一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统的制作方法

1.本发明涉及电动车热管理系统领域，尤其是涉及一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统。


背景技术：

2.由于能源危机及环境成本越来越高，纯电动车的0排放越来越受到人们的重视，动力电池作为电动车的心脏，是新能源汽车的主要储存能量的装置。当前动力电池的研究在高安全的基础上将高功率、高容量作为其发展方向。目前，国内外所使用的动力电池主要多以锂离子电池包作为动力源，而且是由许多锂离子电池单体采用串、并联方式组成电池模组，电池组在工作时，电池内部电化学材料产生化学反应，将化学能转化为热量，由于电池组单体之间空间狭小，从而出现大量的热量累积。随着用户对电动车的续航里程及充电速度要求越来越高，电池的发热量越来越大，如果这部分热量不能进行及时传递到外界，会造成箱内模组温度场分布不均匀，致使电池模组以及组成模组的单体之间温差离散化加剧，从而影响电池单体的充放电性能、安全性以及循环寿命等，而电动汽车电池组的安全问题，是电动汽车得以推广和使用的关键，因此迫切需要更高效、更节能的电池热管理系统。
3.目前电池的主要分为两种冷却方式，冷媒直冷式热交换系统和冷却液二次回路热交换系统。其中直接式系统如专利号为“cn110112501a”的采用制冷剂直冷方式的电池热管理系统，包括蒸发器、动力电池、膨胀阀、压缩机和控制单元；蒸发器两侧涂有导热硅胶；蒸发器夹持在相邻的动力电池之间，并与动力电池紧密贴合；蒸发器上设置有制冷剂入口和制冷剂出口；所述蒸发器、动力电池设置于电池包箱体内，膨胀阀、压缩机和控制单元位于电池包箱体外部；动力电池上设置有温度传感器；温度传感器、压缩机均与控制单元电性连接。但是该气体直冷式的排气方式各部位的温度差异大，导致电池加热不均匀，影响电池寿命及充电安全；二次冷却液回路热交换系统如专利号为“cn109927509a”的用于车辆的整车热管理系统及具有其的车辆，包括：制冷剂循环系统和电池热管理循环系统以及辅助换热器，制冷剂循环系统和电池热管理循环系统通过气冷热交换器和蒸发热交换器相连，辅助换热器用于实现整车热管理系统在不同工作模式下的切换。但是该间接式换热系数低，影响电池的散热效率，从而影响超充性能。


技术实现要素：

4.本发明是为了克服现有直冷式换热系统接触面温度差异性较大、电芯加热温度不均匀、使用寿命短，而冷却液二次回路热交换系统热交换效率低的缺点，提供一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，能解决直热模式加热温度差异性大，二次冷却液回路换热效率低的弊端，在保持高换热效率的同时提高温度均匀性，延长电池的使用寿命。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，包括空调系统回路模块与二次冷媒回路模块，所述的二次冷媒回路模块包括用管路依次连接的：电池板；板式换热器，用以与空调系统回路模块相连接并进行热交换；冷
媒模块，包括冷媒进口、气态冷媒出口和液态冷媒出口，冷媒进口与板式换热器相连接；冷媒输送装置，用以将气态冷媒出口和液态冷媒出口中的冷媒运输至电池板形成回路。
6.本发明采用空调系统回路模块与二次冷媒回路模块的设计，其中空调系统回路模块与二次冷媒回路模块之间通过板式换热器相连并进行热交换，并且电池板、板式换热器、包括冷媒进口、气态冷媒出口和液态冷媒出口的冷媒模块、冷媒输送装置通过管路连接在一起构成了整体的二次冷媒回路模块。在电池板用以与电池包进行热交换，在电池需要加热时，空调系统回路模块通过板式换热器将二次冷媒回路中的冷媒进行加热后，气态的冷媒通过气态冷媒出口被冷媒输送装置带至电池板上，通过电池板与电池包进行热交换，以对电池包进行加热；在电池需要冷却时，液态冷媒以同样的方式被带动至电池板对电池包进行冷却，因此本发明同时具有换热效率高与温度均匀性好的优点，规避了直热模式加热温度差异性大、二次冷却液回路换热效率低的弊端。
