一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统

1.本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统、电池管理系统、电池管理方法。


背景技术：

2.动力电池是电动汽车的能量来源，其工作效率制约着电动汽车的行驶里程与行驶速度。动力电池对温度的敏感性很高，其在使用过程中会散发出大量的热量。这些热量如果不能被及时散发出去，极易引发电池热失控，从而使电池发生爆炸。因此在车辆运行过程中，需要确保动力电池处在合适的温度范围内。
3.目前，普遍采取液冷板包覆动力电池来对电池进行降温，利用液冷板中流动的冷却液吸收电池所产生的热量。同时，当电池温度过低时，现有技术采取用ptc加热器装置或加热冷却剂来提高电池的温度。
4.本发明申请人在实施上述技术方案中发现，上述技术方案至少存在以下缺陷：
5.现有技术中，冷却液在液冷板内的流动均匀性差，对电池表面降温的均匀性差；采取ptc加热器装置或加热冷却剂的方式，存在加热效率低，电池升温慢的问题。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的在于提供一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统，旨在解决现有技术中，冷却液在液冷板内的流动均匀性差，对电池表面降温的均匀性差；采取ptc加热器装置或加热冷却剂的方式，存在加热效率低，电池升温慢的问题。
7.本发明实施例是这样实现的，一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统，包括：
8.液冷顶板；
9.具有凹槽的液冷底板；所述液冷顶板与液冷底板之间形成用于流通冷却液的流动通道；流动通道的首尾两端分别连通有冷却液进口和冷却液出口；
10.石墨烯膜，设置在所述液冷顶板远离液冷底板的一侧；
11.其中，所述流动通道处设有用于使冷却液在流通过程中形成涡旋的打点凹槽。
12.优选的，所述流动通道包括主流道和若干与主流道连通的分支流道，所述打点凹槽包括直椭圆打点凹槽和斜椭圆打点凹槽，直椭圆打点凹槽设置在分支流道的进口处，斜椭圆打点凹槽设置在分支流道的中部。
13.本发明实施例的另一目的在于提供一种电池管理系统，包括：
14.上述中任意一项所述的冷却系统；所述冷却系统在工作时其石墨烯膜包覆在电池的外侧；
15.冷却液输送装置，用于向所述冷却系统内输送冷却液；
16.检测装置，用于检测电池的温度；
17.控制装置，用于接收电池的温度并控制石墨烯膜和冷却液输送装置工作。
18.进一步的方案，
19.所述检测装置包括：
20.第一温度传感器，其均匀布置在电池表面，用于检测电池表面各检测点的温度；
21.所述控制装置包括：
22.控制模块，用于在所述电池表面各检测点的温度不在预设温度范围时控制所述石墨烯膜或冷却液输送装置工作。
23.进一步的方案，
24.所述检测装置还包括：
25.第二温度传感器，其设置于冷却液进口处，用于检测冷却液的进口温度；
26.第三温度传感器，其设置于冷却液出口处，用以检测冷却液的出口温度；
27.所述控制装置还包括：
28.第一计算模块，用于根据所述电池表面各检测点的温度计算电池表面的平均温度；用于根据所述平均温度、进口温度和出口温度计算使电池保持在指定温度所需的冷却液的流量；
29.所述控制模块还能够根据所述流量控制所述冷却液输送装置的开度。
30.进一步的方案，
31.所述检测装置还包括：
32.第四温度传感器，其均匀设置于所述石墨烯膜上，用于检测石墨烯膜上各检测点的温度；
33.所述控制装置还包括：
34.第二计算模块，用于根据所述石墨烯膜上各检测点的温度计算石墨烯膜表面的平均温度；
35.所述控制模块还能够根据电池表面的平均温度和石墨烯膜表面的平均温度控制所述石墨烯膜的工作电压。
36.本发明实施例的另一目的在于提供一种电池管理方法，所述电池管理方法基于上述中任意一项所述的电池管理系统实施，所述电池管理方法包括以下步骤：
37.步骤一：检测电池表面各检测点的温度、以及冷却液的进口温度和出口温度；判断电池表面各检测点的温度的最小值是否低于第一预设温度，如果是，则执行步骤二，如果不是，则执行步骤三；
38.步骤二：石墨烯膜接通电源；当电池表面各检测点的温度的最小值达到第一预设温度时，石墨烯膜断电并返回执行步骤一；
