一种动力电池控温系统的制作方法

本发明涉及动力电池散热技术领域，具体涉及一种动力电池控温系统。

背景技术：

电动汽车是一种运行过程中零污染的交通工具，因其具有显著节能环保特征，备受国家及行业重视。在世界范围节能减排大环境下，近年来电动汽车产业发展迅速，为了获得更好的市场口碑和用户体验，充足的续航里程成为重要的市场衡量指标，续航里程的获得不仅仅是电池数量规模的增大，同时也对动力电池能量密度提出更高要求。

动力电池是化学能转换组件，通过充放电，实现电网电能向车辆行驶里程的转换，充放电过程均会产生大量热量，如不能及时排散，会造成“热失控”，进而引发起火爆炸等安全事故。早期动力电池因能量密度小，产热少，电池温度水平及温度不均性问题不显著，随着电池能量密度提高，上述问题日益突出，自然冷却、强迫风冷、液冷散热等适用于中小能量密度电池的传统散热技术，无法满足高能量密度电池对工作温度及温度均匀性的要求。

综上所述，电池能量密度提高是行业发展的必然趋势，随之而来，电池温度超标、电池内部温差过大，成为影响行业发展的突出问题和难题，在安全红线面前，甚至深刻影响动力电池体系。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实发明提出一种动力电池控温系统，该系统可实现高、低温极端温度环境下，动力电池工作温度稳定控制，确保动力电池安全运行，并适用于各种能量密度动力电池。

本发明的一种动力电池控温系统，包括有泵驱组件(1)、第二电动三通阀(6)、加热器(4)、流体管道(7)、蒸发集热组件(2)、蒸汽管道(8)、第一电动三通阀(5)、冷凝器(3)；

所述泵驱组件(1)包括有离心泵(11)、储液器组件(12)、过滤器(13)、第一压力传感器(14)、第二压力传感器(15)、加注阀(16)、第一液路快速接头(17)、第二液路快速头(18)；

所述蒸发集热组件(2)由结构相同的m组电池箱蒸发集热并联单元串联构成；每个电池箱蒸发集热并联单元由结构相同的n个动力电池单元构成；

冷凝器(3)与储液器组件(12)之间连接有第一管道(9a)，第一管道(9a)上依据循环工质的流动方向顺次安装有第一液路快速接头(17)、加注阀(16)和过滤器(13)；

储液器组件(12)与离心泵(11)之间连接有第二管道(9b)，第二管道(9b)上安装有第一压力传感器(14)；

离心泵(11)与加热器(4)之间连接有第三管道(9c)，第三管道(9c)上依据循环工质的流动方向顺次安装有第二压力传感器(15)、第二液路快速头(18)、第二电动三通阀(6)；第二电动三通阀(6)的c端与加热器(4)的输出端之间连接有第四管道(9d)；

加热器(4)与蒸发集热组件(2)的输入端之间安装有流体管道(7)；

蒸发集热组件(2)的输出端与冷凝器(3)之间连接有蒸汽管道(8)，蒸汽管道(8)上安装有第一电动三通阀(5)；第一电动三通阀(5)的c端与冷凝器(3)的输出端之间连接有第五管道(9e)。

本发明的一种动力电池控温系统采用循环工质气液相变传热工作模式，有散热和补热两种工作模式。

在本发明中，所述储液器组件(12)包括储液器本体(12a)、第一加热器(12f)、第一温度传感器(12g)、第二温度传感器(12h)，所述储液器本体(12a)内部通过隔膜(12b)分割为两个腔体，储液器气腔和储液器液腔；所述储液器液腔的下端设置引液管，所述引液管12e与第二管道9b连接；所述第一加热器贴装在储液器气腔外壳体上；所述第一温度传感器贴装于储液器气腔内；所述第二温度传感器贴装于储液器液腔内；所述第一加热器的启停控制为ta-tb≥h，ta表示第一温度传感器采集的实时温度值，tb表示第二温度传感器采集的实时温度值，h表示温差。

