本发明涉及轨道交通车辆应急电源技术，特别是一种磁流体液冷板、及其组成的高铁应急电源用液冷系统及液冷控制方法。
背景技术
应急电源作为高铁重要安全保障的核心部件之一，从铅酸和镍镉电池到如今的锂离子动力电池，其能量密度、充放电性能等指标不断提高。由于锂离子动力电池自身的产热特性，以及高温环境对电池寿命和性能的影响，动力电池系统工作时需要配置相应的热管理系统，保证电池处于正常工作温度范围内，并使各处温度一致。
现有技术中，液冷散热是动力电池系统中最为常见且有效的散热方式，通常将液冷板布置于动力电池模组的下方或侧面，内部设计有引导冷却液流动的流道，液冷板与外界零部件之间采用管道相互连接。液冷装置对所述动力电池系统进行散热时，低温冷却液从液冷板进口处流入，经液冷板内部流道循环流至出口，通过与高温模组的对流换热带走电池的热量，给动力电池散热，流出液冷板的冷却液在流经散热器时，再将热量导出至电池包外空气，从而实现液冷系统的循环散热，在液冷散热过程中，冷却液进口处模组温度显著低于出口处模组温度。
专利公开号cn105680116a，公开日2016年6月15日，发明创造的名称为动力电池液冷系统以及温度均衡的方法，该申请公开了一种动力电池液冷系统及温度均衡的方法，从而能够减少温度传输装置的进口处的动力电池与出口处动力电池的温差，专利公开号cn107403975a，公开日2017年11月28日，发明创造的名称为一种电池储能液冷系统均流装置和方法，该申请公开了一种电池储能液冷系统均流装置，电池模组采用并联，在模组的入口设置节流管，从而在保证散热效果的前提下同时保证了模组温度均匀。上述专利不足之处在于：1)电池包内多个模组并列排布，中间模组的温度相较于两侧模组温度高，改变冷却液进出流向或均衡流量并不能有效降低模组与模组间的温差；2)没能提供有效方法降低单个模组内温度分布的差异；3)针对电池包内某个模组温度异常升高，不能精准有效地降低该模组温度。
技术实现要素：
鉴于现有技术的上述缺点：电池包内多个模组并列排布，中间模组的温度相较于两侧模组的温度高；单个模组内前后温度分布存在差异；电池包内某处模组温度异常升高，不能精准有效地降低该模组温度；本发明采用以下设计：
本发明提出了一种磁流体液冷板，及其组成的流道可变式液冷系统及控制方法；流道可变式液冷系统包括电池模组子系统、冷却液循环子系统和流道控制子系统，所述电池模组子系统包括电池模组和电池管理系统bms，温度信息采集线用于传输温度传感器采集的电池温度信息，所述冷却液循环子系统包括液冷板、水泵和泄压阀，通过液冷管道相连，所述流道控制子系统包括外部电源、磁流体控制器和液冷板，子系统内部通过电源线和控制信号线连接，电池模组坐落于液冷板上，bms采集到的温度信息分析处理后经温度信息传输线传递给磁流体控制器，磁流体控制器通过液冷板引出的连接线实现对液冷板内部冷却液的流量和流动状态的控制；外部电源用于给液冷板内的磁场发生装置供电以产生磁场。
其中，液冷板包括液冷板上盖和液冷板底座，为便于安装定位，液冷板上盖留有定位孔与液冷板底座定位销对应，通过超声波焊接使上盖和底座无缝连接在一起，液冷板上盖上部留有线束出口，以便冷却液流量控制装置中的线束引出到液冷板外部，为防止电池模组压坏线束，在液冷板上盖上部还留有走线槽，同理，在上盖下部留有下部线束出口和下部走线槽，使冷却液流动状态控制装置中的中部磁场发生装置连接线和下部磁场发生装置连接线引出到液冷板外，与外部电源和磁流体控制器相连。
液冷板底座包括冷却液进水口、冷却液出水口、定位销、流道以及若干流道隔板，相邻流道隔板之间形成流道；在流道隔板的内部装配有液冷板流道控制装置，此流道控制装置共分为两个部分：冷却液流动状态控制装置和冷却液流量控制装置；
