CN115832523B - 一种电动船舶动力电池能源热管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动船舶动力电池能源热管理系统，包括压缩机，连接压缩机的四通换向阀，通过四通换向阀连接的第一换热水箱和第二换热水箱，以及连通第一换热水箱和第二换热水箱的船舶动力电池水管路系统，第一换热水箱内部设置有连通四通换向阀的第一水冷换热器和连通第二换热水箱的冷水板换，第二换热水箱内设有第二水冷换热器，船舶动力电池水管路系统连通有冷媒水回流管道和冷媒水输送管道，所述冷媒水回流管道和冷媒水输送管道皆连通第二换热水箱，冷媒水回流管道还与冷水板换连通；该系统充分发挥了船舶自身便利使用外界环境水资源的优势，利用外界环境水资源进行热能转换，换热效率高，具有能耗低、绿色环保和低碳的优点。

Description

一种电动船舶动力电池能源热管理系统

技术领域

本发明涉及动力电池管理技术领域，具体涉及一种电动船舶动力电池能源热管理系统。

背景技术

电动船舶的发展得益于锂离子电池在电动汽车行业的成功，该电池技术也一举成为电动船舶发展的首要驱动因素，当下，国内外已在电动船舶动力电池储能系统的关键技术上取得重大突破，还在船舶电力系统组网技术、船舶电力推进技术、大功率电力并网技术等方面相继取得大量研究成果。

随着新能源应用的大力推广，电动船舶市场快速增长，电动船舶动力电池的能量密度越来越大，充放电速度逐步加快，电动船舶动力电池能量密度大、产热集中，如果产生的热量不能及时排出，不但会使电动船舶动力电池寿命降低，还会发生热失控甚至爆炸；在低温环境下，如不对电动船舶动力电池进行加热，则会发生放电困难、容量衰减等现象，因此电动船舶动力电池需要热管理系统对其进行温度管控，目前电动船舶主要采用自然冷却、风冷和水冷三种散热方式解决动力电池组系统的散热问题，自然冷却主要是利用箱体自散热方式散热，散热的效果不是很理想，特别在温度较高的夏天，效果更差；风冷系统冷却主要增加散热风扇，利用空气对流的特性，加快箱体内散热的效果，风冷系统冷却主要的缺陷是电池包的密封设计较难，不能满足动力电池系统的使用需求，散热效果差；水冷系统采用普通液体冷却，将箱体管路中的冷却液的热量通过外部系统带走热量，水冷系统采用普通液体冷却，其主要缺陷是系统结构复杂，管路防水性工艺难度大，有的没有充分利用外部水资源，能耗高，有的不能完成冬季寒冷季节对电池的加热，且整个系统占用空间较大。专利号为ZL201820277728.2的中国专利公开了一种新能源船舶动力电池包系统的水冷散热系统，包括动力电池包以及调控电力电池包的电池管理系统，所述动力电池包内部底面上设置有散热管路以及用于实时感应电池包内部温度的温度感应器，动力电池包通过进水电磁阀与进水管相连、通过出水电磁阀与出水管相连；所述散热管路为开设有至少一个缓冲部的螺旋管，该系统只能解决动力电池包的快速散热、冷却问题，不能解决动力电池在低温环境下的放电困难、容量衰减等问题；专利号为ZL202220134828.6的中国专利公开了一种储能电池用柜式液冷热管理装置，通过冷却液循环管路对储能电池进行热管理，实现液冷形式的热管理方案，降温效果显著，并通过制冷组件与冷却液循环管路进行热交换，使冷却液维持在合适的温度，进而使储能电池的运行环境温度符合要求，还设置有制热组件，当储能电池的运行环境温度较低时，可通过制热组件对冷却液进行加热，提高冷却液的液温，从而使储能电池的运行环境温度提升至预定范围内，该装置制冷组件采用冷凝器将高温高压冷媒变为常温高压状态，增加了运行能耗，而且只有制冷组件工作和制热组件工作两种状态，不能充分利用船舶航行时的外界条件，在春秋季节等气温温和的情况下也需要制冷组件工作，更是大大增加了热管理的能耗和成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种换热效率高的电动船舶动力电池能源热管理系统，利用船舶外界环境水资源，既能够在外部温度较高的时候对电动船舶动力电池进行快速散热、冷却，又能在外部温度较低的时候进行放热维持动力电池工作温度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电动船舶动力电池能源热管理系统，包括压缩机，连接压缩机的四通换向阀，通过四通换向阀连接的第一换热水箱和第二换热水箱，以及连通第一换热水箱和第二换热水箱的船舶动力电池水管路系统，所述第一换热水箱内部设置有连通四通换向阀的第一水冷换热器和连通第二换热水箱的冷水板换，所述第二换热水箱内设有连通第一水冷换热器、四通换向阀的第二水冷换热器，所述船舶动力电池水管路系统连通有冷媒水回流管道和冷媒水输送管道，所述冷媒水回流管道和冷媒水输送管道皆连通第二换热水箱，冷媒水回流管道还与冷水板换连通。

