用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统

1.本发明属于动力电池的技术领域，具体属于一种用于锂电池快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统。

背景技术：

2.近年来，为了缓解能源短缺和环境污染所带来的影响，以锂离子电池为主要动力源的新能源汽车受到了全球的广泛关注，全球汽车行业从传统燃油车逐渐向电动车转型。然而，相比于传统的燃油车，充电时间长以及里程焦虑等问题成为了限制电动汽车发展的首要瓶颈。目前，减少电动汽车充电时间通常采用提升电动汽车的充电速度，缩短充电所需时间。例如，nissan leaf的电池组采用50kw直流快充，不到30分钟便可以充入约80％的电量。为了进一步缩短充电时间，美国能源部(doe)计划在未来将电动汽车的充电时间限制在15分钟以内。

3.然而，锂电池对温度十分敏感，在温度较低的条件下进行快充是非常困难的，且低温充电会极大的增加锂电池的安全隐患。ouyang等人(low temperature aging mechanism identification and lithium deposition in a large format lithium iron phosphate battery for different charge profiles)探究了磷酸铁锂电池在低温下的快充效果，并观察到当环境温度较低时，电池的容量衰减非常显著，研究发现，造成电池容量衰减的主要因素是金属锂枝晶在负极的形成，于此同时，sei膜的生长也导致了可用循环锂的数量减少。由此可见，保持锂离子电池处于适宜的温度是实现锂电池快充的关键因素。jaguemont等人(fast-charging investigation on high-power and high-energy density pouch cells with 3d-thermal model development)研究了锂离子电池在快充条件下的热特性，研究表明提高充电温度是实现锂离子电池快充的一种有效方案，相比于室温环境，在高于室温的环境中进行快充可以显著提高电池的循环寿命。然而快充常伴随着大量的产热，这使得初始温度较高的锂离子电池更容易达到热失控触发温度。如果不加以控制，可能会导致电池破裂、着火甚至爆炸等一些列热失控行为。因此设计一套用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统是至关重要的。

4.目前传统的商用电池热管理系统通常使用风冷、液冷以及制冷剂直冷。其中风冷是以空气为换热介质，通过空气在电池组内的循环来吸收电池在充放电过程中所产生的热量，并最终将热量排放到外界环境。然而由于空气的导热系数以及比热容较小，当电池充放电倍率较高时，采用风冷难以满足电池热管理的要求。与风冷不同，液冷一般采用水、矿物油以及乙二醇等作为换热介质，相比于空气具有更高的导热系数和更大的比热容，因而液冷系统具有相对较高的冷却效率。然而，当电池组处于较高的充放电倍率时，电池产热较高，需要极大的提高液冷板内液体的流速。由于液冷系统零部件较多且结构复杂，液体流速的提高极易造成冷却液的泄露，极大的增加了电池包的安全隐患。不同于风冷和液冷，制冷剂直冷是采用制冷剂作为换热介质。制冷剂与电池间接接触，利用自身的相变潜热来吸收

电池在运行过程中所产生的热量，省略了冷却介质的二次换热过程，便于和整车空调系统进行集成。然而，制冷剂直冷对系统的气密性要求较高，与此同时，制冷剂直冷系统的散热均匀性较差，使得电池组内不同单体之间存在较大温差。在快速充电条件下，较大的温差会导致不同电池单体之间soc状态不一致，进而会造成过充以及过放等安全隐患。由此可见，目前常见的商用电池热管理方案很难有效的散出电池组在快充过程中所产生的热量。因此，在快充条件下的电池热管理系统应该比传统的电池热管理系统拥有更强的冷却能力。鉴于上诉传统商用电池热管理中所采用的散热方式存在种种不足，本发明提出了一种用于锂电池快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统。

技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题在于提供了一种用于锂电池快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统，可以在较高初始温度下有效的限制电池在快充过程中的温升，而且还可以将电池温度精确的控制在氟化液沸点附近，从而极大的提高了锂电池的快充效率以及在快充过程中的热安全性。

6.本发明的技术方案：

7.一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，包括：

8.电池箱体4，其内部底板上设置有带槽道结构的凸台7，用于支撑电池模组；其外部上盖板设置有突起的横梁5和连通孔6，用于支撑上方的储液槽12和连通；

9.电池模组，包括锂电池1、多孔介质2以及电加热膜3，其中多孔介质位于锂离子电池1与电加热膜3之间；电池模组安装于电池箱体4内底部的凸台7上，电池模组部分或全部的浸没在氟化液14中；

