用于动力蓄电池装置的温控系统及方法与流程

本发明涉及蓄电池技术领域，特别涉及一种用于动力蓄电池装置的温控系统及方法。

背景技术：

近年来，随着电动汽车动力电池起火、燃烧、爆炸事故频发，引起了人们对动力电池热安全设计的重视，总结分析各类动力电池热安全问题，不难发现电池的性能、寿命、安全性与其温度密切相关。具体地，动力电池温度过高——尤其在高倍率充放电工况下——可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时电池会发生剧烈燃烧甚至爆炸，据统计电池温度每升高15℃，其寿命将衰减一半；电池温度过低，电池的功率、容量会明显降低，如果不限制功率，可能带来锂离子析出，引起不可逆衰减，并埋下安全隐患。另外，电池模组之间受空间布局、热保障方式的影响，不同电芯、模组周围的热环境往往很不均匀，即温度梯度较大，当单体电池并联使用时，会引起热电耦合，即温度高的电池内阻较小，会分担更多的电流，致使电荷状态不均匀，很容易造成部分电芯的过充电或过放电，从而加快电池模组的劣化，缩短使用寿命。

适用于铁路运输等领域等大型电动车辆中使用的动力蓄电池装置具有体积大、蓄电池单元数量多等特点，使得温度控制也更加困难。图1示出了动力蓄电池装置100的一个示例。动力蓄电池装置100总体包含控制器110、壳体120以及分别在两侧整齐排列于壳体120内的多个电池包130，其中多个蓄电池单元串联或并联而作为蓄电池组以构成单个电池包130。在该实施例中，动力蓄电池装置100的每一侧布置有6×14＝84个电池包130。壳体120包含覆盖电池包130的盖板121，通过盖板121的密封作用使壳体120形成一密闭空间，以满足蓄电池单元防尘防水的需求。动力蓄电池装置100通常设置于外部的空调140对动力蓄电池装置110的温度进行控制。例如，在图2所示的示例中，机车车厢10两侧的百叶窗11打开，空调140工作排出冷风，冷风沿着动力蓄电池装置外部轮廓、机车车厢10内部空间流动(参见箭头方向)，由机车车厢10两侧的百叶窗11排出热风，从而实现动力蓄电池装置100的冷却；在图3所示的示例中，机车车厢10两侧的百叶窗11关闭，空调140工作排出热风，热风在动力蓄电池装置100外部轮廓、机车车厢10内部空间形成循环流场(参见箭头方向)，从而实现动力蓄电池装置100的加热。

然而，现有技术方案存在以下几点不足：

1.使用大功率空调在动力蓄电池100外围进行温度调节，工作时间长且消耗大量电能，不利于节能减排；

2.由于动力蓄电池装置100是一个密闭的空间，热量仅能通过构成壳体120的铁板进行有限的传导，无法迅速而有效地冷却或加热内部的蓄电池单元，温控效率低，

3.由于电池包130热量无法完全导出和动力蓄电池装置100外部空气流场不均匀，导致越靠近下端内侧的蓄电池温度越高，动力蓄电池装置100内部的蓄电池温度相差较大，使得蓄电池单元一致性差，影响正常工作；

4.蓄电池单元长期在过高或过低的温度下工作，不仅容易发生燃烧或爆炸等危险事故，还严重缩短蓄电池单元的使用寿命。

由此可见，急需设计一种结构合理、导热效率高、节约能源的用于动力蓄电池装置的温控系统及方法。

技术实现要素：

为了解决现有的技术问题，本发明提出了一种基于水冷基板的用于动力蓄电池装置的温控系统及方法。

依据本发明的一种用于动力蓄电池装置的温控系统，该温控系统包含：

多块水冷基板，水冷基板允许冷却水在其内部流通；

热交换器；

循环水泵；

加热装置；

多个温度传感器；

其中，多块水冷基板彼此并联后与热交换器、循环水泵、加热装置串联构成冷却水循环回路，热交换器分别与冷却水循环回路和制冷循环机构连接，制冷循环机构和加热装置依据温度传感器检测的温度选择性地开启或关闭。

