CN116742200B - 基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统及其工作方法，基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统包括压缩机、冷凝器、喷射器、气液分离器、蒸发部件和电池冷却部件；其中，所述压缩机的气体进口与所述气液分离器的气体出口相连，所述压缩机的气体出口与所述冷凝器的气体进口相连；所述冷凝器的气体出口与所述喷射器的液体进口相连；所述喷射器的气体进口分别与所述蒸发部件的气体出口和所述电池冷却部件的气体出口相连，所述喷射器的气液混合口与所述气液分离器的进口相连；所述气液分离器的液体出口分别与所述蒸发部件和电池冷却部件相连。它提升了换热效果，并减小了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统及其工作方法，属于汽车冷却技术领域。
背景技术
目前，纯电动汽车(EV)在行驶过程中能够真正实现零排放，是绿色环保的交通工具，动力电池作为电动汽车核心部件之一，其性能直接影响电动汽车的行驶里程。锂离子电池因其比能量高、循环寿命长、自放电率低和绿色无污染等优点，成为电动汽车的首选动力来源。锂离子电池的性能明显受到温度的影响，例如，在高温下，锂离子电池会发生容量衰减和自放电，电池的副反应速率加剧，会引起电池性能和寿命的衰退，甚至导致发生安全事故。随着业界增加电池容量以提高电动汽车续航，产热的增加不可避免，因此，控制电池工作温度的电池热管理系统对于提高电池的性能起着至关重要的作用。尤其是，在行业高速发展的今天，用户在重视汽车舒适度的同时，也越来越重视电池续航以及电池充电效率。然而在电池高倍率快充时会产生高于正常运行数倍乃至十数倍的热量。如何处理高倍率快充以及电池容量增加带来的热量陡增是行业目前一个难以平衡而又亟需解决的问题。目前电池热管理系统普遍采用强迫对流冷却、冷板冷却的方式，能耗高且制冷量小，总体散热效率低。因此如何在满足设备运行要求的情况下，有效提高散热效率成为一个突出问题。现有可用于提高电池热管理系统散热效率的方法有很多，如采用液冷板式冷却、直接浸没冷却。然而，在与整车厂合作的过程中发现，电池底面加装液冷板的电池冷却系统，由于电池包内部的热量无法被快速的引导到冷板上，导致电池内部积热，影响电池快充的安全和寿命问题，其真正的瓶颈在电池包内部，且大多数冷板散热系统，需要单独进行加工和安装，不利于系统集成，难以控制成本。而浸没液冷却由于浸没油本身的传热性能较弱，同等质量流量下的换热效率较低。采用电池大面冷板的热管理系统，或者采用更加多面的冷板可以取得更好的冷却效果。
譬如公开号为CN217544734U的中国专利披露了一种网状结构的电池热管理液冷系统，通过立体网状结构的液冷板散热系统，可以防止动力电池组内部局部温度过高，保证电池单体之间温度均衡，提高了散热效率。不可避免其零部件增加，成本上升，且系统体积增加，其冷却效果依然可能不足以支撑超级快充的商业应用。为此必须解决电池超级快充过程中，大电流注入电芯内部，电芯大量产热如何传递到外界环境，传热路径如何优化等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，它提升了换热效果，并减小了能耗。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，包括压缩机、冷凝器、喷射器、气液分离器、蒸发部件和电池冷却部件；
其中，所述压缩机的气体进口与所述气液分离器的气体出口相连，所述压缩机的气体出口与所述冷凝器的气体进口相连；
所述冷凝器的气体出口与所述喷射器的液体进口相连；
所述喷射器的气体进口分别与所述蒸发部件的气体出口和所述电池冷却部件的气体出口相连，所述喷射器的气液混合口与所述气液分离器的进口相连；
所述气液分离器的液体出口分别与所述蒸发部件和电池冷却部件相连；
所述压缩机适于对所述气液分离器分离后的气体进行增压形成增压气体；
所述冷凝器适于将增压气体相变为增压液体；
