CN116799369B - 带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置与方法，包括三向换热器，第一换热器，储/补液罐，双流道换热器，温度传感器和液位传感器。其能够根据冷却工质温度以及液位高度来控制是否需要开启循环冷凝来增强散热能力，并使电池模组始终浸没在冷却液中，有效的带走电池模组充放电过程中产生的热量。
Description
技术领域
本申请涉及动力电池领域，具体涉及带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置与方法。
背景技术
随着全球石化能源的日益短缺以及可持续发展战略的提出，在各个领域都开始向新能源方向发展，在交通领域，新能源汽车更是得到大力支持，电动汽车脱颖而出。电动汽车的性能很大程度上取决于电池的性能。目前电池领域应用最为广泛的是锂离子电池，无论是磷酸铁锂电池还是三元锂离子电池，他们均具有能量密度高、寿命长和自放电率低等优势。但锂离子电池性能受温度影响较大，温度过高或过低，或表面温度温差过大都会影响电池的使用寿命和电池的安全性。温度过高则会使得电池发生热失控，进而导致起火燃烧，引发安全问题。
为了提高电池的使用寿命，需通过热管理系统使得电池的温度在合理的范围内，目前常用的电池热管理系统有三种冷却方式：风冷式、液冷式和冷板式。风冷式一般使用经过汽车空调系统降温后的冷风流入到电池包进行冷却，冷却介质为空气，但风冷存在散热效率低、受外界温度影响较大，散热能力低等突出问题；冷板式液冷换热形式主要为冷却液-液冷板-电池，冷却介质通常为乙二醇水溶液，存在接触热阻大，换热面积小等问题，并且存在绝热失效引起短路的风险；液冷式通常将电池浸没在冷却液中，因为直接与电池接触，浸没冷却具有散热效率高，抑制电池温度局部升高和提高温度均匀性的特点。
无论是风冷还是冷板式散热都存在散热能力不足，散热效率低，不能满足大热量降温的要求，还会致电池系统内部温度不均匀，影响电池的使用寿命。
为了提高电池寿命和安全性，亟需提供一种热管理装置及使用方法，使得电池模组的温度均匀性较好，并在合理的范围内运行，也能对发生热失控时进行防护。
本背景技术所公开的上述信息仅仅用于增加对本申请背景技术的理解，因此，其可能包括不构成本领域普通技术人员已知的现有技术。
发明内容
本申请提供带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置与方法，其能够根据冷却工质温度以及液位高度来控制是否需要开启循环冷凝来增强散热能力，并使电池模组始终浸没在冷却液中，有效的带走电池模组充放电过程中产生的热量。
在本申请的一些实施例中，提供带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，包括：
三向换热器，其顶部开设有第一瓶口、第二瓶口和第三瓶口，侧边开设一开口，底部开设有开口；三向换热器内部装有冷却工质和电池模组，电池模组浸没于冷却工质内；
第一换热器，其与制冷系统进行热交换，所述第一换热器的一端通过第一管路与三向换热器的侧边开口连接，所述第一管道上设置有第一阀门；第一换热器的另一端通过第二管路与三向换热器底部开口连接形成闭合回路，所述第二管路上设置有第二阀门；
储/补液罐，内部装有冷却工质，其通过储/补液管与三向换热器的第一瓶口相连，其连接管路上设置有第三阀门，对三向换热器进行补液；
双流道换热器，其一端与三向换热器的第三瓶口相连，其连接管路上设置第四阀门，另一端通过第三管路与水箱相连；
温度传感器，穿过第二瓶口，放置于三向换热器中，用于采集三向换热器中冷却工质的温度信息；
液位传感器，穿过第二瓶口，放置于三向换热器中，用于采集三向换热器中冷却工质的液位信息。
在本申请的一些实施例中，所述双流道换热器包括冷却工质蒸汽流道和冷却水流道，三向换热器流出的冷却介质蒸汽与水箱中的冷却水换热，冷凝成液体后流入三相换热器中。
在本申请的一些实施例中，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门为电磁阀。
