CN109888429A - 一种负泊松比防撞控温一体化电池***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负泊松比防撞控温一体化电池***及其控制方法，该***在电池组的两侧装有负泊松比结构吸能盒，其特殊的单元形状使其具有很好的吸能效果。吸能盒靠内的单元与电池单体之间的冷却片相通，以输送冷却液；吸能盒最靠外的单元与空气接触，作为散热器使用；吸能盒中间部分的单元不仅起到防撞吸能的作用，在电池组温度过低时还可由气泵抽成真空，起到保温作用，同时电池舱底部的加热丝亦可进行加热。在受到撞击时，吸能盒内部的冷却液可以起到分散压力和缓冲的作用，冷却液回路中安装的泄压阀亦可及时将冷却液排出以免危及电池。本发明将电池防撞结构与散热***合为一体，提高了汽车内部空间的利用率、电池组散热的均匀性和吸能效果。

Description

一种负泊松比防撞控温一体化电池***及其控制方法

技术领域

本发明属于电池组的热管理及防撞技术领域，具体涉及一种负泊松比防撞控温一体化电池***及其控制方法。

背景技术

以电动机作为动力的全部或部分来源的车辆，均需要安装大量的电池，并组成一个电池组。电池组在工作时的温度需要保持在一定范围内，否则效率和容量都会大打折扣；在发生事故时，电池组也要得到充足的保护，否则可能发生燃烧、***等二次事故。故电池组必须有一个能够在寒冷或炎热环境中为电池组加热或散热，并能在碰撞中吸收碰撞能量、保证电池组不受到损伤的配套***与之协同工作。此外，该***的内部空间必须得到有效利用，以减小体积和重量，降低制造成本和能源的消耗。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种负泊松比防撞控温一体化电池***及其控制方法，以解决现有技术中电动汽车的电池组在工作中的热管理问题和在受到碰撞后的安全问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种负泊松比防撞控温一体化电池***，包括：电池箱上盖、电池箱底板、电池箱前围板、电池箱后板、加热丝、左吸能盒、右吸能盒、电池组、水泵、气泵、风道、散热风扇、左冷却片、右冷却片；其中，电池组、水泵、气泵、左吸能盒、右吸能盒安装在由电池箱底板、电池箱上盖、电池箱前围板及电池箱后板组成的空间内；左吸能盒与水泵、气泵及左冷却片以管道相通，右吸能盒与水泵、气泵及右冷却片通过管道相连，左吸能盒与右吸能盒沿车辆纵向轴线镜面对称；风道是左、右吸能盒与风道外板之间自前而后贯通的空间，风道的前、后部均设有可开闭的风门，风道的前部装有散热风扇；所述加热丝布置于电池箱底板的上表面和电池组的下表面之间。

进一步地，所述的左吸能盒由若干个横截面形状为内凹六边形的负泊松比结构单元构成，每个单元均为前后通透的管道。

进一步地，所述的左吸能盒的若干个单元自内外而内依次分为散热层、真空层、导流层；其中，真空层的后部开口和导流层的前部开口被封堵，其余单元的各口均设有一个接头以与水管或气管相通，接头与左吸能盒之间保持密封。

进一步地，所述的风道的外侧用于隔绝风道与外界的风道外板，内侧是左吸能盒或右吸能盒，两侧的风道外板的前、后部都开有风门；风门根据需要要开启或关闭，风门打开时，空气自前至后流过左吸能盒和右吸能盒的表面；散热风扇根据需要开启或关闭，散热风扇的叶片角度可调，在自然通风时转为顺桨模式，在强制通风时转为风扇模式。

进一步地，所述的真空层与气阀的X口通过管道连通，气阀的Y口通过气泵与排气管连接，Z口上接有进气管以通向外界。

进一步地，所述的电池组由若干个电池单体组成，各电池单体之间留有一定空隙；在前后方向上，电池单体与左冷却片或右冷却片交替排列并紧密贴合；每一个左冷却片均与左吸能盒的导流层中的一个单元相通，经过冷却的冷却液由单元进入左冷却片从而带走电池单体产生的热量，然后汇入电池组右侧的汇总管进而进入右吸能盒的散热层；每层的左冷却片在竖直方向上的数量与左吸能盒的导流层的单元数量相同并与导流层的单元一一对应；右冷却片与右吸能盒及汇总管的连接方式与左冷却片相同。

