CN115513557A - 一种集装箱电池散热系统及其散热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集装箱电池散热系统，集装箱电池系统内部、沿其横向通过两道间隔设置的防火门一被划分为温控设备区、电池区和排风区三个区域，鼓风机、空调设置于温控设备区内，鼓风机安装于集装箱电池系统内底面上，空调安装于鼓风机上方，风道自鼓风机起始向上延伸经过空调后穿设于相近的一道防火门一到达电池区顶部，多个电池包间隔置于电池区内，电池区顶部的风道间隔开设有多个朝向电池包的出风口，排风区设有大排风口，大排风口开设于相近的另一道防火门一上。并公开了其散热方法。本发明有效提高冷风与电池包表面的接触效率，使电池包的最高温度明显下降，有效降低各个电池包之间的温差，提高了电池包整体工作的稳定性与安全性。

Description

一种集装箱电池散热系统及其散热方法
技术领域
本发明涉及一种散热系统，尤其是涉及一种集装箱电池散热系统及其散热方法。
背景技术
随着新能源船舶的不断进步，移动式换电系统越来越受关注。由于电池本身的发展受到技术条件的限制，单个电池包的容量上限已难以取得显著突破，因此，为了满足大功率船舶的航行需求，换电式集装箱电池系统应运而生，其内部集中布置有大量的电池包。而电池包的使用环境，特别是电池包的温度，对电池包的正常作业有着重要的影响，因此相关的温控系统的研究得到了广泛的关注。
目前的散热冷却方式主要包括空气冷却、水冷却、热管冷却和相变材料冷却，但是从经济实用性、可操控性以及安全性角度出发，空气冷却方法仍然是大规模电池包冷却的优先选择。空气冷却方案主要通过人工强迫散热的方式解决电池包产生的热量，因而散热系统的布置与风道的设计尤为关键。
例如，专利ZL.201821891143.6便提出了一种非常简单且常见的箱体顶部吹风、底部侧边出风的布置方案用以保证电池组运行中温度的均匀性，专利ZL.202023028042.6则更进一步提出了呈上下对称布置的换热系统，制热时冷气由上向下吹送，制热时暖气由下向上吹送，但是，上述专利提出的布置方案均没能够解决冷气或暖气在密集的电池包之间充分换热的问题，无法有效加速电池包表面空气流速，是一种实际使用效果较差的方案；发明申请CN202111069936.6提出了一种半封闭式电池模块散热结构，将每一个电池模块放置于一个出风口与进风口均设置有单向阀的封闭小箱体内，通过排风口布置的风扇使得电池模块内的风单向流动，该方案虽然能够较好解决电池模块的散热问题，但是该设置方案不仅极大的提高了整个电池系统的布置难度与布置成本，而且由于每个电池模块均存放于单独空间内，使得整个电池系统可有效存放的电池包数量明显减少，不适合进行推广使用。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种集装箱电池散热系统，有效的提高散热效果，并保证集装箱中电池包的数量最大化。并提供了其散热方法。
技术方案：一种集装箱电池散热系统，包括内部设有多个电池包的集装箱电池系统，还包括防火门一、鼓风机、空调、风道，集装箱电池系统内部、沿其横向通过两道间隔设置的防火门一被划分为温控设备区、电池区和排风区三个区域，鼓风机、空调设置于温控设备区内，鼓风机安装于集装箱电池系统内底面上，空调安装于鼓风机上方，风道自鼓风机起始向上延伸经过空调后穿设于相近的一道防火门一到达电池区顶部，鼓风机、空调的出风口分别与风道连通，多个电池包间隔置于电池区内，电池区顶部的风道间隔开设有多个朝向电池包的出风口，排风区设有大排风口，大排风口开设于相近的另一道防火门一上。
进一步的，本散热系统还包括防火门二、电池架，防火门二在电池区内部至少设有一个，使电池区内部分割成两个及以上的独立区域，每个独立区域内均设置有一排电池架，电池架为多层结构，每层均存放有电池包，每个电池架的上方均配合设置有一个出风口。
最佳的，出风口的送风角度θ为55°～65°。
进一步的，防火门二在电池区内与防火门一呈垂直设置，使每个独立区域内的电池架呈横排间隔排列。
进一步的，大排风口设置于相近的防火门一的中部并与电池区连通，大排风口的开口面积为所占防火门一面积的1/4～2/5。