优选地，所述第一水冷换热器与第二水冷换热器连通的管道中设置有能够将高压液态制冷剂转变为低压液态制冷剂的双向热力膨胀阀。

优选地，所述冷水板换连接第二换热水箱的管道中设置有止回阀，冷水板换连接冷媒水回流管道的管道中设置有二通电磁阀b。

优选地，所述第一换热水箱还设置有方便输入海水、湖水或河水的进水口，和输出海水、湖水或河水的出水口。

优选地，所述冷媒水回流管道上设置有连通冷媒水输送管道的三通流量调节阀，并在靠近第二换热水箱的部位设置有二通电磁阀a。

优选地，所述冷媒水输送管道靠近船舶动力电池水管路系统的部位设置有水泵，而在靠近第二换热水箱的部位设置有管道加热器。

优选地，所述四通换向阀上设置有a接口、b接口、c接口和d接口，a接口连通压缩机的输出端，c接口连通压缩机的输入端，b接口连通第一水冷换热器的输入端，d接口连通第二水冷换热器的输出端。

进一步地，该系统在夏季制冷工况中的具体步骤为：高温高压制冷剂从压缩机出，通过四通换向阀的a接口进入，从b接口出，进入第一水冷换热器内，制冷剂放热，转为过冷液态制冷剂，热量被第一换热水箱的外部冷却水吸收带走，过冷液态制冷剂从第一水冷换热器流出，经过双向热力膨胀阀转变为低压液态制冷剂，之后进入第二水冷换热器，制冷剂蒸发吸热，将第二换热水箱内的冷媒水降温，降温后的低温冷媒水从第二换热水箱流出，而制冷剂从四通换向阀的d接口进，从c接口出，返回压缩机内；此时二通电磁阀b为关闭状态，水泵将低温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统进行吸收电池热量，成为高温冷媒水后返回，通过二通电磁阀a，进入第二换热水箱内，如此循环，若自第二换热水箱流出的提供给船舶动力电池水管路系统的冷媒水温度较低，三通流量调节阀会将一部分返回的高温冷媒水补偿给低温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的。

进一步地，该系统在春秋季过渡工况中的具体步骤为：压缩机不工作，此时二通电磁阀a为关闭状态，水泵将低温冷媒水送进入部件船舶动力电池水管路系统进行吸收电池热量，成为高温冷媒水后返回，此时二通电磁阀b打开，高温冷媒水通过二通电磁阀b进入冷水板换，高温冷媒水热量被第一换热水箱的外部冷却水吸收带走，高温冷媒水降温，转变为低温冷媒水，通过止回阀进入第二换热水箱，之后低温冷媒水从第二换热水箱流出，水泵将低温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统进行吸收电池热量；如此循环，若提供的冷媒水温度较低，三通流量调节阀会将一部分返回的高温冷媒水补偿给低温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的。

进一步地，该系统在冬季制热工况中的具体步骤为：高温高压制冷剂从压缩机出，通过四通换向阀的a接口进入，从d接口出，进入第二水冷换热器内，制冷剂放热，转为过冷液态制冷剂，第二换热水箱内的低温冷媒水吸收热量转为高温冷媒水，水温达不到预设温度时，通过管道加热器辅助冷媒水回流管道电加热来补偿；过冷液态制冷剂从第二水冷换热器流出，经过双向热力膨胀阀转变为低压液态制冷剂，之后进入第一水冷换热器，制冷剂蒸发吸热后，将第一换热水箱的外部进水降温，降温后的外部进水从第一换热水箱汇入到江、河、湖、海水中，而制冷剂从四通换向阀的b接口进入，c接口出返回压缩机内；此时二通电磁阀b为关闭状态，水泵将高温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统进行放热维持电池工作温度，成为低温冷媒水后返回，通过二通电磁阀a进入第二换热水箱内，如此循环，若提供的冷媒水温度较高，三通流量调节阀会将一部分返回的低温冷媒水补偿给高温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的。