10.储液槽12，安装于电池箱体4上盖板的横梁5上，通过连通孔6、电磁泵9以及导液管8与电池箱体4相连，用于储存氟化液14；

11.冷却管，包括电池箱体冷却管10以及储液槽冷却管11；其中电池箱体冷却管10安装于电池箱体4上盖板与的电池模组之间，用于冷凝氟化液浸没式液冷过程中产生的氟化液蒸汽；储液槽冷却管11安装于储液槽内部，用于冷却储液槽12内部的氟化液14；

12.液位传感器13，竖直安装于电池箱体4内部，用于实时监测电池箱体4内部氟化液14的液位；

13.温度传感器，用于实时监测电池温度以及氟化液14的温度，其中氟化液温度包括电池箱体4内部氟化液的温度以及储液槽12内部氟化液的温度。

14.所述的多孔介质2与锂电池1以及电加热膜3紧密贴合，且该多孔介质2具有可压缩性，以便在行驶过程中缓冲电池间的应力以及便于与锂电池1以及电加热膜3紧密贴合，从而保证加热过程与散热过程中电池单体的均温性。

15.所述的连通孔6通过电磁阀15将储液槽12与电池箱体4相连，当电磁阀15开启时，储液槽12内的氟化液14在重力的作用下通过连通孔6进入到电池箱体4中。

16.所述的导液管8通过电磁泵9将储液槽12与电池箱体4相连，当电磁泵9开启时，电池箱体4内部的氟化液14在泵功的作用下通过导液管8进入到储液槽12中。

17.所述的多孔介质2具有绝缘特性，且与氟化液之间具有良好的相容性。

18.所述的电加热膜3具有双面加热的功能，同时间接加热两侧的锂电池1。

19.所述的锂电池1包括方形电池以及软包电池，其全部或部分浸没于氟化液14中；所述的氟化液14具有良好的介电特性以及阻燃特性且在常压下沸点为45℃～55℃。

20.所述的凸台7具有槽道结构，使其在支撑电池组的同时也能保证氟化液14的顺利流通。

21.一种用于锂电池快充的两相浸没式电池冷却系统，用于冷却上述用于锂电池快充的两相浸没式电池液冷装置，包括：冷却管、压缩机16、冷凝器17以及节流阀18，其中，冷却管入口通过电磁阀15与节流阀18出口相连，冷却管出口与压缩机16相连，压缩机16与冷凝器17相连；冷却管、压缩机16、冷凝器17、节流阀18以及电磁阀15依次通过管路连接成环。

22.本发明的有益效果：

23.1)具有双面加热的电加热膜夹在每两个电池之间，可显著提高电池的加热速度，从而大大缩短锂电池在快充前的预热时间。

24.2)利用氟化液的相变潜热来带走电池在快充过程中所产生的热量，散热效率高，不仅可以在较高初始温度下有效的限制电池在快充过程中的温升，而且还可以将电池温度精确的控制在氟化液沸点附近，从而极大的提高了锂电池在快充过程中的热安全性。

25.3)所采用的氟化液具有良好的阻燃特性，可以在极端工况(例如碰撞造成的电池挤压变形、过热以及外短路等)下有效的抑制电池的起火和爆炸等一些列热失控行为。

26.4)快充结束后，利用电磁泵将电池箱内的高温氟化液泵入到储液槽内，并向电池箱内注入常温液体，使得锂电池温度在快充结束后迅速降低至室温水平，抑制了后续放电(或储存)期间电池内部sei的生长，进而极大的提高了锂离子电池的循环寿命。

27.5)在常规放电阶段利用氟化液的显热来吸收电池所产生的热量，可以在很程度上降低常规放电阶段系统的冷却能耗，于此同时，由于氟化液不产生流动，因此箱体内不同电池单体之间具有优异的均温性。

28.6)储液槽内安装有储液槽冷却管，可以降低储液槽内氟化液的温度，进而在较高的环境温度下吸收锂电池在放电过程中所产生的热量。与此同时，当环境温度较低时，可以开启电加热膜，进而在短时间内实现锂电池的冷启动。可见，本发明所提出的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统可实现全气候条件下的电池热管理。