在本发明的一个实施例中，水冷基板包含外壳、设置于外壳上的进水口和出水口以及冷却水路，其中，冷却水路连接进水口和出水口并均匀布置于外壳内以构成冷却水通道。

在本发明的一个实施例中，水冷基板包含外壳、设置于外壳上的进水口和出水口以及自外壳的底部垂直延伸至外壳的顶部的壁，其中，壁与外壳的侧壁共同限定冷却水通道。

在本发明的一个实施例中，制冷循环机构包含压缩机、冷凝器、储液罐和膨胀阀，其中压缩机与冷凝器和储液罐依次串联构成制冷循环回路，膨胀阀设置为控制制冷剂的流量。

在本发明的一个实施例中，温控系统进一步包含水箱，水箱设置于冷却水循环回路最高点并通过补水管和排气管连接至冷却水循环回路。

依据本发明的一种动力蓄电池装置，该动力蓄电池装置包含上述温控系统以及多个电池包，其中，水冷基板配置为与电池包紧密贴合，每个电池包配置至少一个温度传感器。

在本发明的一个实施例中，水冷基板外部涂抹导热胶，电池包直接贴合至导热胶上。

依据本发明的一种用于上述动力蓄电池装置的温控方法，选取多个温度传感器检测的温度的最大值为动力蓄电池装置温度，其中，

动力蓄电池装置的加热过程包括：

响应于动力蓄电池装置温度低于第一温度阈值而开启加热装置；

响应于动力蓄电池装置温度不低于第二温度阈值而关闭加热装置，其中第二温度阈值大于第一温度阈值；

动力蓄电池装置的冷却过程包括：

响应于动力蓄电池装置温度高于第三温度阈值而开启制冷循环机构；

响应于动力蓄电池装置温度不高于第四温度阈值而关闭制冷循环机构，其中第三温度阈值大于第四温度阈值。

在本发明的一个实施例中，响应于多个温度传感器检测的温度的最大温差大于5℃而发出警报。

由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明在循环水泵的作用下通过冷却水的不断循环，使蓄电池间的温度差保证在3℃以内，保证了蓄电池一致性，提高了蓄电池寿命。

2.本发明通过合理的散热和加热方式，有效的将蓄电池温度控制在15℃-35℃之间，使蓄电池在最佳的条件下工作，提高了蓄电池寿命。

3.本发明的通过水冷基板有效的将电池内部的热量导出和对电池加热，降低了辅助电能的浪费，间接的提高了蓄电池寿命。

附图说明

图1示出了现有技术中动力蓄电池装置一个实施例的示意图；

图2示出了图1所示动力蓄电池装置的冷却过程的示意图；

图3示出了图1所示动力蓄电池装置的加热过程的示意图；

图4示出了依据本发明的动力蓄电池装置温控系统一实施例的示意图；

图5示出了依据本发明的水冷基板一实施例的示意图；

图6示出了依据本发明的水冷基板另一实施例的示意图；

图7示出了依据本发明的动力电池装置温控方法的加热过程的框图；

图8示出了依据本发明的动力电池装置温控方法的冷却过程的框图。

图中：

10机车车厢，11百叶窗，100动力蓄电池装置，110控制器，120壳体，121盖板，130电池包，140空调，240温控系统，241、241’水冷基板，2411、2411’外壳，2412、2412’进水口，2413、2413’出水口，2414冷却水路，2414’壁，242热交换器，243制冷循环机构，2431压缩机，2432冷凝器，2433储液罐，2434膨胀阀，244循环水泵，245加热装置，246温度传感器，247水箱，2471补水管，2472排气管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图4示出了依据本发明的动力蓄电池装置温控系统的一个实施例。温控系统240总体包含多块水冷基板241、热交换器242、与热交换器242连接以提供制冷剂的制冷循环机构243、循环水泵244以及加热装置245。具体地，水冷基板241允许冷却水在其内部流通。多块水冷基板241通过管路——例如胶管——彼此并联后与热交换器242、循环水泵244以及加热装置245串联构成冷却水循环回路。在该冷却水循环回路中，水冷基板241被设置为与动力蓄电池装置100的每一个电池包130紧密贴合以便于通过热传导带走电池包130的热量或将热量传递给电池包130。优选地，可以在水冷基板241外部涂抹导热胶，并通过导热胶直接贴合至电池包130，例如直接贴合至电池包130底部以承载该电池包130。在制冷循环机构243开启的情况下，自水冷基板241流出的高温冷却水在热交换器242中与制冷剂进行热交换以获得低温冷却水；在加热装置245开启的情况下，低温冷却水经加热装置245升温为高温冷却水并流入水冷基板241中；循环水泵为冷却水流动提供动力，以促进冷却水的循环。温控系统240进一步包含多个温度传感器246，每个电池包130可配置至少一个温度传感器246来检测该电池包130的温度，以为制冷循环机构243和加热装置245开启和关闭提供依据。例如，在图1所示的动力蓄电池装置100中，168个电池包130各自可配置5个温度传感器，整个动力蓄电池装置100共需840个温度传感器。

水冷基板241可以具有多种形式。在本发明的一个实施例中，如图5所示，水冷基板241可以包含外壳2411、设置于外壳2411上的进水口2412和出水口2413以及冷却水路2414。其中，外壳可以采用例如金属等导热性良好的材料制成；冷却水路2414连接进水口2412和出水口2413并均匀布置于外壳2411内以构成冷却水通道。例如，冷却水路2414可以呈首尾相接的s形蜿蜒布置，或者以其它形状均匀布置。在本发明的另一个实施例中，如图6所示，水冷基板241’可以包含外壳2411’、设置于外壳2411’上的进水口2412’和出水口2413’以及自外壳2411’的底部垂直延伸至顶部的壁2414’。其中，壁2414’也可以呈首尾相接的s形蜿蜒布置于外壳2411’内，以便于外壳2411’的侧壁共同限定冷却水通道，使冷却水沿箭头方向流通。优选地，外壳2411’的底部和侧壁以及位于其内部的壁2414’可以是由金属板等材料加工而成的一体式部件，而外壳2411’的顶部可以加工成可拆卸地安装至一体式部件上方的盖(图中未示出)。作为选择的，水冷基板241还可以具有允许冷却水在其内部流通的其他多种结构。

