一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统技术方案

为解决现有对航行器电池组进行热管理的方案无法保证电池间温度的均匀性、不具备经济性的技术问题，本发明专利技术提供了一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，针对航行器低、高速航行两种工作模式，分别采用被动冷却和主被动协同冷却的方式，匹配电池组的温控需求，有利于实现电池组的长航时供电。其中：主动冷却采用液冷系统实现，被动冷却采用高导热定型相变材料模块组件实现；在低速工况下，利用高导热定型相变材料模块组件将电池模组产生的热量以潜热的方式进行存储，防止电池模组温度快速上升；在高速工况下，采用主被动联合冷却，利用液冷系统将相变材料吸收的热量通过冷却剂与航行器壳体外的海水进行热交换，降低电池组的最高温度。池组的最高温度。池组的最高温度。

【技术实现步骤摘要】
一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统


[0001]本专利技术涉及一种与电池在结构上相结合的温度控制装置，尤其涉及一种水下航行器电池组热管理系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着电动力技术的快速发展，其在航行器领域的应用也不断扩大。电动力航行器相比于传统的热动力航行器具备噪声低、无航迹、不受背压影响、训练成本低等优势。
[0003]现阶段电动力航行器主要采用锂电池供电，随着航行器朝着高速、长航程和高机动性方向的发展，对电池比能量和比功率要求越来越高。目前限制航行器高速发展的瓶颈之一就是电池在大倍率放电工况下带来的电池组热管理难题。相比于电动车而言，水下航行器的电池舱是密闭空间而且电池组的放电倍率也相对更大，造成电池组的热量不能及时传递到外界，持续的大倍率放电导致热量在舱体内快速累积，严重威胁航行器的运行安全。
[0004]为了延长航行器电池组的使用寿命，保障航行器运行过程中的安全，需要对航行器电池组进行热管理。由于空间限制，电池组热管理系统尽可能结构紧凑，同时要具备快速的散热能力，故传统的风冷散热方案受到限制。因此，目前通常采用电池架上的导轨与电池仓壳体接触建立热桥的方式将航行器电池组的热量导出，但该方案存在以下不足：
[0005]1、航行器电池组与外界的热量交换依靠电池架热桥实现，散热能力有限，并且热桥附近的电池温度明显低于电池组中心温度，无法保证电池间温度的均匀度，长时间工作后，由于温度的不均匀性导致电池输出性能的不一致性更加突出。
[0006]2、航行器的工作模式通常是低速巡航高速打击，这两种工作模式对应不同的放电倍率，采用单一的冷却方案不利于实现电池组的长航时供电，不具备经济性。

