CN113675502B - 一种电池模组的冷却介质流量控制方法及电池模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池冷却技术领域，公开了一种电池模组的冷却介质流量控制方法即电池模组。电池模组包括壳体、设置在壳体内的若干单体电芯，壳体设置有冷却介质入口和冷却介质出口，冷却介质浸没单体电芯，电池模组的冷却介质流量控制方法包括：根据单体电芯的热失控温度‑时间曲线获得单体电芯的安全临界温度T₁和热失控温度T₂，其中T₂＞T₁；检测单体电芯的实时温度；当实时温度小于T₁时，以第一流量Q₁向壳体1内通入冷却介质，当实时温度大于或者等于T₂时，以第二流量Q₂向壳体1内通入冷却介质，其中Q₂＞Q₁。本发明的电池模组的冷却介质流量控制方法及电池模组，冷却效果好且冷却循环***的能耗低。

Description

一种电池模组的冷却介质流量控制方法及电池模组

技术领域

本发明涉及电池冷却技术领域，尤其涉及一种电池模组的冷却介质流量控制方法及电池模组。

背景技术

锂离子电池作为一种储能元件，在动力、储能等领域被广泛应用；三元系锂离子电池因高能量密度更是受到诸多领域的青睐，但因其电化学体系、制造过程、使用场景等因素的影响，电池存在热失控的风险，因此，电池模组通常配置有冷却***来为发热的电芯提供循环冷却介质，从而保证电池模组的温度维持在合理可控的范围内。

目前，电池冷却***分为风冷和液冷，液冷技术分为直接冷却技术和间接冷却技术，其中直接冷却中电芯浸没于冷却介质中直接与冷却介质接触，这种冷却方式没有接触热阻和结构热阻，能够在很小的液体流量具有到极大的散热性能，且具有极佳的均温性。

但是，浸没式冷却电池模组需要额外配置冷却介质循环***，而冷却介质的循环需要较高的能量，因此，如何对浸没式冷却电池模组的冷却介质流量进行控制以满足高冷却效率和低能耗的需求十分必要。

发明内容

本发明的第一个目的在于提出一种电池模组的冷却介质流量控制方法，冷却效果好且冷却循环***的能耗低。

本发明的第二个目的在于提出一种电池模组，通过采用上述的冷却介质流量控制方法，冷却效果好且冷却循环***的能耗低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电池模组的冷却介质流量控制方法，电池模组包括壳体、设置在所述壳体内的若干单体电芯，所述壳体设置有冷却介质入口和冷却介质出口，冷却介质浸没所述单体电芯，其特征在于，包括：

根据所述单体电芯的热失控温度-时间曲线获得所述单体电芯的安全临界温度T₁和热失控温度T₂，其中T₂＞T₁；

检测所述单体电芯的实时温度；

当实时温度小于T₁时，以第一流量Q₁向壳体1内通入冷却介质，当实时温度大于或者等于T₂时，以第二流量Q₂向壳体1内通入冷却介质，其中Q₂＞Q₁。

可选地，所述第一流量Q₁的计算公式为：

其中，P为所述单体电芯正常工作时的发热功率；δ_T为所述壳体内冷却介质的实际温度与所述冷却介质入口处冷却介质温度的温度差；ρ为冷却介质密度，c为冷却介质的比热容。

所述单体电芯正常工作的发热功率P的获取方式已知的，比如通过绝热量热仪测量得到；所述壳体内部冷却介质的实际温度通过检测件实际测量得到，所述冷却介质入口处的冷却介质温度通过检测件实际测量得到。

可选地，所述冷却介质对电池模组底部的压力F满足：

F＝ρgh＜F_o

其中，F₀为所述电池模组的预紧力，ρ为冷却介质密度，g为重力加速度。

可选地，当检测所述单体电芯的实时温度大于或等于T₂时，使所述冷却介质入口的流量小于所述冷却介质出口的流量。

可选地，第二流量Q₂的计算公式为：

∫f(t)dtρcQ₂+t kA(dT/dx)>q₁

其中，t为热失控的单体电芯与相邻的单体电芯的换热时间；f(t)为所述冷却介质入口处的冷却介质温度与所述冷却介质出口处的冷却介质温度的温度差随时间变化的函数；ρ为冷却介质密度；c为冷却介质的比热容；k为冷却介质的导热系数，A为热失控的单体电芯与相邻的单体电芯的换热面积；dT/dx为热失控的单体电芯产生的温度场强度；q₁为单体电芯在热失控过程产生的热量。