所述冷却液流动状态控制装置包括中部电磁转换器和下部电磁转换器，布置于流道隔板中下部顶面开的凹穴中，两个电磁转换器之间被挡块分开，中部电磁转换器和下部电磁转换器分别串接中部变阻器和下部变阻器形成中部磁场发生装置和下部磁场发生装置，变阻器能够改变回路电流大小，进而用于调节磁场的强度，两个磁场发生装置并联独立工作，中部磁场发生装置连接线和下部磁场发生装置连接线通过下部线束出口引出到液冷板外，在流道隔板中下部侧壁开的凹穴内填充有两个片状磁流体，两个片状磁流体之间通过分隔板分开，两个片状磁流体的位置分别与中部磁场发生装置和下部磁场发生装置相对应，在片状磁流体靠近流道的侧面覆盖有一层薄膜，与水隔绝的同时拥有变形延展的功能，为了防止电磁转换器工作对相邻流道隔板内片状磁流体的影响，在流道隔板中下部顶面开的凹穴中远离片状磁流体的一侧还布置有一层电磁屏蔽层。
所述冷却液流量控制装置包括上部电磁转换器和移动滑块，上部电磁转换器位于流道隔板上部顶面开的凹穴内，上部磁场发生装置连接线(即上部电磁转换器的接线)通过上部线束出口引出到板外，移动滑块位于流道隔板上部侧壁开的凹穴内，其底部通过卡块和弹簧固定在凹穴里，在滑块内部空腔内填充有块状磁流体，为了防止上部电磁转换器工作时对相邻流道隔板内的块状磁流体产生作用，在流道隔板上部顶面开的凹穴内远离块状磁流体的一侧布置有一层电磁屏蔽层。
电池模组内部由电池单体组成，单体电池间通过跨接片相互串/并联，在每个电池模组中共布置有三个温度传感器：模组上方温度传感器、模组前部温度传感器和模组后部温度传感器，电池系统工作时实时监测模组的对应温度信息tai、tbi和tci(i＝1,2,3，……；代表模组序号)，并将之经温度信息采集线传送给bms储存和分析，该温度信息同时也传递给磁流体控制器用于控制
液冷系统的控制方法：电池液冷系统工作时，水泵给冷却液的流动提供动力，配合泄流阀的使用，使冷却液在液冷板和管道内循环流动，温度传感器实时监测电池包内的温度信息，bms接收温度信息进行分析和处理，并将处理后的数据发送给磁流体控制器对冷却液的流量和流动状态进行控制。
冷却液的流量控制方法：采集电池模组上部温度信息tai(i＝1,2,3,……)，两两成组用较高温度减去较低的温度得到△taij(i表示温度较高模组的序号，j表示温度较低模组序号)，设定有模组温度上限值tk和tj(模组最高温度上限值tk，及模组间最大温差上限值tj)，tk和tj可以根据电池的类型查找文献得出；每个电池模组占据一个流道及其相邻的流道隔板，当模组i的温度信息tai大于tk或者模组间的温度差△taij大于tj时，除模组i下方的流道隔板外，其余流道隔板内的上部电磁转换器工作产生磁场，推动滑块移出，流道变小，使得此高温模组对应流道流量增大，冷却液带走更多的热量以降低模组温度，可以有效的针对多个模组并列排布中间模组温度较高或某个模组温度异常升高等现象进行散热平衡模组间的温差。
冷却液流动状态控制方法：采集电池模组前部和后部温度信息tbi和tci，由于冷却液进口处的温度要低于出口处的温度，因此tci大于tbi，设定一个温度阈值tn，当tci与tbi的差值大于tn时，该模组下方对应的流道隔板内中部电磁转换器工作产生磁场，推动侧壁的片状磁流体流动产生磁锥改变流道隔板的表面形状使冷却液流动的紊流度增加强化换热，如果模组前后部的温差没有降低，即d(tci-tbi)/dt大于0且温差小于第二阈值tm时，通过调节变阻器增大电流以增大磁场强度，加强产生磁锥(包括增大磁锥的形状，增加磁锥的数量)进一步强化散热，而当温差已大于第二阈值时，下部电磁转换器加入工作，增大磁流体产生磁锥的范围，显著提高模组后方冷却液的换热系数，有效降低模组内部温差，防止模组内部出现个别高温点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、可以对多个模组并列排布时温度较高的中间模组进行有效散热均衡模组间的温差；
2、提高单个模组后部冷却液换热能力均衡模组内部前后温差；