在本发明中，所述动力电池单元包括有多个电池包和多个蒸发冷板，以及将所述蒸发冷板串联的管道；每两组电池包之间设置了蒸发冷板；蒸发冷板紧贴电池包内电池侧壁，并用导热垫填充缝隙；

每组电池包由阵列排布的多块电池构成；

a电池包(201)的外侧设有a蒸发冷板(211)，

a电池包(201)与b电池包(202)之间设有b蒸发冷板(212)，

b电池包(202)与c电池包(203)之间设有c蒸发冷板(213)，

c电池包(203)与d电池包(204)之间设有d蒸发冷板(214)，

d电池包(204)与e电池包(205)之间设有e蒸发冷板(215)，

e电池包(205)的外侧设有f蒸发冷板(216)；

蒸发冷板的一端设有液体分流室(2a22)，蒸发冷板的另一端设有蒸汽汇集室(2a21)；蒸汽汇集室(2a21)与液体分流室(2a22)之间设有蒸发换热管束(2a23)；蒸汽汇集室(2a21)上设有蒸汽出口(2a24)，蒸汽出口(2a24)上连接有电池包间蒸汽串联管；液体分流室(2a22)上设有液体入口(2a25)，液体入口(2a25)上连接电池包间流体串联管。

在散热模式下，泵驱组件(1)经第二电动三通阀(6)的a端→c端连通，与蒸发集热组件(2)串联，再经第一电动三通阀(5)的a端→b端连通，与冷凝器串联，实现循环回路闭合；在散热模式下，所述循环工质，在泵驱组件驱动下，以液体状态，经液体管路进入蒸发集热组件，蒸发吸热后气化，以气液两相状态经蒸汽管路进入冷凝器，冷凝放热后液化，以液体状态回到泵驱组件。工质不断循环，实现蒸发集热组件热量向冷凝器的传输排散。

在补热模式下，泵驱组件(1)经第二电动三通阀(6)的a端→b端连通，与加热器(4)串联，再与蒸发集热组件(2)串联，再经第一电动三通阀(5)的a端→c端连通，实现循环回路闭合；在补热模式下，所述循环工质，在泵驱组件驱动下，以液体状态，进入加热器，蒸发吸热后气化，以气液两相状态进入蒸发集热组件，冷凝放热后液化，以液体状态，回到泵驱组件。工质持续循环，实现加热器热量向蒸发集热组件的传输补热。

本发明是一种动力电池控温系统，所要解决的是动力电池能量密度不断提升带来的系统散热难题及动力电池温差过大问题，该系统采用气液两相散热及控温技术，通过储液器气侧和液侧温差控制，实现系统压力实时控制，从而保证两相散热系统稳定运行，实现大规模热量的高效、快速传输，获得良好温度水平效果；同时，运用两相传热技术和蒸发集热单元贴装方式改进，通过电池散热边界温度均一化和电池接触散热面积增大，实现动力电池之间及电池内部温度相对均匀，获得良好温差控制效果。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

①本发明采用气液两相传热技术，显著提高系统散热能力，并确保动力电池系统温度均匀性，克服了传统自然风冷、强迫风冷、液冷散热等技术无法有效解决高能量密度动力电池散热的问题，确保高能量密度动力电池可靠散热，并适用于各种能量密度动力电池系统。

②本发明采用气液两相控温技术，在确保系统散热能力前提下，使动力电池保持在相对稳定温度范围，有效保证动力电池使用寿命。

③本发明采用气液两相控温技术，为应对低温环境充电问题，采用集中式加热器，并通过两相系统循环，实现动力电池快速补热，并使电池维持在相对稳定温度范围，降低了动力电池分散布置加热片的系统复杂性。

④本发明蒸发冷板与电池两个侧壁面贴装，在保留电池包常规组装工艺的前提下，增大了换热面积，同时双面贴装方式，使电池内部传热热量更为分散，有效减低了电池内部温差，避免电池内部温差过大，造成安全事故。