在本发明的实施例中，制冷循环机构243基于空调制冷机理，可以包含压缩机2431、冷凝器2432、储液罐2433和膨胀阀2434。其中压缩机2431与冷凝器2432和储液罐2433依次串联构成制冷循环回路。膨胀阀2434则设置为控制制冷剂的流量，例如在适当的时候对制冷循环机构243中的制冷剂进行节流减压，以防止压缩机2431发生液击现象。作为选择的，制冷循环机构243还可以具有其他适当的结构，以提供制冷剂与高温冷却水进行热交换。加热装置245可以是能够对冷却水进行加热的任何形式，例如ptc电阻(热敏电阻)等。

温控系统240还包含通过补水管2471连通至冷却水循环回路中的水箱247，以便在244循环水泵的作用下及时补充冷却水。优选地，水箱247的具体位置可以设置于冷却水循环回路最高点处并通过排气管2472连通至冷却水循环回路中，以利于排出冷却水循环回路中的气体。

基于本发明的温控系统240来控制动力蓄电池装置100的温度的方法总体可以包括加热过程和冷却过程。其中，选取多个温度传感器246检测的温度最大值作为动力蓄电池装置温度，并基于该蓄电池装置温度开启或关闭加热装置245和制冷循环机构243。

动力蓄电池装置100的加热过程包括：响应于动力蓄电池装置温度低于第一温度阈值而开启加热装置；响应于动力蓄电池装置温度不低于第二温度阈值而关闭加热装置245，第二温度阈值大于第一温度阈值。在图7所示的加热过程的实施例中，采用ptc电阻作为加热装置245，第一温度阈值和第二温度阈值分别设置为15℃和20℃，工作人员也可以依据实际工况设置合适的第一温度阈值和第二温度阈值。。具体地，动力蓄电池装置100启动后，当温度传感器246检测动力蓄电池装置温度小于15℃时，ptc电阻启动，对冷却水进行加热，冷却水在循环水泵244的作用下通过循环回路将热量传给水冷基板241，水冷基板241的热量通过导热胶传导给电池包130，给蓄电池单元加热。当温度传感器246检测动力蓄电池装置温度等于或大于20℃时，ptc电阻停止工作。由于动力蓄电池装置100在工作时会不断产生热量，因此，ptc电阻不会频繁工作，只是在动力蓄电池装置长时间不工作并且环境温度较低的情况下，重新启动后才会工作。

动力蓄电池装置100的冷却过程包括：响应于动力蓄电池装置温度高于第三温度阈值而开启制冷循环机构；响应于动力蓄电池装置温度不高于第四温度阈值而关闭制冷循环机构，第三温度阈值大于第四温度阈值。在图8所示的加热过程的实施例中，第三温度阈值设置为35℃，第四温度阈值设置为20℃，工作人员也可以依据实际工况设置合适的第三温度阈值和第四温度阈值。具体地，当温度传感器246检测动力蓄电池装置温度＞35℃时，开启控制制冷循环回路通电的电源开关使制冷循环回路开始工作，在制冷循环回路添加r134a介质，作为制冷剂。制冷剂在压缩机2431、冷凝器2432等部件的作用下，通过相变原理制冷，将制冷后的制冷剂输送给热交换器242。而同时，电池包130通过导热胶将热量传给水冷基板241，水冷基板241将热量传给冷却水，被加热后的冷却水在循环水泵244的作用下通过循环回路输送热交换器242。冷却水和制冷剂在热交换器中进行热交换，通过持续的工作对蓄电池进行散热。当温度传感器246检测动力蓄电池装置温度≤20℃时，关闭控制制冷循环回路通电的电源开关使制冷循环回路停止工作。

由于水冷基板241均匀布置于动力蓄电池装置100内部紧邻电池包130处，有利于保持蓄电池装置100内部各处温度均衡。正常情况下多个温度传感器246各自检测到的温度的差别不会很大，而在特定情况下——例如蓄电池单元发生故障等——会出现较大的温差。优选地，可以设置当多个传感器246检测的温度的最大温差大于特定值——例如5℃——时，发出警报。

本发明通过合理的加热和冷却方式，有效地将动力蓄电池装置100内的温度控制在适合的温度区间内，且各蓄电池单元温度均衡，使蓄电池单元能够在最佳条件下工作，不仅提高了工作效率，还有效延长了蓄电池单元的使用寿命。

以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。