进一步地，所述电池箱前围板上开设有两个孔供排气管和进气管伸出。

进一步地，所述的散热层与导流层在左吸能盒或右吸能盒的后部通过管道连通，管道中间与泄压阀的A口连接，泄压阀的B口通向外界。

进一步地，所述的散热层与汇总管在左吸能盒或右吸能盒的前部通过管道连通，管道中间装有水泵；在整个冷却液循环中，两个水泵的关系为串联。

进一步地，所述的电池箱上盖、电池箱底板、电池箱前围板、电池箱后板均采用防火隔热材料制造。

进一步地，所述的真空层内部安装有气压传感器，所述的电池组内部在数个不同位置安装有温度传感器。

进一步地，所述的水泵、气泵、风门、散热风扇、气阀、加热丝的工作状态与方式均由一个电子控制器进行控制，各传感器采集的信号均输入至该电子控制器中；所述的电子控制器为独立控制器或为车辆的内部控制单元（ECU）。

本发明的一种负泊松比防撞控温一体化电池***的控制方法，基于上述***，包括步骤如下：

当电池组温度高于某一设定值时，***进入散热模式，水泵开启，带动冷却液在整个水路中流动，带走电池组产生的热量，同时所有风门打开；当散热要求不高时，散热风扇不启动；当散热要求较高时，散热风扇启动；当电池组温度低于某一设定值时，***进入加热模式，水泵不工作，风门全部关闭，气泵启动并抽出真空层中的空气，同时加热丝发热以加热电池组。

进一步地，所述的散热风扇的叶片在散热风扇不启动时保持在顺桨模式，此时叶片平面与空气流动方向平行；散热风扇启动时其叶片保持在风扇模式，叶片平面与空气流动方向成一定角度，使得散热风扇在转动时能够带动空气进行强制通风。

进一步地，所述的气泵的工作与气阀相互配合，配合方式为：气泵不工作时，气阀的X、Y、Z口互不相通；气泵工作时，气阀的X、Y口连通，Z口不通。

进一步地，所述的气泵的工作状态受电子控制器及安装在真空层内的气压传感器控制，当***处于加热模式时，只要真空层内的气压高于一定值，便启动气泵将真空层内的气压降低到预定值。

进一步地，所述的气阀在***解除加热模式时的工作方式为：X、Z口连通，Y口不通，外界空气在气压差的作用下通过进气管由Z口经过X口进入真空层；当真空层内部气压与外界气压平衡时，气阀的X、Y、Z口相互不通。

本发明的有益效果：

本发明不仅采用了负泊松比结构单元以提高吸能的效率，还利用吸能盒的内部结构特点将散热器与冷却液回路整合在吸能盒内，在提高了整套***的空间利用率、节省了车内空间；还利用液体能分散压力和缓冲的特性进一步提高了吸能盒的抗冲击能力。同时，通过使用叶片角度可调的散热风扇，在保留了强制通风功能的同时大大提高了自然通风的效率，节省了能源。

