CN219534662U - 一种车用动力电池直冷热管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车用动力电池直冷热管理系统，包括有压缩机、室外换热器、空调膨胀阀、电池膨胀阀、室内换热器、电池直冷板、电池外换热器、节流孔、过热度传感器、控制器，所述电池直冷板出口处设置有节流孔，电池直冷板前设置有电池膨胀阀。本实用新型在电池直冷板出口处增加一个节流孔，并通过监测节流孔后的温度与压力计算出节流孔出口的过热度，在进入电池直冷板前布置一个电池膨胀阀，从而控制节流孔出口的过热度，电子膨胀阀的开度调节可控制节流孔出口的过热度在较小范围，由于该较小过热度是通过节流降压后达到的，可以准确达到控制冷媒在电池冷板中的换热温差。

Description

一种车用动力电池直冷热管理系统

技术领域

本实用新型属于动力电池热管理技术领域，特别涉及一种车用动力电池直冷热管理系统。

背景技术

电池能量密度的提升和成本下降，为新能源汽车的持续高速发展提供了动力，新能源汽车的普及渗透率不断提高，在这一背景下，为保证新能源汽车的安全性等，动力电池的热管理越发显得重要。

车用动力电池常用的热管理方式为液热，但由于基于液冷动力电池的热管理系统结构复杂，液冷动力电池热管理系统除制冷的空调冷媒回路外，还需至少需包括水泵(用于驱动冷却液流动)、Chiller(冷媒与冷却液间的换热器，以带走冷却液的热量)和膨胀壶(以调节冷却液回路和压力值)。而采用直冷的热管理系统，可以省略电池端的冷却液回路结构，从而节省成本，另外因无冷却液作为中间换热载体，热管理系统的制冷效率更高。

但冷媒直冷电池相对液冷电池，其会带来电池冷却温差大的问题，这主要因为制冷剂在电池直冷板上流动时从两相状态吸热后变成过热蒸汽状态，这导致在电池的冷板内部冷媒的换热效果逐渐变差，而当冷媒蒸发成过热蒸汽后会加剧冷板的温差，使电池冷却板的温差变大，导致电池冷却效果不均匀。

如专利文献CN114566732A公开了一种电池冷却系统及方法，包括：第一膨胀阀、直冷板换热器、控制器、压缩机、设置在电池外部的电池直冷板；直冷板换热器包括第一换热回路和第二换热回路；第一换热回路的入口与压缩机的出口连接，第一换热回路的出口与第一膨胀阀的入口连接，第一膨胀阀的出口与电池直冷板的入口连接；第二换热回路的入口与电池直冷板的出口连接，第二换热回路的出口与压缩机的入口连接；控制器用于通过控制第一膨胀阀的开度调节直冷板换热器的换热量。专利文献CN215337165U公开了一种低温差冷媒直冷系统和车辆，包括直冷板、电子膨胀阀、同轴管、冷凝器和压缩机，所述同轴管内同轴设置有低压管路和高压管路，所述高压管路的输入端与冷凝器的输出端连接，所述高压管路的输出端通过电子膨胀阀与直冷板的输入端连接；所述低压管路的输入端与直冷板的输出端连接，所述低压管路的输出端与压缩机的输入端连接，压缩机的输出端与冷凝器的输入端连接。

专利文献CN114566732A和CN215337165U采用了在冷却回路上增加高压管与低压管换热部件的方式使电池冷却板出口与入口温差尽量小，这一方法通过控制电池冷却板的出口过热度，可以一定程度上保证电池冷却板内部的温度均匀性，但这一方法仍然会使电池出口出现过热度，并且因电池出口为气态制冷剂，其换热能力差，也会带来电池冷板温度不均匀。另外该方法较难控制电池冷板的蒸发温度，而且电池冷却板的蒸发温度与空调制冷的蒸发温度相近，该温度相对而言较低。

实用新型内容

基于此，针对以上提到的车用动力电池的热管理系统问题，本实用新型的首要目地是提供一种车用动力电池直冷热管理系统，该系统相对液冷电池热管理系统结构简单且成本低，通过控制节流孔后的过热度不仅可保证电池冷板的温差，同时可以调节电池冷板的蒸发温度，使电池直冷板蒸发器的蒸发温度与空调制冷的蒸发温度在不同水平，从而实现分区冷却控制。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种车用动力电池直冷热管理系统，包括有压缩机、室外换热器、空调膨胀阀、电池膨胀阀、室内换热器、电池直冷板、电池外换热器、节流孔、过热度传感器、控制器，所述电池直冷板出口处设置有节流孔，电池直冷板前设置有电池膨胀阀，其中：