本发明的有益效果主要体现在以下方面：该系统充分发挥了船舶自身便利使用外界环境水资源的优势，利用外界环境水资源进行热能转换，换热效率高，具有能耗低、绿色环保和低碳的优点，在夏季外部环境温度高时，为制冷模式，通过制冷剂使冷媒水降温，降温后的冷媒水进入船舶动力电池水管路系统吸收电池热量，使电池散热、冷却，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的；在春秋季外部环境温度较温和时，为过渡模式，压缩机不工作，利用外部冷却水给高温冷媒水降温，大大减少了能耗；在冬季外部环境温度较低时，为热泵制热和电辅热模式，保证船舶动力电池水管路系统的温度恒温，其制冷剂能够循环利用，损耗极小，降低了运行成本，不同季节采用不同模式来调节船舶动力电池内部的温度，系统不仅利用了外部冷却水直接给高温冷媒水降温，还利用了外部冷却水对制冷剂的作用，大大降低了能耗和成本。

附图说明

图1为本发明一种电动船舶动力电池能源热管理系统的原理图；

图2为本发明在夏季制冷工况的原理图；

图3为本发明在春秋季过渡工况的原理图；

图4为本发明在冬季制热工况的原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

在本实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

另，在本具体实施方式中如未特别说明部件之间的连接或固定方式，其连接或固定方式均可为通过现有技术中常用的螺栓固定或钉销固定，或销轴连接等方式，因此，在本实施例中不再详述。

一种电动船舶动力电池能源热管理系统，如图1所示，包括压缩机1，连接压缩机1的四通换向阀2，通过四通换向阀2连接的第一换热水箱3和第二换热水箱4，以及连通第一换热水箱3和第二换热水箱4的船舶动力电池水管路系统5，所述第一换热水箱3内部设置有连通四通换向阀2的第一水冷换热器31和连通第二换热水箱4的冷水板换32，所述第二换热水箱4内设有连通第一水冷换热器31、四通换向阀2的第二水冷换热器41，第一水冷换热器31、第二水冷换热器41与四通换向阀2分别通过管道连通，第一水冷换热器31与第二水冷换热器41、冷水板换32与第二换热水箱4分别通过管道连通，所述四通换向阀2上设置有a接口、b接口、c接口和d接口，a接口连通压缩机1的输出端，c接口连通压缩机1的输入端，b接口连通第一水冷换热器31的输入端，d接口连通第二水冷换热器41的输出端。所述第一水冷换热器31与第二水冷换热器41连通的管道中设置有双向热力膨胀阀311，能够将高压液态制冷剂转变为低压液态制冷剂。所述冷水板换32连接第二换热水箱4的管道中设置有止回阀321，第一换热水箱3还设置有方便输入海水、湖水或河水的进水口33，和输出海水、湖水或河水的出水口34。船舶动力电池水管路系统5连通有冷媒水回流管道51和冷媒水输送管道52，所述冷媒水回流管道51和冷媒水输送管道52皆连通第二换热水箱4，其中，冷媒水回流管道51还与冷水板换32连通，冷媒水回流管道51与冷水板换32通过管道连通，冷水板换32连接冷媒水回流管道51的管道中设置有二通电磁阀b322，所述冷媒水回流管道51上设置有通过管道连通冷媒水输送管道52的三通流量调节阀511，并在靠近第二换热水箱4的部位设置有二通电磁阀a512。所述冷媒水输送管道52靠近船舶动力电池水管路系统5的部位设置有水泵521，而在靠近第二换热水箱4的部位设置有管道加热器522。

实施例1

如图2所示，该系统在夏季制冷工况中的具体步骤为：高温高压制冷剂从压缩机1出，通过四通换向阀2的a接口进入，从b接口出，进入第一水冷换热器31内，制冷剂放热，转为过冷液态制冷剂，热量被第一换热水箱3的外部冷却水吸收带走，过冷液态制冷剂从第一水冷换热器31流出，经过双向热力膨胀阀311，转变为低压液态制冷剂，之后进入第二水冷换热器41，制冷剂蒸发吸热，将第二换热水箱4内的冷媒水降温，降温后的低温冷媒水从第二换热水箱4流出，而制冷剂由第二水冷换热器41出来进到四通换向阀2的d接口，从c接口出，返回压缩机1内；此时二通电磁阀b322为关闭状态，水泵521将低温冷媒水经冷媒水输送管道52送进入船舶动力电池水管路系统5进行吸收电池热量，成为高温冷媒水后经冷媒水回流管道51返回，通过二通电磁阀a512，进入第二换热水箱4内，如此循环，若自第二换热水箱4流出的提供给船舶动力电池水管路系统5的冷媒水温度较低，三通流量调节阀511会将一部分经冷媒水回流管道51返回的高温冷媒水补偿给冷媒水输送管道52中的低温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统5的温度是恒温的。