在本申请的一些实施例中，还包括控制器，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门与控制器电连接，所述控制器被配置为根据温度传感器和液位传感器采集的信息，控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开启与关闭，完成不同冷却方式的切换。
在本申请的一些实施例中，所述制冷系统包括冷媒循环管路，在所述冷媒循环管路中，冷媒依次通过压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述第一换热器与所述蒸发器进行换热。
在本申请的一些实施例中，所述膨胀阀为电子膨胀阀。
在本申请的一些实施例中，所述第二管路上设置有第一泵，用于调节三向换热器内冷却工质的循环速度；
在本申请的一些实施例中，所述第三管路上设置有第二泵，用于将水箱中的水泵送至双流道换热器。
在本申请的一些实施例中，带有冷凝回收的电池浸没热安全管理方法，利用温度传感器和液位传感器检测三向换热器中冷却工质的温度和液位信息，当冷却工质温度K低于沸腾温度T1-过热度ΔT时，即K＜T1-ΔT，第一阀门和第二阀门打开，第三阀门和第四阀门关闭，进行冷却工质的强制冷却循环，第一换热器与制冷系统的蒸发器进行换热，冷却工质温度由制冷系统中的压缩机转速进行调控；
在本申请的一些实施例中，当温度传感器检测到三向换热器中的冷却工质温度K在[T1-ΔT， T1+ΔT]之间，或液位传感器检测到冷却工质高度h低于H时，第一阀门、第二阀门、第三阀门关闭，第四阀门打开，冷却工质蒸汽在双流道换热器中与外流道低温冷水换热冷凝后冷却工质液体回流到三向换热器中，冷凝回收速度由第二泵转速调控。
在本申请的一些实施例中，当温度传感器检测到冷却工质温度K大于T1+ΔT，或液位传感器检测到冷却工质高度h低于H/2时，第一阀门、第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门打开，使得冷却工质蒸汽在双流道换热器中与外流道低温冷水换热冷凝后冷却工质液体回流到三向换热器中；同时储/补液罐通过储/补液管进行三向换热器内的液流工质的补充。
在本申请的一些实施例中，所述冷却工质为本领域常见的冷却介质，如介电常数低的油类，氟化液等。
在本申请的一些实施例中，所述H为电池模组上表面距离三向换热器底部的高度。
在本申请的一些实施例中，所述冷却介质为介电常数低的油类、去离子水、氟化液类液体流质。
在本申请的一些实施例中，所述冷却介质为硅油。
与现有技术相比，本申请通过三向换热器中的冷却介质中的温度传感器和液位传感器控制阀门开关，改变浸没冷却方式，通过泵来改变冷却工质的循环速度；能够保证冷却工质的温度和高度保持在合适位置，能够保证其对电池模组浸没冷却的散热能力，快速的降低电池模组的温度，保证安全。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一些实施例中的带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置；
图2为本申请一些实施例中的带有冷凝回收的电池浸没热安全管理方法；
图3为本申请一些实施例中的带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置的部分结构示意图；
图4为本申请一些实施例中的带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置的部分结构示意图；
图5为本申请一些实施例中的带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置的部分结构示意图；
其中，101-控制器，102-温度传感器，103-液位传感器，104-电池模组，105-冷却工质，201-三向换热器，301-制冷系统，302-压缩机，303-冷凝器，304-电子膨胀阀，305-第二管路，306-第一泵， k1-第一阀门，k2-第二阀门，k3-第三阀门，k4-第四阀门，401-双流道换热器，402-第二泵，403-水箱，501-储/补液管，502-储/补液罐。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1-图5所示，在本申请的一些实施例中，提供一种热安全管理实验装置，其为带有蒸汽冷凝回收的液体浸没式热安全管理实验装置，包括:
