CN117317460A - 一种电池热管理与热失控抑制一体化装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电池热管理与热失控抑制一体化装置及控制方法，该装置包括密封散热箱，所述密封散热箱包括用于容纳电池模组的箱体、与箱体顶部密封连接的箱盖，所述箱体内设置有易蒸发的冷却介质，所述箱盖包括密封盒、翅片、风扇，所述密封盒内设置有复合相变材料，所述翅片的一端***密封盒内，用于吸收复合相变材料的热量，所述翅片的另一端伸出密封盒，所述风扇布置在密封盒上方，用于对翅片和密封盒进行散热。本发明采用风冷、液冷和相变材料冷却耦合的复合冷却装置，能够提高冷却介质的冷凝回流速度，实现了电池模组的快速冷却，此外，本发明分别采用热管理工况和热失控抑制工况对不同温度的电池模组实现了宽温域范围内的温度调节。
Description
技术领域
本发明涉及电池热管理技术领域，具体涉及一种电池热管理与热失控抑制一体化装置及控制方法。
背景技术
随着全球能源短缺和环境污染问题日益显著，电池行业得到了快速的发展。电池较差的安全性能、散热不佳的密封设计和在充放电过程中的发热特征容易诱发热失控火灾事故，严重威胁生命与财产安全。因此，高效的电池热管理***对于抑制电池热失控火灾具有重要作用。
性能优良的电池热管理***应能够保证电池内部温度的均匀性，使电池始终处于安全的工作范围，避免因温度过高而导致电池热失控的发生。目前电池常用的热管理***主要有风冷、液冷、相变材料冷却***。风冷***由于空气的导热性能较差且对电池组结构排列、间距等的要求较高，对热失控的蔓延防控效果不佳；液冷***相对于风冷的散热效果更好，是电池最常用的冷却方法之一，主要分为间接冷却和直接冷却。间接冷却的冷却效果受冷却***的布置方式、流量设置和流道设计等影响较大，容易导致散热不均匀。
申请公布号为CN114614148A的发明专利申请公开了一种浸没式电池包直接冷却***，该***虽然减少了换热过程中的热阻，具有较高的换热效率，但未考虑冷却介质在换热过程中的损耗，且电池组温度均匀性无法保证；申请公布号为CN114639866A的发明专利申请公开了一种基于复合相变材料与液体冷却的锂离子电池热管理装置，该装置能够提高电池组的温度均匀性，改善电池组内部积热问题，解决复合相变材料受到二次储热饱和的困扰，但该装置仅在环境温度低于40℃时具有良好的工作性能，在极端复杂工况下装置的工作性能和可靠性较差。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种电池热管理与热失控抑制一体化装置及控制方法。
为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种电池热管理与热失控抑制一体化装置，包括密封散热箱，所述密封散热箱包括用于容纳电池模组的箱体、与箱体顶部密封连接的箱盖，所述箱体内设置有易蒸发的冷却介质，所述箱盖包括密封盒、翅片、风扇，所述密封盒内设置有复合相变材料，所述翅片的一端***密封盒内，用于吸收复合相变材料的热量，所述翅片的另一端伸出密封盒，所述风扇布置在密封盒上方，用于对翅片和密封盒进行散热。
进一步的，所述箱盖包括散热冷板，所述散热冷板与箱体顶部密封连接，所述散热冷板内设置有散热介质，所述散热介质用于冷凝蒸发的冷却介质，所述密封盒布置在散热冷板的上表面。
进一步的，所述翅片平行间隔布置多个，多个所述翅片将密封盒内部均匀分隔成多个独立空间，所述复合相变材料充满独立空间。
进一步的，所述箱体内设置有温度传感器，所述温度传感器用于采集电池模组的温度，所述箱盖包括温升报警装置和控制单元，所述控制单元分别与温升报警装置、温度传感器、风扇连接，所述控制单元用于根据温度传感器监测的温度信息向温升报警装置发送信号并控制风扇的启停以及转速，所述温升报警装置用于发出警报便于及时的人工干预。
进一步的，包括第一进水管、第一出水管、第二进水管、第二出水管，所述第一进水管与散热冷板的进水口连通，所述第一出水管与散热冷板的出水口连通，所述第一进水管和第一出水管用于散热介质的循环，所述第二进水管与箱体的进水口连通，所述第二出水管与箱体的出水口连通，所述第二进水管和第二出水管用于冷却介质的循环。
进一步的，所述箱体内的底部设置有多个固定凹槽，相邻所述固定凹槽之间设置间隙。
