一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统
阅读说明：本技术 一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统 (Two-phase immersion type liquid cooling electric automobile cold start system based on eddy current heating ) 是由 刘轩羽 李羽白 李洋 高林松 吕学成 李玉龙 彭春阳 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于电动汽车应用技术领域,提供了一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统。利用电磁感应原理,使金属多孔介质内部产生涡流,利用涡流的热效应使金属多孔介质均匀升温,低温氟化液通过泵流经具有均匀温度场的多孔介质,保证出口处的氟化液温度均匀,被加热过后的氟化液导入方形电池组箱体中,实现方形电池组均匀升温。相比于传统的电动汽车冷启动系统具有以下的优点：利用具有高比热容的氟化液加热电池组,电池组升温均匀,避免电池组局部温差过大。避免过高的加热温度导致氟化液蒸发,加重冷凝系统的负荷。涡流加热有着较高的加热速度和效率。通过具有均匀温度场的金属多孔介质,实现对氟化液的均匀加热。(The invention belongs to the technical field of electric automobile application, and provides a two-phase immersed liquid-cooled electric automobile cold start system based on eddy heating. Utilize the electromagnetic induction principle, make the inside vortex that produces of metal porous medium, utilize the heat effect of vortex to make metal porous medium evenly heat up, the low temperature fluorination liquid passes through the porous medium that has even temperature field through the pump flow, guarantees that the fluorination liquid temperature in exit is even, and the fluorination liquid after being heated is in leading-in square battery group box, realizes square battery group and evenly heaies up. Compared with the traditional cold start system of the electric automobile, the cold start system has the following advantages: utilize the liquid of fluoridizing that has high specific heat capacity to heat the group battery, the group battery intensifies evenly, avoids the local difference in temperature of group battery too big. Avoid the too high heating temperature to lead to the fluorination liquid to evaporate, aggravate the load of condensing system. The eddy heating has higher heating speed and efficiency. The uniform heating of the fluorinated liquid is realized through the metal porous medium with a uniform temperature field.)
技术领域
本发明属于电动汽车应用技术领域，具体涉及一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统。
背景技术
随着电动汽车
技术领域
的快速发展，目前电动汽车应用于各种气候条件下，由于电动汽车内部的电池为锂电池，因此当电池组温度过低时，锂电池的放电深度会大大降低，同时还会影响电池的寿命。因此当电池组处于低温时，应当对电池组进行升温，待电池组升至适宜的温度时，在对车辆进行启动，因此设计一种高效、体积小的电池组冷启动系统是保证电动汽车在极端天气条件下保持高效工作的必要条件。目前电动汽车冷启动系统所采用的预热方式主要为：热泵加热、交流充放电预热、电加热等方式。例如冯国超等人在“电动汽车电池热管理与空调热泵联合系统及控制方法”专利中(专利号：202020407954.5)通过利用热泵实现对车辆乘客舱供暖与制冷，并实现对电池包的热管理，低温条件下利用热泵产生的热风实现对电池包的预热。极大的简化了电动汽车热管理装置，并且节能高效。