三向换热器201，其顶部开设有第一瓶口、第二瓶口和第三瓶口，侧边开设一开口，底部开设有开口；三向换热器201内部装有冷却工质105和电池模组104，电池模组104浸没于冷却工质105内；
第一换热器，其与制冷系统301进行热交换，所述第一换热器的一端通过第一管路与三向换热器201的侧边开口连接，所述第一管道上设置有第一阀门；第一换热器的另一端通过第二管路305与三向换热器201底部开口连接形成闭合回路，所述第二管路305上设置有第二阀门；
储/补液罐502，内部装有冷却工质105，其通过储/补液管501与三向换热器201的第一瓶口相连，其连接管路上设置有第三阀门，对三向换热器201进行补液；
双流道换热器401，其一端与三向换热器201的第三瓶口相连，其连接管路上设置第四阀门，另一端通过第三管路与水箱403相连；
温度传感器102，用于采集三向换热器201中冷却工质105的温度信息；
液位传感器103，用于采集三向换热器201中冷却工质105的液位信息；
控制器101，其根据温度传感器102和液位传感器103采集的信息，控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开启与关闭。
在本申请的一些实施例中，所述制冷系统301包括冷媒循环管路，在所述冷媒循环管路中，冷媒依次通过压缩机302、冷凝器303、膨胀阀304、蒸发器，所述第一换热器与所述蒸发器进行换热。
在本申请的一些实施例中，所述第二管路305上设置有第一泵306，用于调节三向换热器201内冷却工质105的循环速度；
在本申请的一些实施例中，所述第三管路上设置有第二泵402，用于将水箱403中的水泵送至双流道换热器401。
在本申请的一些实施例中，带有冷凝回收的电池浸没热安全管理方法，利用温度传感器102和液位传感器103检测三向换热器201中冷却工质105的温度和液位信息，当冷却工质105温度K低于沸腾温度T1-过热度ΔT时，即K＜T1-ΔT，第一阀门k1和第二阀门K2打开，第三阀门K3和第四阀门K4关闭，进行冷却工质105的强制冷却循环，第一换热器与制冷系统301的蒸发器进行换热，冷却工质105温度由制冷系统301中的压缩机302转速进行调控；
在本申请的一些实施例中，当温度传感器102检测到三向换热器201中的冷却工质105温度K在[T1-ΔT， T1+ΔT]之间，或液位传感器103检测到冷却工质105高度h低于H时，第一阀门K1、第二阀门K2、第三阀门K3关闭，第四阀门K4打开，冷却工质105蒸汽在双流道换热器401中与外流道低温冷水换热冷凝后冷却工质105液体回流到三向换热器201中，完成冷却工质105的蒸汽冷凝回收循环，冷凝回收速度由第二泵402转速调控。
在本申请的一些实施例中，所述H为电池模组104上表面距离三向换热器201底部的高度。
在本申请的一些实施例中，当温度传感器102检测到冷却工质105温度K大于T1+ΔT，或液位传感器103检测到冷却工质105高度h低于H/2时，第一阀门K1、第二阀门K2关闭，第三阀门K3、第四阀门K4打开，使得冷却工质105蒸汽在双流道换热器401中与外流道低温冷水换热冷凝后冷却工质105液体回流到三向换热器201中；同时储/补液罐502通过储/补液管501进行三向换热器201内的液流工质105的补充，完成冷却工质105的蒸汽冷凝回收循环和储/补液循环。
在本申请的一些实施例中，当冷却工质105温度小于沸腾温度T1-过热度ΔT时，即冷却介质不能满足电池模组104的散热需求时，第一阀门和第二阀门打开，冷却工质105从三向换热器201的侧部开口流出，通过第一换热器与制冷系统301的蒸发器进行换热后，泵送至三向换热器201底部开口，完成冷却介质的循环，并对电池模组104进行充分散热。
在本申请的一些实施例中，当温度传感器102检测到三向换热器201中的冷却工质105温度K在[T1-ΔT， T1+ΔT]之间，或液位传感器103检测到冷却工质105高度h低于H时，第一阀门K1、第二阀门K2、第三阀门K3关闭，第四阀门K4打开，冷却工质105蒸汽在双流道换热器401中与水箱403中泵送的冷却水，经过外流道低温冷水换热冷凝后，冷却工质105液体回流到三向换热器201中，冷凝回收速度由第二泵402转速调控；通过对蒸发的冷却工质105进行快速冷凝，迅速降低冷却工质105温度，重新流回三向换热器201中，确保冷却工质105的高度，完成浸没冷却；
