一种带气分结构的电池冷媒直冷板

技术领域

本发明涉及一种用于电池散热的换热设备，尤其是涉及一种带气分结构的电池冷媒直冷板。

背景技术

“双碳”目标提出以来，我国大力发展可再生能源，电池储能作为可再生能源实现稳定电力供应的手段之一，受到越来越广泛的关注。在我国工业高速发展、工业生产和居民生活用电需求快速提高的背景下，电池储能技术向着高容量和紧凑化的方向发展，电池的热安全性成为电池储能现阶段的研究重点。电池充电和放电的过程中会产生大量热量，使得电池的温度迅速升高，高温环境会加快电池的衰减速率，降低电池的循环寿命，甚至造成热失控而引发安全事故；低温环境同样会对电池寿命造成影响且诱发安全风险。为了保证电池始终处于高效安全的运行状态，一般都会安装对电池进行温度控制的换热设备。

目前流行的电池散热方式包括风冷、液冷和相变材料冷却等新型冷却技术：风冷散热成本低廉且易于维护，但其散热能力较差，不适用于高功率的储能场景；液冷散热具有较好的冷却效果，但布局复杂、部件繁多；相变材料冷却等新型冷却技术各有优势，但成本高，技术实现难度大。冷媒直接冷却方式(以下简称直冷)以冷媒作为电池冷却介质，省略了冷却液的二次换热过程，其作为一次换热方式有较高的换热效率，可以通过系统设计同时满足电池冷却和加热的需求，更有利于实现电池热管理设备的紧凑集成化。

直冷利用冷媒的相变潜热实现更为高效的电池温度管理，电池需要冷却时，冷媒进入直冷板是气液两相状态，在进行冷媒分配时极易产生分配不均的问题，部分流路的液相冷媒流量较小并且过早蒸干，由于单相区的传热系数远小于两相区，造成直冷板的换热能力下降约25％，发生电池冷却不充分和冷却不均匀的问题。上述问题严重阻碍了直冷技术的发展和进一步推广，亟需研发一种带气分结构的电池冷媒直冷板来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带气分结构的电池冷媒直冷板，解决了当前电池直冷中存在的冷却不充分、冷却不均匀的问题，可以帮助直冷技术更好地应用于电池冷却。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种带气分结构的电池冷媒直冷板，所述电池冷媒直冷板同时接触式作用于多个电池，所述电池冷媒直冷板包括冷板，及设于冷板上的总冷媒进口和总冷媒出口，所述总冷媒进口和总冷媒出口与制冷热泵系统连接，所述冷板包括：

气分结构，包括两相冷媒进口、液相冷媒出口和气相冷媒出口，所述两相冷媒进口与总冷媒进口连接；

旁通流道，通过电磁阀与所述气相冷媒出口连接，经过气分结构分离出的中心气相流入旁通流道中，不参与电池换热过程；

冷媒流道，与所述液相冷媒出口连接，经过气分结构分离出的液膜流入冷媒流道中，沿冷媒流道与电池进行换热。

本发明通过将气分结构放置在直冷板中，在直冷板中便可以完成冷媒气液分离与电池冷却过程，改善直冷板的换热能力。在直冷板的气分结构中冷媒形成环状流，在环状流中，气相冷媒在管道中心处形成连续通道，液相冷媒均匀地覆盖在管道内壁面上，形成一层较薄的液膜，气液两相均关于冷媒管道的中轴线对称，从而实现冷媒气液两相分离。

进一步地，所述电池与冷板直接接触，电池与冷媒流道的冷媒进行换热，从而实现电池冷却和加热的目的。

进一步地，电池需要冷却时，总冷媒进口连接节流部件，总冷媒出口连接压缩机。电池需要加热时，总冷媒进口连接压缩机，总冷媒出口连接节流部件。

进一步地，所述气分结构为同心套管结构，以此利用冷媒环状流的特性，在冷媒环状流稳定形成处通过同心管壁实现气液两相冷媒分离，以液相冷媒为主的液膜流入外层管道中，以气相冷媒为主的中心气相流入截面积变小的内层管道中。