实施例2

如图3所示，该系统在春秋季过渡工况中的具体步骤为：压缩机1不工作，减少能耗，此时二通电磁阀a512为关闭状态，水泵521将低温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统5进行吸收电池热量，成为高温冷媒水后返回，此时二通电磁阀b322打开，高温冷媒水通过二通电磁阀b322进入冷水板换32，高温冷媒水热量被第一换热水箱3的外部冷却水吸收带走，高温冷媒水降温，转变为低温冷媒水，通过止回阀321进入第二换热水箱4，之后低温冷媒水从第二换热水箱4流出，水泵521将低温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统5进行吸收电池热量；如此循环，若提供的冷媒水温度较低，三通流量调节阀511会将一部分返回的高温冷媒水补偿给低温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统5的温度是恒温的。

实施例3

如图4所示，该系统在冬季制热工况中的具体步骤为：高温高压制冷剂从压缩机1出，通过四通换向阀2的a接口进入，从d接口出，进入第二水冷换热器41内，制冷剂放热，转为过冷液态制冷剂，第二换热水箱4内的低温冷媒水吸收热量转为高温冷媒水，水温达不到预设温度时，通过管道加热器522辅助冷媒水输送管道52电加热来补偿，也就是通过管道加热器522对冷媒水输送管道52中的冷媒水加热，提高冷媒水温度达到预设温度；过冷液态制冷剂从第二水冷换热器41流出，经过双向热力膨胀阀311，转变为低压液态制冷剂，之后进入第一水冷换热器31，制冷剂蒸发吸热后，将第一换热水箱3的外部进水降温，降温后的外部进水从第一换热水箱3汇入到江、河、湖、海水中，而制冷剂从四通换向阀2的b接口进入，c接口出返回压缩机1内，可实现制冷剂的高效循环利用，损耗极小；此时二通电磁阀b322为关闭状态，水泵521将高温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统5进行放热维持电池工作温度，成为低温冷媒水后返回，通过二通电磁阀a512进入第二换热水箱4内，如此循环，若提供的冷媒水温度较高，三通流量调节阀511会将一部分返回的低温冷媒水补偿给高温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统5的温度是恒温的。

本发明的有益效果主要体现在以下方面：该系统换热效率高，具有能耗低、绿色环保和低碳的优点，在夏季外部环境温度高时，为制冷模式，通过制冷剂使冷媒水降温，降温后的冷媒水进入船舶动力电池水管路系统吸收电池热量，使电池散热、冷却，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的；在春秋季外部环境温度较温和时，为过渡模式，压缩机不工作，利用外部冷却水给高温冷媒水降温，大大减少了能耗；在冬季外部环境温度较低时，为热泵制热和电辅热模式，保证船舶动力电池水管路系统的温度恒温，其制冷剂能够循环利用，损耗极小，降低了运行成本，不同季节采用不同模式来调节船舶动力电池内部的温度，系统不仅利用了外部冷却水直接高温冷媒水降温，还利用了外部冷却水对制冷剂的作用，大大降低了能耗。