7.作为优选，所述的空调系统回路模块包括用管路依次连接的：气液分离器，用以分离气态冷媒与液态冷媒；压缩机，用以将低压低温气态冷媒压缩为高压高温气态冷媒；四通阀模块，用以切换进入气液分离器的管路；空调模块，用以冷媒与室外空气的热交换；膨胀阀，用以节流降压；板式换热器。本发明采用的空调系统回路模块中，可以通过控制四通阀模块以切换进入气液分离器的管路，在需要对电池包进行加热时，整体的循环路径为低压低温气态冷媒经过气液分离器分离后，通过压缩机成为高压高压气态冷媒并在板式换热器对二次冷媒回路模块进行热交换，此后通过膨胀阀节流降压后形成低压液态冷媒，再经空调模块与外界进行热交换后进入气液分离器内形成循环；在需要对电池包进行冷却时，可以通过四通阀的控制，将气液分离器的进出管道进行改变，整体的循环路径改变为低压气态冷媒通过气液分离器后，通过压缩器成为高压气态冷媒并进入空调模块中与外界进行热交换，形成的高压液态冷媒经膨胀阀形成低压液态冷媒，通过板式换热器对二次冷媒回路模块进行热交换后形成低压气态冷媒并且进入气液分离器中形成循环。本发明中的空调系统回路模块通过四通阀模块的控制，实现了制冷与制热两种功能的快速切换，控制过程简单方便，并且与二次冷媒回路模块进行对应的控制，如不同冷媒出口的开合等，可以确保系统的高效换热。
8.作为优选，所述的二次冷媒回路模块中充注介质为制冷剂，所述的制冷剂为r290、r-410a、r1234yf、r134a、r1270、r600a、r32、r22中的一种或两种以上混合物。现有的二次回路液冷方案大多采用50%乙二醇作为充注介质，主要的作用过程为冷媒先通过制冷剂与乙二醇冷却液换热，然后冷却液再通过电池板与电芯进行热交换，但是由于乙二醇的换热系数远低于制冷剂换热系数，二次冷却液换热系统的换热系数较低，不利于电池超充的冷却和加热，从而导致电池的换热效率低。而本发明创造性地提出了在二次冷媒回路模块中采用制冷剂为充注介质的技术方案，摒弃了原先的乙二醇充注介质方案，其热换系数比冷却液更高效，电池加热时通过板式换热器吸收压缩机的温度差，在增大换热效率的同时，还具备二次回路的温度均匀特性。
9.作为优选，所述的制冷剂为r1234yf。r1234yf作为一种新型制冷剂，具有odp为0、对臭氧层无破坏性、泄露时相对co2的排放量低等环保优点。本发明结合应用场景，即对电动车电池包的热管理，进行综合评判与选择后，选择r1234yf为本发明较为适合的制冷剂。相比于其他制冷剂而言，在相同温度下，其饱和蒸汽压较小，在低蒸汽压下能够有效降低压
缩比和压力差，提高压缩机的工作效率，同时也降低了压缩机的排气温度和受力状况；在同样冷凝温度的情况下，使用r1234rf时压缩机的排气温度也相对较低，更为适合在电动车电池高温冷却时使用，在提供良好的降温效果同时，降低整体的出热量；r1234yf同时还具有与常见润滑油几乎都具有良好的互溶性、良好的材料兼容性（对制冷设备中所有常用金属材料不具有活性和腐蚀性）、毒性低等，尤其适合在本发明的二次冷媒直接换热热管理系统中作为充注介质使用。
10.作为优选，所述的空调模块包括室外换热器与风扇，所述的室外换热器的进出口分别与四通阀模块、膨胀阀通过管路连接；所述的四通阀模块还设在气液分离器与板式换热器之间，包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，用以控制四通阀管路内冷媒的流动方向。空调模块中室外换热器为整个循环系统中的组成部分之一，用以冷媒的流动与热交换，风扇的设置可以加快室外换热器中冷媒与外界的热交换效率，以此实现更加高效的外界换热。