3、可以针对电池某处温度异常升高进行精确散热，从而维持电池模组温度在正常工作范围内，改善电池系统温度分布一致性，提高电池的使用寿命和使用性能。
附图说明
图1为一种基于磁流体流道可变式液冷装置系统图；
图2为液冷板上盖结构图；
图3为液冷板底座结构图；
图4为液冷板内部磁流体控制装置结构图；
图5为液冷板底座立体示意图；
图6为电池模组内部结构图；
图7为流道可变式液冷装置工作流程图；
图中：1-液冷板、2-电池模组、3-液冷管道、4-水泵、5-泄流阀、6-外部电源、7-电源线、8-控制信号线、9-磁流体控制器、10-温度信息传输线、11-bms、12-温度信息采集线、13-液冷板上盖、14-定位孔、15-下部走线槽、16-下部线束出口、17-上部线束出口、18-上部走线槽、19-液冷板底座、20-底座外壁、21-流道、22-定位销、23-冷却液流动状态控制装置、24-出水口、25-流道隔板下部侧壁凹穴、26-流道隔板中下部顶面开的凹穴、27-下部变阻器、28-下部电磁转换器、29-中部变阻器、30-中部电磁转换器、31-流道隔板上部顶面开的凹穴、32-上部电磁转换器、33-移动滑块、34-流道隔板上部侧壁开的凹穴、35-冷却液流量控制装置、36-进水口、37-薄膜、38-片状磁流体、39-分隔板、40-卡块、41-弹簧、42-块状磁流体、43-滑块内部空腔、44-流道隔板、45-上部磁场发生装置连接线、46-电磁屏蔽层、47-中部磁场发生装置连接线、48-挡块、49-下部磁场发生装置连接线、50-跨接片、51-电池单体、52-模组上方温度传感器、53-模组前部温度传感器、54-导热硅胶、55-模组后部温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种基于磁流体流道可变式液冷装置的结构和工作原理作进一步说明。
如图1所示，本发明一种基于磁流体流道可变式液冷系统包括电池模组子系统、冷却液循环子系统和流道控制子系统，所述电池模组子系统包括电池模组2和bms11，温度信息采集线12传输电池温度信息，所述冷却液循环子系统包括液冷板1、水泵4和泄压阀5，通过液冷管道3相连，所述流道控制子系统包括外部电源6、磁流体控制器9和液冷板1，子系统内部通过电源线7和控制信号线8连接，电池模组2坐落于液冷板1上，bms11采集到的温度信息经温度信息传输线10传递给磁流体控制器9，磁流体控制器根据温度信息控制液冷板内部磁流体发生变化，实现对液冷板内部流量以及流动状态的控制改变。
如图2所示，液冷板1包括液冷板上盖13和液冷板底座19，为便于安装定位上盖留有定位孔14与底座定位销22对应，通过超声波焊接使上盖和底座无缝连接在一起，液冷板上盖13上部留有线束出口17，以便冷却液流量控制装置35中的线束15引出到板外，为防止电池模组2压坏线束，在液冷板上盖13上部还留有走线槽18，同理，在上盖下部留有下部线束出口16和下部走线槽15，使冷却液流动状态控制装置23中的中部磁场发生装置连接线47和下部磁场发生装置连接线49引出到板外，与外部电源6和磁流体控制器9相连。
如图3、图4和图5所示，液冷板底座19包括冷却液进水口36、冷却液出水口24、定位销22、流道21、底座外壁20以及流道隔板44，本发明以液冷板具有4个流道隔板为例，在右侧四个流道隔板44的内部装配有液冷板流道控制装置，此液冷板流道控制装置共分为两个部分：冷却液流动状态控制装置23和冷却液流量控制装置35；其中，所述冷却液流动状态控制装置23包括中部磁场发生装置(由中部电磁转换器30和中部变阻器29串联组成)和下部磁场发生装置(由下部电磁转换器28和下部变阻器27串联组成)，中部和下部两个磁场发生装置布置于流道隔板下部顶面开的凹穴26中，中部和下部两个磁场发生装置由挡块48分开，变阻器用于调节磁场的强度，两电磁转换器并联独立工作，中部磁场发生装置连接线47和下部磁场发生装置连接线49通过下部线束出口16引出到板外。在流道隔板下部侧壁开的凹穴25内填充有两个片状磁流体38，分别与中部和下部两个磁场发生装置的位置相对应，两个片状磁流体38之间通过分隔板39隔开，在片状磁流体靠近流道的侧面覆盖有一层薄膜37，与水隔绝的同时拥有变形延展的功能；为了防止电磁转换器工作对相邻流道隔板44内片状磁流体38的影响，在磁场发生装置远离片状磁流体的一侧布置有一层电磁屏蔽层46。