需要说明的是，本发明所说的夏季、春秋季、冬季只是为了便于说明，实际工作过程中并不一定要严格区分夏季、春秋季、冬季，当外界温度较高或者动力电池内部温度较高时，就可以开启制冷，当外界温度温和、不是很高或者动力电池内部温度稍高一点时，就可以只通过外部冷却水冷却高温冷媒水，当外界环境温度较低需要对动力电池加热维持电池工作温度时，就可以开启制热。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种电动船舶动力电池能源热管理系统，包括压缩机，连接压缩机的四通换向阀，通过四通换向阀连接的第一换热水箱和第二换热水箱，以及连通第一换热水箱和第二换热水箱的船舶动力电池水管路系统，其特征在于：所述第一换热水箱内部设置有连通四通换向阀的第一水冷换热器和连通第二换热水箱的冷水板换，所述第二换热水箱内设有连通第一水冷换热器、四通换向阀的第二水冷换热器，所述第一水冷换热器与第二水冷换热器连通的管道中设置有能够将高压液态制冷剂转变为低压液态制冷剂的双向热力膨胀阀；所述四通换向阀上设置有a接口、b接口、c接口和d接口，a接口连通压缩机的输出端，c接口连通压缩机的输入端，b接口连通第一水冷换热器的输入端，d接口连通第二水冷换热器的输出端；所述船舶动力电池水管路系统连通有冷媒水回流管道和冷媒水输送管道，所述冷媒水回流管道和冷媒水输送管道皆连通第二换热水箱，冷媒水回流管道还与冷水板换连通；所述冷水板换连接第二换热水箱的管道中设置有止回阀，冷水板换连接冷媒水回流管道的管道中设置有二通电磁阀b；所述冷媒水回流管道上设置有连通冷媒水输送管道的三通流量调节阀，并在靠近第二换热水箱的部位设置有二通电磁阀a；所述冷媒水输送管道靠近船舶动力电池水管路系统的部位设置有水泵，而在靠近第二换热水箱的部位设置有管道加热器；所述第一换热水箱还设置有方便输入海水、湖水或河水的进水口，和输出海水、湖水或河水的出水口。

2.根据权利要求1所述的一种电动船舶动力电池能源热管理系统，其特征在于，该系统在夏季制冷工况中的具体步骤为：高温高压制冷剂从压缩机出，通过四通换向阀的a接口进入，从b接口出，进入第一水冷换热器内，制冷剂放热，转为过冷液态制冷剂，热量被第一换热水箱的外部冷却水吸收带走，过冷液态制冷剂从第一水冷换热器流出，经过双向热力膨胀阀转变为低压液态制冷剂，之后进入第二水冷换热器，制冷剂蒸发吸热，将第二换热水箱内的冷媒水降温，降温后的低温冷媒水从第二换热水箱流出，而制冷剂从四通换向阀的d接口进，从c接口出，返回压缩机内；此时二通电磁阀b为关闭状态，水泵将低温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统进行吸收电池热量，成为高温冷媒水后返回，通过二通电磁阀a，进入第二换热水箱内，如此循环，若自第二换热水箱流出的提供给船舶动力电池水管路系统的冷媒水温度较低，三通流量调节阀会将一部分返回的高温冷媒水补偿给低温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的。

3.根据权利要求1所述的一种电动船舶动力电池能源热管理系统，其特征在于，该系统在春秋季过渡工况中的具体步骤为：压缩机不工作，此时二通电磁阀a为关闭状态，水泵将低温冷媒水送进入部件船舶动力电池水管路系统进行吸收电池热量，成为高温冷媒水后返回，此时二通电磁阀b打开，高温冷媒水通过二通电磁阀b进入冷水板换，高温冷媒水热量被第一换热水箱的外部冷却水吸收带走，高温冷媒水降温，转变为低温冷媒水，通过止回阀进入第二换热水箱，之后低温冷媒水从第二换热水箱流出，水泵将低温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统进行吸收电池热量；如此循环，若提供的冷媒水温度较低，三通流量调节阀会将一部分返回的高温冷媒水补偿给低温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的。

4.根据权利要求1所述的一种电动船舶动力电池能源热管理系统，其特征在于，该系统在冬季制热工况中的具体步骤为：高温高压制冷剂从压缩机出，通过四通换向阀的a接口进入，从d接口出，进入第二水冷换热器内，制冷剂放热，转为过冷液态制冷剂，第二换热水箱内的低温冷媒水吸收热量转为高温冷媒水，水温达不到预设温度时，通过管道加热器辅助冷媒水回流管道电加热来补偿；过冷液态制冷剂从第二水冷换热器流出，经过双向热力膨胀阀转变为低压液态制冷剂，之后进入第一水冷换热器，制冷剂蒸发吸热后，将第一换热水箱的外部进水降温，降温后的外部进水从第一换热水箱汇入到江、河、湖、海水中，而制冷剂从四通换向阀的b接口进入，c接口出返回压缩机内；此时二通电磁阀b为关闭状态，水泵将高温冷媒水送进入船舶动力电池水管路系统进行放热维持电池工作温度，成为低温冷媒水后返回，通过二通电磁阀a进入第二换热水箱内，如此循环，若提供的冷媒水温度较高，三通流量调节阀会将一部分返回的低温冷媒水补偿给高温冷媒水，保证船舶动力电池水管路系统的温度是恒温的。