CN117673567B - 浸没液冷式电池堆及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浸没液冷式电池堆及装置，浸没液冷式电池堆包括电池箱体、自密封快插接头、电池组、介电冷却液、多孔导流板和预警器。本发明基于鱼的流线形结构设计了具有鱼形孔的多孔导流板并安装于浸没式液冷电池组中，并且对带有圆形孔导流板电池组、常规导流板电池组与无导流板电池组的冷却性能进行了对比，相较于无导流板结构，带有常规导流板、圆形孔导流板以及鱼形孔导流板电池组的冷却性能均得到提升。此外，该鱼形孔导流板克服了导流板所引起的电池组内压降增大的问题，降低了整个电池组所需的额外泵功耗。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及一种浸没液冷式电池堆及装置。
背景技术
近年来，能源短缺和环境污染的双重危机给世界带来了巨大挑战。随着技术的发展，电动汽车正在逐渐取代传统内燃机汽车，成为应对挑战的重要措施。动力电池作为电动汽车的能量支撑装置，具有优异的性能，并且极大地影响了电动汽车的性能。然而，动力电池的性能和寿命易受操作温度的影响，在快速充电/放电过程中，动力电池会产生巨大的热量，限制其性能，甚至引发安全问题。因此，高效可靠的电池热管理方案对于降低安全风险、稳定电池性能具有重要意义。
目前，主流的电池热管理方案分为：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。其中，空气冷却是一种经济简单的冷却方法，广泛应用于商用电动汽车。然而，由于其热导低的特性，在快速充放电条件下，空气冷却能力非常有限。在相变材料冷却中，相变材料完全熔化后，基于相变材料的电池冷却系统可能会失效。因此，包括液体冷却和空气冷却在内的其他冷却策略通常与相变材料冷却相结合来解决这个问题，但这是以牺牲整个系统的重量与简便性为代价的。与相变材料冷却类似，热管冷却作为一种辅助冷却方法，也需要与其他冷却策略结合使用，以实现连续运行。与其他冷却策略相比，液体冷却具有更高的热导率、更大的热容量和更好的冷却性能。在非接触式液冷中，需要添加冷板和支撑冷板的铝框架，并涂抹导热硅脂或环氧粘合剂以消除电池表面和冷板之间存在的空气间隙，这将导致更高的成本、更大的系统重量和更高的系统复杂性。
浸没式液冷也称为直接接触式液冷，利用介电流体作为冷却介质，是电池与冷却液直接接触的一种传热方式，不依赖于间接或二次热传递，这使得电池的热量能够直接有效地传递到冷却液。与非接触式液冷相比，浸没式液冷消除了冷却系统的复杂性，简化了液冷系统。然而，为了进一步提升对电池组的冷却效果，现有技术对电池组的浸没式液冷系统结构优化主要是通过加入常规导流板、增加进出液口数量以及对电池凸片进行同时冷却等方式，这可能会增加电池箱体进出口之间的压降与整个冷却系统的泵功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题还是提供了一种提高电池堆冷却性能且降低介电冷却液输送泵功耗的浸没液冷式电池堆及装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明首先提供一种浸没液冷式电池堆，包括电池箱体及位于电池箱体内的电池组，在所述电池箱体上设置有进液口和出液口，通过所述进液口在所述电池箱体内注入用于冷却所述电池组的介电冷却液，在所述电池箱体内还设置有至少一个导流板，所述电池组分布在所述导流板两侧；所述导流板为具有导流孔的多孔导流板，多孔导流板上的导流孔将多孔导流板一侧的介电冷却液导流到多孔导流板的另一侧；所述介电冷却液沿所述多孔导流板导向流动，同时还沿着所述多孔导流板上的导流孔导向流动，多孔导流板导向流动与导流孔导向流动形成交叉流动。
所述多孔导流板上孔呈直排阵列布置，孔隙等效水力直径不超过2R且不小于31/2/3，相邻孔在水平向上的孔间距为2R+（4-10）mm，相邻孔在垂直方向上的孔间距为2R+（1-10）mm，开孔率不小于(31/2πR/6)×14/（4R+30mm）×（14R+80mm）且不超过πR2×60/（4R+30mm）×（14R+80mm）。
所述多孔导流板上的导流孔为鱼形孔，所述鱼形孔通过对圆形孔进行保角映射得到：
