。
本实施例充分利用了磁流体的性质，即当周围没有磁场时，磁流体就像普通的液体一样；但当装有磁流体的容器放到强磁场旁边时，磁流体表面就会变硬被受到磁力吸附。根据这一原理，若电池包的某个分区温度过低，则使该分区正下方对应的换热支管上的电磁铁通电产生磁场，对流经该换热支管的磁流体形成磁力吸附作用，进而增大了这一局部的流动阻力损失，导致该换热支管内的磁流体流速减缓，换热效果减弱；相应地，其他换热支管分配的磁流体流量就会适当增加并起到一定的强化换热作用。而电池包的所有分区均不存在温度过低的现象时，所有电磁铁均不通电，不产生磁场，磁流体内的微观颗粒只是存在强烈的布朗运动，能够保持悬浮而不聚沉，与普通冷却液没有明显差别。因此，本发明的液冷系统可不依赖机械调节方式来实现液冷系统热均衡，调节过程无机械磨损，无漏液风险，不需要增设专门的热均衡管路，除了电磁铁通电时增大冷却液局部阻力损失外，不带来其他的额外流动损失，整个液冷系统结构简单紧凑、调节方便灵活、运行高效稳定。
Claims (4)
1.一种具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，其特征在于，包括膨胀水箱(1)、泵(2)、液冷板(3)和换热器(4)，所述液冷板(3)内部设有换热管路，所述膨胀水箱(1)、泵(2)、液冷板(3)内的换热管路和换热器(4)依次通过管道连通并构成液冷管路系统；所述液冷板(3)上部放置电池包(5)以吸收电池包(5)的热量，实现电池包(5)的冷却，所述电池包(5)在水平方向分为若干个分区且每个分区在液冷板(3)上的投影面积大致相等，每个电池包(5)的分区内均设有1个温度传感器(6)，所有温度传感器(6)均与控制器(7)电性连接；所述液冷板(3)内的换热管路由进口母管(8)、出口母管(9)以及两端分别连通进口母管(8)和出口母管(9)的若干换热支管(10)构成；所述进口母管(8)通过管道与泵(2)连通，所述出口母管(9)通过管道与换热器(4)连通；所述换热支管(10)的数目和电池包(5)的分区数目相等，且每一个电池包(5)分区的正下方均设有与之对应的换热支管(10)；每一个换热支管(10)的外壁上均设有一个与传感器(6)电性连接的电磁铁(11)；所述膨胀水箱(1)、泵(2)、换热器(4)和换热管路中填充有磁流体。
2.权利要求1所述的具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，其特征在于，所述磁流体为磁性微纳米颗粒悬浮在水中所形成的具有磁性的胶体悬浊液。
3.权利要求1所述的具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统，其特征在于，所述液冷板(3)和换热支管(10)中均不含铁磁性物质。
4.应用于权利要求1-3任意一项所述具有热均衡功能的锂离子电池包液冷系统的控制方法，其特征在于，液冷系统工作时，所有电磁铁(11)默认处于不通电状态，每隔一定的时间间隔，通过控制器(7)执行以下控制：控制器(7)通过温度传感器(6)采集每一个电池包(5)分区的温度值并计算得到各温度值的平均值μ和标准差σ；找出温度值小于或等于μ-kσ的电池包(5)分区，并使该电池包(5)分区所对应的换热支管(10)上设有的电磁铁(11)持续通电，直到该电池包(5)分区的温度值大于μ-kσ后才将与之对应的换热支管(10)上设有的电磁铁(11)恢复至不通电状态；其中k的取值在0.5至3.5之间。
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