进一步的，所述箱体内设置有压力传感器，所述箱体侧壁设置有泄压阀，所述泄压阀分别与压力传感器和控制单元连接，所述压力传感器用于监测箱体内的压力变化；所述泄压阀用于根据压力传感器检测的信号对箱体内进行泄压。
进一步的，所述冷却介质的液面高度高于电池模组的高度。
进一步的，所述复合相变材料以有机物石蜡为相变材料、膨胀石墨为支撑结构混合而成，有机物石蜡的含量为50％～80％。
第二方面，本发明提供一种电池热管理与热失控的控制方法，包括：
压力传感器采集箱体内的压力，温度传感器采集箱体内电池模组的温度；
控制单元根据压力传感器的采集压力值控制泄压阀的开闭，若检测到采集压力值大于高压阈值，则控制单元控制泄压阀开启，直至检测到采集压力值不大于高压阈值，关闭泄压阀；
控制单元根据温度传感器的采集温度值控制电池热管理与热失控抑制一体化装置的工况，电池热管理与热失控抑制一体化装置的工况包括热管理工况和热失控抑制工况；
若采集温度值小于正常工作温度上限，则电池热管理与热失控抑制一体化装置无需进入热管理工况或热失控抑制工况；
若采集温度值大于正常工作温度上限而小于高温阈值，则电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热管理工况，控制单元控制风扇以小功率运行；
若采集温度值大于或等于高温阈值，则电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热失控抑制工况，控制单元控制风扇以大功率或全功率运行并增大冷却介质和散热介质的流量，直至检测到采集温度值小于高温阈值，电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热管理工况，控制单元控制风扇以小功率运行，直至检测到采集温度值小于正常工作温度上限，电池热管理与热失控抑制一体化装置退出热管理工况。
本发明的有益效果为：
1、本发明既能显著提高电池模组内部的温度均匀性，又能大幅提升装置的换热效率，显著降低电池模组的热失控风险。
2、本发明采用风冷、液冷和相变材料冷却耦合的复合冷却装置，相较于传统的单一的冷却装置，在电池模组高倍率放电，环境温度恶劣等电池模组产热量较大的极端复杂工况条件下具有更好的工作性能和可靠性。
3、本发明采用大面积翅片、散热冷板、复合相变材料等结构强化散热，加快与电池模组发生热交换后蒸发的冷却介质冷凝回流，实现了电池模组的快速冷却并提高了冷却介质的利用率。
4、本发明分别采用热管理工况和热失控抑制工况对不同温度的电池模组实现了宽温域范围内的温度调节。热管理工况下，冷却介质不蒸发或蒸发量较少，风扇不运行或以小功率运行，在低能耗环境下对电池模组进行热管理；热失控抑制工况下，为防止冷却介质大量蒸发无法浸没电池模组实现降温，风扇以大功率或全功率运行，冷却介质流量增大，使电池模组仍能浸没在冷却介质中，电池模组产生的热量能够及时散发到外部环境中，实现对电池模组热失控的抑制。
附图说明
图1为本发明电池热管理与热失控抑制一体化装置的结构示意图；
图2为本发明箱体的结构示意图；
图3为本发明箱体的俯视结构示意图；
图4为本发明散热冷板、密封盒、控制单元、温升报警装置的安装结构示意图；
图5为本发明散热冷板的结构示意图；
图6为本发明电池模组与箱体的安装结构示意图；
图7为本发明箱盖的结构示意图；
图8为本发明电池热管理与热失控抑制一体化装置的工作原理示意图；
图9为本发明电池热管理与热失控抑制一体化装置的工作流程示意图；
图10为本发明与现有技术的工作效果对比示意图。
附图标记：箱体1；箱盖2；风扇3；翅片4；复合相变材料5；上出水口6；下出水口7；下入水口8；上入水口9；泄压阀10；接线孔11；螺纹安装孔12；固定凹槽13；控制单元14；温升报警装置15；密封盒16；散热冷板17；电池模组18；冷却介质19。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本实施例提供一种电池热管理与热失控抑制一体化装置，包括密封散热箱，密封散热箱包括用于容纳电池模组18的箱体1、与箱体1顶部密封连接的箱盖2。
如图1、2所示，箱体1的两个相对的侧面开设有上出水口6、下出水口7、下入水口8、上入水口9，箱体1的侧壁上设置有接线孔11以及泄压阀10，接线孔11和泄压阀10均布置在箱体1靠近顶部的位置。箱体1顶端开设有一圈螺纹安装孔12，用于与箱盖2密封连接，本实施例中，螺纹安装孔12的个数为26个，螺纹安装孔12的纵向间距不少于77cm，横向间距不少于57cm。