在圆形复平面A中，由δ=Re jθ - γ定义了半径为R的圆，其中，δ为圆形复平面A的坐标点；θ为圆形复平面A的弧度，θ取值范围为[-π，π）；γ表示实轴上的圆心到变换前坐标原点的距离，γ∈R；
使用b=δ+a 2 /δ将圆形复平面A的坐标点δ映射到复平面B上，其中，b表示所述复平面B的坐标点；a表示半径R与实轴上圆心到变换前坐标原点距离的差；
通过选择a=R-γ，将以距离γ为偏心距的偏心圆上的点逐一映射到所述复平面B，在所述复平面B上获得了鱼形孔的形状。
在所述电池箱体的两个平行侧面分别设置有进液口和出液口，所述进液口和出液口沿所述电池箱体对角线呈现下进上出的布置方式。
在所述进液口和出液口分别连接自密封快插接头。
在所述电池箱体的外侧布置有预警器；在所述出液口附近的电池单元上布置有温度传感器，所述温度传感器与预警器相连并在所述电池单元温度超过安全工作温度后报警；在所述电池箱体内布置有液位传感器并在液位低于预警值后触发所述预警器报警。
所述多孔导流板垂直于所述进液口或出液口的所在侧面，且相邻多孔导流板依次靠近所述进液口和出液口所在侧面，所述介电冷却液在所述电池箱体内形成蛇形流道。
所述电池组至少由3排2列的圆柱形电池单元组成，所述相邻电池单元之间的间距不超过其直径的2/3，且所述电池单元与多孔导流板之间的垂直距离要大于0.5mm；所述多孔导流板厚度不超过1mm。
所述介电冷却液为具有介电性质的电子氟化液、油类或脂类。
本发明还提供一种装置，包括动力源，所述动力源具有上述提供的浸没液冷式电池堆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明简化掉传统间接液冷中的冷却板，将电池组完全浸没在介电冷却液中，使介电冷却液与电池直接接触，强化了换热效果。并且由于电池组直接浸没在介电冷却液中，这降低了热失控的风险，提高了电池组的安全性。
2.本发明在导流板上加工导流孔，在电池箱体内使用多孔导流板增加了介电冷却液与电池的换热路径，间接的增加了流动覆盖面积，提高了换热效率。此外，该导流板使得介电冷却液不仅沿多孔导流板形成的主路径流动，而且还沿着导流孔形成的支路径流动，这不仅可以使介电冷却液通过导流孔形成的支路更快的到达出液口，降低了电池箱体两侧进液口与出液口之间的压降，从而减低了输送介电冷却液的泵功耗。
3. 导流孔为鱼形导流孔，鱼形导流孔为基于鱼形孔的流线形结构，降低了介电冷却液穿过鱼形孔时的阻力，进一步减小了箱体进出口之间冷却液的压降，从而进一步降低输送介电冷却液的泵功耗。
4.本发明中电池箱体两侧的进液口与出液口采用下进上出的布置方式且位于电池箱体体对角处，这可以使介电冷却液充分均匀地与电池组换热，从而将热量从电池组带离。
附图说明
图1为本发明浸没液冷式电池堆的结构示意图；
图2为本发明导流板的结构示意图；
图3为本发明浸没液冷式电池堆高度方向的示意图；
图4为本发明实施例中鱼形导流孔的生成原理图；
图5为本发明实施例中不同长宽比鱼形孔电池组的冷却性能柱状图；
图6为本发明实施例带有圆形孔导流板电池浸没液冷结构的示意图；
图7为现有方案中带有常规导流板电池浸没液冷结构的示意图；
图8为现有方案中无导流板电池浸没液冷结构的示意图；
图9为四种不同结构电池组的最大温度随放电深度（DOD）变化的曲线图；
图10为四种不同结构电池组的压降随雷诺数（Re）变化的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，任何熟悉本技术领域的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，都属于本发明的保护范围。
实施例一
本实施例提供一种浸没液冷式电池堆，如图1、2和3所示，包括：
电池箱体1、自密封快插接头2、电池组4、介电冷却液、多孔导流板3、预警器5。自密封快插接头2分别连接电池箱体1的进液口11和出液口12上。
在一个实施例中，电池箱体1的形状为长方体结构，其内部充满介电冷却液；介电冷却液采用电子氟化液，其导热系数与比热容都是关于温度的函数；电池组4设置为直排布置方式，完全浸没在电子氟化液中；多孔导流板3上开有导流孔。
在一个实施例中，多孔导流板3为平面板，参见图2。在电池箱体1内平行对称设置，多孔导流板3的数量根据电池箱体1的宽度设置，数量最少两个，宽度越宽，数量越多。在图1的实施例中，多孔导流板3的数量为2个，一个靠近进液口11一侧，一个靠近出液口12一侧，导流孔在多孔导流板3上均匀阵列布置，孔间距为2R+10mm，具有很好的减阻效果。