在本申请的一些实施例中，当温度传感器102检测到冷却工质105温度K＞T1+ΔT，或液位传感器103检测到冷却工质105高度h小于H/2时，通过储/补液罐502向补液管里面添加冷却工质105，来降低三向换热器201中冷却工质105的温度以及保持冷却工质105在一定的高度，提高散热的效率。
在本申请的一些实施例中，所述的冷却工质105为介电常数低的油类、去离子水类、氟化液类液体流质；包括但不限于硅油、变压器油、去离子水、氟化液等。
在本申请的一些实施例中，当工质105温度低于沸腾温度T1-过热度ΔT时，第一阀门K1、第二阀门K2常开，关闭第三阀门K3和第四阀门K4，进行工质105的强制冷却循环，工质105温度由空调制冷循环中的压缩机302转速进行调控；通过对冷却工质105强制冷却循环，以此来降低冷却工质105的温度。
在本申请的一些实施例中，根据温度传感器102探测的温度，判断是否处在沸腾T1-过热度ΔT到小于沸腾温度T1+过热度ΔT之间，若在范围内，则关闭第一阀门K1、第二阀门K2、第三阀门K3，第四阀门K4打开；
在本申请的一些实施例中，根据液位传感器103检测到工质105的高度，若工质105高度低于H时，则关闭第一阀门K1、第二阀门K2、第三阀门K3，第四阀门K4打开；工质105蒸汽在双流道换热器401中与外流道低温冷水换热冷凝后工质105液体回流到三向换热器201中，冷凝回收速率由低温冷水循环泵转速调控；通过工质105蒸汽冷凝回收装置，来回收冷却工质105，同时降低冷却工质105温度。
在本申请的一些实施例中，根据温度传感器102探测的温度，判断是否大于沸腾温度T1+过热度ΔT，若在范围内，则关闭第一阀门K1、第二阀门K2；打开第三阀门K3和第四阀门K4 。
在本申请的一些实施例中，根据液位传感器103检测到冷却工质105的高度，若工质105高度低于H/2时，则关闭第一阀门K1、第二阀门K2；打开第三阀门K3和第四阀门K4；
在本申请的一些实施例中，冷却工质105蒸汽在双流道换热器401中与外流道低温冷水换热冷凝后工质105液体回流到三向换热器201中，冷凝回收速率由低温冷水循环泵转速调控；同时依靠储/补液罐502，经由储/补液管501进行三向换热器201内的液流工质105的补充。
在本申请的一些实施例中，双流道换热器，包括冷却工质蒸汽流道和冷却水流道，所述冷却工质蒸汽流道为内流道，内流道为过热蒸汽，冷却水流道为外流道，利用外流道低温流体实现过热蒸汽冷凝，提高浸没冷却工质的回收利用率。
通过上述操作，对容器内的冷却工质105进行补充，保持冷却工质105的液位高度，使得电池模组104始终浸没在冷却工质105中。
通过控制器101控制不同的冷却装置开启，合理的对冷却功率进行了调控，减少了能源的消耗。本申请的热管理装置和方法能够极好地解决了快速电池模组104温度升高，温差较大等安全性问题。提高了电池模组104的散热效率以及安全性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，其特征在于，包括：
三向换热器，其顶部开设有第一瓶口、第二瓶口和第三瓶口，侧边开设一开口，底部开设有开口；三向换热器内部装有冷却工质和电池模组，电池模组浸没于冷却工质内；
第一换热器，其与制冷系统进行热交换，所述第一换热器的一端通过第一管路与三向换热器的侧边开口连接，所述第一管路上设置有第一阀门；第一换热器的另一端通过第二管路与三向换热器底部开口连接形成闭合回路，所述第二管路上设置有第二阀门；
储/补液罐，内部装有冷却工质，其通过储/补液管与三向换热器的第一瓶口相连，其连接管路上设置有第三阀门，对三向换热器进行补液；
双流道换热器，其一端与三向换热器的第三瓶口相连，其连接管路上设置第四阀门；另一端通过第三管路与水箱相连；
温度传感器，穿过第二瓶口，用于采集三向换热器中冷却工质的温度信息；
液位传感器，穿过第二瓶口，用于采集三向换热器中冷却工质的液位信息；
当温度传感器和液位传感器检测三向换热器中冷却工质的温度和液位信息，当冷却工质温度K低于沸腾温度T1-过热度ΔT时，即K＜T1-ΔT，第一阀门和第二阀门打开，第三阀门和第四阀门关闭，进行冷却工质的强制冷却循环，第一换热器与制冷系统的蒸发器进行换热，冷却工质温度由制冷系统中的压缩机转速进行调控；