进一步的，本散热系统还包括风扇，每个电池架的相邻两个电池包之间分别设有一个风扇，风扇安装于电池架靠近防火门二的一侧上，每个电池架的底部设有一个第二排风口，每个独立区域内的第二排风口通过连通管道依次连接汇集至大排风口，大排风口设置于相近的防火门一的中下部，连通管道穿设于对应的防火门一的下部并与大排风口连通。
最佳的，第二排风口的开口方向与出风口的方向相反。
进一步的，集装箱电池系统的内壁包裹有保温材料。
最佳的，所述保温材料为岩棉。
一种上述的集装箱电池散热系统的散热方法，包括以下步骤：
步骤一：空调根据当前集装箱电池系统内部的温度T0决定进行制冷或制热作业，若T0>T2则开启制冷模式，若T0<T2则开启制热模式，其中，T2为集装箱电池系统内部的目标温度；
步骤二：空调送风至风道内，鼓风机开启，使空调送出的风在风道内经由鼓风机的加速从电池区顶部的出风口吹出；
步骤三：出风口向对应的电池包吹风，且部分风在电池区内经壁面的反弹向着电池包之间的空隙中流过，最后统一从大排风口处流出集装箱电池系统，当达到集装箱电池系统内部的目标温度T2后，空调、鼓风机暂停作业。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
1、采用常规风冷散热的方式对集装箱电池系统进行散热，并且通过对出风口风向角度的调整与防火门对出风口流出的风进行反射，使集装箱内部的电池包表面与外界冷风充分接触，使得电池系统内部的散热更加充分。
2、为了满足更加严苛的使用需求，通过分析电池包的最高分度分布修改排风口的布置位置并增加局部散热风扇，有效提高了冷风与电池包表面的接触效率以及电池包表面的风速，使得电池包的最高温度明显下降，同时有效降低了各个电池包之间的温差，提高了电池包整体工作的稳定性与安全性。
3、本发明所设计的风冷散热方案均没有对电池系统本身做出较大程度的修改，而是针对排风口的布置与出风口风流出角度等参数进行调整来提高电池系统的散热效果，采用该风冷散热方案的经济效益较高。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是图1的G-G向剖视图之一；
图3是图1的H-H向剖视图之一；
图4是出风口送风角度的设定示意图；
图5是图1的G-G向剖视图之二；
图6是图1的H-H向剖视图之二；
图7为出风口不同送风角度电池包温度对比图之一；
图8为出风口不同送风角度电池包温度对比图之二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种集装箱电池散热系统，如图1～3所示，包括集装箱电池系统1、防火门一21、防火门二22、鼓风机3、空调4、风道5、出风口6、电池架7、电池包8、大排风口9，集装箱电池系统1的内壁包裹有保温材料，如岩棉等。
防火门一21设有两道，在集装箱电池系统1内部沿其横向间隔安装，使集装箱电池系统1内部划分为温控设备区、电池区和排风区三个区域，鼓风机3、空调4设置于温控设备区内，鼓风机3安装于集装箱电池系统1内底面上，空调4安装于鼓风机3上方，风道5自鼓风机3起始向上延伸经过空调4后穿设于相近的一道防火门一21到达电池区顶部，鼓风机3、空调4的出风口分别与风道5连通。
防火门二22、电池架7、电池包8设置于电池区内，防火门二22在电池区内部至少设有一个，使电池区内部分割成两个及以上的独立区域，每个独立区域内均设置有一排电池架7，电池架7为多层结构，每层均存放有电池包8，电池区顶部的风道5间隔开设有多个朝向电池包8的出风口6，即每个电池架7的上方均配合设置有一个出风口6，防火门二22在电池区内与防火门一21呈垂直设置，使每个独立区域内的电池架7呈横排间隔排列。出风口6的送风角度θ为55°～65°。
本发明的温控系统主要通过空调来实现对集装箱电池系统的散热，记每个电包8正常工作时的发热功率为p、集装箱中共有n个电池包、每个电池包有m个电芯、集装箱的表面积为A、集装箱表面温度极限值为T1、集装箱内目标温度为T2、集装箱保温材料的厚度为H、保温材料的导热系数为δ、集装箱电池系统设计裕度为k，得到整个集装箱的热负荷Q＝(p*n*m+δ*A*(T1-T2)/H)，因此需要空调4的总制热量R>δ*A*(T1-T2)/H，空调4的总制冷量C>Q。