且，所述热失控的单体电芯与相邻的单体电芯的换热时间t满足公式：

q₂≥kA(dT/dx)t

其中，q₂为与热失控单体电芯相邻的单体电芯达到热失控温度T₂所需要吸收的热量；

据此得到换热时间t的最大值t_max，并将t_max代入到第二流量Q₂的计算公式中。

q₁、dT/dx的获取方式是已知的，比如q₁通过绝热量热仪测量得到，dT/dx通过热模拟软件根据傅里叶模型计算得到。

可选地，通过检测件检测冷却介质入口处的冷却介质温度T_入随时间的变化情况、通过检测件检测冷却介质出口处的冷却介质温度T_出随时间的变化情况，根据T_入、T_出并通过计算机拟合得到f(t)。

f(t)的计算方式是已知的，积分中t的最大值为通过换热时间t的计算方程计算得到的t_max；

一种电池模组，包括壳体、设置在所述壳体内的若干单体电芯及冷却介质循环***，所述壳体设置有冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质循环***分别与所述冷却介质入口和所述冷却介质出口连通，并使冷却介质浸没所述单体电芯；

所述冷却介质循环***采用所述的电池模组的冷却介质流量控制方法控制冷却介质通入壳体内的流量。

本发明有益效果为：

本发明的电池模组的冷却介质流量控制方法中，通过检测单体电芯的实时温度，获得单体电芯的发热情况，并根据单体电芯的不同发热情况对应提供不同的冷却介质的流量，从而在满足对单体电芯的降温需求的同时，尽量降低冷却介质循环***的能耗。

本发明的电池模组，通过采用上述的冷却介质流量控制方法，冷却效果好，且冷却介质循环***能耗低。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供电池模组的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的电池模组的冷却介质流量控制方法的流程图。

图中：

1-壳体；11-冷却介质入口；12-冷却介质出口；

2-单体电芯；

3-冷却介质循环***；31-储液箱；32-冷却组件；33-泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

浸没式电池模组的结构是已知的，作为一种实施方式，其包括外框架和外框架内部的单体电芯阵列，外框架设置有通孔或进口、出口，使得冷却介质能进入和流出电池模组。在电池模组中，单体电芯完全浸没在冷却介质中，这种浸没式结构能大幅提高电芯的冷却效率，但同时也面临冷却介质泵送压力大、模组质量大影响***能量密度的问题。

本实施例提供了一种电池模组及电池模组的冷却介质流量控制方法，如图1所示，电池模组包括壳体1、设置在壳体1内的若干单体电芯2及冷却介质循环***3，若干单体电芯2间隔设置在壳体1内，壳体1设置有冷却介质入口11和冷却介质出口12，冷却介质循环***3的两端分别与冷却介质入口11和冷却介质出口12连通，冷却介质循环***3的包括储液箱31、冷却组件32和泵33，泵33作为冷却介质在储液箱31和壳体1内循环的动力，冷却组件32用于将较高温度的冷却介质冷却至预设的温度，冷却至预设温度后的冷却介质从壳体1上的冷却介质入口11进入壳体1并浸没单体电芯2，冷却介质从单体电芯2之间流过从而对单体电芯2降温，冷却介质从壳体1上的冷却介质出口12流出再回到冷却介质循环***3进行循环，通过冷却介质对单体电芯2进行浸没式降温，降温效果好。

目前，已知的单体电芯的温度分为三个层级，分别为T₀、T₁、T₂，其中，T₀＜T₁＜T₂，具体地：

T₀代表的是，单体电芯被加热到该温度下后，在撤去热源后，单体电芯温度即不再上升，而在外部影响下自然冷却，T₀为电芯的绝对安全温度。

T₁代表的是，当单体电芯在撤去外部热源后，电芯温度依然会自发升温，且升温速率达到1℃/s，且维持3s以上，T₁为安全临界温度。

T₂代表的是，当单体电芯撤去外部热源后，单体电芯快速升温，发生热失控，T₂为热失控温度。

当电池模组处于不同的温度下时，其对冷却介质的流量要求不尽相同，本实施例为了降低冷却介质循环***3的能耗，根据电池模组在实际工作时的温度对冷却介质的流量进行控制，具体地，如图2所示，电池模组的冷却介质流量控制方法包括步骤：