例如魏学哲等人在“一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机”专利中(专利号：201410010053.1)通过利用电控系统将电池组直流转化为高频交变电流，利用交变电流对电池进行充放电，进而从电池内部产生热量，提升了电池组温度的均匀性，并且极大的简化了冷启动系统的结构，提升了电池组的效率。
例如梁存在“电池包装置及电池包装置预热方法”专利中(专利号：201911235228.8)提出通过在电池电芯中布置有电加热片，通过温度传感器来监测电池的温度，从而控制加热开关，实现对电芯的预热。该装置结构简单可靠，可以快速的预热电池包。
目前浸没式液冷系统被应用于电动汽车电池组的冷却中，并且具有良好的效果，但是当外界环境温度较低时，电池和氟化液温度一致，目前已有的冷启动方式是通过增加电加热片，给电池的一端加热，通过热传导的方式实现对电池的加热，氟化液通过对流的方式实现升温。
对于传统的电动汽车冷启动系统而言存在一些不足，热泵加热不足在于，由于空气的比热容较低，因此无法快速的对电池组进行升温，并且还需要对空气进行净化，防止灰尘进入电池组。交流充放电预热需要复杂的电控设备，并且电池之间存在单体差异，因此控制较难。电加热不足在于，通过导热的方式实现对电池组进行升温，容易导致温度场不均，从而造成温差热应力过大，导致电池组使用寿命缩短。
对于传统的浸没式液冷冷启动系统，通过电加热片的方式实现对电池组以及氟化液的升温，这种方式存在着一些限制例如：由于氟化液沸点较低，因此电加热片加热温度应低于氟化液沸点，否则会加重冷凝设备的负担。利用电加热片加热电池的一端，通过导热将热量传递至整个电池组，因此电池组具有较大的温差，有较高的温差热应力。
鉴于上述几种电动汽车冷启动系统的不足，本发明提出了一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统，通过利用涡流在金属多孔介质中的热效应，在金属多孔介质上产生均匀的温度场，使氟化液通过孔隙率不同的多级金属多孔介质加热极，使氟化液逐级均匀升温，使出口处的氟化液具有均匀的温度场，流入箱体内部加热低温电池组，使电池组均匀升温，待电池组升至合适的工作温度时，单片机控制逆变器停止加热，冷启动过程结束。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供了一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统，利用涡流在金属多孔介质表面的热效应，在金属多孔介质上产生均匀的温度场，使氟化液通过孔隙率不一致的多级加热极，使出口处的氟化液具有均匀的温度场，流入箱体内，对电池组进行加热，由于氟化液有着较大的显热，可以使得电池组均匀的升温。利用涡流加热的方式对氟化液进行加热，加热效率可以达到95％，降低系统冷启动能量的损耗。降低了电池组的温度不均匀性，系统体积重量小，结构简单，有利于减少车辆内部空间的使用。
本发明的技术方案：
一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统，其特征在于，该基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统包括方形电池组模块、冷启动模块和蒸气压缩式制冷模块；
方形电池组模块包括方形电池1、氟化液2、箱体3、硅油油膜4和温度传感器5；箱体3中装有氟化液2，氟化液2表面上覆盖有一层硅油油膜4避免氟化液2的蒸发；多个方形电池1成间隔固定于箱体3底部，并且全部浸没在氟化液2中；方形电池1表面与氟化液2中布有温度传感器5，用于实时监控车辆在冷启动过程中方形电池1与氟化液2的温度，反馈给冷启动模块用于实时调整加热过程；
冷启动模块包括涡流线圈6、金属多孔介质7、隔热棉8、单片机9、逆变器10、泵11、电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅲ14、电磁阀Ⅳ15和储液罐16；单片机9根据温度传感器5的信息一方面控制逆变器10的开启与关闭，另一方面控制电磁阀的通断；电磁阀Ⅰ12位于储液罐16与蒸气压缩式制冷模块相连的管路上，电磁阀Ⅱ13位于箱体3与储液罐16相连的一分支管路上，电磁阀Ⅲ14位于箱体3与储液罐16相连的另一分支管路上，电磁阀Ⅳ15位于涡流加热装置与储液罐16相连的管路上；电磁阀Ⅲ14和电磁阀Ⅳ15汇合处的管路上连接有泵11；涡流线圈6、金属多孔介质7和隔热棉8组成涡流加热装置，涡流加热装置与箱体3相连通；涡流线圈6缠绕在金属多孔介质7外端，隔热棉8包裹在涡流线圈6外部；金属多孔介质7中含有多个微流道，用于将氟化液2分散成小液滴，从而使氟化液2被均匀加热；设置多个孔隙率不同的金属多孔介质7作为加热极，快速对氟化液2进行加热，避免温度过高导致氟化液2汽化；