当温度传感器检测到三向换热器中的冷却工质温度K在[T1-ΔT，T1+ΔT]之间，或液位传感器检测到冷却工质高度h低于H时，第一阀门、第二阀门、第三阀门关闭，第四阀门打开，冷却工质蒸汽在双流道换热器中与外流道的水换热冷凝后冷却工质液体回流到三向换热器中；所述H为电池模组上表面距离三向换热器底部的高度；
当温度传感器检测到冷却工质温度K大于T1+ΔT，或液位传感器检测到冷却工质高度h低于H/2时，第一阀门、第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门打开，使得冷却工质蒸汽在双流道换热器中与外流道的水换热冷凝后冷却工质液体回流到三向换热器中；同时储/补液罐通过储/补液管进行三向换热器内的液流工质的补充；所述H为电池模组上表面距离三向换热器底部的高度。
2.根据权利要求1所述的一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，其特征在于，所述双流道换热器包括冷却工质蒸汽流道和冷却水流道，三向换热器流出的冷却介质蒸汽与水箱中的冷却水换热，冷凝成液体后流入三向换热器中。
3.根据权利要求1所述的一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括：
控制器，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门与控制器电连接，所述控制器被配置为根据温度传感器和液位传感器采集的信息，控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门的开启与关闭，完成不同冷却方式的切换。
4.根据权利要求1所述的一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，其特征在于，所述制冷系统包括冷媒循环管路，在所述冷媒循环管路中，冷媒依次通过压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述第一换热器与所述蒸发器进行换热。
5.根据权利要求1所述的一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，其特征在于，所述第二管路上设置有第一泵，用于调节三向换热器内冷却工质的循环速度。
6.根据权利要求1所述的一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理实验装置，其特征在于，所述第三管路上设置有第二泵，用于将水箱中的水泵送至双流道换热器。
7.一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项所述的实验装置，利用温度传感器和液位传感器检测三向换热器中冷却工质的温度和液位信息，当冷却工质温度K低于沸腾温度T1-过热度ΔT时，即K＜T1-ΔT，第一阀门和第二阀门打开，第三阀门和第四阀门关闭，进行冷却工质的强制冷却循环，第一换热器与制冷系统的蒸发器进行换热；当温度传感器检测到三向换热器中的冷却工质温度K在[T1-ΔT，T1+ΔT]之间，或液位传感器检测到冷却工质高度h低于H时，第一阀门、第二阀门、第三阀门关闭，第四阀门打开，冷却工质蒸汽在双流道换热器中与外流道的水换热冷凝后冷却工质液体回流到三向换热器中；所述H为电池模组上表面距离三向换热器底部的高度；当温度传感器检测到冷却工质温度K大于T1+ΔT，或液位传感器检测到冷却工质高度h低于H/2时，第一阀门、第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门打开，使得冷却工质蒸汽在双流道换热器中与外流道的水换热冷凝后冷却工质液体回流到三向换热器中；同时储/补液罐通过储/补液管进行三向换热器内的液流工质的补充；所述H为电池模组上表面距离三向换热器底部的高度。
8.根据权利要求7所述的一种带有冷凝回收的电池浸没热安全管理方法，其特征在于，所述冷却工质为介电常数低的油类和氟化液。
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