附图说明

图1是本发明的冷却液循环、风道结构和水泵安装位置的示意图；

图2是本发明的气路结构和气泵、气阀安装位置的示意图；

图3是本发明整体结构的***图；

图4是本发明结构的外观示意图；

图5是本发明中导流层、冷却片和汇总管的连接关系的示意图；

图6是本发明的接头的外形与安装方式的示意图；

图7是本发明吸能盒的分区方式示意图；

图中，1是左吸能盒，1-1是散热层，1-2是真空层，1-3是导流层，1-4是泄压阀，1-5是左冷却片，1-6是汇总管，2是右吸能盒，2-1是右冷却片，3是电池组，3-1是电池单体，4是水泵，5是气泵，6是电池箱底板，7是风道外板，8是风门，9是散热风扇，10是风道，11是气阀，12是排气管，13是进气管，14是电池箱上盖，15是接头，16是电池箱前围板，17是电池箱后板，18是加热丝。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图3所示，本发明的一种负泊松比防撞控温一体化电池***，包括：电池箱上盖14、电池箱底板6、电池箱前围板16、电池箱后板17、加热丝18、左吸能盒1、右吸能盒2、电池组3、水泵4、气泵5、风道10、散热风扇9、左冷却片1-5、右冷却片2-1；其中，电池组3、水泵4、气泵5、左吸能盒1、右吸能盒2安装在由电池箱底板6、电池箱上盖14、电池箱前围板16及电池箱后板17组成的空间内；左吸能盒1与水泵4、气泵5及左冷却片1-5以管道相通，右吸能盒2与水泵4、气泵5及右冷却片2-1通过管道相连，左吸能盒与右吸能盒沿车辆纵向轴线镜面对称；风道10是左、右吸能盒与风道外板7之间自前而后贯通的空间，风道的前、后部均设有可开闭的风门8，风道10的前部装有散热风扇9；所述加热丝18布置于电池箱底板6的上表面和电池组3的下表面之间。

所述的左吸能盒1由若干个横截面形状为内凹六边形的负泊松比结构单元构成，每个单元均为前后通透的管道。

参照图7所示，所述的左吸能盒1的若干个单元自内外而内依次分为散热层1-1、真空层1-2、导流层1-3；其中，真空层1-2的后部开口和导流层1-3的前部开口被封堵，参照图6所示，其余单元的各口均设有一个接头15以与水管或气管相通，接头15与左吸能盒1之间保持密封。

所述的风道10的外侧用于隔绝风道10与外界的风道外板7，内侧是左吸能盒1或右吸能盒2，两侧的风道外板7的前、后部都开有风门8；风门8根据需要要开启或关闭，风门8打开时，空气自前至后流过左吸能盒1和右吸能盒2的表面；散热风扇9根据需要开启或关闭，散热风扇9的叶片角度可调，在自然通风时转为顺桨模式，在强制通风时转为风扇模式。

所述的电池组3由若干个电池单体3-1组成，各电池单体3-1之间留有一定空隙；在前后方向上，电池单体3-1与左冷却片1-5或右冷却片2-1交替排列并紧密贴合；每一个左冷却片1-5均与左吸能盒1的导流层1-3中的一个单元相通，经过冷却的冷却液由单元进入左冷却片从而带走电池单体3-1产生的热量，然后汇入电池组3右侧的汇总管1-6进而进入右吸能盒2的散热层；每层的左冷却片1-5在竖直方向上的数量与左吸能盒1的导流层1-3的单元数量相同并与导流层1-3的单元一一对应；右冷却片2-1与右吸能盒2及汇总管1-6的连接方式与左冷却片相同。

