一种电池包内部喷射应急冷却控制结构及方法与流程

本发明有关一种电池热管理系统及热安全应用技术。

背景技术：

由于能源和环境危机不断加重，人们都在寻找解决这些问题的办法，作为消耗能源和制造污染的主力军，汽车行业急需调整能源的消耗利用。电动汽车符合节能减排的发展理念，得到了蓬勃的发展，但是仍然存在很多问题，其中电池的热管理和热安全问题一直是人们高度关注的问题，近年以来，电动汽车由于电池热失控造成的爆炸、自燃事故频繁发生。

为了应对电池的过热问题，人们提出了风冷、液冷等多种主流冷却方法，但随着电池能量密度不断增加，其产热率也不断提高，尽管传统的冷却方法在电池的常规温度范围内有着优良的效果，但是已经无法胜任电池温度处于过热范围时的工作，尤其是在某些极端工况下，极易引发电池热失控的发生，轻则损坏电池包，重则引发燃烧爆炸事故。

技术实现要素：

本发明提供了一种电池包内部喷射应急冷却控制结构及方法，涉及电池热管理领域，通过热熔喷头中热熔体对发生过热的电池模组的感应，传递信号并启动应急冷却，利用较高压力的制冷剂裹挟阻燃剂通过喷头向发生过热现象的电池模组喷洒，一方面制冷剂气化吸热，另一方面阻燃剂抑制燃烧，之后通过泄压装置排出包内高压气流。本发明有效抑制过热电池模组向热失控方向发展，极大提高了电动汽车的安全性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：第一方面，本发明实施例提供一种电池包内部喷射应急冷却控制结构，所述结构包括汽车控制单元(1)、汽车制冷系统(2)、可控阀门(3)、热熔喷头(4)、阻燃剂存储罐(5)、动力电池模组(6)、制冷剂总流管(7)、第一泄压排气门(8)、电池包外壳(9)、第二泄压排气门(10)；所述制冷剂总流管(7)与汽车制冷系统(2)相连；所述可控阀门(3)安装在制冷剂总流管(7)上靠近汽车制冷系统(2)的位置；所述动力电池模组(6)安置在电池包外壳(9)的内部空间，均匀分布；所述阻燃剂存储罐(5)、热熔喷头(4)依次排列在制冷剂总流管(7)所分出的支路上；所述第一泄压排气门(8)和第二泄压排气门(10)在电池包外壳(9)水平方向上对称布置并位于热熔喷头(4)的远端，两泄压排气门是电磁吸附式，可以通过通、断电实现泄压的关闭与开启；所述汽车控制单元(1)接收来自热熔喷头(4)的信号并传递控制信号给可控阀门(3)、第一泄压排气门(8)和第二泄压排气门(10)；所述可控阀门(3)控制制冷剂总流管(7)从汽车制冷系统(2)引入制冷剂；所述热熔喷头(4)控制制冷剂总流管(7)分出支路的开闭并兼具喷头的作用，同时具备获得、发送信号的功能。

在本发明较佳的实施例中，所述热熔喷头(4)包括热熔体(4-1)、容抗感应装置(4-2)、喷头(4-3)，热熔体(4-1)具有在既定较高温度下熔化的特性且不会在未发生热熔时被制冷剂冲破，热熔体(4-1)与制冷剂总流管(7)中的制冷剂、阻燃剂存储罐(5)中的阻燃剂相容，且不助燃；容抗感应装置(4-2)可以测得热熔体(4-1)的容抗变化并向汽车控制单元(1)传递信号；喷头(4-3)可将通过其的工质均匀喷洒到正对动力电池模组(6)的表面。

在本发明较佳的实施例中，所述阻燃剂存储罐(5)是内部储存阻燃剂的结构，进出口用薄膜封闭，其内部的阻燃剂具有阻断氧气和抑制燃烧活化分子(集团)产生的作用，且与制冷剂总流管(7)中的制冷剂和热熔喷头(4)中的热熔体(4-1)相容，阻燃剂存储罐(5)在正常工作状态下保持密闭状态，当可控阀门(3)打开时，阻燃剂存储罐(5)进出口的薄膜被制冷剂冲破并释放阻燃剂到其对应支路中。

在本发明较佳的实施例中，所述汽车制冷系统(2)提供的制冷剂流体压力较高，可以将阻燃剂存储罐(5)中的阻燃剂和发生热熔支路中残留的热熔体(4-1)裹挟流动，且可以通过喷头(4-3)形成均匀的喷雾，覆盖在电池模组表面。