⑤本发明循环工质采用不导电绝缘流体，是本安型材料，不存在因工质泄漏造成电气短路、引发安全事故的风险。

附图说明

图1是本发明动力电池控温系统结构框图。

图2是本发明的储液器组件的结构图。

图3是本发明的蒸发集热组件的动力电池先并联后串联的拓扑结构框图。

图4是本发明的动力电池箱内部蒸发集热单元的结构图。

图4a是本发明的动力电池箱内部蒸发集热单元的另一视角结构图。

图4b是本发明的蒸发冷板的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图3所示，本发明的一种动力电池控温系统，其包括有泵驱组件1、蒸发集热组件2、冷凝器3、加热器4、第一电动三通阀5、第二电动三通阀6、流体管道7、蒸汽管道8、以及各器件之间连接用的管路。

所述泵驱组件1包括有离心泵11、储液器组件12、过滤器13、第一压力传感器14、第二压力传感器15、加注阀16、第一液路快速接头17、第二液路快速头18。

所述蒸发集热组件2由结构相同的多组电池箱蒸发集热并联单元串联构成，而每个电池箱蒸发集热并联单元由结构相同的多个动力电池单元构成。如图3所示即蒸发集热组件2包括有第1组电池箱蒸发集热并联单元2a、第2组电池箱蒸发集热并联单元2b、……、第m组电池箱蒸发集热并联单元2m；第1组电池箱蒸发集热并联单元2a与第2组电池箱蒸发集热并联单元2b串联，第m组电池箱蒸发集热并联单元2m与其的前一组电池箱蒸发集热并联单元串联。

冷凝器3与储液器组件12之间连接有第一管道9a，第一管道9a上依据循环工质(流体或蒸汽)的流动方向顺次安装有第一液路快速接头17、加注阀16和过滤器13。冷凝器3用于向空气环境排散热量。第一液路快速接头17用于安装及维护泵驱组件1时与第一管道9a的快速连接和断开(即用于提供泵驱组件1入口的快速液路断接接口)。加注阀16是用于向管路中加入循环工质的一接口。在本发明的动力电池控温系统运行一段时间后，管路内可能会产生一些杂质，这时的过滤器13就可以进行过滤杂质、净化液体循环工质，为离心泵11提供工作保护。

储液器组件12与离心泵11之间连接有第二管道9b，第二管道9b上安装有第一压力传感器14。离心泵11用于提供流体循环动力，储液器组件12用于稳定循环工质(流体或蒸汽)的工作状态，而第一压力传感器14用于测量第二管道9b内循环工质(流体或蒸汽)的压力，记为p14(即监测离心泵11的入口压力)。

离心泵11与加热器4之间连接有第三管道9c，第三管道9c上依据循环工质的流动方向顺次安装有第二压力传感器15、第二液路快速接头18、第二电动三通阀6；第二电动三通阀6的c端与加热器4的输出端之间连接有第四管道9d。加热器4在补热模式下为系统提供热量。第二压力传感器15用于测量经离心泵11后的第三管道9c内循环工质(流体或蒸汽)的压力，记为p15(即监测离心泵11的出口压力)。在本发明中，第一压力传感器14和第二压力传感器15作为循环工质的压力反馈状态，压力范围0.8～2.5mpa，二者压差范围0～0.5mpa(即p15-p14＝δp，δp表示压差0～0.5mpa)，压差为0时，指的是安装、维修等状态时，或者启动运行本发明系统前。第二液路快速接头18用于安装及维护泵驱组件1时与第三管道9c的快速连接和断开。第二电动三通阀6用于进行散热工作模式和补热工作模式的切换。在本发明散热模式下，第四管道9d将加热器4两端短接，使液体不流经加热器4，有利于动力电池散热。

加热器4与蒸发集热组件2的第1组电池箱蒸发集热并联单元2a的输入端之间安装有流体管道7；

蒸发集热组件2的第m组电池箱蒸发集热并联单元2m的输出端与冷凝器3之间连接有蒸汽管道8，蒸汽管道8上安装有第一电动三通阀5；第一电动三通阀5的c端与冷凝器3的输出端之间连接有第五管道9e。在本发明补热模式下，第五管道9e将冷凝器3两端短接，使液体不流经冷凝器3，有利于动力电池补热。