方形电池1和氟化液2温度低于0℃时，冷启动模块开始工作；逆变器10将电动汽车的直流电转化成为高频交变电流，高频交变电流通入涡流线圈6中，在金属多孔介质7上产生涡流，涡流的热效应均匀加热金属多孔介质7；电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14关闭，电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15打开；泵11正常运行，阻断氟化液2流入蒸气压缩式制冷模块；连通箱体3与储液罐16中的氟化液2，通过保温管道和泵11形成一个循环；泵11正常运行给氟化液2提供动力流过具有均匀温度场的金属多孔介质7，使氟化液2均匀加热；加热后的氟化液2均匀加热方形电池组；当氟化液2与方形电池1的温度升至20℃时，单片机9控制逆变器10停止对氟化液2的加热；电磁阀Ⅱ13和电磁阀Ⅳ15关闭，电磁阀Ⅰ12和电磁阀Ⅲ14打开，电动汽车正常启动；
蒸气压缩式制冷模块包括电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅲ14、电磁阀Ⅳ15、储液罐16、风扇17、热端换热盘管18、冷端换热盘管19、膨胀阀20、热端换热器21和压缩机22；蒸气压缩式制冷模块一端通过管道与箱体3相连，相连处位于硅油油膜4上方；热端换热盘管18与冷端换热盘管19上下布置，二者之间布置风扇17；冷端换热盘管19、膨胀阀20、热端换热器21和压缩机22闭路相连，形成蒸气压缩式制冷循环；电动汽车正常工作时，电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15关闭，将电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14打开；泵11正常运行，阻断氟化液2流入冷启动模块；方形电池1产生的热量令氟化液2相变，氟化液蒸气通过管道进入蒸气压缩式制冷模块中的热端换热盘管18，热量通过风扇17的强迫对流传递给冷端换热盘管19中的低温制冷剂，通过蒸气压缩式循环将制冷剂中的热量传递给外界环境；冷凝后的氟化液2通过电磁阀Ⅰ12流进储液罐16中，储液罐16中的氟化液2通过泵11，经过电磁阀Ⅲ14流入箱体3内，对方形电池1进行浸没式液冷形成循环。
所述金属多孔介质7设有多级，每级金属多孔介质7孔隙率均不相同，沿流向方向孔隙率逐渐减小。目的在于降低金属多孔介质7对流体的阻力，使氟化液2温度实现逐级递增，经过最后一级即孔隙率最小的加热极，氟化液2温度达到设定温度，并且具有均匀温度场。
所述方形电池组箱体3与储液罐16相互连通，保证液面一致且补液及时。
所述所有管道均布有隔热棉8减低氟化液2在流动过程中热量的散失。
所述隔热棉8用来减少冷启动过程中系统对外的热量散失，提升加热效率，同时所有管道均布有隔热棉8减低氟化液2在流动过程中热量的散失。
本发明的有益效果：
1)通过利用涡流在金属多孔介质上的热效应对氟化液进行加热，金属多孔介质温度场均匀，高效快速的使氟化液均匀升温。
2)利用具有高比热容的氟化液对电池组进行升温，可以保证电池组温度均匀升高，避免了电池组温度场不均匀。
3)系统利用单片机控制电磁阀的通断实现系统的切换，减少了系统内部的运动部件，精简了系统结构，节省系统空间。
4)涡流加热方式具有较高的效率，其加热效率可达95％，节省冷启动能量损耗，提升电动汽车的续航里程。
5)具有较高的升温速度有利于电动汽车的快速冷启动。
6)可以利用单片机对电动汽车冷启动系统进行实时控制。
附图说明
图1为一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统示意图。
图中：1方形电池、2氟化液、3箱体、4硅油油膜、5温度传感器、6涡流线圈、7金属多孔介质、8隔热棉、9单片机、10逆变器、11泵、12电磁阀Ⅰ、13电磁阀Ⅱ、14电磁阀Ⅲ、15电磁阀Ⅳ、16储液罐、17风扇、18热端换热盘管、19冷端换热盘管、20膨胀阀、21热端换热器、22压缩机；
具体实施方式
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。
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，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明公开了一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统，其包括方形电池组模块、冷启动模块、蒸气压缩式制冷模块：
其中，方形电池组模块包括方形电池1、氟化液2、箱体3、硅油油膜4、温度传感器5；其中方形电池1固定于箱体3底部，并且全部浸没在氟化液2中。氟化液2表面上覆盖有一层硅油油膜4避免氟化液2的蒸发而加重蒸气压缩式制冷模块的负荷。在方形电池1与氟化液2中布有温度传感器5，用于实时监控车辆在冷启动过程中方形电池1与氟化液2的温度，反馈给冷启动模块用于实时调整加热过程。电动汽车正常工作时，产热初期阶段，氟化液2未达到沸点，氟化液2利用显热来吸收电池产生的热量。随着热量的不断聚集，氟化液温度2达到沸点时，氟化液2开始沸腾，利用潜热来吸收电池所产生的热量。产生的氟化液蒸气经过蒸气压缩式制冷模块液化，回流至电池组箱体内。