11.四通阀模块还设在气液分离器与板式换热器之间，用以控制四通阀管路内冷媒的流动方向。四通阀在气液分离器的两端均有设置，以将气液分离器的进出口都能够通过四通阀来进行控制与调节，以更好地实现在不同的运转模式（制冷或制热）下，通过气液分离器后整体的循环方向进行改变，即可以控制气液分离器出来的冷媒通过压缩机后是进入板式换热器或是空调模块，从而实现不同模式的快速调节与切换，控制简单快捷，并且在不同模式下，通过板式换热器的冷媒状态是不同的，从而避免了单一模式换热时所具有的换热效率低或是温度不均匀的缺点。
12.四通阀分别为不同的四个阀门组成控制，其中两两对应开关，形成两组不同的开合方式，具体的，第一阀门与第三阀门开启时，第二阀门与第四阀门关闭；第一阀门与第三阀门关闭时，第二阀门与第四阀门开启，通过两两对应组合控制的方式，方便快捷地实现了对于不同管道通路的开关控制，从而实现进入气液分离器的冷媒的来源与循环方式，以控制整体的加热或是制冷的运行模式。
13.作为优选，所述的冷媒模块与冷媒输送装置之间还设有三通阀，所述的气态冷媒出口与液态冷媒出口分别通过三通阀上的不同阀门与冷媒输送装置相连。三通阀的设置可以更好地控制进入冷媒运输装置的冷媒状态，如在加热时，可以只打开气态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，关闭液态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，使得通过电池板上的冷媒为气态冷媒；在制冷状态时，可以只打开液态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，关闭气态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，使得通过电池板上的冷媒为液态冷媒，保证回路中电池板对电池包的换热效率与换热均匀性。
14.作为优选，所述的气态冷媒出口与冷媒输送装置之间设有第一冷媒输送阀，所述的液态冷媒出口与冷媒输送装置之间设有第二冷媒输送阀。冷媒模块与冷媒运输装置之间还可以通过设置两个冷媒输送阀，分别设置在液态冷媒出口与冷媒输送装置之间以及气态冷媒出口与冷媒输送装置之间，以精准地控制进入冷媒输送装置的冷媒为气态冷媒或是液态冷媒，同样实现整体回路的高换热效率与换热均匀性。
15.作为优选，所述的冷媒输送装置包括第一冷媒输送装置与第二冷媒输送装置，第一冷媒输送装置与液态冷媒出口通过管路连接，第二冷媒输送装置与气态冷媒出口通过管路连接。气态冷媒出口与液态冷媒出口后还可以分别接有不同的冷媒输送装置，通过控制
不同冷媒装置的运行与否，实现控制通过电池板上的为气态或是液态冷媒，保证电池板上的高换热效率与换热均匀性。
16.作为优选，所述的冷媒输送装置为泵。使用泵进行冷媒的输送，方便快捷并且效率高。其中泵的选择可以有多种，根据实际对于冷媒运送量以及工作环境进行调整。
17.作为优选，所述的气液分离器与压缩机之间设有第一温度压力检测装置，所述的压缩机与四通阀模块之间设有第二温度压力检测装置，所述的板式换热器与膨胀阀之间设有第三温度压力检测装置，所述的膨胀阀与空调模块之间设有第四温度压力检测装置。在本发明的空调系统回路模块中的不同部分还设置有多个温度压力检测装置，以监控整体的运转情况、不同位点的冷媒状态，保证系统整体运行安全稳定。在故障发生时，还可以通过四个温度压力检测装置上的数值快速地找到故障发生的器件位置，从而实现系统的快速维修，最大程度地保证整体系统稳定运行。
18.综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）在加热与冷却的不同工作模式下，进入电池板上冷媒分别为气态或是液态，避免单一冷媒形态在不同温度下的缺点，提高换热效率与温度均匀性；（2）通过四通阀进行空调系统回路模块的运行方式切换，方便快捷地控制通过板式换热器上的冷媒状态，进一步保证二次冷媒回路模块的换热效率与温度均匀性。