在本发明中，泵驱组件1采用模块化设计，离心泵11、储液器组件12、过滤器13、第一压力传感器14和第二压力传感器15均位于模块内部；加注阀16和第一液路快速接头17、第二液路快速接头18，安装于模块外部，方便操作使用。

储液器组件12

如图2所示，储液器组件12包括有储液器本体12a、第一加热器12f、第一温度传感器12g、第二温度传感器12h，储液器本体12a内部通过隔膜12b分割为两个腔体，即储液器气腔12c和储液器液腔12d，液腔12d的下端设置引液管12e，所述引液管12e与第二管道9b连接；第一加热器12f贴装在储液器气腔12c侧外壳体上；第一温度传感器12g贴装于储液器气腔12c内；第二温度传感器12h贴装于储液器液腔12d内。在本发明中，第一加热器12f根据第一温度传感器12g和第二温度传感器12h之间的温差进行启停闭环控制，其控制目标为ta-tb≥h，ta表示第一温度传感器采集的实时温度值，tb表示第二温度传感器采集的实时温度值，h表示温差，一般地h为3℃，即当ta-tb≥3℃时，第一加热器12f关闭；当ta-tb<3℃时，第一加热器12f开启。通过所述ta-tb≥h控温调节，能够有效地保证泵驱组件1工作正常，同时实现电池温度稳定控制。

第1组电池箱蒸发集热并联组件2a

参见图1所示，在本发明中蒸发集热组件2由结构相同的多组电池箱蒸发集热并联单元(2a、2b、……、2m)串联构成。一般地，蒸发集热组件2至少需要3组(m＝3)电池箱蒸发集热并联单元构成。

每个电池箱蒸发集热并联单元都由n个结构相同的动力电池单元构成。一般地，一个电池箱蒸发集热并联单元中至少有4个(n＝4)动力电池单元。参见图3所示，第1组电池箱蒸发集热并联单元2a由动力电池aa单元2a1、动力电池ab单元2a2、……、动力电池an单元2an组成；

动力电池aa单元2a1的aa电池箱蒸汽接口2a1a连接在aa支流管道2a-1上，动力电池aa单元2a1的aa电池箱流体接口2a1b连接在ab支流管道2a-2上；同理，

动力电池ab单元2a2的ab电池箱蒸汽接口连接在aa支流管道2a-1上，动力电池ab单元2a2的ab电池箱流体接口连接在ab支流管道2a-2上；

动力电池an单元2an的ac电池箱蒸汽接口连接在aa支流管道2a-1上，动力电池an单元2an的ac电池箱流体接口连接在ab支流管道2a-2上；

aa支流管道2a-1与bc管道23的一端连接，bc管道23的另一端与bb支流管道2b-2连接，ab支流管道2a-2与蒸汽管道8连接。

参见图3所示，第2组电池箱蒸发集热并联单元2b由动力电池ba单元2b1、动力电池bb单元2b2、……、动力电池bn单元2bn组成；

动力电池ba单元2b1的ba电池箱蒸汽接口2b1a连接在ba支流管道2b-1上，动力电池ba单元2b1的ba电池箱流体接口2b1b连接在bb支流管道2b-2上；同理，

动力电池bb单元2b2的bb电池箱蒸汽接口连接在ba支流管道2b-1上，动力电池bb单元2b2的bb电池箱流体接口连接在bb支流管道2b-2上；

动力电池bn单元2bn的bc电池箱蒸汽接口连接在ba支流管道2b-1上，动力电池bn单元2bn的bc电池箱流体接口连接在bb支流管道2b-2上；

ba支流管道2b-1与bb管道2b的一端连接，bb管道2b的另一端与下一电池箱蒸发集热并联单元上的支流管道连接，bb支流管道2b-2与bc管道23的另一端连接。

参见图3所示，第m组电池箱蒸发集热并联单元2m由动力电池ma单元2m1、动力电池mb单元2m2、……、动力电池mn单元2mn组成；

动力电池ma单元2m1的ma电池箱蒸汽接口2m1a连接在ma支流管道2m-1上，动力电池ma单元2m1的ma电池箱流体接口2m1b连接在mb支流管道2m-2上；同理，