39.步骤三：判断电池表面各检测点的温度的最大值是否高于第二预设温度，如果是，则执行步骤四，如果不是，则返回执行步骤一；
40.步骤四：向所述冷却系统内输送冷却液；当电池表面各检测点的温度的最大值达到第二预设温度时，冷却液输送装置停止向所述冷却系统内输送冷却液。
41.进一步的方案，在向所述冷却系统内输送冷却液的实施过程中，根据电池表面的平均温度、冷却液的进口温度和冷却液出口温度计算使电池保持在指定温度所需的冷却液的流量，根据所述流量控制冷却液输送装置的开度。
42.进一步的方案，在石墨烯膜接通电源的实施过程中，根据电池表面的平均温度和
石墨烯膜表面的平均温度控制所述石墨烯膜的工作电压。
43.本发明实施例提供的一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统，包括：液冷顶板；具有凹槽的液冷底板；所述液冷顶板与液冷底板之间形成用于流通冷却液的流动通道；流动通道的首尾两端分别连通有冷却液进口和冷却液出口；石墨烯膜，设置在所述液冷顶板远离液冷底板的一侧；其中，所述流动通道处设有用于使冷却液在流通过程中形成涡旋的打点凹槽。本发明利用打点凹槽增加冷却液在流动通道内的流动均匀性，进而提高冷却系统表面的温度均匀性，再加上包覆在电池表面的石墨烯膜具有优异的导热性，进一步促进电池表面的热量向冷却液的传导，从而对电池表面进行均匀的降温，提高电池表面的温度均匀性；此外，本实施例通过在液冷顶板远离液冷底板的一侧设置石墨烯膜，当电池表面温度过低时，利用石墨烯膜通电直接对电池进行加热，由于石墨烯膜加热效率高，能够发出均匀的热量，可以快速均匀地提高电池的温度，从而确保电池的工作环境处于合适的温度范围内，解决现有技术采用ptc加热器装置或加热冷却剂所存在的加热效率低、电池升温慢的问题。
附图说明
44.图1为本发明实施例提供的一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统的结构示意图；
45.图2为本发明实施例提供的一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统的结构示意图；
46.图3为本发明实施例提供的一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统的剖视图；
47.图4为本发明实施例提供的一种电池管理系统的结构示意图；
48.图5为本发明实施例提供的一种电池管理系统的结构示意图；
49.图6为本发明实施例提供的一种电池管理系统的步骤流程图；
50.图7为本发明实施例提供的一种电池管理系统的结构示意图；
51.图8为本发明实施例提供的一种电池管理系统的步骤流程图；
52.图9为本发明实施例提供的一种电池管理系统的结构示意图；
53.图10为本发明实施例提供的一种电池管理方法的步骤流程图；
54.图11为本发明实施例提供的冷却液的工作温度示意图。
55.附图中：11、液冷顶板；12、液冷底板；13、流动通道；14、冷却液进口；15、冷却液出口；16、直椭圆打点凹槽；17、斜椭圆打点凹槽；2、石墨烯膜。
具体实施方式
56.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
57.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
58.实施例1
59.结合附图1～3，在一个实施例中，提供了一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷
却系统，结合图示的内容，包括：
60.液冷顶板11；
61.具有凹槽的液冷底板12；所述液冷顶板11与液冷底板12之间形成用于流通冷却液的流动通道13；流动通道13的首尾两端分别连通有冷却液进口14和冷却液出口15；
62.石墨烯膜2，设置在所述液冷顶板11远离液冷底板12的一侧；
63.其中，所述流动通道13处设有用于使冷却液在流通过程中形成涡旋的打点凹槽。
64.在本实施例的一种情况中，液冷顶板11位于液冷底板12和石墨烯膜2之间，由于液冷底板12上具有凹槽，所以液冷顶板11和液冷底板12之间可以形成用于流通冷却液的流动通道13。
65.在本实施例的一种情况中，液冷顶板11和液冷底板12的材质可以是铜、铝、铜合金、铝合金等具有良好导热性的金属或金属合金。