技术实现思路

[0007]为了解决现有对航行器电池组进行热管理的方案无法保证电池间温度的均匀性、不具备经济性的技术问题，本专利技术提供了一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，包括电池舱壳体、设置在电池仓壳体内的导轨组件和电池架组件；
[0010]电池架组件通过导轨组件滑动支撑在电池舱段壳体内；
[0011]电池架组件包括多个沿电池仓壳体轴线平行设置的电池架；
[0012]其特殊之处在于：
[0013]还包括高导热定型相变材料模块组件、液冷系统和冷却模式切换单元；
[0014]高导热定型相变材料模块组件由多个相同结构、平行设置的高导热定型相变材料模块构成，每个高导热定型相变材料模块上均设有用于电池模组中各电池单体分别穿过的
通孔；
[0015]液冷系统包括液冷管道、泵、冷却剂回收舱和冷却剂；液冷管道包括多根直管道、用于将位于中心的直管道的一端与泵出口相连的冷却剂进口管道、用于将位于周边的一根直管道的一端与冷却剂回收舱入口相连的冷却剂出口管道，以及用于将剩余的直管道端口两两相连形成冷却剂回路的多根U型管道；泵的入口与冷却剂回收舱的出口相连；
[0016]直管道均匀穿插在高导热定型相变材料模块组件中，每根直管道的长度方向与电池模组轴线平行，实现液冷系统与高导热定型相变材料模块组件的相互嵌套；
[0017]对于每一根直管道，其距离它周围最近的所有电池单体的距离相等；
[0018]冷却模式切换单元包括电控装置和分别设置在各高导热定型相变材料模块的内部的多个温度传感器；电控装置根据所述温度传感器的监测信号控制所述泵的启闭，从而控制所述液冷系统的启闭，实现冷却模式的切换；
[0019]所述冷却模式包括仅利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却的模式，以及同时利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却和利用液冷系统进行主动冷却的主被动联合冷却模式；
[0020]所述电池舱壳体和/或导轨组件内部为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构。
[0021]进一步地，单个高导热定型相变材料模块的端面上加工有M
×
N个以矩阵形式排布的第一电池安装孔；M和N均为大于等于2的整数；
[0022]在按照2
×
2排布的、每相邻的四个的第一电池安装孔之间，均还设置有第一管道安装孔，该第一管道安装孔的中心到它周围的四个第一电池安装孔的中心距离相等；
[0023]每个第一管道安装孔内均安装有一根所述直管道；
[0024]电池架的端面上加工有数目和位置与所述第一电池安装孔和第一管道安装孔一一对应匹配的第二电池安装孔和第二管道安装孔。
[0025]进一步地，高导热定型相变材料模块由相变材料、高导热膨胀石墨粉、定型树脂材料、绝缘剂和阻燃剂以一定比例制备而成。
[0026]进一步地，冷却剂回收舱底部与电池舱段壳体内壁共用。
[0027]进一步地，第二电池安装孔为由大孔和小孔构成的阶梯孔。
[0028]进一步地，所述大孔的直径比单体电池的直径大1
‑
2mm，深度为2mm；小孔的直径比电池直径小5mm，深度为3mm。
[0029]进一步地，导轨组件和壳体均采用金属3D打印增材制造。
[0030]进一步地，冷却剂为水、油或纳米流体。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0032]1、本专利技术针对航行器低速航行和高速航行这两种工作模式，分别采用被动冷却和主被动协同冷却的方式，可以很好的匹配电池组的温控需求，有利于实现电池组的长航时供电。其中：主动冷却采用液冷系统实现，被动冷却采用高导热定型相变材料模块组件实现；在低速航行小倍率放电工况下，利用高导热定型相变材料模块组件将电池模组产生的热量以潜热的方式进行存储，防止电池模组温度快速上升；在高速航行大倍率放电工况下，采用主被动联合冷却方式，利用液冷系统将相变材料吸收的热量通过冷却剂与航行器壳体外的海水进行热交换，降低电池组的最高温度；由于液冷系统的每根直管道距离它周围最
近的所有电池单体的距离相等，对这些电池单体的导热贡献一样，因此能有效改善电池间温度的均匀性。
[0033]2、采用高导热定型相变材料进行被动冷却，可以有效解决电池组低速航行过程中的热量累积问题，而且不产生寄生能量损耗。
[0034]3、由于单体电池之间被相变材料填充，当单个电池发生热故障时，相变模块可以起到热失控阻隔的作用，防止单个电池热失控蔓延至整个电池组，有助于提升航行器的安全性。
[0035]4、液冷系统和相变冷却系统相互嵌套，提高了热管理系统结构设计的紧凑性。
[0036]5、电池舱壳体以及安装导轨内部为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构，在保证一定的承载强度条件下，实现了电池组系统的轻量化设计。
[0037]6、液冷系统紧贴舱体内壁，航速慢时，舱体周围海水流动性小，散热慢；航速快时，舱体周围海水流动性大，散热快，实现了自适应航速调整换热的效果。
附图说明
[0038]图1为本专利技术整体结构示意图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主被动协同冷却的水下航行器电池组热管理系统，包括电池舱壳体(1)、设置在电池仓壳体(1)内的导轨组件和电池架组件；电池架组件通过导轨组件滑动支撑在电池舱段壳体(1)内；电池架组件包括多个沿电池仓壳体(1)轴线平行设置的电池架(4)；其特征在于：还包括高导热定型相变材料模块组件、液冷系统和冷却模式切换单元；高导热定型相变材料模块组件由多个相同结构、平行设置的高导热定型相变材料模块(9)构成，每个高导热定型相变材料模块(9)上均设有用于电池模组中各电池单体分别穿过的通孔；液冷系统包括液冷管道、泵(6)、冷却剂回收舱(7)和冷却剂；液冷管道包括多根直管道(13)、用于将位于中心的直管道(13)的一端与泵(6)出口相连的冷却剂进口管道(5)、用于将位于周边的一根直管道(13)的一端与冷却剂回收舱(7)入口相连的冷却剂出口管道(14)，以及用于将剩余的直管道(13)端口两两相连形成冷却剂回路的多根U型管道(12)；泵(6)的入口与冷却剂回收舱(7)的出口相连；直管道(13)均匀穿插在高导热定型相变材料模块组件中，每根直管道(13)的长度方向与电池模组轴线平行，实现液冷系统与高导热定型相变材料模块组件的相互嵌套；对于每一根直管道(13)，其距离它周围最近的所有电池单体的距离相等；冷却模式切换单元包括电控装置(10)和分别设置在各高导热定型相变材料模块(9)的内部的多个温度传感器；电控装置(10)根据所述温度传感器的监测信号控制所述泵(6)的启闭，从而控制所述液冷系统的启闭，实现冷却模式的切换；所述冷却模式包括仅利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却的模式，以及同时利用高导热定型相变材料模块组件进行被动冷却和利用液冷系统进行主动冷却的主被动联合冷却模式；所述电池舱壳体(1)和/或导轨组件内部为多孔结构，多孔填充方式为金字塔型点阵结构(15)。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛昭勇，李波，田文龙，卢丞一，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：