CN109149013A - 电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***及其控制方法。***包括通过管路相连的电池包散热装置、冷凝装置、膨胀容器和循环泵。膨胀容器的出口接循环泵的入口，循环泵的出口接电池包散热装置的入口，电池包散热装置的出口接冷凝装置的入口，冷凝装置的出口接膨胀容器的入口一。电池包散热装置、冷凝装置、膨胀容器及管路中均填充有相变工质。膨胀容器上安装有半导体控温装置。本发明通过电池包散热装置内的相变工质的等温相变，使得电池单体处在相同的散热边界条件下，从而保证电池单体的温度均匀性；采用半导体控温装置的制冷和加热模式实现了***内的压力控制和精确控温。

Description

电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池散热技术领域，具体涉及电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***及其控制方法。
背景技术
动力电池被称为电动汽车的心脏，是电动汽车的储能装置和动力源泉，为了防止电池温度升高导致的电池工作性能、寿命和安全性能下降，必须对电池进行散热。由于电池包的空间有限，致使电池单体之间排列致密，在充放电状态或高温环境工作下，电池单体会产生大量的热量，当热量不能及时排除时，就会导致电池热失控。假如散热装置布置的不均匀，就容易导致电池单体的温度差异，会严重影响电池的效率、容量、寿命和安全性。因此，动力电池散热装置，应尽可能的使得电池单体间处于相似的散热条件下，保证电池组处在适宜的温度范围和电池单体间的温度均匀性。
目前几种主流的动力电池运行温度范围为：锂电池-20℃~60℃，镍氢电池-20℃~60℃，锂电池0℃~45℃，为了保持单体电池的性能一致性，温度均匀性要求为±2℃。为了使动力电池工作在一个最佳环境温度中，充分发挥电池性能和提升可靠性，必须要采用合理设计的动力电池散热装置。
当前电池组的冷却主要由空气冷却和单相液体冷却。空气冷却利用空气的显热带走热量，优点是结构简单、成本低，缺点是空气的质量流量大并且传热效率低，电池包散热装置的温度一致性差。液体冷却包含单相冷却和相变冷却两种形式，单相冷却利用水/乙二醇等工质的显热带走热量，温度一致性比空气冷却好，缺点是温度一致性受外部散热条件的影响，同时单相流的工质质量流量大，需要额外的机械力驱动液体流动，***占用空间大、成本高、结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***及其控制方法，该***及其控制方法采用泵驱两相循环原理，使相变工质在循环***中循环流动，实现电池包的散热。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明涉及一种电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，包括通过管路相连的电池包散热装置、冷凝装置、膨胀容器和循环泵；所述膨胀容器的出口接循环泵的入口，循环泵的出口接电池包散热装置的入口，电池包散热装置的出口接冷凝装置的入口，冷凝装置的出口接膨胀容器的入口一；所述电池包散热装置、冷凝装置、膨胀容器及管路中均填充有相变工质；所述膨胀容器上安装有半导体控温装置。
进一步的，该***还包括电磁三通阀，所述电磁三通阀的入口接循环泵的出口，电磁三通阀的出口一接膨胀容器的入口二，电磁三通阀的出口二接电池包散热装置的入口。
进一步的，所述膨胀容器的出口经管路一接循环泵的入口，循环泵的出口经管路二接电磁三通阀的入口，电磁三通阀的出口一经管路三接膨胀容器的入口二，电磁三通阀的出口二经管路四接电池包散热装置的入口，电池包散热装置的出口经管路五接冷凝装置的入口，冷凝装置的出口经管路六接膨胀容器的入口一。
进一步的，所述管路一上设有温度传感器一；所述管路二上依次设有流量计一和过滤器一；所述管路四上依次设有流量计二和过滤器二；所述管路五上依次设有压力调节装置和止回阀。
进一步的，所述膨胀容器上设有充注口、泄压阀和排液口，且膨胀容器内安装有压力传感器。
进一步的，所述膨胀容器的上端侧壁上开设有通气口，且该通气口通过管路七与冷凝装置的入口相连，所述管路七上设有常闭电磁阀。
进一步的，所述电池包散热装置与电池包中的电池单体贴合安装。
进一步的，所述冷凝装置采用带风机和换热器的风冷装置或带冷板的液冷装置。
进一步的，所述电池包内安装有温度传感器二。