所述电池外换热器为电池冷媒管路进口与出口换热的装置，该装置可以在电池冷媒进口与出口安装同轴管或者将进口管路与出口管路焊接在一起；

所述节流孔入口与电池直冷板出口连接，节流孔出口与过热度传感器连接，节流孔可以为一个可变流通截面积的细孔，在合适的系统设计及压缩机控制下，也可以为一个固定流通截面积的通道；

所述控制器为控制电池膨胀阀的开度来调节节流孔出口的过热度，其主要接收过热度传感器输出的冷媒过热度值或者是压力与温度值。

本实用新型在电池直冷板出口处增加一个节流孔，并通过监测节流孔后的温度与压力计算出节流孔出口的过热度，在进入电池直冷板前布置一个电池膨胀阀，从而控制节流孔出口的过热度，电子膨胀阀的开度调节可控制节流孔出口的过热度在较小范围，由于该较小过热度是通过节流降压后达到的，可以准确达到控制冷媒在电池冷板中的换热温差。

所述过热度传感器，是温度传感器与压力传感器的组合，通过所监测得到电池直冷板的冷媒的温度与压力，可以得到冷媒在该温度与压力与温度状态的过热度值。

具体地说，所述系统包括有压缩机、室外换热器、电池膨胀阀、电池直冷板、电池出口节流孔、空调回路上的截止阀、空调侧的膨胀阀、室内换热器和压缩机；其中，压缩机的出口连接室外散热器的入口，室外散热器的出口分别连接截止阀的入口和电池膨胀阀的入口，截止阀的出口与室内换热器的入口连接，室内换热器的出口与压缩机的入口连接，电池膨胀阀的出口连接电池直冷板的入口，电池直冷板的出口连接节流孔，节流孔的出口连接冷媒过热度状态监测传感器，该传感器也可以输出冷媒的压力与温度信号，将信号发送给控制器，控制器通过查表或者计算得到此时制冷剂的过热度。

进一步，在电池直冷板的入口与出口处设置有电池外换热器，电池外换热器通过导热结构连接电池直冷板的入口与出口来实现热交换，通过该换热器，使得电池直冷板的出口温度与入口温度保持一致。

进一步，节流孔是一个可控流通截面积的节流装置，通过可变节流面积，可以更加容易实现直冷板的蒸发温度的控制。

与现有技术相比，本实用新型的技术效果如下：

本实用新型通过监测节流孔后的温度与压力计算出节流孔出口的过热度，除在进入电池直冷板前布置一个电池膨胀阀外，在电池直冷板后布置一个可变节流装置，从而不仅能够控制节流孔出口的过热度，电子膨胀阀的开度调节可控制节流孔出口的流量，还可以控制直冷板出口基本无过热度，而是通过直冷板后的节流孔实现冷媒达到过热状态，由于直冷板出口无过热度，直冷板内冷媒为均温的两相状态，可以准确达到控制冷媒在电池冷板中的换热温差，同时改变直冷板内压力从而改变冷却温度，提高散热效果。

附图说明

图1是本申请实施的一种车用动力电池直冷热管理系统的原理图。

图2是本申请实施的另一种车用动力电池直冷热管理系统的原理图。

附图标记：压缩机11、室外换热器12、截止阀13、空调膨胀阀14、室内换热器15、室外换热风扇16、过热度传感器17、电池膨胀阀21、电池直冷板22、节流孔23、过热度传感器24、电池外换热器25。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1所示，为本申请实施的第一种动力电池直冷热管理系统的结构图，该系统包括压缩机11、室外换热器12、电池膨胀阀21、电池直冷系统22、电池出口节流孔23、电池外换热器25、节流孔出口过热度传感器24、空调回路上的截止阀、空调侧的膨胀阀14、室内换热器15和压缩机。其中，压缩机11的出口连接室外散热器12的入口，室外散热器12的出口分别连接截止阀13的入口和电池膨胀阀21的入口，截止阀的出口与室内换热器15的入口连接，室内换热器15的出口与压缩机的入口连接，电池膨胀阀的出口连接电池直冷板的入口，电池直冷板22的出口连接节流孔23，电池外换热器25通过导热结构连接电池直冷板22的入口与出口来实现热交换，节流孔23的出口连接冷媒过热度状态监测传感器24，该传感器24也可以输出冷媒的压力与温度，将信号发送给控制器，控制器通过查表或者计算得到此时制冷剂的过热度。