如图3、6所示，箱体1内的底部设置有多个固定凹槽13，固定凹槽13用于安装电池模组18，相邻固定凹槽13之间设置间隙，间隙至少为3cm。固定凹槽13内布置有橡胶密封紧固垫片，防止电池模组18与固定凹槽13无法紧密配合导致电池模组18在箱体1中的空间位置发生改变。箱体1内设置有易蒸发的冷却介质19，例如氟化液等，冷却介质19的液面高度高于电池模组18的高度，即冷却介质19浸没电池模组18，由于相邻固定凹槽13之间设置间隙，使得电池模组18能够与冷却介质19充分接触，提高冷却效果。电池模组18可为动力电池模组、储能电池模组或其他类型电池模组。
需要说明的是，接线孔11的高度应高于冷却介质19的液面高度，避免冷却介质19泄漏。穿过接线孔11的线束会填充接线孔11，实现初步的密封，一般情况下，冷却介质19受热向上蒸发不会从接线孔11溢出，即使有溢出，也可忽略不计。
冷却介质19通过与下入水口8连接的第二进水管进入箱体1内，通过与下出水口7连接的第二出水管离开箱体1，从而实现冷却介质19的循环。
如图4、5、7所示，箱盖2包括散热冷板17、密封盒16、翅片4、风扇3，散热冷板17与箱体1顶端通过螺栓密封连接，直接以散热冷板17作为密封箱体1的盖体，使得散热冷板17直接与外界接触，有利于散热冷板17的散热以及翅片4和风扇3对散热冷板17的散热；散热冷板17内开设有蛇形的散热流道，散热流道内设置有散热介质，散热介质用于冷凝蒸发的冷却介质19，使得蒸发的冷却介质19回流至箱体1内。散热介质通过第一进水管与散热流道的进水口连接，通过第一出水管与散热流道的出水口连接，从而实现散热介质的循环，第一进水管通过上入水口9进入箱体1内并与散热冷板17内的散热流道连通，第一出水管通过上出水口6进入箱体1内并与散热冷板17内的散热流道连通，图8中未示意进水管和出水管。
密封盒16通过焊接固定在散热冷板17的上表面，密封盒16内充满有复合相变材料5，翅片4的一端***密封盒16内，用于吸收复合相变材料5的热量，翅片4的另一端伸出密封盒16，本实施例中，翅片4为金属材质，翅片4平行间隔布置多个，多个翅片4将密封盒16内部均匀分隔成多个独立空间，复合相变材料5充满独立空间，使得密封盒16能够均匀吸收散热冷板17的热量，并通过均匀布置的翅片4进行散热，有利于提高散热效果；风扇3通过支架固定在密封盒16上方，用于对翅片4和密封盒16进行散热。本实施例中，复合相变材料5以有机物石蜡为相变材料、膨胀石墨为支撑结构混合而成，有机物石蜡的含量为50％～80％。
如图7所示，支架上设置有温升报警装置15和控制单元14，箱体1内设置有用于采集电池模组18的温度传感器，控制单元14分别与温升报警装置15、温度传感器、风扇3连接，控制单元14用于根据温度传感器监测的温度信息向温升报警装置15发送信号并控制风扇3的启停以及转速，所述温升报警装置15用于发出警报便于及时的人工干预，人员接收到警报后可通过调节风扇3的转速以及冷却介质19和散热介质的流量提高对电池模组18的冷却效果。
箱体1内还设置有压力传感器，箱体1侧壁设置有泄压阀10，泄压阀10分别与压力传感器和控制单元14连接，压力传感器用于监测箱体1内的压力变化；泄压阀10用于根据压力传感器检测的信号对箱体1内进行泄压。
如图8所示，图中的l表示冷却介质19为液态，g表示冷却介质19为气态。电池模组18在正常充放电过程中，装置运行热管理工况，电池模组18产生的热量被流入箱体1的液态的冷却介质19吸收，此时风扇3不运行或以小功率运行。在极端复杂工况下，当电池模组18达到热失控临界状态时，电池模组18产热量迅速增加，液态的冷却介质19吸热后迅速蒸发为气态的冷却介质19，气态的冷却介质19挥发至散热冷板17，与流入散热冷板17中的液态的散热介质发生热交换，复合相变材料5通过相变吸热辅助气态的冷却介质19冷却，翅片4用于增强复合相变材料5的传热能力，为防止热管理工况下气态的冷却介质19冷凝回流效率较低，导致液态的冷却介质19大量蒸发无法浸没电池模组18实现降温，装置运行热失控抑制工况，温升报警装置15报警，风扇3以大功率或全功率运行并增大冷却介质19的流量，提高装置的散热能力，加速气态的冷却介质19的冷凝回流，实现电池模组18的快速降温，气态的冷却介质19重新冷凝回流至箱体1内后流出箱体1，实现冷却介质19的循环利用。
该装置通过复合相变材料5吸收散热介质的热量，并通过翅片4和风扇3强化散热，加速蒸发的冷却介质19冷凝回流，实现了快速降低电池模组18温度。