第二方面，本发明实施例提供一种电池包内部喷射应急冷却控制方法，所述方法包括：

电池包外壳(9)内部空间的动力电池模组(6)发生过热时，其模组本身温度迅速升高，对应的热熔体(4-1)感应到高温的出现发生热熔，对应管道支路不再被热熔体(4-1)堵塞，可以从制冷剂总流管(7)引入制冷剂；

热熔体(4-1)发生热熔的同时，容抗感应装置(4-2)采集到容抗变化信号并折算出热熔体(4-1)热熔速率，立即传递给汽车控制单元(1)，经过处理后，汽车控制单元(1)传递控制信号给可控阀门(3)，按照热熔速率v和热熔体(4-1)发生热熔的数目n调节可控阀门(3)的开度s，具体方法和相关描述如下：

a.当热熔速率v＞v2时，此时n个模组发生了急速过热，危险程度极高，可控阀门全开，此时电池的热失控的最终结果无法改变，但是可以延长发展到燃烧爆炸的时间，给人员争取逃生的时间；

b.当热熔速率v1≤v≤v2时，此时n个模组发生了高速过热，危险程度较高，为了较快降温阻燃并同时兼顾制冷剂和阻燃剂的连续作用效果，可控阀门开度调整为n*s2；

c.当热熔速率v＜v1时，此时n个模组发生了普通过热，危险程度较低，为了保证制冷剂和阻燃剂的连续作用效果，采取小流量、长时间的冷却方式，可控阀门开度调整为n*s1；

经过判断并进行冷却、阻燃之后，电池包外壳(9)内部空间的气化气流通过泄压排气门排出。

在本发明较佳的实施例中，所述制冷剂和阻燃剂的连续作用效果的相关描述：

a.制冷剂可以连续不断地充分气化吸热，流量过大会导致制冷剂迅速耗尽且容易发生气化不完全和冷保护现象，削弱了后续的制冷剂气化吸热效果；

b.阻燃剂可以连续不断地充分覆盖在电池模组表面，流量过大的制冷剂快速通过支路时，阻燃剂未被完全从阻燃剂存储罐(5)释放出，制冷剂只裹挟了小部分阻燃剂然后经喷头(4-3)喷洒到电池模组表面，削弱了阻燃剂的利用率。

在本发明较佳的实施例中，所述电池包外壳(9)内部空间的气化气流排出时，第一泄压排气门(8)和第二泄压排气门(10)开关规则和相关描述如下：

a.只有一个模组发生过热，开启距离该模组较远的泄压排气门，开启较远处的泄压排气门可以让气化气流流经大部分电池包内的空间，可以有效预防正常工作状态的电池模组向过热方向发展；

b.多个模组发生过热时，同时开启第一泄压排气门(8)和第二泄压排气门(10)，多个电池模组发生过热时，包内气压极高，需要开启所有泄压排气门快速泄压以防电池包被爆破。

本发明提出的应急冷却结构在电池发生过热时可以有效地抑制热失控的发生，利用制冷剂的气化吸热的基本原理吸收过热电池模组产生的热量，利用阻燃剂阻断氧气和抑制燃烧活化分子(集团)产生的基本原理抑制燃烧的发生，从多角度控制过热电池的持续性恶化，全面可靠地保证了汽车和人员的安全。

本发明提出的控制策略通过对不同过热程度的电池采取不同级别的应急措施，有效地兼顾了冷却、阻燃的瞬态效果和连续效果，在制冷剂总量一定的前提下，最大化发挥应急效果，完成冷却、阻燃之后利用两个泄压排气门巧妙组织气化气流的流动，起到了对未发生过热的电池模组的预防冷却作用并防止了电池包遭到高压破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明结构原理图；

图2为本发明控制流程图；

附图1.中的标号说明：

1-汽车控制单元2-汽车制冷系统3-可控阀门

4-热熔喷头5-阻燃剂存储罐6-动力电池模组

7-制冷剂总流管8-第一泄压排气门9-电池包外壳

10-第二泄压排气门

附图2.中的符号说明：

n-电池包内电池模组的总数目

n-电池包内发生过热现象的电池模组数目

a-单个支路热熔体的体积

v-各支路热熔速率的最大值

s-可控阀门的开度(0％-100％，0％对应关闭，100％对应全开)