所述喷射器适于将增压液体以及所述蒸发部件产生的气体和/或所述电池冷却部件产生的气体混合形成气液两相流；
所述气液分离器适于将气液两相流分离成气体和液体；
所述蒸发部件适于选择性地供入所述气液分离器分离后的液体以提供冷量并产生气体；
所述电池冷却部件适于选择性地供入所述气液分离器分离后的液体以对电池组进行冷却并产生气体。
进一步，为了调节流入蒸发部件的液体流量，所述蒸发部件和所述气液分离器的液体出口之间的连接管路上设有用于调节流入蒸发部件的液体流量的第一电磁阀。
进一步，为了调节流入电池冷却部件的液体流量，所述电池冷却部件和所述气液分离器的液体出口之间的连接管路上设有用于调节流入所述电池冷却部件的液体流量的第二电磁阀。
进一步，为了能够根据电池温度适应性的开启电池冷却功能，基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统还包括控制单元和采集电池表面温度的温度传感模块，所述控制单元与所述温度传感模块相连，所述控制单元还与所述第二电磁阀相连，所述控制单元适于根据所述温度传感模块采集到的电池表面温度控制所述第二电磁阀的动作。
进一步，所述电池冷却部件包括：
置于电池组上方以向所述电池组喷射液体的喷嘴阵列；
单向阀，所述单向阀的进口接入液体，所述单向阀的出口与所述喷嘴阵列相连。
进一步，所述电池组外设有外壳，所述外壳设有排出由喷嘴阵列喷射的液体冷却电池后相变的气体的排气通道。
进一步，提供了单向阀的具体类型，所述单向阀为特斯拉阀。
进一步，为了控制喷嘴阵列的喷洒频率，以完成电芯内部热量的快速导出，基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统还包括采集电池表面温度的温度传感模块，所述电池冷却部件还包括喷嘴控制器，所述温度传感模块与所述喷嘴控制器相连，所述喷嘴控制器与所述喷嘴阵列相连，所述喷嘴控制器适于根据所述温度传感模块采集到的电池表面温度控制所述喷嘴阵列的喷洒频率。
本发明还提供了一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统的工作方法，工作方法的步骤中含有：
当电池冷却部件工作时，制冷剂流经喷嘴阵列，喷嘴阵列将液体的制冷剂雾化并喷洒到电池组上，制冷剂由雾状相变为气体，气体的制冷剂被喷射器从喷射器的气体进口吸入。
进一步，基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统的工作方法的步骤中还含有：
仅当电池需要冷却时，制冷剂进入电池冷却部件以对电池进行冷却；
仅当乘员舱需要冷却时，制冷剂进入蒸发部件以对乘员舱提供冷量；
当电池和乘员舱同时需要冷却时，制冷剂分别进入电池冷却部件以对电池进行冷却和进入蒸发部件以对乘员舱提供冷量。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
在本发明中，制冷剂通过压缩机后转化为增压气体，并进一步通过冷凝器进行相变，变成增压液体，增压液体与电池冷却部件排出的气体和/或蒸发部件中产生的低压气体一同混合，进入喷射器形成气液两相流，该气液两相流顺着连接管路流入气液分离器，气液分离器分离后的气体进入压缩机，气液分离器分离后的液体继续流入蒸发部件和/或电池冷却部件，形成循环回路；在仅需要电池组冷却时，仅打开第二电磁阀，制冷剂进入电池冷却部件；在仅需要乘员舱冷却时，仅打开第一电磁阀，制冷剂进入蒸发部件，对乘员舱进行冷却；在当电池组和乘员舱同时需要冷却时，第一电磁阀和第二电磁阀全部打开，制冷剂分别进入电池冷却部件帮助电池冷却，同时进入蒸发部件为乘员舱提供冷却效果。并且可以通过调节第一电磁阀和第二电磁阀的流量，确保喷射器低压吸入气体，以及进入电池冷却部件的制冷剂处于饱和液体的工作状态。