在一个实施例中，多孔导流板3上的导流孔31为鱼形孔。导流板上的鱼形孔是基于圆形孔导流板的结构结合仿生学原理与保角映射技术设计的。具体为假设圆形复平面A上有一点δ，使用b=δ+a 2 /δ将复平面A的坐标点δ映射到复平面B上，b表示复平面B的坐标点，复平面A的弧度θ取值范围为[-π，π）；在复平面A中，由δ=Re jθ - γ定义了半径为R的圆，圆沿实轴偏移γ∈R，γ表示实轴上的圆心到变换前坐标原点的距离，通过选择a=R-γ，使用MATLAB商业软件将偏心圆上的点逐一映射到复平面B，在复平面B上获得了鱼形孔的形状，如图4所示。e和d分别代表鱼形孔头部至其尾部末端的距离与鱼形孔的最大宽度，鱼形孔的长宽比可以通过λ=e/d获得，通过调整参数a，获得不同的长宽比。
对具有四种不同长宽比（1.3；1.4；1.5；1.6）的电池组冷却性能进行对比。如图5所示，当电池组以3C的速率放电时，在0.00273kg/s的入口质量流速下，四种不同长宽比（1.3；1.4；1.5；1.6）鱼型导流孔的电池组最大温度分别为37.88℃（1.3）、37.71℃（1.4）、37.6℃（1.5）和37.55℃（1.6）。从图5可以看到随着长宽比的增加，冷却效果越好，但是这种趋势在减弱，从几个不同长宽比的电池最大温度就可以看出来。
在一个实施例中，本发明的多孔导流板是使用聚酰胺并通过3D打印技术制成的，板长、宽、厚分别为122mm、71mm、1mm。
在一个实施例中，电池箱体1两侧的进液口11与出液口12采用下进上出的布置方式，具体位于电池箱体1的两个体对角处，电子氟化液从进液口11进入电池箱体1，经过多孔导流板3，最终从出液口12排出。预警器5布置在电池箱体1的外侧，出液口12附近的电池单元上布置有温度传感器，温度传感器与预警器5相连并在电池单元温度超过安全工作温度后报警，还在电池箱体1内布置有液位传感器并在液位低于预警值后触发预警器5报警。
在一个实施例中，电池组4由32个电池单元使用母线以8串4并的方式连接，每个电池单元均采用3.2Ah的18650高性能圆柱动力电池，最大最小截止电压分别为4.2V和2.8V，电池组4最大截止电压为33.6V。
为了说明带有鱼形导流孔（长宽比为1.6）的多孔导流板3电池组的冷却性能，对带有圆形导流孔的多孔导流板3电池组、带有常规（无孔）导流板电池组与无导流板电池组的冷却性能进行了对比分析。如图6和7所示，圆形导流孔的多孔导流板3与常规导流板A3在电池箱体内的布置方式与鱼形导流孔的多孔导流板3的布置方式相同，其长宽厚也均为122mm（长）71mm（宽）1mm（厚），带有圆形导流孔的多孔导流板3与带有常规导流板A3的电池箱体结构与带有鱼形导流孔的多孔导流板3的电池箱体结构相同，电池箱体两侧的进液口与出液口也采用下进上出的布置方式。如图8所示，无导流板电池组的电池箱体结构与带有鱼形导流孔的多孔导流板3的电池箱体结构相同，电池箱体两侧的进液口与出液口采用下进上出的布置方式。电池首先以恒流与恒压的方式充电至4.2V（电流小于0.05C），然后再静置30分钟后进行实验。
如图9所示，当电池组以3C的速率放电时，在0.00273kg/s的入口质量流速下，四种不同结构电池组的最大温度分别为40.1℃（无导流板）、39.3℃（常规导流板）、37.98℃（圆形导流孔的多孔导流板）和37.55℃（长宽比为1.6的鱼形导流孔的多孔导流板），其中无导流板电池组的最大温度超过电池的最佳温度（40℃）。相较于无导流板电池组，带有常规导流板、圆形导流孔的多孔导流板、鱼形导流孔的多孔导流板电池组的最大温度分别下降了5.3%、14.04%与16.9%，这是由于加入导流板增强了电子氟化液的流动覆盖面积，提高了换热效率。
通过改变电子氟化液的入口质量流速，如图10所示，当电池组以3C速率放电结束时，不同雷诺数（Re）下，三种不同结构电池组的压降呈指数变化。带有常规导流板电池组进出口之间电子氟化液的压降增加得更快，这说明尽管可以通过插入导流板来提高传热效率，但电池组中流体流动的压降也有所增加。与常规导流板相比，带有圆形导流孔的多孔导流板与带有鱼形导流孔的多孔导流板电池组内的压降显著降低。其中相较于其他两种带有导流板的电池组，带有鱼形导流孔的多孔导流板电池组内的压降最低，与无导流板电池组的情况基本相同，这是因为带有鱼形导流孔的多孔导流板上的鱼形孔不仅允许电池组内部的电子氟化液通过由孔形成的支路更快地到达电池箱体的出口，以减小由导流板引起的电池箱体两侧的进液口与出液口之间的压降，而且还基于鱼形孔的流线形结构进一步减小了电子氟化液穿过孔时的阻力，因此带有鱼形导流孔的多孔导流板电池组所需的介电冷却液泵功耗也最小。