附图说明

29.图1为单电池结构示意图。

30.图2为电池模组结构示意图。

31.图3为电池模组的左视图。

32.图4为电池箱体结构示意图。

33.图5为电池箱体沿图4所示a-a面剖开后的结构示意图。

34.图6为用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置安装前示意图。

35.图7为用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置安装后示意图。

36.图8为一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池冷却系统示意图

37.图中：1锂电池；2多孔介质；3电加热膜；4电池箱体；5横梁；6连通孔；7凸台；8导液管；9电磁泵；10电池箱体冷却管；11储液槽冷却管；12储液槽；13液位传感器；14氟化液；15电磁阀；16压缩机；17冷凝器；18节流阀。

具体实施方式

38.以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

39.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权力要求的限制。

40.本发明公开了一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，包括：

41.电池箱体4，其内部底板上设置有带槽道结构的凸台7，用于支撑电池模组。其外部上盖板设置有突起的横梁5，用于支撑上方的储液槽12。

42.电池模组，包括锂离子电池1，多孔介质2以及电加热膜3，其中多孔介质位于锂离子电池1与电加热膜3之间。所述电池模组安装与电池箱内底部凸台7上，该电池模组部分或全部的浸没在氟化液14中。

43.储液槽12，安装于电池箱体4上盖板的横梁5上，通过连通孔6、电磁泵9以及导液管8与电池箱体4相连，用于储存氟化液14。

44.冷却管，包括电池箱体冷却管10以及储液槽冷却管11。其中电池箱体冷却管10安装于电池箱体4上盖板与所述的电池模组之间，用于冷凝氟化液浸没式液冷过程中产生的氟化液蒸汽。储液槽冷却管11安装于储液槽内部，用于冷却储液槽12内部的氟化液14。

45.液位传感器13，竖直安装于电池箱体4内部，用于实时监测电池箱体4内部氟化液14的液位。

46.温度传感器，用于实时监测电池温度以及氟化液14的温度，其中氟化液温度包括电池箱体4内部氟化液的温度以及储液槽12内部氟化液的温度。

47.如图1所示为单电池的结构示意图，在本示例中以刀片电池为例，对整个系统进行说明。所述的电池模组包括方形电池以及软包电池。在本实例中所采用的电池模组为1组25块软包电池模组，如图2所示。电池模组全部或部分的浸没于氟化液14中。

48.所述的氟化液14具有良好的介电特性以及阻燃特性且在常压下沸点为45℃～55℃。在本示例中使用的是fs-49氟化液，其沸点为49℃，具有良好的介电特性以及优良的阻燃性。与此同时，该液体具有极低的全球升温潜能值(gwp)以及零臭氧消耗潜能值(odp)，属于环境友好型液体。

49.所述的多孔介质2具有良好的绝缘特性，且与氟化液之间具有良好的相容性。与此同时，该多孔介质2具有可压缩性，可以与锂电池1以及电加热膜3紧密贴合，如图3所示。从而保证加热过程与散热过程中电池单体的均温性以及在行驶过程中缓冲电池间的应力。在本示例中采用的是高密度泡沫棉，该泡沫棉的厚度为2mm,在预紧力的压缩下呈0.5mm厚。该泡沫棉具有优良的毛细特性，可在锂电池超级快充过程中将氟化液源源不断的输运到电池表面，从而保障对电池表面进行充分的散热。

50.所述的电加热膜3具有双面加热的功能，可同时间接加热两侧的锂电池1。在本示例中使用的是石墨烯电加热膜，可以同时加热两侧的高密度泡沫棉，进而间接的加热锂离子电池。该石墨烯电加热膜厚度仅为0.4mm，在一定程度上提高了系统的能量密度。于此同时，本示例中所使用的石墨烯电加热膜具有优良的自限温特性，即使在温控器失灵的情况下，电加热膜本身也不会出现温度过高的现象。

51.如图4所示为电池箱体结构示意图，在本示例中所采用的电池箱体材料的为金属

铝，不仅可以保证箱体具有较强的结构强度，而且可以极大的减轻箱体的质量。如图5所示为电池箱体沿图4所示a-a面剖开后的结构示意图，所述的电池箱体内部底板上的凸台7具有槽道结构，使其在支撑电池组的同时也能保证氟化液14的顺利流通。在本示例中，该凸台高度为2mm，槽道的深度为2mm，宽度为20mm。