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1.所示，电池包内喷射应急冷却控制结构由汽车控制单元(1)、汽车制冷系统(2)、可控阀门(3)、热熔喷头(4)、阻燃剂存储罐(5)、动力电池模组(6)、制冷剂总流管(7)、第一泄压排气门(8)、电池包外壳(9)、第二泄压排气门(10)组成，附图1.标识的省略号代表重复结构，包括制冷剂总流管(7)局部、阻燃剂存储罐(5)、热熔喷头(4)、动力电池模组(6)、电池包外壳(9)局部。汽车制冷系统(2)为整个控制结构提供制冷剂，从制冷剂总流管(7)引入，制冷剂总流管(7)上分出支路，每个支路上依次安装阻燃剂存储罐(5)、热熔喷头(4)，喷头(4-3)水平位置在动力电池模组(6)的上方以便于喷射物可以均匀覆盖在模组表面，动力电池模组(6)均匀分布在电池包外壳(9)内部，第一泄压排气门(8)和第二泄压排气门(10)水平方向几何对称安置在电池包外壳(9)上并位于热熔喷头(4)的远端。当电池包外壳(9)内部空间左侧第一电池模组发生过热时，对应的热熔体(4-1)发生热熔，容抗感应装置(4-2)接收到热熔体(4-1)的容抗变化信号，折算成热熔速率后与变化信号数目一起传递给汽车控制单元(1)，处理之后，汽车控制单元(1)传递控制信号给可控阀门(3)和泄压排气门，可控阀门(3)、泄压排气门迅速按规则调节，制冷剂随着可控阀门(3)的调节进入制冷剂总流管(7)和发生热熔现象的支路中，阻燃剂存储罐(5)进出口薄膜被进入到对应支路中的制冷剂冲破，阻燃剂被释放到到对应支路中，由于汽车制冷系统(2)的制冷剂压力较高，可以克服层层阻力，使相容的制冷剂、阻燃剂、热熔体(4-1)三者混合后从喷头(4-3)均匀喷洒向过热电池模组，但未发生热熔的热熔体(4-1)不会被制冷剂冲破，从而不形成喷洒，混合物中的制冷剂发生气化吸热向气态转变，阻燃剂覆盖在过热电池模组表面发挥隔绝氧气和抑制活化分子(集团)产生的作用，包内气压由于制冷剂气化急剧上升，按照规则，第一泄压排气门(8)的供电被切断，电磁吸附消失，排气门在压力差作用下被冲开，气化的制冷剂立刻形成气化气流迅速涌向第一泄压排气门(8)，中间经过其他电池模组，起到了预防冷却的作用，保证正常工作的电池模组不转变为过热状态，随着制冷剂和发生热熔现象支路中的阻燃剂不断重复上述过程直至耗尽，过热电池模组不再向热失控发展，保证了车辆和人员的安全。

如附图2.所示，行驶过程中的电动汽车在某一时刻，一个具有n个电池模组的电池包内部的热熔体(4-1)发生热熔现象，单个支路热熔体(4-1)的体积为a，立刻启动应急措施，向车内人员发送警报通知迅速逃离，同时容抗感应装置(4-2)获取热熔体(4-1)的容抗变化信号，折算为热熔速率后与变化信号数目n(代表有n个电池模组发生过热并引发了n个支路发生热熔现象)一起传递给汽车控制单元(1)，得出最大热熔速率v，汽车控制单元(1)输出控制信号给可控阀门(3)和泄压排气门，可控阀门(3)的调节规则具体如下：

a.当v＞20％*a/s时，即热熔体(4-1)以超过每秒自身最大体积20％的速率进行热熔时，可控阀门(3)的开度调节为s＝1/n*100％*n；

b.当10％*a/s≤v≤20％*a/s时，即热熔体(4-1)以每秒自身最大体积10％-20％的速率进行热熔时，可控阀门(3)的开度调节为s＝1/n*60％*n；

c.当v＜10％*a/s时，即热熔体(4-1)以低于每秒自身最大体积10％的速率进行热熔时，可控阀门(3)的开度调节为s＝1/n*30％*n。

在汽车控制单元(1)处理完输入信号后延迟2s，泄压排气门开始调节，规则具体如下：

a.当n＝1时，确定发生过热的电池模组的位置，并切断距其较远处泄压排气门的供电；

b.当n≠1时，切断所有泄压排气门的供电。