本申请的实施实例中，电池直冷板22通过导热介质与动力电池进行热量交换，来实现对动力电池的冷却，为了达到较佳的冷却效果，以及保证电池包内部电芯间的温度均匀性，本申请的实施实例中需满足以下条件：1、电池直冷板22内制冷剂的蒸发温度控制在合适的温度值，该温度值直接影响动力电池与直冷板的换热效率；2、节流孔23出口的过热度控制在一定的范围内，以保证制冷剂在冷板的流动过程中保持恒定温度，即保证直冷板的温度均匀，从而减小动力电池冷却过程中的温差。

电池直冷板22内制冷剂中的蒸发温度与制冷剂的蒸发压力相关，通过调节节流孔23并且配合对压缩机11转速的控制来调节电池直冷板内的压力，从而调整蒸发温度。通过电池膨胀阀21的开度调节，保证制冷剂在冷却板22内处于两相状态。所谓两相状态是指制冷剂处于气液两相状态，在两相状态并保证制冷剂压力不变情况下，制冷剂的温度为恒定值。所谓过热度是指相对于相同压力条件下，过热蒸气与两相饱和态温度的差值。

在电池直冷板22的入口与出口处设置一个电池外换热器25，通过该换热器，使得电池直冷板22的出口温度与入口温度保持一致，若出口温度因压力损失导致温度下降可通过吸收入口制冷剂热量，或者由于换热导致出口制冷剂温度过高可通过对入口制冷剂散热使进出口温差一致。

通过调节电池直冷板22入口的电池膨胀阀21的开度，配合对压缩机11的转速控制，可以调节直冷板22内部制冷剂的流量，进而保证节流孔23出口的过热度在一定范围。由于保证的是节流孔23出口的过热度，而在制冷剂经过节流孔时，其可看作是一个焓值不变的过程，即节流孔23前后的焓值是相同的，但节流孔23前的压力相对出口大，即可保证节流孔23的进口即电池直冷板22的出口为两相饱和状态。

节流孔23可以设计成一个可控流通截面积的节流装置，通过可变节流面积，可以更加容易实现直冷板22的蒸发温度的控制。

节流孔23出口的目标过热度范围为1K～3K，在此过热度范围下可以表明节流孔23出口处于较小过热状态，这样可以保证节流孔23前为两相状态，保证直冷板22的温度均匀性。

运行模式介绍如下：

空调制冷与电池冷却同时开启时，截止阀13打开，电池膨胀阀21处于打开且节流状态，制冷剂从压缩机11出来后是高温高压的气相制冷剂，经过室外换热器12后，制冷剂温度下降且因对外界散热后其焓值下降，液化成高压过冷的液态制冷剂，由于截止阀13打开，高压高温的液态制冷剂分两路分别进入截止阀13的入口和电池膨胀阀21的入口，制冷剂经过截止阀13后再进入空调膨胀阀14，由于经过空调膨胀阀14后制冷剂的压力急速下降，在进入室内散热器15的入口时制冷剂变为低压低温的两相状态，低温制冷剂在室内换热器15内与外部高温气体换热后温度上升并在出口汽化成过热蒸汽，最后经过空调膨胀阀14回到压缩机11，另外一路制冷剂经过电池膨胀阀21后，同样地变为低温低压的两相状态，再经过电池直冷板22并吸热后两相状态的制冷剂焓值上升且临近临界状态，该接近临界状态的制冷剂再经过节流孔23后压力下降，使得制冷剂变成过热气体，由于些时进入压缩机11前空调侧与电池侧的制冷剂汇合在一起，所以在经过节流孔23前，电池直冷板22内的制冷剂压力高于室内换热器15的压力。