所述的散热层1-1与导流层1-3在左吸能盒或右吸能盒的后部通过管道连通，管道中间与泄压阀11的A口连接，泄压阀11的B口通向外界。

所述的真空层1-2与气阀11的X口通过管道连通，气阀11的Y口通过气泵5与排气管12连接，Z口上接有进气管13以通向外界。

所述电池箱前围板16上开设有两个孔供排气管和进气管伸出。

所述的散热层与汇总管在左吸能盒或右吸能盒的前部通过管道连通，管道中间装有水泵；在整个冷却液循环中，两个水泵的关系为串联。

所述的电池箱上盖、电池箱底板、电池箱前围板、电池箱后板均采用防火隔热材料制造。

所述的散热层1-1与汇总管1-6在左吸能盒1或右吸能盒2的前部通过管道连通，管道中间装有水泵4；在整个冷却液循环中，两个水泵4的关系为串联。

图1所示，冷却液的工作方式如下：设冷却液在左吸能盒1的散热层1-1经过冷却，冷却液随即进入左吸能盒的导流层1-3，在导流层1-3内被均匀分配给每个左冷却片1-5；冷却液在左冷却片1-5内从左向右穿过整个电池组3，由于每个左冷却片1-5均与电池单体3-1紧贴，这一过程将带走电池单体3-1工作时产生的热量，同时冷却液被加温。穿过整个电池组3后，所有的左冷却片1-5均于电池组3的右边汇入右边的汇总管1-6，冷却液随即通过右边的汇总管1-6从右吸能盒2的前方流入右吸能盒2的散热层1-1。被加温的冷却液在右吸能盒2的散热层1-1中从前往后流动，在这一过程中，由于散热层1-1的外表面与风道10内流动的空气接触，冷却液的温度不断降低。在冷却液完成降温到达散热层1-1的后部时，将流入右吸能盒2的导流层1-3，然后被均匀分配给每个右冷却片2-1。冷却液在右冷却片2-1中从右向左穿过整个电池组3并再次被加温，随后汇入左边的汇总管1-6并从前方进入左吸能盒1的散热层1-1，在散热层1-1中从前向后流动并降温后，又进入下一循环。电池单体3-1、左冷却片1-5、右冷却片2-1、汇总管1-6的布置方式和冷却液流动方向见图5。

驱动冷却液在整个水路循环中流动的是两台置于电池组3前方的水泵4，具***置和泵出冷却液的方向见图1和图3。一个位于左边的汇总管1-6和左吸能盒1的散热层1-1中间，另一个位于右边的汇总管1-6和右吸能盒2的散热层1-1中间。正常情况下两个水泵4同时工作，由于两个水泵4在水路循环中的关系为串联，在其中一台失效时，另一台可以增大功率以保证冷却液的正常循环。

左吸能盒1和右吸能盒2后方的水路上都并联有泄压阀1-4，其工作方式为：当冷却液压力低于调定值时，泄压阀1-4保持常闭，A、B口不通；当冷却液压力高于调定值时，泄压阀1-4打开并保持常通，A、B口连通，冷却液自A口进入并从B口排出到外界，泄压阀1-4的调定值可以通过试验测量或理论计算确定。这样，当左吸能盒1或右吸能盒2受到碰撞时，由于体积被压缩，水路内部压力增大，冷却液会通过泄压阀1-4排出。一方面，冷却液可以起到分散压力和缓冲的作用；另一方面，由于冷却液被排出，电池组3在发生事故后因接触到冷却液而发生二次事故的几率得到降低。

风道10是介于风道外板7和左吸能盒1或右吸能盒2之间的供空气流过的一段通道，布置方式见图1。车辆两侧的风道10的前后方都设有可以开合的风门8，当需要冷却时，风门8全部打开，空气可由前部的风门8进入风道10再由后部的风门8流出。前部的风门8具有特定的外形，在车辆行驶时可以起到集气的作用，从外界引入更多的空气。散热风扇9起到加快空气流动的作用，其转速和扇叶角度都可由电子控制器调节。当车辆行驶且散热需求小时，散热风扇9的扇叶平面与空气流动的方向平行（称为“顺桨模式”），此时扇叶对空气的阻力最小，散热风扇9不转动，风道10中的空气可依靠车辆行驶的速度流动，节省电能；当车辆静止或散热需求大时，散热风扇9的扇叶平面与空气流动方向成一定角度（称为“风扇模式”），散热风扇9转动，进行强制通风，提高散热效率。