动力电池mb单元2m2的mb电池箱蒸汽接口连接在ma支流管道2m-1上，动力电池mb单元2m2的mb电池箱流体接口连接在mb支流管道2m-2上；

动力电池mn单元2mn的ac电池箱蒸汽接口连接在ma支流管道2m-1上，动力电池mn单元2mn的mc电池箱流体接口连接在mb支流管道2m-2上；

ma支流管道2m-1与流体管道7的另一端连接，流体管道7的一端与加热器4连接，mb支流管道2m-2与ba管道21的一端连接，ba管道21的另一端与第m组电池箱蒸发集热并联单元2m的上一组电池箱蒸发集热并联单元的支流管道连接。

动力电池aa单元2a1

在本发明中，动力电池单元包括有多个电池包和多个蒸发冷板，以及将所述蒸发冷板串联的管道；每两组电池包之间设置了蒸发冷板。动力电池单元的外部设有密封外壳，aa电池箱蒸汽接口2a1a和aa电池箱流体接口2a1b伸出所述密封外壳，且开口处要密封，设置aa电池箱蒸汽接口2a1a和aa电池箱流体接口2a1b以方便与其他管路连接。每组电池包由阵列排布的多块电池201a构成。参见图4、图4a所示，动力电池aa单元2a1上的a电池包201的外侧设有a蒸发冷板211，

a电池包201与b电池包202之间设有b蒸发冷板212，

b电池包202与c电池包203之间设有c蒸发冷板213，

c电池包203与d电池包204之间设有d蒸发冷板214，

d电池包204与e电池包205之间设有e蒸发冷板215，

e电池包205的外侧设有f蒸发冷板216。

为了保证每两组电池包之间设置的蒸发冷板能够紧密接触，在蒸发冷板紧贴电池包内每个电池的侧壁，采用了0.2～0.5mm导热垫填充微小缝隙，以确保蒸发冷板与电池的紧密接触。

从图4b中可以看出，蒸发冷板的一端设有液体分流室2a22，蒸发冷板的另一端设有蒸汽汇集室2a21；蒸汽汇集室2a21与液体分流室2a22之间设有蒸发换热管束2a23；蒸汽汇集室2a21上设有蒸汽出口2a24，蒸汽出口2a24上连接有电池包间蒸汽串联管；液体分流室2a22上设有液体入口2a25，液体入口2a25上连接电池包间流体串联管。在本发明中，两个蒸发冷板之间的蒸汽出口连接有电池包间蒸汽串联管，两个蒸发冷板之间的液体入口连接有电池包间流体串联管。从图4、图4可以看出，a蒸发冷板211的蒸汽出口与b蒸发冷板212的蒸汽出口上连接有c电池包间蒸汽串联管243；b蒸发冷板212的液体入口与c蒸发冷板213的液体入口上连接有a电池包间流体串联管221。同理，

c蒸发冷板213的蒸汽出口与d蒸发冷板214的蒸汽出口上连接有b电池包间蒸汽串联管242；d蒸发冷板214的液体入口与e蒸发冷板215的液体入口上连接有b电池包间流体串联管222。

e蒸发冷板215的蒸汽出口与f蒸发冷板216的蒸汽出口上连接有a电池包间蒸汽串联管241。

如图4、图4a、图4b所示，蒸汽汇流室2a21和液体分流室2a22为空腔结构，而且蒸发换热管束2a23的两端分别置于蒸汽汇流室2a21和液体分流室2a22中，因此二者阻力明显小于蒸发换热管束2a23阻力，起到均流作用；蒸汽出口2a24和液体入口2a25位于蒸发冷板2a2外部(不受电池包阻挡)，同时，蒸汽出口2a24与蒸汽集气室2a21连通，液体入口2a25与液体均流室2a22连通；蒸发换热管束2a23截面可以为圆形或矩形，本实施例采用圆形截面，圆管管径为3mm，数量为33个，可以保证散热模式下电池热量的有效收集和补热模式下热量向电池的有效扩散，确保电池温度均匀。