在电池冷却部件中：当电池组在工作或快速充放电时，内部的若干单体电池产生大量热量导致自身温度升高，在电池表面温度大于工作温度阈值，控制单元开始运行，控制打开第二电磁阀，气液分离器中的饱和液体通过单向阀从电池组的上盖板的槽道入口进入，沿着槽道流经喷射阵列时，它会均匀雾化并喷洒到电池表面，充分利用制冷剂的汽化潜热，从雾状小液滴相变为气态，结束的过热气体，经由电池组右上侧的排气通道排出，与蒸发部件排出的气体混合，被喷射器吸入，构成循环回路。电池冷却部件利用制冷剂的相变换热完成热交换，而不需要其他的换热器和水侧换热的方式，这样可以大大简化电池组液体冷却的复杂性，减少了部件数量，节省成本，同时提高换热效率；
综上所述，在本发明中，采用气液分离器形成单相液体，易于分配，并能确保进入电池冷却部件为饱和液体，保证了喷射器的喷雾的均匀性，充分利用了制冷剂的汽化潜热。使用第一电磁阀和第二电磁阀来调节流量平衡，实现了调控的简易性。在驱动方面，本发明采用压缩机和喷射器，无需额外的泵，更加经济环保。在设计上，将电池冷却部件与蒸发部件集成，有效减少了能耗，极大地简化了管路，降低了额外部件带来的成本压力。此外，本发明使用喷嘴阵列减低了电池组液体冷却的复杂性，从而在合理保证效能的前提下降低了部件数量，进一步削减了成本。同时，在喷嘴阵列处集成了喷嘴控制器，通过计算换热量，能根据电池表面最高温度通过负反馈控制喷洒频率，实现整体的最优化运行。从而保持电池内部温度的均衡，使电池冷却部件更为高效稳定，提高电池的使用寿命及其性能表现。
附图说明
图1为本发明的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统的工作原理示意图；
图2为本发明的电池组的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1-2所示，一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，包括压缩机1、冷凝器2、喷射器3、气液分离器4、蒸发部件5和电池冷却部件；其中，
压缩机1的气体进口与气液分离器2的气体出口相连，压缩机1的气体出口与冷凝器2的气体进口相连；
冷凝器2的气体出口与喷射器3的液体进口相连；
喷射器3的气体进口分别与蒸发部件5的气体出口和电池冷却部件的气体出口相连，喷射器3的气液混合口与气液分离器4的进口相连；
气液分离器4的液体出口分别与蒸发部件5和电池冷却部件相连；
压缩机1适于对气液分离器4分离后的气体进行增压形成增压气体；
冷凝器2适于将增压气体相变为增压液体；
喷射器3适于将增压液体以及蒸发部件5产生的气体和电池冷却部件产生的气体混合形成气液两相流；
气液分离器4适于将气液两相流分离成气体和液体；
蒸发部件5适于选择性地供入气液分离器4分离后的液体以提供冷量并产生气体；
电池冷却部件适于选择性地供入气液分离器4分离后的液体以对电池组7进行冷却并产生气体。
具体的，如图1所示，蒸发部件5和气液分离器4的液体出口之间的连接管路上设有用于调节流入蒸发部件5的液体流量的第一电磁阀8。
具体的，如图1所示，电池冷却部件和气液分离器4的液体出口之间的连接管路上设有用于调节流入电池冷却部件的液体流量的第二电磁阀9。
具体的，如图1所示，基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统还包括控制单元和采集电池表面温度的温度传感模块，控制单元与温度传感模块相连，控制单元还与第二电磁阀9相连，控制单元适于根据温度传感模块采集到的电池表面温度控制第二电磁阀9的动作。
具体的，如图2所示，电池冷却部件可以包括如下结构：
置于电池组7上方以向电池组7喷射液体的喷嘴阵列61；
单向阀，单向阀的进口接入液体，单向阀的出口与喷嘴阵列61相连。
具体的，如图2所示，电池组7外设有外壳71，外壳71设有排出由喷嘴阵列61喷射的液体冷却电池后相变的气体的排气通道。
具体的，如图2所示，单向阀具体可以采用特斯拉阀62。使用特斯拉阀62可以保证制冷剂单向流动，防止液体倒灌。