附图说明
19.图1是本发明实施例1的一种结构示意图。
20.图2是本发明实施例2的二次冷媒回路模块的结构示意图。
21.图3是本发明实施例3的二次冷媒回路模块的结构示意图。
22.图中：1、气液分离器2、压缩机31、第一阀门32、第二阀门33、第三阀门34、第四阀门4、板式换热器5、膨胀阀61、室外换热器62、风扇71、第一温度压力检测装置72、第二温度压力检测装置73、第三温度压力检测装置74、第四温度压力检测装置81、冷媒进口82、气态冷媒出口83、液态冷媒出口9、三通阀91、第一冷媒输送阀92、第二冷媒输送阀10、冷媒输送装置101、第一冷媒输送装置102、第二冷媒输送装置11、电池板。
具体实施方式
23.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
24.实施例1在如图1的实施例1中，一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，包括空调系统回路模块与二次冷媒回路模块，所述的二次冷媒回路模块包括用管路依次连接的：电池板11、板式换热器4、包括冷媒进口81、气态冷媒出口82和液态冷媒出口83的冷媒模块、三通阀9、冷媒输送装置10；空调系统回路模块包括用管路依次连接的气液分离器1、压缩机2、四通阀模块、空调模块、膨胀阀5、板式换热器4，其中四通阀模块还设在气液分离器1与板式换热器4之间，包括第一阀门31、第二阀门32、第三阀门33和第四阀门34；空调模块包括室外换热器61与风扇62，室外换热器的61进出口分别与四通阀模块、膨胀阀5通过管路连接。冷媒输送装置10为泵，使用泵进行冷媒的输送，方便快捷并且效率高，其中泵的选择可以有多种，根据实际对于冷媒运送量以及工作环境进行调整。
25.本发明采用空调系统回路模块与二次冷媒回路模块的设计，其中空调系统回路模
块与二次冷媒回路模块之间通过板式换热器相连并进行热交换，并且电池板、板式换热器、包括冷媒进口、气态冷媒出口和液态冷媒出口的冷媒模块、冷媒输送装置通过管路连接在一起构成了整体的二次冷媒回路模块。本发明在空调系统回路模块中，通过控制四通阀模块以切换进入气液分离器的管路，在需要对电池包进行加热时，通过打开第一阀门与第三阀门、关闭第二阀门与第四阀门，使得整体的循环路径为低压气态冷媒经过气液分离器分离后，通过压缩机成为高压气态冷媒并在板式换热器对二次冷媒回路模块进行热交换，此后通过膨胀阀形成低压液态冷媒，再经空调模块与外界进行热交换后进入气液分离器内形成循环；在需要对电池包进行冷却时，可以通过通过打开第二阀门与第四阀门、关闭第一阀门与第三阀门，将气液分离器的进出管道进行改变，整体的循环路径改变为低压气态冷媒通过气液分离器后，通过压缩器成为高压气态冷媒并进入空调模块中与外界进行热交换，形成的高压液态冷媒经膨胀阀形成低压也太冷媒，通过板式换热器对二次冷媒回路模块进行热交换后形成低压气态冷媒并且进入气液分离器中形成循环，控制过程简单方便，并且与二次冷媒回路模块进行对应的控制，如不同冷媒出口的开合等，可以确保系统的高效换热。
26.现有的二次回路液冷方案大多采用50%乙二醇作为充注介质，主要的作用过程为冷媒先通过制冷剂与乙二醇冷却液换热，然后冷却液再通过电池板与电芯进行热交换，但是由于乙二醇的换热系数远低于制冷剂换热系数，二次冷却液换热系统的换热系数较低，不利于电池超充的冷却和加热，从而导致电池的换热效率低。而本发明摒弃了原先的乙二醇充注介质方案，采用制冷剂为回路的充注介质，其热换系数比冷却液更为高效。