气路的结构简图如图2，两个真空层1-2的后端都被封死，前端经管道与气阀11的X口连接，气阀11的Y口与气泵5的进气口连接，Z口通向外界。气路的工作逻辑为：a.当***处于散热模式时，真空层1-2内充满空气，气阀11的X、Y、Z口互不相通；b.当***从散热模式转为加热模式时，气阀11的X、Y口连通，Z口不通，气泵5启动，将真空层1-2内的空气抽出。当真空层1-2内的气压下降到一定值时，气阀11的X、Y、Z口转为互不相通，气泵5关闭。真空层1-2内部有气压传感器监测气压，当气压上升到一定值时，可重复上述步骤将气压降低。由于真空层1-2内空气被抽出，热传导受阻，可以起到良好的保温作用；c.当***从加热模式转为散热模式时，气阀11的X、Z口连通，Y口不通，此时外界的空气由于气压差自动进入真空层1-2，当真空层1-2内的气压与外界相同时，气阀11的X、Y、Z口转为互不相通。

加热丝18的布置方式如图3，其位于电池组3的下方，固定于电池箱底板6的上方，由电子控制器控制。在电池组3温度过低时，加热丝可以发热，从而升高整个电池组3的温度。

所述的真空层内部安装有气压传感器，所述的电池组内部在数个不同位置安装有温度传感器。

所述的水泵4、气泵5、风门8、散热风扇9、气阀11、加热丝18的工作状态与方式均由电子控制器进行控制，各传感器（气压传感器、温度传感器等）采集的信号也全部输入至该电子控制器中；所述的电子控制器为独立控制器（如：单片机等）或为车辆的内部控制单元（ECU）。

本发明的一种负泊松比防撞控温一体化电池***的控制方法，包括步骤如下：

当电池组温度高于某一设定值时，***进入散热模式，水泵开启，带动冷却液在整个水路中流动，带走电池组产生的热量，同时所有风门打开；当散热要求不高时，散热风扇不启动；当散热要求较高时，散热风扇启动；当电池组温度低于某一设定值时，***进入加热模式，水泵不工作，风门全部关闭，气泵启动并抽出真空层中的空气，同时加热丝发热以加热电池组。

所述的散热风扇的叶片在散热风扇不启动时保持在顺桨模式，此时叶片平面与空气流动方向平行；散热风扇启动时其叶片保持在风扇模式，叶片平面与空气流动方向成一定角度，使得散热风扇在转动时能够带动空气进行强制通风。

所述的气泵的工作与气阀相互配合，配合方式为：气泵不工作时，气阀的X、Y、Z口互不相通；气泵工作时，气阀的X、Y口连通，Z口不通。

所述的气泵的工作状态受电子控制器及安装在真空层内的气压传感器控制，当***处于加热模式时，只要真空层内的气压高于一定值，便启动气泵将真空层内的气压降低到预定值。

所述的气阀在***解除加热模式时的工作方式为：X、Z口连通，Y口不通，外界空气在气压差的作用下通过进气管由Z口经过X口进入真空层；当真空层内部气压与外界气压平衡时，气阀的X、Y、Z口相互不通。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种负泊松比防撞控温一体化电池***，其特征在于，包括：电池箱上盖（14）、电池箱底板（6）、电池箱前围板（16）、电池箱后板（17）、加热丝（18）、左吸能盒（1）、右吸能盒（2）、电池组（3）、水泵（4）、气泵（5）、风道（10）、散热风扇（9）、左冷却片（1-5）、右冷却片（2-1）；其中，电池组（3）、水泵（4）、气泵（5）、左吸能盒（1）、右吸能盒（2）安装在由电池箱底板（6）、电池箱上盖（14）、电池箱前围板（16）及电池箱后板（17）组成的空间内；左吸能盒（1）与水泵（4）、气泵（5）及左冷却片（1-5）以管道相通，右吸能盒（2）与水泵（4）、气泵（5）及右冷却片（2-1）通过管道相连，左吸能盒与右吸能盒沿车辆纵向轴线镜面对称；风道（10）是左、右吸能盒与风道外板（7）之间自前而后贯通的空间，风道的前、后部均设有可开闭的风门（8），风道（10）的前部装有散热风扇（9）；所述加热丝（18）布置于电池箱底板（6）的上表面和电池组（3）的下表面之间。

2.根据权利要求1所述的负泊松比防撞控温一体化电池***，其特征在于，所述的左吸能盒（1）由若干个横截面形状为内凹六边形的负泊松比结构单元构成，每个单元均为前后通透的管道。