在本实施例中，制冷剂通过压缩机1后转化为增压气体，它通过冷凝器2进行相变，变成增压液体，增压液体与喷射阵列61喷出液体进行电池冷却后相变后的气体，或蒸发部件5中的低压气体一同混合，进入喷射器3形成气液两相流，该气液两相流顺着连接管路流入气液分离器4，气液分离器4分离后的气体进入压缩机1，气液分离器4分离后的液体继续流入蒸发部件5和/或电池冷却部件，形成循环回路。在仅需要电池组7冷却时，仅打开第二电磁阀9，制冷剂进入电池冷却部件；在仅需要乘员舱冷却时，仅打开第一电磁阀8，制冷剂进入蒸发部件5，对乘员舱进行冷却；在当电池组7和乘员舱同时需要冷却时，第一电磁阀8和第二电磁阀9全部打开，制冷剂分别进入电池冷却部件帮助电池冷却，同时进入蒸发部件5为乘员舱提供冷却效果。并且可以通过调节第一电磁阀8和第二电磁阀9的流量，确保喷射器3低压吸入气体，以及进入电池冷却部件的制冷剂处于饱和液体的工作状态。
在本实施例中，当电池组7在工作或快速充放电时，内部的若干单体电池产生大量热量导致自身温度升高，在电池表面温度大于工作温度阈值，控制单元开始运行，控制打开第二电磁阀9，气液分离器4中的饱和液体通过单向阀从电池组7的上盖板的槽道入口进入，沿着槽道流经喷嘴阵列61时，它会均匀雾化并喷洒到电池表面，充分利用制冷剂的汽化潜热，从雾状小液滴相变为气态，结束的过热气体，经由电池组7右上侧的排气通道排出，与蒸发部件5排出的气体混合，被喷射器3吸入，构成循环回路。电池冷却部件利用制冷剂的相变换热完成热交换，而不需要其他的换热器和水侧换热的方式，这样可以大大简化电池组7液体冷却的复杂性，减少了部件数量，节省成本，同时提高换热效率。
具体的，如图2所示，电池冷却部件还包括喷嘴控制器，温度传感模块与喷嘴控制器相连，喷嘴控制器与喷嘴阵列61相连，喷嘴控制器适于根据温度传感模块采集到的电池表面温度控制喷嘴阵列61的喷洒频率。在本实施例中，喷嘴阵列61处集成了喷嘴控制器，通过计算换热量，能根据电池表面最高温度通过负反馈控制喷洒频率，实现整体的最优化运行。从而保持电池内部温度的均衡，使电池冷却部件更为高效稳定，提高电池的使用寿命及其性能表现。
综上所述，在本实施例中，采用气液分离器4形成单相液体，易于分配，并能确保进入电池冷却部件为饱和液体，保证了喷射器3的喷雾的均匀性，充分利用了制冷剂的汽化潜热。使用第一电磁阀8和第二电磁阀9来调节流量平衡，实现了调控的简易性。在驱动方面，本发明采用压缩机1和喷射器3，无需额外的泵，更加经济环保。在设计上，将电池冷却部件与蒸发部件5集成，有效减少了能耗，极大地简化了管路，降低了额外部件带来的成本压力。此外，在本实施例中，使用喷嘴阵列61减低了电池组7液体冷却的复杂性，从而在合理保证效能的前提下降低了部件数量，进一步削减了成本。
实施例二，本实施例介绍了一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统的工作方法，工艺的步骤中含有：
当电池冷却部件工作时，制冷剂流经喷嘴阵列61，喷嘴阵列61将液体的制冷剂雾化并喷洒到电池组7上，制冷剂由雾状相变为气体，气体的制冷剂被喷射器3从喷射器3的气体进口吸入。
具体地，仅当电池需要冷却时，制冷剂进入电池冷却部件以对电池进行冷却；
仅当乘员舱需要冷却时，制冷剂进入蒸发部件5以对乘员舱提供冷量；
当电池和乘员舱同时需要冷却时，制冷剂分别进入电池冷却部件以对电池进行冷却和进入蒸发部件5以对乘员舱提供冷量。
本实施例的工作方法基于实施例一中的一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统实施。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，其特征在于，包括压缩机(1)、冷凝器(2)、喷射器(3)、气液分离器(4)、蒸发部件(5)和电池冷却部件；其中，
所述压缩机(1)的气体进口与所述气液分离器(2)的气体出口相连，所述压缩机(1)的气体出口与所述冷凝器(2)的气体进口相连；
所述冷凝器(2)的气体出口与所述喷射器(3)的液体进口相连；
所述喷射器(3)的气体进口分别与所述蒸发部件(5)的气体出口和所述电池冷却部件的气体出口相连，所述喷射器(3)的气液混合口与所述气液分离器(4)的进口相连；
所述气液分离器(4)的液体出口分别与所述蒸发部件(5)和电池冷却部件相连；
所述压缩机(1)适于对所述气液分离器(4)分离后的气体进行增压形成增压气体；