在本实施例中所用的为r1234yf制冷剂，在电池板用以与电池包进行热交换，在电池需要加热时，空调系统回路模块通过板式换热器将二次冷媒回路中的制冷剂进行加热后，只打开气态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，关闭液态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，此时气态的制冷剂通过气态冷媒出口被冷媒输送装置带至电池板上，通过电池板与电池包进行热交换，以对电池包进行加热；在电池需要冷却时，二次冷媒回路模块中循环的制冷剂为液态冷媒，只打开液态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，关闭气态冷媒出口与冷媒运输装置的通路，使得通过电池板上的冷媒为液态冷媒，以同样的方式被带动至电池板对电池包进行冷却，因此本发明同时具有换热效率高与温度均匀性好的优点，规避了直热模式加热温度差异性大、二次冷却液回路换热效率低的弊端。
27.r1234yf作为一种新型制冷剂，还具有odp为0、对臭氧层无破坏性、泄露时相对co2的排放量低等环保优点。本发明结合应用场景，即对电动车电池包的热管理，进行综合评判与选择后，选择r1234yf为本发明较为适合的制冷剂。相比于其他制冷剂而言，在相同温度下，其饱和蒸汽压较小，在低蒸汽压下能够有效降低压缩比和压力差，提高压缩机的工作效率，同时也降低了压缩机的排气温度和受力状况；在同样冷凝温度的情况下，使用r1234rf时压缩机的排气温度也相对较低，更为适合在电动车电池高温冷却时使用，在提供良好的降温效果同时，降低整体的出热量；r1234yf同时还具有与常见润滑油几乎都具有良好的互溶性、良好的材料兼容性（对制冷设备中所有常用金属材料不具有活性和腐蚀性）、毒性低等，尤其适合在本发明的二次冷媒直接换热热管理系统中作为充注介质使用。
28.在本发明的空调系统回路模块中的不同部分还设置有多个温度压力检测装置，其中气液分离器与压缩机之间设有第一温度压力检测装置101，所述的压缩机与四通阀模块
之间设有第二温度压力检测装置102，所述的板式换热器与膨胀阀之间设有第三温度压力检测装置103，所述的膨胀阀与空调模块之间设有第四温度压力检测装置104，以监控整体的运转情况、不同位点的冷媒状态，保证系统整体运行安全稳定。在故障发生时，还可以通过四个温度压力检测装置上的数值快速地找到故障发生的器件位置，从而实现系统的快速维修，最大程度地保证整体系统稳定运行。
29.实施例2在如图2所示的实施例2中，除了未使用三通阀、回路中充注的介质为r134a与r32混合制冷剂外，其余部件与实施例1相同。其中气态冷媒出口与冷媒输送装置之间设有第一冷媒输送阀91，所述的液态冷媒出口与冷媒输送装置之间设有第二冷媒输送阀92。冷媒模块与冷媒运输装置之间还可以通过设置两个冷媒输送阀，分别设置在液态冷媒出口与冷媒输送装置之间以及气态冷媒出口与冷媒输送装置之间，以精准地控制进入冷媒输送装置的冷媒为气态冷媒或是液态冷媒，同样实现整体回路的高换热效率与换热均匀性。
30.实施例3在如图3所示的实施例3中，除了冷媒输送装置与三通阀外，其余部件与实施例1相同，回路中充注的介质为r22制冷剂。其中冷媒输送装置包括第一冷媒输送装置101与第二冷媒输送装置102，第一冷媒输送装置与液态冷媒出口通过管路连接，第二冷媒输送装置与气态冷媒出口通过管路连接。气态冷媒出口与液态冷媒出口后还可以分别接有不同的冷媒输送装置，通过控制不同冷媒装置的运行与否，实现控制通过电池板上的为气态或是液态冷媒，也可以保证电池板上的高换热效率与换热均匀性。

技术特征：