排风区设有大排风口9，大排风口9开设于相近的另一道防火门一21上，用以排出电池区中的空气，实现集装箱电池系统内部的热交换。
大排风口9的设置形式有两种，一种为将大排风口9设置于相近的防火门一21的中部并与电池区连通，大排风口9的开口面积为所占防火门一21面积的1/4～2/5。
如图4所示，设出风口6的送风角度与垂直方向的夹角为θ，现有的设置角度通常为45°。在本发明的一个实施例中，记每个电池区内每个独立区域设置有六个电池架7，如图2、5所示，从左到右依次标记为A、B、C、D、E、F，每个电池架上设置有八个电池包8，电池包8从上到下依次标记为①～⑧。将通过分析得知靠近电池架中下方的电池包，即A⑥、A⑦、B⑥、B⑦、C⑥、C⑦、D⑥、D⑦、E⑥、E⑦、F⑥、F⑦，电池包在各个电池架上的温度相对最高，通过改变送风角度θ的取值，得到当θ＝55°～65°时集装箱内电池包的整体温度与散热效果最好，以θ＝60°为例，该对比例与现有技术的主要电池包对比如图7所示，其中A⑥、A⑦、B⑥、B⑦、C⑥、C⑦、D⑥、D⑦、E⑥、E⑦、F⑥、F⑦分别记作A6、A7、B6、B7、C6、C7、D6、D7、E6、E7、F6、F7，当送风角度θ＝60°时电池包表面最高温较常规实施例电池包表面最高温度降低3.5％，各电池包之间的最大温差降低了13.33％。
为了应对较为恶劣的工作环境，如长期在高温环境下行驶的船舶，其对集装箱电池系统的散热需求更加严苛。本发明基于前述送风角度θ＝60°的实施例提出了另一种强迫散热方案，提出了大排风口9的另一种设置形式，即大排风口9设置于相近的防火门一21的中下部，如图5和图6所示，在此形式下，本散热系统还包括风扇10，每个电池架7的相邻两个电池包8之间分别设有一个风扇10，风扇10安装于电池架7靠近防火门二22的一侧上，每个电池架7的底部设有一个第二排风口11，每个独立区域内的第二排风口11通过连通管道依次连接汇集至大排风口9，大排风口9设置于相近的防火门一21的中下部，连通管道穿设于对应的防火门一21的下部并与大排风口9连通。：第二排风口11的开口方向与出风口6的方向相反。
集装箱电池系统1排风区的统一的大排风口9不再直接与电池区连通，通过在每个电池架7底部的设置独立的局部第二排风口11，再将各个第二排风口11通过同一管道汇集，连通设置在防火门一21上的大排风口9，实现集装箱电池系统1内部空气的排出。此外，为了应对长期高温环境下的高散热效率的需求，在每两个电池包8之间、靠近防火门二22的一侧均设置了风扇10，用以改善电池包上下表面的气流分布，同时增强电池包表面的换热效率。如图8所示，通过分析采用新强迫散热方案虽然略微增加了集装箱电池系统的布置难度与成本，但是电池包的最高温度相较常规实施例电池包表面最高温度降低了15.01％，各电池包之间的最高温差降低了82.5％。
上述的集装箱电池散热系统的散热方法，包括以下步骤：
步骤一：空调根据当前集装箱电池系统内部的温度T0决定进行制冷或制热作业，若T0>T2则开启制冷模式，若T0<T2则开启制热模式，其中，T2为集装箱电池系统内部的目标温度；
步骤二：空调送风至风道内，鼓风机开启，使空调送出的风在风道内经由鼓风机的加速从电池区顶部的出风口吹出；
步骤三：出风口向对应的电池包吹风，且部分风在电池区内经防火门一、防火门二的反弹向着电池包之间的空隙中流过，最后统一从大排风口处流出集装箱电池系统(1)，当达到集装箱电池系统内部的目标温度T2后，空调、鼓风机暂停作业。
本散热系统的布置方式可以充分将由出风口吹出的风利用，通过防火门一、防火门二的反射将风送入各个锂电池的表面，实现充分的热交换。由于空调出风口的送风角度对集装箱内各电池包附近的风向流动产生重要影响，进而影响电池包的散热情况，因此本发明通过角度分析，设置出最有利于电池包散热的出风口风向，进一步增强了散热效果。

Claims (10)