本发明还涉及一种上述电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***的控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）启动循环泵前，检测膨胀容器内的压力P1，同时检测电池包的温度T1和循环泵入口处的相变工质的温度T3。
（2）当相变工质的温度T3大于压力P1下的相变工质的饱和温度时，启动半导体控温装置的制冷模式，使***内压力降低；当相变工质的温度T3小于压力P1下的相变工质的饱和温度时，依次启动冷凝装置和循环泵。
（3）循环泵启动后，电池包开始工作，在电池包散热装置内产生大量气体，由于***的容积一定，气体被压缩，***内压力增大，此时电磁三通阀为全开状态，膨胀容器内的相变工质全部进入电池包散热装置内。
（4）半导体控温装置实时监测电池包的温度T1，当电池包的温度T1低于设定值时，半导体控温装置启动加热模式，使***内压力升高，维持电池包中电池单体的温度不再下降，当电池包的温度T1不低于设定值时，半导体控温装置启动制冷模式，使***内压力降低，维持电池包中电池单体的温度不再升高。
由以上技术方案可知，本发明解决了电动汽车电池包温度均匀性的问题，在电池包散热装置内相变工质等温相变，很好的保证了电池单体的温度均匀性；且相变工质的质量流量小，整个泵驱两相循环***的体积紧凑、重量轻。本发明采用半导体控温装置的制冷和加热模式实现***内的压力控制，使得***内压力始终处在设定温度的饱和压力下，从而实现精确控温。本发明通过电池包散热装置内的相变工质的等温相变，使得电池单体处在相同的散热边界条件下，从而保证电池单体的温度均匀性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中：
1、电池包散热装置，2、冷凝装置，3、膨胀容器，4、循环泵，5、半导体控温装置，6、电池包，7、压力调节装置，8、充注口，9、泄压阀，10、排液口，11、压力传感器，12、温度传感器一，13、电磁三通阀，14、温度传感器二，15、止回阀，16、常闭电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，包括通过管路相连的电池包散热装置1、冷凝装置2、膨胀容器3和循环泵4，该***为闭式***。所述膨胀容器3的出口接循环泵4的入口，循环泵4的出口接电池包散热装置1的入口，电池包散热装置1的出口接冷凝装置2的入口，冷凝装置2的出口接膨胀容器3的入口一。所述电池包散热装置1、冷凝装置2、膨胀容器3及管路中均填充有相变工质。所述膨胀容器3的壳体上安装有半导体控温装置5。所述半导体控温装置5包括电源、半导体芯片、制冷/加热继电器和风机。所述电源用于为半导体芯片、制冷/加热继电器和风机供电。所述制冷/加热继电器连接在电源与半导体芯片之间，用于对流过半导体芯片的电流的方向进行控制。当半导体控温装置开启后，风机一直处于工作状态，用于为半导体芯片散热。所述半导体控温装置主要实现半导体芯片的制冷和加热功能，通过外置的压力传感器11（PT100传感器），由***的温控器判定执行制冷模式或加热模式，当温度小于容器内压力对应的饱和温度时启动加热模式，当温度大于容器内压力对应的饱和温度时启动制冷模式，通过控制制冷/加热继电器的关闭和开启实现模式的自动切换。半导体控温装置提供加热和制冷模式，控制膨胀容器内液态相变工质的蒸发与冷凝，来对整个循环***的压力进行控制。所述循环泵4为本发明所述的泵驱两相循环***的动力装置，以克服***的压降，为***提供一定流量和压力的循环工质。
将本发明所述的泵驱两相循环***抽空后，充灌适量的相变工质，在电池包散热装置中，液态相变工质吸收电池单体散发的热量变为蒸汽，蒸汽通过管路流向冷凝装置，在冷凝装置中被重新冷却为液态的相变工质，放出热量。通过相变工质的持续吸热、放热、流动完成整个循环，从而将电池包中电池单体的热量耗散至环境中。在相变工质相变吸热过程中，压力与温度是一一对应关系，通过半导体控温装置的制冷和加热，将闭式***内的压力控制在设定值，从而使相变工质在电池包散热装置中在设定的温度下发生相变吸热，实现温度均匀性控制。
进一步的，该***还包括电磁三通阀13，所述电磁三通阀13的入口接循环泵4的出口，电磁三通阀13的出口一接膨胀容器3的入口二，电磁三通阀13的出口二接电池包散热装置1的入口。