可选的，气分结构采用扁矩形通道，扁矩形通道具有结构紧凑和传热效率高等热工水力特性，是高性能紧凑式换热器的主要结构之一。

进一步地，所述气分结构中，同心套管的内管构成旁通流道，内管与外管之间的间隙构成冷媒流道。

进一步地，所述冷板还包括合流部件，所述合流部件设于所述冷媒流道和旁通流道的末端，所述冷媒流道和旁通流道内的冷媒通过合流部件实现汇合。

进一步地，所述合流部件与所述总冷媒出口连接，参与换热和未参与换热的冷媒混合后，依次通过合流部件和总冷媒出口，流出所述电池冷媒直冷板。

进一步地，所述两相冷媒进口与总冷媒进口通过管道连接，所述连接管道的长度和水力直径使得冷媒在流经气分结构的两相冷媒进口处之前形成环状流；

所述直冷板在任意安装角度下，冷媒均可形成环状流，所述连接管道的长度L和水力直径d满足：L≥20d，所述连接管道的水力直径d取形成竖直环状流的临界水力直径d

进一步地，所述电磁阀能够接收电池需要冷却或加热所对应的控制指令信号，并做出对应的开度调整控制动作。

进一步地，所述液相冷媒出口的数量为两个，且关于气相冷媒出口对称分布；

所述冷媒流道为蛇形结构，所述冷媒流道在整个冷板平面内迂回分布，冷媒沿蛇形结构冷媒流道流经冷板空间，与冷板充分换热后从冷媒出口流出；

所述旁通流道沿冷板的边缘设置。

进一步地，通过变化直冷板外部冷媒的流动情况，直冷板可以实现电池冷却和电池加热功能，直冷板分别扮演蒸发器与冷凝器的角色对电池进行冷却与加热，在不同的运行模式下，本发明的工作流程如下：

所述电池冷媒直冷板的电池冷却模式中：

所述总冷媒进口与制冷热泵系统中的节流部件连接，所述总冷媒出口与制冷热泵系统中的压缩机连接；

冷媒从节流部件流出后，经总冷媒进口流入直冷板中，在气分结构中，气液两相的冷媒实现气液分离，液相冷媒流入冷媒流道中与电池进行换热从而实现对电池的冷却，电磁阀处于打开状态，气相冷媒流入旁通流道后在合流部件处与冷媒流道中的冷媒汇合，从直冷板流出的冷媒依次流经压缩机、外部换热器后，将吸收的热量排出后，重新经过节流部件，完成循环。

所述电池冷媒直冷板的电池加热模式中：

所述总冷媒进口与制冷热泵系统中的压缩机连接，所述总冷媒出口连接制冷热泵系统中的节流部件；

冷媒从压缩机流出后，经总冷媒进口流入直冷板中；

电磁阀处于关闭状态，冷媒全部流入冷媒流道中与电池进行换热从而实现对电池的加热，经冷媒出口流出直冷板，从直冷板流出的冷媒依次流经节流部件、外部换热器后，将失去的热量吸收后，重新经过压缩机压缩，完成循环。

本发明提出一种带气分结构的电池冷媒直冷板，直冷板采用一体化设计，内部设置气分结构和冷媒流道。气分结构利用环状流的原理实现冷媒气液分离，冷媒流道中的冷媒通过相变过程实现与电池的换热。直冷板内部旁通流道上安装有电磁阀，通过控制电磁阀可以使直冷板兼具电池冷却和电池加热的功能。本发明不仅摆脱了传统直冷板冷却不充分、冷却不均匀的弊端，而且进一步提升了直冷板的功能性，拓宽了其使用范围。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1.本发明采用直冷方式对电池进行温度控制，通过冷媒相变实现冷媒和电池的热量交换，不涉及中间冷却液，相比于传统的风冷、液冷等电池温度控制方式效率更高；

2.本发明利用冷媒环状流对称性的特点，对两相状态的冷媒进行气液分离，攻克了直冷方式中冷媒分配不均的难题。在电池冷却工况中，使用液相冷媒对电池进行冷却，大大提高换热系数的同时实现了多回路冷媒的均匀分配，解决了传统直冷冷却不充分、冷却不均匀的问题；

3.本发明考虑了电池加热的需求，气分结构的气相冷媒出口与旁通流道通过电磁阀连接，电磁阀可接收电池需要冷却或加热的信号，通过调节电磁阀的开关可以实现旁通回路的开闭，增加了直冷板用于电池温度控制的灵活性；