如图9所示，利用该装置的电池热管理与热失控的控制方法包括：
压力传感器采集箱体1内的压力，温度传感器采集箱体1内电池模组18的温度；
控制单元14根据压力传感器的采集压力值控制泄压阀10的开闭，若检测到采集压力值大于高压阈值，则控制单元14控制泄压阀10开启，直至检测到采集压力值不大于高压阈值，关闭泄压阀10；本实施例中，高压阈值设置为5Pa，当压力传感器监测到箱体1内的压力大于5Pa时，泄压阀10打开实现降压，防止箱体1因内部压力过高出现损坏。
控制单元14根据温度传感器的采集温度值控制电池热管理与热失控抑制一体化装置的工况，电池热管理与热失控抑制一体化装置的工况包括热管理工况和热失控抑制工况；
若采集温度值小于正常工作温度上限，则说明电池的温度处于正常工作温度范围，无需进入热管理工况或热失控抑制工况；正常工作温度上限为40℃；
若采集温度值大于正常工作温度上限而小于高温阈值，则电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热管理工况，控制单元14控制风扇3以小功率运行；
若采集温度值大于或等于高温阈值，则电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热失控抑制工况，控制单元14控制风扇3以大功率或全功率运行并增大冷却介质19和散热介质的流量，直至检测到采集温度值小于高温阈值，电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热管理工况，控制单元14控制风扇3以小功率运行，直至检测到采集温度值小于正常工作温度上限，电池热管理与热失控抑制一体化装置退出热管理工况。
本实施例中，高温阈值为60℃，具体根据不同种类电池或者电池模组进行设定；风扇3以小功率运行设置为运行功率小于风扇3额定功率的50％，风扇3以大功率运行设置为运行功率为风扇3额定功率的50％～95％，风扇3以全功率运行设置为运行功率为风扇3额定功率的95％～100％。
该装置与现有的普通浸没式冷却装置的工作效果对比如图10所示：
如图10中的(a)所示，普通浸没式冷却装置由于较差的散热效率和冷凝回流效率，液态的冷却介质19大量蒸发，而气态的冷却介质19无法及时回流至箱体1内，导致电池模组18的浸没程度较低，散热效果变差，无法有效抑制电池模组18的热失控。
如图10中的(b)所示，本装置由于具有较高的散热效率和冷凝回流效率，能够减少液态的冷却介质19的蒸发，并保证气态的冷却介质19迅速冷凝回流至箱体1内，重新实现对电池模组18的浸没，浸没程度可达65％以上，对电池模组18的热失控抑制效果良好。其中浸没程度为冷却介质19的高度与电池模组18高度的比值，冷却介质19完全浸没电池模组18时的浸没程度为100％。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：包括密封散热箱，所述密封散热箱包括用于容纳电池模组(18)的箱体(1)、与箱体(1)顶部密封连接的箱盖(2)，所述箱体(1)内设置有易蒸发的冷却介质(19)，所述箱盖(2)包括密封盒(16)、翅片(4)、风扇(3)，所述密封盒(16)内设置有复合相变材料(5)，所述翅片(4)的一端***密封盒(16)内，用于吸收复合相变材料(5)的热量，所述翅片(4)的另一端伸出密封盒(16)，所述风扇(3)布置在密封盒(16)上方，用于对翅片(4)和密封盒(16)进行散热。
2.根据权利要求1所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述箱盖(2)包括散热冷板(17)，所述散热冷板(17)与箱体(1)顶部密封连接，所述散热冷板(17)内设置有散热介质，所述散热介质用于冷凝蒸发的冷却介质(19)，所述密封盒(16)布置在散热冷板(17)的上表面。
3.根据权利要求1或2所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述翅片(4)平行间隔布置多个，多个所述翅片(4)将密封盒(16)内部均匀分隔成多个独立空间，所述复合相变材料(5)充满独立空间。