所述冷凝器(2)适于将增压气体相变为增压液体；
所述喷射器(3)适于将增压液体以及所述蒸发部件(5)产生的气体和/或所述电池冷却部件产生的气体混合形成气液两相流；
所述气液分离器(4)适于将气液两相流分离成气体和液体；
所述蒸发部件(5)适于选择性地供入所述气液分离器(4)分离后的液体以提供冷量并产生气体；
所述电池冷却部件适于选择性地供入所述气液分离器(4)分离后的液体以对电池组(7)进行冷却并产生气体；
所述蒸发部件(5)和所述气液分离器(4)的液体出口之间的连接管路上设有用于调节流入蒸发部件(5)的液体流量的第一电磁阀(8)；
所述电池冷却部件和所述气液分离器(4)的液体出口之间的连接管路上设有用于调节流入所述电池冷却部件的液体流量的第二电磁阀(9)；
在仅需要电池组(7)冷却时，仅打开第二电磁阀(9)，制冷剂进入电池冷却部件；在仅需要乘员舱冷却时，仅打开第一电磁阀(8)，制冷剂进入蒸发部件(5)，对乘员舱进行冷却；在当电池组(7)和乘员舱同时需要冷却时，第一电磁阀(8)和第二电磁阀(9)全部打开，制冷剂分别进入电池冷却部件帮助电池冷却，同时进入蒸发部件(5)为乘员舱提供冷却效果，并且通过调节第一电磁阀(8)和第二电磁阀(9)的流量，确保喷射器(3)低压吸入气体，以及进入电池冷却部件的制冷剂处于饱和液体的工作状态。
2.根据权利要求1所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，其特征在于，
还包括控制单元和采集电池表面温度的温度传感模块，所述控制单元与所述温度传感模块相连，所述控制单元还与所述第二电磁阀(9)相连，所述控制单元适于根据所述温度传感模块采集到的电池表面温度控制所述第二电磁阀(9)的动作。
3.根据权利要求1所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，其特征在于，
所述电池冷却部件包括：
置于电池组(7)上方以向所述电池组(7)喷射液体的喷嘴阵列(61)；
单向阀，所述单向阀的进口接入液体，所述单向阀的出口与所述喷嘴阵列(61)相连。
4.根据权利要求3所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，其特征在于，
所述电池组(7)外设有外壳(71)，所述外壳(71)设有排出由喷嘴阵列(61)喷射的液体冷却电池后相变的气体的排气通道。
5.根据权利要求3所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，其特征在于，
所述单向阀为特斯拉阀(62)。
6.根据权利要求3所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统，其特征在于，
还包括采集电池表面温度的温度传感模块，所述电池冷却部件还包括喷嘴控制器，所述温度传感模块与所述喷嘴控制器相连，所述喷嘴控制器与所述喷嘴阵列(61)相连，所述喷嘴控制器适于根据所述温度传感模块采集到的电池表面温度控制所述喷嘴阵列(61)的喷洒频率。
7.一种如权利要求3至6中任一项所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统的工作方法，其特征在于方法的步骤中含有：
当电池冷却部件工作时，制冷剂流经喷嘴阵列(61)，喷嘴阵列(61)将液体的制冷剂雾化并喷洒到电池组(7)上，制冷剂由雾状相变为气体，气体的制冷剂被喷射器(3)从喷射器(3)的气体进口吸入。
8.一种如权利要求1至6中任一项所述的基于制冷剂喷射循环的车用冷却系统的工作方法，其特征在于方法的步骤中含有：
仅当电池需要冷却时，制冷剂进入电池冷却部件以对电池进行冷却；
仅当乘员舱需要冷却时，制冷剂进入蒸发部件(5)以对乘员舱提供冷量；
当电池和乘员舱同时需要冷却时，制冷剂分别进入电池冷却部件以对电池进行冷却和进入部件(5)以对乘员舱提供冷量。
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