进一步的，所述膨胀容器3的出口经管路一接循环泵4的入口，循环泵4的出口经管路二接电磁三通阀13的入口，电磁三通阀13的出口一经管路三接膨胀容器3的入口二，电磁三通阀13的出口二经管路四接电池包散热装置1的入口，电池包散热装置1的出口经管路五接冷凝装置2的入口，冷凝装置2的出口经管路六接膨胀容器3的入口一。
进一步的，所述管路一上设有温度传感器一12；所述管路二上依次设有流量计一V1和过滤器一DP1；所述管路四上依次设有流量计二V2和过滤器二DP2；所述管路五上依次设有压力调节装置7和止回阀15。
进一步的，所述膨胀容器3上设有充注口8、泄压阀9和排液口10，且膨胀容器3内安装有压力传感器11。所述膨胀容器3为本发明所述的泵驱两相循环***的压力调节黄哲，内置一定量的液态相变工质，其余空间为饱和蒸汽。所述充注口8，用于向膨胀容器3内充入相变工质。所述排液口10，用于将膨胀容器3内的相变工质排出。所述泄压阀9，用于调节膨胀容器3内的压力。
进一步的，所述膨胀容器3的上端侧壁上开设有通气口，且该通气口通过管路七与冷凝装置2的入口相连，所述管路七上设有常闭电磁阀16。通过在膨胀容器的上端侧壁上开设通气口，并用管路七连接该通气口和冷凝装置的入口，并在管路七上设置常闭电磁阀，能够在***开启前确保***内压力均衡。***开启前需要确保管路中完全充注满液相工质，为了避免管路五中存在气体，打开电磁阀16，均衡冷凝装置入口和膨胀容器的压力，在重力作用下膨胀容器内的液相工质会充满整个管路。
进一步的，所述电池包散热装置1与电池包6中的电池单体贴合安装。在电池包散热装置内，相变工质汽化吸热，利用工质的相变潜热带走电池单体的热量。相变工质在电池包散热装置内等温吸热，给电池单体创造等温的散热条件。
进一步的，所述冷凝装置2采用带风机和换热器的风冷装置或带冷板的液冷装置。
进一步的，所述电池包6内安装有温度传感器二14。
本发明还涉及一种上述电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***的控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）启动循环泵前，采用膨胀容器内的压力传感器检测膨胀容器内的压力P1，同时采用温度传感器二检测电池包的温度T1和采用温度传感器一检测循环泵入口处的相变工质的温度T3。 要确保温度T3小于压力P1下的相变工质的饱和温度，从而确保循环泵入口处的相变工质为液态，避免循环泵吸入气体而损坏。
（2）当相变工质的温度T3大于压力P1下的相变工质的饱和温度时，启动半导体控温装置的制冷模式，使***内压力降低；当相变工质的温度T3小于压力P1下的相变工质的饱和温度时，依次启动冷凝装置和循环泵。
（3）循环泵启动后，电池包开始工作，在电池包散热装置内产生大量气体，由于***的容积一定，气体被压缩，***内压力增大，此时电磁三通阀为全开状态，膨胀容器内的相变工质全部进入电池包散热装置内。
（4）半导体控温装置实时监测电池包的温度T1，当电池包的温度T1低于设定值时，半导体控温装置启动加热模式，使***内压力升高，维持电池包中电池单体的温度不再下降，当电池包的温度T1不低于设定值时，半导体控温装置启动制冷模式，使***内压力降低，维持电池包中电池单体的温度不再升高。
此外，在环境温度T2不变的情况下，当电池包工况发生变化时，如输出功率增加时，电池包发热量也随之增加，***内压力提升，电池包温度T1也会升高，此时半导体控温装置启动制冷模式，使***内压力降低，从而维持电池单体的温度在设定值；相反，如输出功率降低时，电池包发热量也随之降低，相变工质汽化量降低，使得***内压力降低，此时电磁三通阀会将部分工质通过管路三流回膨胀容器内，同时半导体控温装置启动加热模式，使***内压力升高，从而维持电池包中电池单体的温度在设定值。
本发明的工作原理为：
通过半导体控温装置将膨胀容器内的相变工质的温度精确地控制在设定温度值，使膨胀容器内的相变工质处在高压饱和状态，并使管路内充满了饱和液体。当电池包散热装置启动工作时，采用循环泵将液相工质输送到电池包散热装置中，相变工质在电池包散热装置内吸收电池包内电池单体的热量，从而发生相变换热，变成气液两相工质，气液两相工质进入冷凝装置中凝结放热，变为液体重新经膨胀容器回到循环泵的入口，从而完成整个放热循环。