4.本发明采用一体化设计，结构紧凑，布局简单，用于电池温度控制时无需繁琐的安装，易于实现和维护。。

附图说明

图1为一种带气分结构的电池冷媒直冷板应用示意图。

图2为一种带气分结构的电池冷媒直冷板结构及流道示意图。

图3为一种带气分结构的电池冷媒直冷板的气分结构(斜二侧视图)。

图4为一种带气分结构的电池冷媒直冷板的气分结构(A-A剖面图)。

图5为一种带气分结构的电池冷媒直冷板的气分结构(B-B剖面图)。

图6为一种带气分结构的电池冷媒直冷板用于电池冷却的原理图。

图7为一种带气分结构的电池冷媒直冷板用于电池加热的原理图。

图8为一种带气分结构的电池冷媒直冷板结构及流道示意图(T型管气分结构)。

图9为一种带气分结构的电池冷媒直冷板的T型管气分结构。

图中：1、直冷板，2、电池，3、冷板，4、总冷媒进口，5、总冷媒出口，6、气分结构，7、电磁阀，8、冷媒流道，9、旁通流道，10、两相冷媒进口，11、液相冷媒出口，12、气相冷媒出口，13、合流部件，14、压缩机，15、外部换热器，16、节流部件，17、T型管主管，18、T型管支管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本实施例中带气分结构的电池冷媒直冷板的主要换热结构直冷板1作用于电池2，直冷板1内部流动的冷媒通过相变换热实现对电池2的温度控制。在实施例中，直冷板1设计为长方体造型，直冷板1的造型是非限制的，可根据产品需要设计为任意形状。参见图1。

本实施例中带气分结构的电池冷媒直冷板主要结构包括冷板3，总冷媒进口4，总冷媒出口5。所述冷板3，主要结构包括气分结构6，电磁阀7，冷媒流道8，旁通流道9。在一种带气分结构的电池冷媒直冷板中，冷媒流道8和旁通流道9的结构和数量都是非限制的。参见图2。

所述气分结构6，主要结构包括两相冷媒进口10，液相冷媒出口11，气相冷媒出口12。在气分结构6中，液相冷媒出口11的数量是非限制的。

所述气分结构6的内部，其截面采用扁矩形，气分结构6与总冷媒进口4之间有足够的管道条件供冷媒形成环状流。具有较高传热系数的液相冷媒被分离至环状矩形管道中，从液相冷媒出口11流入冷媒流道8，较低传热系数的气相冷媒被分离至内层矩形管道，从气相冷媒出口12流入旁通流道9。气分结构6的整体示意图参见图3，气分结构6的剖面图参见图4和图5。

所述气分结构6的截面形状是非限制的，可根据直冷板的厚度要求设计为扁椭圆形等其他形状。

所述电磁阀7有打开和关闭两种状态。所述的电磁阀7处于打开的情况下，旁通流道9和气相冷媒出口12保持连通，冷媒可以通过旁通流道9流至合流部件13而不参与对电池2的温度控制。所述的电磁阀7处于关闭的情况下，旁通流道9和气相冷媒出口12不连通，此时没有冷媒经气相冷媒出口12流出气分结构6，旁通流道9中无冷媒流动，所有冷媒均参与对电池2的温度控制。

直冷板1可通过不同控制方式实现电池冷却模式和电池加热模式，通过切换与压缩机14、外部换热器15和节流部件16之间冷媒流路的连接方式实现。

所述直冷板1的电池冷却模式为，直冷板1吸收电池2的热量。节流部件16流出的气液两相冷媒从总冷媒进口4进入直冷板1中，经过一段管道后，在到达气分结构6的两相冷媒进口10前形成环状流。液相冷媒以液膜的状态分布在两相冷媒进口10的近壁面处，气相冷媒靠近两相冷媒进口10的中心分布。液相冷媒从液相冷媒出口11流出至冷媒流道8中，液相冷媒发生相变与电池2进行热交换，由于冷媒流道8中绝大部分是液相冷媒，电池2的冷却效果好、冷却均匀性高。电池冷却模式下，电磁阀7处于打开状态。气相冷媒从气相冷媒出口12流出，经电磁阀7进入旁通流道9中，旁通流道9中的气相冷媒不参与电池2的热交换。冷媒流道8和旁通流道9在直冷板1中的设置方式与电池2的布置方式有关，可根据需要进行设计。冷媒流道8和旁通流道9最终汇合于合流部件13。混合后的冷媒经合流部件13和总冷媒出口5流出直冷板1，然后流入压缩机14被压缩成为高温高压的气相冷媒，再流入外部换热器15释放在直冷板1中吸收的热量，最终经过节流部件16节流膨胀后，成为低温低压的气液两相冷媒，完成循环。参见图6。