52.如图6所示为用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置安装前示意图。所述的连通孔6通过电磁阀15将储液槽12与电池箱体4相连，当电磁阀15开启时，储液槽12内的氟化液14在重力的作用下通过连通孔6进入到电池箱体4中；所述的导液管8通过电磁泵9将储液槽12与电池箱体4相连，当电磁泵9开启时，电池箱体4内部的氟化液14在泵功的作用下通过导液管8进入到储液槽12中。在本示例中，连通孔6以及导液管8采用pvc塑料软管，以防止与氟化液之间进行反应。

53.如图7所示为用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置安装后示意图。所述的储液槽12安装在箱体上盖板突起的横梁5上，整体结构非常紧凑。在本示例中，所述的冷却管(包括电池箱体冷却管10以及储液槽冷却管11)均采用金属铝材质。

54.如图8所示为一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池冷却系统示意图，所述的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池冷却系统包括：冷却管、压缩机16、冷凝器17以及节流阀18，其中，冷却管入口通过电磁阀15与所述节流阀18出口相连，冷却管出口与所述压缩机16相连；冷却管、压缩机16、冷凝器17、节流阀18以及电磁阀15依次通过管路连接成环。在本示例中，冷却系统内循环的工质采用r134a，其中r134a在冷却管中(电池箱体冷却管10或储液槽冷却管11)流动时，吸收管外氟化液14凝结过程中所放出的热量而汽化，汽化的r134a经过压缩机16压缩后在冷凝器17内液化，将热量传递给了外界环境。液化的r134a经过节流阀18后又回到了冷却管中内，完成r134a的循环。

55.当电池未进入工作状态时，氟化液14均储存于两个储液槽12内，电池箱体4内没有氟化液，进而在最大程度上降低了氟化液14与箱体内所有材料之间相容性的问题。

56.当电池进入工作状态时，在快充开始前，开启电磁阀ⅳ，使得其中一个储液槽12内的氟化液14在重力的作用下通过连通孔6进入到电池箱体4中，当氟化液达到相应的液位时，液位计13将信号传输给电池控制系统，进而关闭电磁阀ⅳ。此时电池进入快充前的预热阶段，利用电加热膜将电池温度升高至相应的设定温度，温度传感器将电池温度信号传递给电池控制系统，进而关闭电加热膜3。此时打开电磁阀ⅰ，使冷却工质进入电池箱体冷却管10内循环流动。随后电池进入快充阶段，在快充过程中氟化液14先后利用自身显热或潜热来吸收电池在快充过充中所产生的热量。沸腾产生的氟化液蒸汽在箱体冷却管10表面凝结，并将热量传递给箱体冷却管10内部的冷却工质。快充结束后，打开电磁泵ⅰ，将电池箱体4内温度较高的氟化液14通过导液管8泵入到最初的储液槽12内。此时关闭电池阀ⅰ，并打开电池阀

ⅴ

，使得另一个储液槽12内的常温氟化液14在重力的作用下通过连通孔6进入到电池箱体4中，氟化液14利用自身显热来冷却快充结束后的锂电池1，由于氟化液14与锂电池1直接接触，无任何接触热阻，因此在电池温度在极短的时间内便可以降低至室温水平，以便后续阶段的放电或储存。

57.然而当环境温度较高时(例如热带地区)，在快充结束后应立即开启电池阀ⅲ，使冷却工质进入储液槽冷却管11，进而降低储液槽12内氟化液14的温度。随后打开电池阀

ⅴ

，使得该储液槽12内的低温氟化液14在重力的作用下通过连通孔6进入到电池箱体4中，进而

利用显热来降低电池的温度，以便后续阶段的放电或储存。

58.综上所述，本发明公开了一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统。该装置采用电加热膜对锂电池进行快充前的预加热，随后利用氟化液的显热以及潜热来带走电池在快充过程中所产生的热量，不仅可以在较高初始温度下有效的限制电池在快充过程中的温升，而且还可以将电池温度精确的控制在氟化液沸点附近。快充结束后，利用电磁泵将电池箱内的高温氟化液泵入到储液槽内，并向电池箱内注入常温或低温液体，使得锂电池温度在快充结束后迅速降低至室温水平，抑制了后续放电(或储存)期间电池内部sei的生长，进而极大的提高了锂离子电池的循环寿命。

59.以上所述的具体示例，对本公开的技术方案以及有益效果进行了详尽的阐述，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体示例而已，并不限制本发明。图中各元件的尺寸和形状不反应真实大小和比例，而仅表示本示例的内容。凡是在本公开的原则和精神上，所做的任何修改、改进以及等同替换等，均在本公开的保护范围之内。技术特征：