在本发明中，所述蒸发集热组件，包括m×n个电池箱蒸发集热子组件，采用先并-后串的集热拓扑结构，n个电池箱蒸发集热子组件并联形成电池箱蒸发集热并联单元，m个电池箱蒸发集热并联单元再串联形成蒸发集热组件。所述电池箱蒸发集热子组件，包括蒸发冷板、电池包间串联管路、电池箱内蒸汽管路、电池箱液体接头和电池箱蒸汽接头，所述蒸发冷板，紧贴电池包内电池侧壁，中间用0.2～0.5mm导热垫填充微小缝隙。所述蒸发冷板之间，通过管路串联连接。所述电池箱液体接头和电池箱蒸汽接头安装于电池箱外部。所述蒸发换热管束，管束截面可以为圆形或矩形。所述蒸发换热管束，管数量根据换热需求确定。

泵驱组件1能够为气液流体循环提供动力，动力功率消耗20w～500w，具体功率数值根据系统散热规模确定。

蒸发集热组件2，通过内部蒸发冷板液态工质气化，实现动力电池电芯热量快速、高效收集，收集热量5kw～1000kw。

冷凝器3，散热模式下，将蒸发集热组件2产生的热量排散到空气环境，散热量5kw～1000kw。

加热器4，补热模式下，为蒸发集热组件2快速升温提供热量，加热量0.2kw～10kw。

第一电动三通阀5与第二电动三通阀6用于实现电池低温补热和高温散热模式切换。

流体管道7用于实现加热器4与蒸发集热组件2的输入端连通。

蒸汽管道8用于实现冷凝器3与蒸发集热组件2的输出端连通。

在本发明中，动力电池控温系统采用泵驱两相传热和控温技术手段，所述控温的工作模式有散热模式和补热模式两种控温。本发明的动力电池控温系统中循环工质有流体和蒸汽。

散热模式

在散热模式下，泵驱组件1经第二电动三通阀6的a端→c端连通，与蒸发集热组件2串联，再经第一电动三通阀5的a端→b端连通，与冷凝器3串联，实现循环回路闭合。循环工质(流体)在泵驱组件1驱动下，以液体状态，经液体管道7进入蒸发集热组件2，蒸发吸热后气化，以气液两相状态经蒸汽管道8进入冷凝器3，冷凝放热后液化，以液体状态回到泵驱组件1。在循环工质(流体)不断循环下，实现蒸发集热组件2热量向冷凝器3的传输排散。

补热模式

在补热模式下，泵驱组件1经第二电动三通阀6的a端→b端连通，与加热器4串联，再与蒸发集热组件2串联，经第一电动三通阀5的a端→c端连通，实现循环回路闭合。循环工质(蒸汽)，在泵驱组件1驱动下，以液体状态，进入加热器4，蒸发吸热后气化，以气液两相状态进入蒸发集热组件2，冷凝放热后液化，以液体状态回到泵驱组件1。在循环工质(蒸汽)持续循环，实现加热器4热量向蒸发集热组件2的传输补热。

在本发明中考虑阻力匹配，通常蒸汽管道8与液体管道7选用管径大小不同，蒸汽管道8管径大于液体管道7的管径，较优选取蒸汽管道8的管径为8mm，液体管道7的管径为6mm。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变化，均在发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权力要求书为准。

实施例1

为了应用于大容量、高功率密度的动力电池系统。动力电池系统包括有12个电池箱(即n×m＝4×3)，n表示动力电池单元的个数，m表示电池箱蒸发集热并联单元的个数。每个电池箱内安装有5个电池包，每个电池包由10个方壳三元锂电池组成。在设置的放电倍率下，单电池热耗为20w，总热耗为12kw。在35℃极端高温环境下，在无制冷手段前提下，采用传统散热手段，会因电池温度超标(高于55℃)而限功率输出，影响动力电池使用体验，同时电池间温差高达20℃，电池内部温差高达10℃，使用过程存在安全隐患，而采用本发明温控系统，电池温度不高于50℃，电池间温度不均性小于3℃，电池内部温度不均性小于2.5℃，保证动力电池系统长期安全可靠运行。