实施例二
本实施例提供一种装置，包括动力源，动力源采用实施例一的浸没液冷式电池堆。
本实施例中的装置，包括电动汽车、混合动力车辆、可再生能源储能系统等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，熟悉本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所描述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；而这些修改与替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种浸没液冷式电池堆，包括电池箱体及位于电池箱体内的电池组，在所述电池箱体上设置有进液口和出液口，通过所述进液口在所述电池箱体内注入用于冷却所述电池组的介电冷却液，其特征在于，在所述电池箱体内还设置有至少两个导流板，所述电池组分布在所述导流板两侧；所述导流板为具有导流孔的多孔导流板，多孔导流板上的导流孔将多孔导流板一侧的介电冷却液导流到多孔导流板的另一侧；所述介电冷却液沿所述多孔导流板导向流动，同时还沿着所述多孔导流板上的导流孔导向流动，多孔导流板导向流动与导流孔导向流动形成交叉流动；
所述多孔导流板上的导流孔为鱼形孔，所述鱼形孔通过对圆形孔进行保角映射得到：
在圆形复平面A中，由δ=Re jθ - γ定义了半径为R的圆，其中，δ为圆形复平面A的坐标点；θ为圆形复平面A的弧度，θ取值范围为[-π，π）；γ表示实轴上的圆心到变换前坐标原点的距离，γ∈R；
使用b=δ+a 2 /δ将圆形复平面A的坐标点δ映射到复平面B上，其中，b表示所述复平面B的坐标点；a表示半径R与实轴上圆心到变换前坐标原点距离的差；
通过选择a=R-γ，将以距离γ为偏心距的偏心圆上的点逐一映射到所述复平面B，在所述复平面B上获得了鱼形孔的形状；
所述多孔导流板上孔呈直排阵列布置，孔隙等效水力直径不超过2R且不小于31/2/3，相邻孔在水平向上的孔间距为2R+（4-10）mm，相邻孔在垂直方向上的孔间距为2R+（2-10）mm，开孔率不小于(31/2πR/6)×14/（4R+30mm）×（14R+80mm）且不超过πR2×60/（4R+30mm）×（14R+80mm）。
2.根据权利要求1所述的浸没液冷式电池堆，其特征在于，在所述电池箱体的两个平行侧面分别设置有进液口和出液口，所述进液口和出液口沿所述电池箱体对角线呈现下进上出的布置方式。
3.根据权利要求1所述的浸没液冷式电池堆，其特征在于，在所述进液口和出液口分别连接自密封快插接头。
4.根据权利要求1所述的浸没液冷式电池堆，其特征在于，在所述电池箱体的外侧布置有预警器；在所述出液口附近的电池单元上布置有温度传感器，所述温度传感器与预警器相连并在所述电池单元温度超过安全工作温度后报警；在所述电池箱体内布置有液位传感器并在液位低于预警值后触发所述预警器报警。
5.根据权利要求1所述的浸没液冷式电池堆，其特征在于，所述多孔导流板垂直于所述进液口或出液口的所在侧面，且相邻多孔导流板依次靠近所述进液口和出液口所在侧面，所述介电冷却液在所述电池箱体内形成蛇形流道。
6.根据权利要求1所述的浸没液冷式电池堆，其特征在于，所述电池组至少由3排2列的圆柱形电池单元组成，相邻所述电池单元之间的间距不超过其直径的2/3，且所述电池单元与多孔导流板之间的垂直距离要大于0.5mm；所述多孔导流板厚度不超过1mm。
7.根据权利要求1所述的浸没液冷式电池堆，其特征在于，所述介电冷却液为具有介电性质的电子氟化液、油类或脂类。
8.一种装置，包括动力源，所述动力源具有权利要求1-7任一所述的浸没液冷式电池堆。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 浸没式相变冷却研究综述;熊世明等;建筑热能通风空调;20180831;第37卷(第8期);33-37页 * |
Also Published As
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