1.一种集装箱电池散热系统，包括内部设有多个电池包(8)的集装箱电池系统(1)，其特征在于：还包括防火门一(21)、鼓风机(3)、空调(4)、风道(5)，集装箱电池系统(1)内部、沿其横向通过两道间隔设置的防火门一(21)被划分为温控设备区、电池区和排风区三个区域，鼓风机(3)、空调(4)设置于温控设备区内，鼓风机(3)安装于集装箱电池系统(1)内底面上，空调(4)安装于鼓风机(3)上方，风道(5)自鼓风机(3)起始向上延伸经过空调(4)后穿设于相近的一道防火门一(21)到达电池区顶部，鼓风机(3)、空调(4)的出风口分别与风道(5)连通，多个电池包(8)间隔置于电池区内，电池区顶部的风道(5)间隔开设有多个朝向电池包(8)的出风口(6)，排风区设有大排风口(9)，大排风口(9)开设于相近的另一道防火门一(21)上。
2.根据权利要求1所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：还包括防火门二(22)、电池架(7)，防火门二(22)在电池区内部至少设有一个，使电池区内部分割成两个及以上的独立区域，每个独立区域内均设置有一排电池架(7)，电池架(7)为多层结构，每层均存放有电池包(8)，每个电池架(7)的上方均配合设置有一个出风口(6)。
3.根据权利要求2所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：出风口(6)的送风角度θ为55°～65°。
4.根据权利要求3所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：防火门二(22)在电池区内与防火门一(21)呈垂直设置，使每个独立区域内的电池架(7)呈横排间隔排列。
5.根据权利要求4所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：大排风口(9)设置于相近的防火门一(21)的中部并与电池区连通，大排风口(9)的开口面积为所占防火门一(21)面积的1/4～2/5。
6.根据权利要求4所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：还包括风扇(10)，每个电池架(7)的相邻两个电池包(8)之间分别设有一个风扇(10)，风扇(10)安装于电池架(7)靠近防火门二(22)的一侧上，每个电池架(7)的底部设有一个第二排风口(11)，每个独立区域内的第二排风口(11)通过连通管道依次连接汇集至大排风口(9)，大排风口(9)设置于相近的防火门一(21)的中下部，连通管道穿设于对应的防火门一(21)的下部并与大排风口(9)连通。
7.根据权利要求6所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：第二排风口(11)的开口方向与出风口(6)的方向相反。
8.根据权利要求1所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：集装箱电池系统(1)的内壁包裹有保温材料。
9.根据权利要求8所述的一种集装箱电池散热系统，其特征在于：所述保温材料为岩棉。
10.一种如权利要求1～9任一所述的集装箱电池散热系统的散热方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：空调(4)根据当前集装箱电池系统(1)内部的温度T0决定进行制冷或制热作业，若T0>T2则开启制冷模式，若T0<T2则开启制热模式，其中，T2为集装箱电池系统(1)内部的目标温度；
步骤二：空调(4)送风至风道(5)内，鼓风机(3)开启，使空调(4)送出的风在风道(5)内经由鼓风机(3)的加速从电池区顶部的出风口(6)吹出；
步骤三：出风口(6)向对应的电池包(8)吹风，且部分风在电池区内经壁面的反弹向着电池包(8)之间的空隙中流过，最后统一从大排风口(9)处流出集装箱电池系统(1)，当达到集装箱电池系统(1)内部的目标温度T2后，空调(4)、鼓风机(3)暂停作业。
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