所述冷却液流量控制装置35主要包括上部磁场发生装置和移动滑块33，上部磁场发生装置由上部电磁转换器32组成，上部电磁转换器32位于流道隔板上部顶面开的凹穴31内，上部磁场发生装置连接线45通过上部线束出口17引出到液冷板外，移动滑块33位于流道隔板上部侧壁开的凹穴34内，移动滑块底部通过卡块40和弹簧41固定在凹穴34内，在滑块内部空腔43内填充有块状磁流体42，为了防止上部电磁转换器32工作对相邻流道隔板内的块状磁流体42产生作用，在流道隔板上部顶面开的凹穴31内远离块状磁流体的一侧布置一层电磁屏蔽层46。
如图6所示，电池模组2内部由电池单体51组成，单体电池间通过跨接片50相互串并联，在每个电池模组2中共布置有三个温度传感器：模组上方温度传感器52、模组前部温度传感器53和模组后部温度传感器55，电池系统工作时实时监测模组的对应温度信息tai、tbi和tci(i＝1,2,3；代表模组序号；a、b、c分别表示电池上方、前部和后部)，本发明以3个电池模组为例；将温度信息经温度信息采集线12传送给bms储存和分析，并将处理后的数据传递给磁流体控制器9用于控制。
下面结合附图7来具体描述本发明的控制流程：
电池液冷系统工作时，水泵给冷却液的流动提供动力，通过泄流阀的配合使用，使冷却液在管道内循环流动，温度传感器实时监测电池包内的温度信息，bms接收温度信息进行分析和处理，并将处理后的数据发送给磁流体控制器对冷却液的流量和流动状态进行控制。
冷却液流量控制方法：采集模组上部温度信息tai(i＝1,2,3)，两两成组，用较高温度减去较低的温度得到温度差△taij(i表示温度较高模组的序号，j表示温度较低模组序号)，设定有模组温度上限值tk和tj(模组最高温度上限值tk，及模组间最大温差上限值tj)，tk和tj可以根据电池的类型查找文献得出；每个电池模组占据一个流道及其相邻的流道隔板，当模组i的温度信息tai大于tk或者模组间的温度差△taij大于tj时，除该模组i下方的流道隔板外，其余流道隔板内的上部电磁转换器工作产生磁场，推动滑块移出，流道变小，该高温电池模组对应流道流量增大，冷却液带走更多的热量降低模组温度，可以有效的针对多个模组并列排布中间模组温度较高或某个模组温度异常升高等现象进行散热平衡模组间的温差。
冷却液流动状态控制方法：采集电池模组前部和后部温度信息tbi和tci，由于冷却液进口处的温度要低于出口处的温度，因此tci大于tbi，设定一个温度阈值tn，当tci与tbi的差值大于tn时，该模组下方对应的流道隔板内中部电磁转换器工作产生磁场，推动该侧壁的磁流体流动产生磁锥，改变流道隔板的表面形状使冷却液流动的紊流度增加，强化换热；如果模组前后部的温差没有降低即d(tci-tbi)/dt大于0且温差小于第二阈值tm时，通过调节变阻器增大磁场强度进一步强化散热，而当温差已大于第二阈值时，下部电磁转换器加入工作，增大磁流体产生磁锥的范围，显著提高模组后方冷却液的换热系数，有效降低模组内部温差，防止模组内部出现个别高温点。
需要说明的是，本发明涉及的“上”“下”“左”“右”“前”“后”等方位指示词并不用于限定本发明，仅是为了方便叙述。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。