空调制冷单独开启时，截止阀13打开，电池膨胀阀21处于关闭状态。制冷剂从压缩机11出来后是高温高压的气相制冷剂，经过室外换热器12后，制冷剂温度下降且因对外界散热后其焓值下降，液化成高压过冷的液态制冷剂，由于截止阀13打开，高压高温的液态制冷剂经过截止阀13后再进入空调膨胀阀14，由于经过空调膨胀阀14后制冷剂的压力急速下降，在进入室内散热器15的入口时制冷剂变为低压低温的两相状态，低温制冷剂在室内换热器15内与外部高温气体换热后温度上升并在出口汽化成过热蒸汽，最后经过空调膨胀阀14回到压缩机11。

电池制冷单独开启时，截止阀13关闭，电池膨胀阀21处于打开且节流状态，制冷剂从压缩机11出来后是高温高压的气相制冷剂，经过室外换热器12后，制冷剂温度下降且因对外界散热后其焓值下降，液化成高压过冷的液态制冷剂，由于截止阀13关闭，高压高温的液态制冷剂进入电池膨胀阀21的入口，制冷剂经过电池膨胀阀21后，同样地变为低温低压的两相状态，再经过电池直冷板22并吸热后两相状态的制冷剂焓值上升且临近临界状态，该接近临界状态的制冷剂再经过节流孔23后压力下降，使得制冷剂变成过热气体，该过热气体经过过热度传感器24进入压缩机11。

图2所示，为本申请实现的另一种实现方式，在该实施方式中，动力电池直冷热管理系统系统中包括：压缩机11、室外换热器12、空调膨胀阀13、过热度传感器17、室内换热器15、室外换热风扇16、电池膨胀阀21、电池直冷板22、节流孔23、过热度传感器24、电池外换热器25。相对图1的实现方式，膨胀阀由热力型的空调膨胀阀14，变成电子控制。

在该方式中，图1所示的空调膨胀阀14换成了本方式的过热度传感器17，通过过热度传感器17来检测室内换热器15的温度和压力。其余部件与方式一相同。同样地，本实施方式也是在电池冷却板22出口处增加一个节流孔23，并通过监测节流孔后的温度与压力计算出节流孔出口的过热度，在进入电池直冷冷板前布置一个电池膨胀阀，从而控制节流孔出口的过热度，电子膨胀阀的开度调节可控制节流孔出口的过热度在较小范围，由于该较小过热度是通过节流降压后达到的，可以准确达到控制冷媒在电池冷板中的换热温差。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种车用动力电池直冷热管理系统，包括有压缩机、室外换热器、空调膨胀阀、室内换热器、电池直冷板、电池外换热器、过热度传感器、控制器，其特征在于还包括有电池膨胀阀、节流孔，所述电池直冷板出口处设置有节流孔，电池直冷板前设置有电池膨胀阀，其中：

所述电池外换热器为电池冷媒管路进口与出口换热的装置，该装置可以在电池冷媒进口与出口安装同轴管或者将进口管路与出口管路焊接在一起；

所述节流孔入口与电池直冷板出口连接，节流孔出口与过热度传感器连接；

所述控制器为控制电池膨胀阀的开度来调节节流孔出口的过热度，其主要接收过热度传感器输出的冷媒过热度值或者是压力与温度值。

2.如权利要求1所述的车用动力电池直冷热管理系统，其特征在于所述过热度传感器，是温度传感器与压力传感器的组合。

3.如权利要求2所述的车用动力电池直冷热管理系统，其特征在于所述系统包括有压缩机、室外换热器、电池膨胀阀、电池直冷板、电池出口节流孔、空调回路上的截止阀、空调侧的膨胀阀、室内换热器和压缩机；其中，压缩机的出口连接室外散热器的入口，室外散热器的出口分别连接截止阀的入口和电池膨胀阀的入口，截止阀的出口与室内换热器的入口连接，室内换热器的出口与压缩机的入口连接，电池膨胀阀的出口连接电池直冷板的入口，电池直冷板的出口连接节流孔，节流孔的出口连接冷媒过热度状态监测传感器。

4.如权利要求1所述的车用动力电池直冷热管理系统，其特征在于在电池直冷板的入口与出口处设置有电池外换热器，电池外换热器通过导热结构连接电池直冷板的入口与出口来实现热交换。

5.如权利要求1所述的车用动力电池直冷热管理系统，其特征在于节流孔是一个可控流通截面积的节流装置。