1.一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，包括空调系统回路模块与二次冷媒回路模块，其特征是，所述的二次冷媒回路模块包括用管路依次连接的：电池板；板式换热器，用以与空调系统回路模块相连接并进行热交换；冷媒模块，包括冷媒进口、气态冷媒出口和液态冷媒出口，冷媒进口与板式换热器相连接；冷媒输送装置，用以将气态冷媒出口和液态冷媒出口中的冷媒运输至电池板形成回路。2.根据权利要求1所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的空调系统回路模块包括用管路依次连接的：气液分离器，用以分离气态冷媒与液态冷媒；压缩机，用以将低压低温气态冷媒压缩为高压高温气态冷媒；四通阀模块，用以切换进入气液分离器的管路；空调模块，用以冷媒与室外空气的热交换；膨胀阀，用以节流降压；板式换热器。3.根据权利要求1所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的二次冷媒回路模块中充注介质为制冷剂，所述的制冷剂为r290、r-410a、r1234yf、r134a、r1270、r600a、r32、r22中的一种或两种以上混合物。4.根据权利要求3所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的制冷剂为r1234yf。5.根据权利要求2所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的空调模块包括室外换热器与风扇，所述的室外换热器的进出口分别与四通阀模块、膨胀阀通过管路连接；所述的四通阀模块还设在气液分离器与板式换热器之间，包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，用以控制四通阀管路内冷媒的流动方向。6.根据权利要求1所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的冷媒模块与冷媒输送装置之间还设有三通阀，所述的气态冷媒出口与液态冷媒出口分别通过三通阀上的不同阀门与冷媒输送装置相连。7.根据权利要求1所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的气态冷媒出口与冷媒输送装置之间设有第一冷媒输送阀，所述的液态冷媒出口与冷媒输送装置之间设有第二冷媒输送阀。8.根据权利要求1所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的冷媒输送装置包括第一冷媒输送装置与第二冷媒输送装置，第一冷媒输送装置与液态冷媒出口通过管路连接，第二冷媒输送装置与气态冷媒出口通过管路连接。9.根据权利要求6或7或8所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的冷媒输送装置为泵。10.根据权利要求1至5中任一所述的一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，其特征是，所述的气液分离器与压缩机之间设有第一温度压力检测装置，所述的压缩机与四通阀模块之间设有第二温度压力检测装置，所述的板式换热器与膨胀阀之间设有第三温度压
力检测装置，所述的膨胀阀与空调模块之间设有第四温度压力检测装置。

技术总结
本发明涉及电动车热管理系统领域，尤其是涉及一种电池包二次冷媒直接换热热管理系统，包括空调系统回路模块与二次冷媒回路模块，所述的二次冷媒回路模块包括用管路依次连接的：电池板、板式换热器、冷媒模块、冷媒输送装置。本发明在加热与冷却的不同工作模式下，进入电池板上冷媒分别为气态或是液态，避免单一冷媒形态在不同温度下的缺点，提高换热效率与温度均匀性；通过四通阀进行空调系统回路模块的运行方式切换，方便快捷地控制通过板式换热器上的冷媒状态，进一步保证二次冷媒回路模块的换热效率与温度均匀性。热效率与温度均匀性。热效率与温度均匀性。


技术研发人员：梁杰 张事业 黄帅 余志南 任金龙 苏荔
受保护的技术使用者：浙江零跑科技股份有限公司
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/5/25