根据单体电芯2的热失控温度-时间曲线获得单体电芯2的安全临界温度T₁和热失控温度T₂，其中T₂＞T₁；

检测单体电芯2的实时温度；

当实时温度小于T₁时，以第一流量Q₁向壳体1内通入冷却介质，当实时温度大于或者等于T₂时，以第二流量Q₂向壳体1内通入冷却介质，其中Q₂＞Q₁。

即在单体电芯2的温度较低且没有达到安全临界温度T₁时，此时单体电芯2的降温需求较低，冷却介质循环***3则以较小的第一流量Q₁提供冷却介质，而当单体电芯2达到热失控温度T₂即有单体电芯发生热失控时，以较大的第二流量Q₂提供冷却介质，此时，加大冷却介质流量提高冷却效率的主要目的在于避免热失控的传导，即防止热失控的单体电芯在热失控过程所散发的热量传递给临近的单体电芯，引起相邻单体电芯的接连热失控。即通过检测单体电芯2的实时温度，获得单体电芯2的发热情况，并根据单体电芯2的不同发热情况对应提供不同的冷却介质的流量，从而在满足对单体电芯2的降温需求的同时，尽量降低冷却介质循环***3的能耗。

需要说明的是，当电池模组内单体电芯温度处于T₁-T₂之间时，本申请对冷却介质流量没有特别要求，但可以理解的是，此时的流量Q应介于Q₁和Q₂之间，并尽可能地保证电芯温度不会达到热失控温度T₂；在此基础上已知的流量控制方法使得电芯的温度控制在安全范围内均能用于本申请中。

电芯的层级温度T₀、T₁、T₂的获得方式是已知的，可以通过测量获得，如通过加热组件对电芯单体进行加热，观察电芯温升速率达到1℃/s以及发生热失控的节点温度并记录，也可以通过电芯的热失控温度-时间曲线获得。

具体地，单体电芯2的热失控温度-时间曲线获得方式可以为：基于现有技术中的设备来模拟单体电芯2的热失控过程并对热失控过程中的温度、时间进行测量，最后通过计算机对单体电芯2热失控过程中的温度和时间进行拟合，具体模拟单体电芯2热失控过程的设备可以为现有技术中的任意一种，在此不做限定。

优选地，电池模组还包括第一温度检测件，第一温度检测件能够检测单体电芯2的温度，从而获得单体电芯2的实时温度。作为一种实施方式，每个单体电芯均对应配置一个第一温度检测件，在所有的第一温度检测件检测到的温度均小于T₁时，冷却介质循环***3以第一流量Q₁向壳体1内通入冷却介质，而当有任意一个第一温度检测件检测到的温度大于等于时，则冷却介质循环***3以第二流量Q₂向壳体内通入冷却介质。

优选地，第一流量Q₁的计算公式为：

其中，P为单体电芯2的发热功率；δ_T为壳体1内冷却介质的实际温度与冷却介质入口11处冷却介质温度的温度差；ρ为冷却介质密度，c为冷却介质的比热容。

具体地，冷却介质的密度ρ和比热容c可以根据所选择的冷却介质的种类对应获得，而单体电芯2正常工作时的发热功率P可以通过绝热量热仪测量得到。

优选地，电池模组包括温度检测组件，温度检测组件能够检测到冷却介质进口处的温度、冷却介质出口处的温度和壳体1内冷却介质实际温度。在相同的时刻，温度检测组件检测得到的壳体1内冷却介质的实际温度与冷却介质出口处的温度之差即为δ_T。

浸没单体电芯2的冷却介质对电池模组的底部产生一定的压力，为了避免冷却介质对电池模组底部的压力大于电池模组的预紧力导致电池模组失效，需要保证冷却介质对单体电芯2的压力小于电池模组的预紧力，即满足：

F＝pgh<F₀     公式(2)

其中，F₀为电池模组的预紧力，ρ为冷却介质密度，g为重力加速度，通过将参数F₀、ρ、g代入公式(2)可以得到冷却介质对电池模组的压力F，此时，比较F与F₀，只要满足F_＜F₀即可。

需要说明的是，电池模组的预紧力指的是电池模组使用过程中，外框架或者电池模组组件在水平方向施加在单体电芯2表面的作用力。具体预紧力的确定方法可以采用CN111537126A公开的测试方法，也可以采用CN11134954B中公开的方法，或者其他现有的方法，在此不再赘述。

优选地，当检测到有单体电芯2的温度等于或高于热失控温度T₂时，电池模组的控制***关闭该电池模组的对外电连接。同时，通过冷却循环***对冷却介质进出壳体1的速度进行控制，使冷却介质入口11的通入流量小于冷却介质出口12的排出流量，从而降低壳体1内冷却介质的压强，为热失控的爆发气体留出喷发空间，且保证冷却介质的液面高度大于电芯弱封区域的高度。