1.一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，包括：电池箱体(4)，其内部底板上设置有带槽道结构的凸台(7)，用于支撑电池模组；其外部上盖板设置有突起的横梁(5)和连通孔(6)，用于支撑上方的储液槽(12)和连通；电池模组，包括锂电池(1)、多孔介质(2)以及电加热膜(3)，其中多孔介质位于锂离子电池(1)与电加热膜(3)之间；电池模组安装于电池箱体(4)内底部的凸台(7)上，电池模组部分或全部的浸没在氟化液(14)中；储液槽(12)，安装于电池箱体(4)上盖板的横梁(5)上，通过连通孔(6)、电磁泵(9)以及导液管(8)与电池箱体(4)相连，用于储存氟化液(14)；冷却管，包括电池箱体冷却管(10)以及储液槽冷却管(11)；其中电池箱体冷却管(10)安装于电池箱体(4)上盖板与的电池模组之间，用于冷凝氟化液浸没式液冷过程中产生的氟化液蒸汽；储液槽冷却管(11)安装于储液槽内部，用于冷却储液槽(12)内部的氟化液(14)；液位传感器(13)，竖直安装于电池箱体(4)内部，用于实时监测电池箱体(4)内部氟化液(14)的液位；温度传感器，用于实时监测电池温度以及氟化液(14)的温度，其中氟化液温度包括电池箱体(4)内部氟化液的温度以及储液槽(12)内部氟化液的温度。2.根据权利要求1所述的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，所述的多孔介质(2)与锂电池(1)以及电加热膜(3)紧密贴合，且该多孔介质(2)具有可压缩性，以便在行驶过程中缓冲电池间的应力以及便于与锂电池(1)以及电加热膜(3)紧密贴合，从而保证加热过程与散热过程中电池单体的均温性。3.根据权利要求1所述的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，所述的连通管(6)通过电磁阀(15)将储液槽(12)与电池箱体(4)相连，当电磁阀(15)开启时，储液槽(12)内的氟化液(14)在重力的作用下通过连通管(6)进入到电池箱体(4)中。4.根据权利要求1所述的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，所述的导液管(8)通过电磁泵(9)将储液槽(12)与电池箱体(4)相连，当电磁泵(9)开启时，电池箱体(4)内部的氟化液(14)在泵功的作用下通过导液管(8)进入到储液槽(12)中。5.根据权利要求1所述的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，所述的多孔介质(2)具有绝缘特性，且与氟化液之间具有良好的相容性。6.根据权利要求1所述的用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，所述的电加热膜(3)具有双面加热的功能，同时间接加热两侧的锂电池(1)。7.一种用于锂电池快充的两相浸没式电池冷却系统，用于冷却上述用于锂电池快充的两相浸没式电池液冷装置，其特征在于，所述的用于锂电池快充的两相浸没式电池冷却系统包括：冷却管、压缩机(16)、冷凝器(17)以及节流阀(18)，其中，冷却管入口通过电磁阀(15)与节流阀(18)出口相连，冷却管出口与压缩机(16)相连，压缩机(16)与冷凝器(17)相连；冷却管、压缩机(16)、冷凝器(17)、节流阀(18)以及电磁阀(15)依次通过管路连接成环。

技术总结

本发明属于动力电池的技术领域，提供了一种用于锂电池超级快充的两相浸没式电池液冷装置及其冷却系统。该装置采用电加热膜对锂电池进行快充前的预加热，随后利用氟化液的相变潜热来带走电池在快充过程中所产生的热量，不仅可以在较高初始温度下有效的限制电池在快充过程中的温升，而且还可以将电池温度精确的控制在氟化液沸点附近，从而极大的提高了锂电池在快充过程中的热安全性。快充结束后，利用电磁泵将电池箱内的高温氟化液泵入到储液槽内，并向电池箱内注入常温液体，使得锂电池温度在快充结束后迅速降低至室温水平，抑制了后续放电或储存期间电池内部SEI的生长，进而极大的提高了锂离子电池的循环寿命。大的提高了锂离子电池的循环寿命。大的提高了锂离子电池的循环寿命。

技术研发人员：白敏丽 李洋 宋永臣 李羽白

受保护的技术使用者：大连理工大学

技术研发日：2022.03.14

技术公布日：2022/6/28