4.根据权利要求1或2所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述箱体(1)内设置有温度传感器，所述温度传感器用于采集电池模组(18)的温度，所述箱盖(2)包括温升报警装置(15)和控制单元(14)，所述控制单元(14)分别与温升报警装置(15)、温度传感器、风扇(3)连接，所述控制单元(14)用于根据温度传感器监测的温度信息向温升报警装置(15)发送信号并控制风扇(3)的启停以及转速，所述温升报警装置(15)用于发出警报便于及时的人工干预。
5.根据权利要求2所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：包括第一进水管、第一出水管、第二进水管、第二出水管，所述第一进水管与散热冷板(17)的进水口连通，所述第一出水管与散热冷板(17)的出水口连通，所述第一进水管和第一出水管用于散热介质的循环，所述第二进水管与箱体(1)的进水口连通，所述第二出水管与箱体(1)的出水口连通，所述第二进水管和第二出水管用于冷却介质(19)的循环。
6.根据权利要求1或2所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述箱体(1)内的底部设置有多个固定凹槽(13)，相邻所述固定凹槽(13)之间设置间隙。
7.根据权利要求4所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述箱体(1)内设置有压力传感器，所述箱体(1)侧壁设置有泄压阀(10)，所述泄压阀(10)分别与压力传感器和控制单元(14)连接，所述压力传感器用于监测箱体(1)内的压力变化；所述泄压阀(10)用于根据压力传感器检测的信号对箱体(1)内进行泄压。
8.根据权利要求1或2所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述冷却介质(19)的液面高度高于电池模组(18)的高度。
9.根据权利要求1或2所述的电池热管理与热失控抑制一体化装置，其特征在于：所述复合相变材料(5)以有机物石蜡为相变材料、膨胀石墨为支撑结构混合而成，有机物石蜡的含量为50％～80％。
10.一种电池热管理与热失控的控制方法，其特征在于：包括：
压力传感器采集箱体(1)内的压力，温度传感器采集箱体(1)内电池模组(18)的温度；
控制单元(14)根据压力传感器的采集压力值控制泄压阀(10)的开闭，若检测到采集压力值大于高压阈值，则控制单元(14)控制泄压阀(10)开启，直至检测到采集压力值不大于高压阈值，关闭泄压阀(10)；
控制单元(14)根据温度传感器的采集温度值控制电池热管理与热失控抑制一体化装置的工况，电池热管理与热失控抑制一体化装置的工况包括热管理工况和热失控抑制工况；
若采集温度值小于正常工作温度上限，则电池热管理与热失控抑制一体化装置无需进入热管理工况或热失控抑制工况；
若采集温度值大于正常工作温度上限而小于高温阈值，则电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热管理工况，控制单元(14)控制风扇(3)以小功率运行；
若采集温度值大于或等于高温阈值，则电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热失控抑制工况，控制单元(14)控制风扇(3)以大功率或全功率运行并增大冷却介质(19)和散热介质的流量，直至检测到采集温度值小于高温阈值，电池热管理与热失控抑制一体化装置进入热管理工况，控制单元(14)控制风扇(3)以小功率运行，直至检测到采集温度值小于正常工作温度上限，电池热管理与热失控抑制一体化装置退出热管理工况。
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|---|---|---|---|
| CN202311215429.8A CN117317460A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种电池热管理与热失控抑制一体化装置及控制方法 |
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| CN202311215429.8A CN117317460A (zh) | 2023-09-20 | 2023-09-20 | 一种电池热管理与热失控抑制一体化装置及控制方法 |
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