当一个单体电芯2发生热失控时，在瞬间会产生很大的热量，且热失控过程中产生的热量远大于该单体电芯2在热失控之前产生的热量，热失控的单体电芯产生的热量一部分会被冷却介质带走，另一部分会通过冷却介质传导至相邻的单体电芯2。因此，在设计冷却介质的流量时，以单体电芯发生热失控时产生的热量作为冷却标准，能够保证单体电芯不会发生热失控。

假设一个单体电芯发生了热失控，且热失控产生了热量q₁，为了避免单体电芯2继续升温，需要保证冷却介质的流量关系满足：

冷却介质在第二流量Q₂时带走的热量+传导至相邻的单体电芯2的热量＞热失控时产生的热量q₁

具体需要满足以下关系：

∫f(t)dtρcQ₂+t kA(dT/dx)＞q₁      公式(3)

t为热失控的单体电芯2与相邻的单体电芯2的换热时间；f(t)为冷却介质入口11处的冷却介质温度与冷却介质出口12处的冷却介质温度的温度差随时间变化的函数；ρ为冷却介质密度；c为冷却介质的比热容；k为冷却介质的导热系数，A为热失控的单体电芯2与相邻的单体电芯2的换热面积；dT/dx为热失控的单体电芯2产生的温度场强度；q₁为单体电芯2在热失控过程产生的热量，因此，

∫f(t)dtρcQ₂表示在换热时间t内冷却介质带走的热量；

t kA(dT/dx)表示在在换热时间t内热失控单体电芯通过冷却介质传导至相邻的电芯之间的热量；

也就是说，只要满足在换热时间t内，冷却介质带走的热量和传导至相邻单体电芯2的热量之和不小于单体电芯2发生热失控的热量，则可以避免单体电芯2发生热失控。

具体地，冷却介质密度ρ、比热容c、冷却介质导热系数k可以根据所选择的冷却介质的种类对应获得，热失控的单体电芯2与相邻的单体电芯2的换热面积A则是相邻单体电芯2与热失控单体电芯2相对的表面的表面积。单体电芯2在热失控过程产生的热量q₁可以通过绝热量热仪测量得到。

热失控的单体电芯2产生的温度场强度dT/dx可以通过热模拟软件根据傅里叶模型计算得到。具体地，由于相邻的单体电芯2之间不断流过冷却介质，且冷却介质在进入到壳体1时的温度是恒定的，因此流过相邻单体电芯2的冷却介质的温度也可以近似认为为恒定的，故发生热失控的单体电芯产生的温度场强度dT/dx可以近似为一个恒定数值。

优选地，电池模组的温度检测组件检测到的冷却介质入口11处的冷却介质温度为T_入和冷却介质出口12处的冷却介质温度为T_出，根据T_入、T_出并通过计算机拟合得到f(t)。

作为一种实施方式，f(t)的拟合通过控制器实时拟合；

由于，相邻的单体电芯2吸收已发生热失控的单体电芯2的热量后，温度可能会增加并达到T₂，进而也发生热失控，因此，还需要保证在上述的换热时间t内，相邻的单体电芯2不发生热失控，故换热时间t需要满足：

q₂≥kA(dT/dx)t      公式(4)

其中，q₂为与热失控单体电芯2相邻的单体电芯2达到热失控温度T₂所需要吸收的热量，k为冷却介质的导热系数，A为热失控的单体电芯2与相邻的单体电芯2的换热面积；dT/dx为热失控的单体电芯2产生的温度场强度。

其中，相邻的单体电芯2达到热失控温度T₂所需要吸收的热量q₂可以通过绝热量热仪测量得到。冷却介质的导热系数k、热失控的单体电芯2与相邻的单体电芯2的换热面积A以及热失控的单体电芯2产生的温度场强度dT/dx的获得方法上文已描述，在此不再赘述。