所述直冷板1的电池加热模式为，直冷板1向电池2提供热量。压缩机14流出的气相冷媒从总冷媒进口4进入直冷板1中，由于此时冷媒是均匀的单相状态，因此可以忽略冷媒分配不均的问题。电池加热模式下，电磁阀7处于关闭状态，即该模式下冷媒流道8可流通，旁通流道9不可流通。全部的气相冷媒从液相冷媒出口11流出至冷媒流道8中，气相冷媒发生相变与电池2进行热交换，电池2的加热效果好、加热均匀性高。气相冷媒在直冷板1中液化成液相冷媒，经总冷媒出口5流出进入节流部件16进行节流膨胀，节流膨胀得到的低温低压气液两相冷媒再流入外部换热器15吸收在直冷板1中释放的热量，最终重新经压缩机压缩成为高温高压的气相冷媒，完成循环。参见图7。

实施例2

结合图8和图9所示，本实施例中带气分结构的电池冷媒直冷板，其和实施例1结构基本相同，唯一的区别在于：气分结构6采用T型管结构对两相冷媒进行有效分离，冷媒经两相冷媒进口10进入T型管中，T型管包括T型管主管17和T型管支管18，液相冷媒倾向于从T型管主管17流出，气相冷媒倾向于从T型管支管18流出，T型管主管17连接液相冷媒出口11，T型管支管18连接气相冷媒出口12。此实施例对两相冷媒流经至气分结构时的流型无特别要求，因此适用于两相冷媒流动状态难以预测和控制的电池温度控制。

所述T型管支管18的个数是不限制的，通过将多个T型管支管18组合在一起可以有效提高气液分离效果。

所述T型管主管17和T型管支管18之间的夹角大小是不限制的，可根据需求设计为其他角度。

所述气分结构6的截面形状是非限制的，可根据直冷板的厚度要求设计为扁矩形、扁椭圆形等其他形状。

和实施例1类似，直冷板1可通过不同控制方式实现电池冷却模式和电池加热模式，通过切换与压缩机14、外部换热器15和节流部件16之间冷媒流路的连接方式实现。

所述直冷板1的电池冷却模式为，直冷板1吸收电池2的热量。节流部件16流出的气液两相冷媒从总冷媒进口4进入直冷板1中。两相冷媒经过数个T型结构后基本实现气液分离，液相冷媒沿T型管主管17流动，从液相冷媒出口11流出至冷媒流道8中，液相冷媒发生相变与电池2进行热交换，由于冷媒流道8中绝大部分是液相冷媒，电池2的冷却效果好、冷却均匀性高。电池冷却模式下，电磁阀7处于打开状态。气相冷媒沿T型管支管18流动，从气相冷媒出口12流出，经电磁阀7进入旁通流道9中，旁通流道9中的气相冷媒不参与与电池2的热交换。冷媒流道8和旁通流道9在直冷板1中的设置方式与电池2的布置方式有关，可根据需要进行设计。冷媒流道8和旁通流道9最终汇合于合流部件13。混合后的冷媒经合流部件13和总冷媒出口5流出直冷板1，然后流入压缩机14被压缩成为高温高压的气相冷媒，再流入外部换热器15释放在直冷板1中吸收的热量，最终经过节流部件16节流膨胀后，成为低温低压的气液两相冷媒，完成循环。参见图6。

所述直冷板1的电池加热模式为，直冷板1向电池2提供热量。压缩机14流出的气相冷媒从总冷媒进口4进入直冷板1中，由于此时冷媒是均匀的单相状态，因此可以忽略冷媒分配不均的问题。电池加热模式下，电磁阀7处于关闭状态，即该模式下冷媒流道8可流通，旁通流道9不可流通。全部的气相冷媒沿T型管主管17流动，从液相冷媒出口11流出至冷媒流道8中，气相冷媒发生相变与电池2进行热交换，电池2的加热效果好、加热均匀性高。气相冷媒在直冷板1中液化成液相冷媒，经总冷媒出口5流出进入节流部件16进行节流膨胀，节流膨胀得到的低温低压气液两相冷媒再流入外部换热器15吸收在直冷板1中释放的热量，最终重新经压缩机压缩成为高温高压的气相冷媒，完成循环。参见图7。

上述实施例中未完整展示直冷板的所有部件，实施过程中，为了实现电池2有更好的温均性，在直冷板上可以添加高导热片作为冷板的肋强化对电池上方部分的传热。

在本发明的描述中，部分结构的名称是根据电池冷却模式进行命名的，例如“两相冷媒进口”、“液相冷媒出口”、“气相冷媒出口”等，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述命名的含义和冷媒的流动路径。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”、“布置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。