冷启动模块包括涡流线圈6、金属多孔介质7、隔热棉8、单片机9、逆变器10、泵11、电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅲ14、电磁阀Ⅳ15、储液罐16；在电动汽车启动前，温度传感器5监测到方形电池1和氟化液2温度低于0℃时，冷启动模块开始工作，将电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14关闭，电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15打开，泵11正常运行，阻断氟化液流入蒸气压缩式制冷模块，连通箱体3与储液罐16中的氟化液2，通过保温管道和泵11形成一个循环，使该循环中的氟化液2均能够经过具有均匀温度场的多级金属多孔介质7，使氟化液2被均匀加热，加热后的氟化液2均匀的加热方形电池组。逆变器10可以将电动汽车的直流电转化成为高频交变电流，高频交变电流通入涡流线圈6中，由于电磁感应定律，在金属多孔介质7上产生涡流，涡流的热效应均匀的加热金属多孔介质7。泵11正常运行给氟化液2提供动力流过具有均匀温度场的金属多孔介质7，由于多孔介质中有很多微流道，可以将氟化液2分散成小液滴，从而使流过多孔介质的氟化液2被均匀的加热，并设置了多个孔隙率不同的金属多孔介质7作为加热极，可以快速的对氟化液2进行加热，避免温度过高而导致的氟化液气化。温度传感器5对氟化液2与方形电池1的温度进行实时监控，温度升至20℃时，单片机9控制逆变器10停止对氟化液2的加热，将电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15关闭，将电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14打开，泵11正常运行，电动汽车正常启动。
蒸气压缩式制冷模块包括电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅲ14、电磁阀Ⅳ15、储液罐16、风扇17、热端换热盘管18、冷端换热盘管19、膨胀阀20、热端换热器21、压缩机22；电动汽车正常工作时，将电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15关闭，将电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14打开，泵11正常运行，阻断氟化液2流入冷启动模块。由方形电池组产生的热量使氟化液2相变，氟化液蒸气通过管道进入蒸气压缩式制冷模块，使用蒸气压缩式制冷模块对氟化液蒸气进行冷凝，氟化液蒸气进入热端换热盘管18，将热量通过风扇17的强迫对流传递给冷端换热盘管19中的低温制冷剂，通过蒸气压缩式循环将制冷剂中的热量传递给外界环境。冷凝后的氟化液2通过电磁阀Ⅰ12流进储液罐16中，储液罐16中的氟化液2通过泵11，经过电磁阀Ⅲ14流入箱体3内，对电池组进行浸没式液冷，并形成循环。
下面通过一个完整的实施方式对上述一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统进行详细说明。
如图1所示，当温度传感器5检测到方形电池1与氟化液2温度低于0℃时，单片机9控制电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14关闭，电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15开启，泵11正常运行，此时开启冷启动模块，切断蒸气压缩式制冷模块。单片机9控制逆变器10利用电动汽车内部的直流电转化为高频交变电流为涡流线圈供电，利用电磁感应原理，使多级孔隙率不一致的多孔介质中感应出涡流，并产生均匀的温度场。泵11为氟化液2提供动力，使得系统内的氟化液2进行循环，流动的氟化液2经过具有微小流道与均匀温度场的多孔介质后，被分散成小液滴，进而被多孔介质加热；沿氟化液2流向，各级金属多孔介质孔隙率不断减小，保证氟化液温度均匀的上升，并且降低多孔介质给流动带来的流动阻力。从金属多孔介质加热极流出的氟化液具有均匀的温度场，流入箱体内加热方形电池组，使电池组均匀的升温。
当温度传感器5检测到氟化液2以及方形电池组1温度升至启动的温度时，单片机9控制逆变器10关闭；冷启动过程结束，控制电磁阀Ⅱ13、电磁阀Ⅳ15关闭，电磁阀Ⅰ12、电磁阀Ⅲ14开启，泵11正常运行，启动电动汽车；蒸气压缩式制冷模块开始工作，将电动汽车运行过程中电池产生的热量由氟化液2的显热和潜热带走，形成的氟化液蒸气通过热端换热盘管18，通过风扇的强迫对流，将热量传递至冷端换热盘管19，冷端换热盘管19中的低温制冷剂吸收热量气化后通过压缩机22压缩形成高温高压制冷剂蒸气，高温高压制冷剂蒸气通过热端换热器21，将热量释放至环境中，液化形成常温制冷剂液体，经过膨胀阀20后变为低温制冷剂，流入至冷端换热盘管19，不断地吸收热端换热器21盘管所传递的热量，将热量排至外界环境中。冷凝后的氟化液2回流至储液罐16中，并通过正常工作的泵11将氟化液2输送至箱体3内，从而形成循环。
综上所述，本发明公开了一种基于涡流加热的两相浸没式液冷电动汽车冷启动系统，通过利用电磁感应原理，在金属多孔介质7内产生均匀的温度场，使低温的氟化液2流经多级多孔介质7，出口处的氟化液2具有均匀的温度场，流入箱体3内部加热方形电池组，使电池组均匀升温；待温度升至适宜温度时，冷启动模块停止运行，车辆启动，蒸气压缩式制冷模块开始运行。该冷启动系统可以实现快速冷启动，并且有着较高的加热效率，提升电动汽车的续航里程，降低电池组的温差热应力，延长了电池组的寿命。
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。
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