本发明解决了电动汽车电池包温度均匀性、精确控温和轻量化问题，采用泵驱两相循环原理，使相变工质在电池包散热装置内等温吸热，给电池单体创造等温的散热边界条件，从而保证电池单体的温度均匀性；通过半导体控温装置的加热和制冷，使得膨胀容器内液体的相变工质快速汽化和冷凝，从而调节***压力到设定值，使得在电池包散热装置内的相变工质在设定温度值下相变吸热，从而实现精确控温；利用远高于显热的相变潜热，循环工质只需要很小的质量流量就能带走电池的热量，从而实现***的体积紧凑、重量轻。相变冷却利用相变工质的潜热带走热量，优点是工质用量少，并且利用相变过程的等温物理现象可实现高精度控温，***体积小、重量轻、效率高。电池包功率密度要求较高，泵驱两相回路技术的特点是工质用量小，体积小重量轻，特别适合用于电池包散热。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：包括通过管路相连的电池包散热装置、冷凝装置、膨胀容器和循环泵；所述膨胀容器的出口接循环泵的入口，循环泵的出口接电池包散热装置的入口，电池包散热装置的出口接冷凝装置的入口，冷凝装置的出口接膨胀容器的入口一；所述电池包散热装置、冷凝装置、膨胀容器及管路中均填充有相变工质；所述膨胀容器上安装有半导体控温装置。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：该***还包括电磁三通阀，所述电磁三通阀的入口接循环泵的出口，电磁三通阀的出口一接膨胀容器的入口二，电磁三通阀的出口二接电池包散热装置的入口。
3.根据权利要求2所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述膨胀容器的出口经管路一接循环泵的入口，循环泵的出口经管路二接电磁三通阀的入口，电磁三通阀的出口一经管路三接膨胀容器的入口二，电磁三通阀的出口二经管路四接电池包散热装置的入口，电池包散热装置的出口经管路五接冷凝装置的入口，冷凝装置的出口经管路六接膨胀容器的入口一。
4.根据权利要求3所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述管路一上设有温度传感器一；所述管路二上依次设有流量计一和过滤器一；所述管路四上依次设有流量计二和过滤器二；所述管路五上依次设有压力调节装置和止回阀。
5.根据权利要求1所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述膨胀容器上设有充注口、泄压阀和排液口，且膨胀容器内安装有压力传感器。
6.根据权利要求1所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述膨胀容器的上端侧壁上开设有通气口，且该通气口通过管路七与冷凝装置的入口相连，所述管路七上设有常闭电磁阀。
7.根据权利要求1所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述电池包散热装置与电池包中的电池单体贴合安装。
8.根据权利要求1所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述冷凝装置采用带风机和换热器的风冷装置或带冷板的液冷装置。
9.根据权利要求7所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***，其特征在于：所述电池包内安装有温度传感器二。
10.根据权利要求1~9任意一项所述的电动汽车用半导体控温的泵驱两相循环***的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）启动循环泵前，检测膨胀容器内的压力P1，同时检测电池包的温度T1和循环泵入口处的相变工质的温度T3；
（2）当相变工质的温度T3大于压力P1下的相变工质的饱和温度时，启动半导体控温装置的制冷模式，使***内压力降低；当相变工质的温度T3小于压力P1下的相变工质的饱和温度时，依次启动冷凝装置和循环泵；
（3）循环泵启动后，电池包开始工作，在电池包散热装置内产生大量气体，由于***的容积一定，气体被压缩，***内压力增大，此时电磁三通阀为全开状态，膨胀容器内的相变工质全部进入电池包散热装置内；
（4）半导体控温装置实时监测电池包的温度T1，当电池包的温度T1低于设定值时，半导体控温装置启动加热模式，使***内压力升高，维持电池包中电池单体的温度不再下降，当电池包的温度T1不低于设定值时，半导体控温装置启动制冷模式，使***内压力降低，维持电池包中电池单体的温度不再升高。
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