将q₂、k、A、dT/dx分别代入到公式(4)中，即可得到换热时间t的最大值t_max，将换热时间的最大值t_max代入到公式(3)中，即可得到第二流量Q₂。

综上所示，本实施例电池模组的冷却介质流量控制方法包括步骤：

根据单体电芯2的热失控温度-时间曲线获得单体电芯2的安全临界温度T₁和热失控温度T₂，其中T₂＞T₁；

检测单体电芯2的实时温度；

当实时温度小于T₁时，以第一流量Q₁向壳体1内通入冷却介质，其中，

当实时温度大于或者等于T₂时，以第二流量Q₂向壳体1内通入冷却介质，其中Q₂满足：

∫f(t)dtρcQ₂+t kA(dT/dx)>q₁

q₂≥kA(dT/dx)t

计算例1：

冷却介质的比热容c＝1300J/(kg·C)；

冷却介质的密度ρ＝1400Kg/m³；

冷却介质的导热系数为0.075W/(m·K)；

电池模组的预紧力P＝9072W

(1)当单体电的温度小于T₁时：

即电池模组正常工作时，壳体1内的温度为45℃，冷却介质循环***3提供的冷却介质的温度(即壳体1的冷却介质入口11的温度)为20℃，δ_T＝45℃-20℃＝25℃，则第一流量Q₁

(2)当有单体电芯2的温度达到T₂时：

将通过测量或热模拟得到的参数q₂、dT/dx代入公式(4)中，从而求得换热时间t的最大值t_max；

根据温度检测组件检测得到的冷却介质入口处温度、冷却介质出口处温度和时间关系，通过计算机拟合得到f(t)；

将测量得到的参数q₁、dT/dx以及t_max代入到公式(3)中，从而求得第二流量Q₂。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电池模组的冷却介质流量控制方法，电池模组包括壳体(1)、设置在所述壳体(1)内的若干单体电芯(2)，所述壳体(1)设置有冷却介质入口(11)和冷却介质出口(12)，冷却介质浸没所述单体电芯(2)，其特征在于，包括：

根据所述单体电芯(2)的热失控温度-时间曲线获得所述单体电芯(2)的安全临界温度T₁和热失控温度T₂，其中T₂＞T₁；

检测所述单体电芯(2)的实时温度；

当实时温度小于T₁时，以第一流量Q₁向壳体1内通入冷却介质，当实时温度大于或者等于T₂时，以第二流量Q₂向壳体1内通入冷却介质，其中Q₂＞Q₁；

第二流量Q₂的计算公式为：

∫f(t)dt ρcQ₂+t kA(dT/dx)＞q₁

其中，t为热失控的单体电芯(2)与相邻的单体电芯(2)的换热时间；f(t)为所述冷却介质入口(11)处的冷却介质温度与所述冷却介质出口(12)处的冷却介质温度的温度差随时间变化的函数；ρ为冷却介质密度；c为冷却介质的比热容；k为冷却介质的导热系数，A为热失控的单体电芯与相邻的单体电芯的换热面积；dT/dx为热失控的单体电芯(2)产生的温度场强度；q₁为单体电芯(2)在热失控过程产生的热量；

通过检测件检测所述冷却介质入口(11)处的冷却介质温度T_入随时间的变化情况、通过检测件检测所述冷却介质出口(12)处的冷却介质温度T_出随时间的变化情况，根据T_入、T_出并通过计算机拟合得到f(t)。

2.如权利要求1所述的电池模组的冷却介质流量控制方法，其特征在于，所述第一流量Q₁的计算公式为：

其中，P为所述单体电芯(2)正常工作时的发热功率；δ_T为所述壳体(1)内冷却介质的实际温度与所述冷却介质入口(11)处冷却介质温度的温度差；ρ为冷却介质密度，c为冷却介质的比热容。

3.如权利要求1所述的电池模组的冷却介质流量控制方法，其特征在于，

当检测所述单体电芯(2)的实时温度大于或等于T₂时，使所述冷却介质入口(11)的流量小于所述冷却介质出口(12)的流量。

4.如权利要求1所述的电池模组的冷却介质流量控制方法，其特征在于，热失控的单体电芯(2)与相邻的单体电芯(2)的换热时间t满足公式：

q₂≥kA(dT/dx)t

其中，q₂为与热失控单体电芯(2)相邻的单体电芯(2)达到热失控温度T₂所需要吸收的热量；

据此得到换热时间t的最大值t_max，并将t_max代入到第二流量Q₂的计算公式中。

5.一种电池模组，其特征在于，包括壳体(1)、设置在所述壳体(1)内的若干单体电芯(2)及冷却介质循环***(3)，所述壳体(1)设置有冷却介质入口(11)和冷却介质出口(12)，所述冷却介质循环***(3)分别与所述冷却介质入口(11)和所述冷却介质出口(12)连通，并使冷却介质浸没所述单体电芯；

所述冷却介质循环***(3)采用权利要求1-4任一项所述的电池模组的冷却介质流量控制方法控制冷却介质通入所述壳体(1)内的流量。

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