3.根据权利要求2所述的负泊松比防撞控温一体化电池***，其特征在于，所述的左吸能盒（1）的若干个单元自内外而内依次分为散热层（1-1）、真空层（1-2）、导流层（1-3）；其中，真空层（1-2）的后部开口和导流层（1-3）的前部开口被封堵，其余单元的各口均设有一个接头（15）以与水管或气管相通，接头（15）与左吸能盒（1）之间保持密封。

4.根据权利要求1所述的负泊松比防撞控温一体化电池***，其特征在于，所述的风道（10）的外侧用于隔绝风道（10）与外界的风道外板（7），内侧是左吸能盒（1）或右吸能盒（2），两侧的风道外板（7）的前、后部都开有风门（8）；风门（8）根据需要开启或关闭，风门（8）打开时，空气自前至后流过左吸能盒（1）和右吸能盒（2）的表面；散热风扇（9）根据需要开启或关闭，散热风扇（9）的叶片角度可调，在自然通风时转为顺桨模式，在强制通风时转为风扇模式。

5.根据权利要求1所述的负泊松比防撞控温一体化电池***，其特征在于，所述的电池组（3）由若干个电池单体（3-1）组成，各电池单体（3-1）之间留有一定空隙；在前后方向上，电池单体（3-1）与左冷却片（1-5）或右冷却片（2-1）交替排列并紧密贴合；每一个左冷却片（1-5）均与左吸能盒（1）的导流层（1-3）中的一个单元相通，经过冷却的冷却液由单元进入左冷却片从而带走电池单体（3-1）产生的热量，然后汇入电池组（3）右侧的汇总管（1-6）进而进入右吸能盒（2）的散热层；每层的左冷却片（1-5）在竖直方向上的数量与左吸能盒（1）的导流层（1-3）的单元数量相同并与导流层（1-3）的单元一一对应；右冷却片（2-1）与右吸能盒（2）及汇总管（1-6）的连接方式与左冷却片相同。

6.根据权利要求1所述的负泊松比防撞控温一体化电池***，其特征在于，所述的散热层（1-1）与汇总管（1-6）在左吸能盒（1）或右吸能盒（2）的前部通过管道连通，管道中间装有水泵（4）；在整个冷却液循环中，两个水泵（4）的关系为串联。

7.一种负泊松比防撞控温一体化电池***的控制方法，基于上述权利要求1至6中任意一项所述的***，其特征在于，包括步骤如下：

当电池组温度高于某一设定值时，***进入散热模式，水泵开启，带动冷却液在整个水路中流动，带走电池组产生的热量，同时所有风门打开；当散热要求不高时，散热风扇不启动；当散热要求较高时，散热风扇启动；当电池组温度低于某一设定值时，***进入加热模式，水泵不工作，风门全部关闭，气泵启动并抽出真空层中的空气，同时加热丝发热以加热电池组。

8.根据权利要求7所述的负泊松比防撞控温一体化电池***的控制方法，其特征在于，所述的散热风扇的叶片在散热风扇不启动时保持在顺桨模式，此时叶片平面与空气流动方向平行；散热风扇启动时其叶片保持在风扇模式，叶片平面与空气流动方向成一定角度，使得散热风扇在转动时能够带动空气进行强制通风。

9.根据权利要求7所述的负泊松比防撞控温一体化电池***的控制方法，其特征在于，所述的气泵的工作与气阀相互配合，配合方式为：气泵不工作时，气阀的X、Y、Z口互不相通；气泵工作时，气阀的X、Y口连通，Z口不通。

10.根据权利要求7所述的负泊松比防撞控温一体化电池***的控制方法，其特征在于，气阀在***解除加热模式时的工作方式为：X、Z口连通，Y口不通，外界空气在气压差的作用下通过进气管由Z口经过X口进入真空层；当真空层内部气压与外界气压平衡时，气阀的X、Y、Z口相互不通。