66.在本实施例的一种情况中，可以采取吹胀或冲压等加工方式将上述金属原材制成液冷板板柸，此处所指的板柸仅包括液冷顶板11和液冷底板12，液冷底板12上加工出凹槽，使板柸内部形成空腔，即流动通道13，之后在液冷顶板11远离液冷底板12的一侧包覆石墨烯膜2。
67.在本实施例的一种情况中，冷却液可以采取为纯水、水与乙二醇的混合物等具有高比热容的溶液，也可以采取其他常见的冷却溶液。
68.在本实施例的一种情况中，冷却液进口14和冷却液出口15可以是流动通道13的首端和尾端，是流动通道13本身的一部分，也可以是在流动通道13的首端和尾端增接的管道，如附图2所示。
69.在本实施例的一种情况中，本实施例所提供的冷却系统(即液冷板)除用于车载电池外，也可以适用于其他如户外电池、家用电瓶等常见的用电领域。
70.在本实施例的一种情况中，冷却系统在使用时将其石墨烯膜2一面贴附在电池表面。当电池表面的温度过高时，通过冷却液进口14向冷却系统内不断的输入冷却液，冷却液在流动通道13内的流动过程中，当冷却液遇到打点凹槽时，冷却液撞击到打点凹槽上形成涡旋，通过涡旋的形成从而增加冷却液在流动通道13内的流动均匀性，进而提高冷却系统表面的温度均匀性，冷却液(乙二醇水溶液作为冷却液)的工作温度示意图如附图11所示；石墨烯膜2具有优异的导热性，能够促进电池表面的热量向冷却液的传导，使得冷却液能够通过石墨烯膜2均匀地吸收电池表面的热量，对电池表面进行均匀的降温，进而提高电池表面的温度均匀性。当电池表面的温度过低时，停止向流动通道13内通入冷却液，使石墨烯膜2通电，石墨烯膜2加热效率高，能够发出均匀的热量，利用石墨烯膜2能够快速均匀地提高电池的温度，确保电池的工作环境处于合适的温度范围内。
71.本实施例提供了一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统，相比于现有的冷却系统，本实施例在流动通道13处设置了能够使冷却液在流通过程中形成涡旋的打点凹槽，利用打点凹槽增加冷却液在流动通道13内的流动均匀性，进而提高冷却系统表面的温度均匀性，再加上包覆在电池表面的石墨烯膜2具有优异的导热性，进一步促进电池表面的热量向冷却液的传导，从而对电池表面进行均匀的降温，提高电池表面的温度均匀性；此外，本实施例通过在液冷顶板11远离液冷底板12的一侧设置石墨烯膜2，当电池表面温度过低时，利用石墨烯膜2通电直接对电池进行加热，由于石墨烯膜2加热效率高，能够发出均匀
的热量，可以快速均匀地提高电池的温度，从而确保电池的工作环境处于合适的温度范围内，解决现有技术采用ptc加热器装置或加热冷却剂所存在的加热效率低、电池升温慢的问题。
72.作为本发明的一种优选实施例，结合附图1，所述流动通道13包括主流道和若干与主流道连通的分支流道，所述打点凹槽包括直椭圆打点凹槽16和斜椭圆打点凹槽17，直椭圆打点凹槽16设置在分支流道的进口处，斜椭圆打点凹槽17设置在分支流道的中部。
73.在本实施例的一种情况中，冷却液通过冷却液进口14进入主流道后，由主流道进入到分支流道中。如附图1上述，直椭圆打点凹槽16主要分布在分支流道的进口处，斜椭圆打点凹槽17主要分布在分支流道的直线部位。冷却液进入到分支流道后，在直椭圆打点凹槽16和斜椭圆打点凹槽17的作用下，在冷却板的内部形成涡旋，从而增加冷却板表面的温度均匀性，提高对电池的降温效果。
74.在本实施例的一种情况中，直椭圆打点凹槽16和斜椭圆打点凹槽17的直径与打孔深度要适当，不能过大也不能过小，具体根据分支流道的尺寸而定，以保证冷却液在冷却板内能形成最佳状态的涡旋，最大程度地提高冷却板表面的温度均匀性。
75.本实施例提供了一种带有石墨烯涂层的整体式液冷板冷却系统，通过在分支流道的进口处分布直椭圆打点凹槽16，在分支流道的中部分布斜椭圆打点凹槽17，使得冷却液由主流道进入到分支流道后，在直椭圆打点凹槽16和斜椭圆打点凹槽17的作用下，在冷却板的内部形成涡旋，从而增加冷却板表面的温度均匀性，提高对电池的降温效果。
76.实施例2
77.结合附图4，在另一个实施例中，提供了一种电池管理系统，包括：
78.实施例1中任意一项所述的冷却系统；所述冷却系统在工作时其石墨烯膜包覆在电池的外侧；
79.冷却液输送装置，用于向所述冷却系统内输送冷却液；
80.检测装置，用于检测电池的温度；
81.控制装置，用于接收电池的温度并控制石墨烯膜和冷却液输送装置工作。
82.在本实施例的一种情况中，冷却液输送装置可以采取为水泵等常见的液体输送装置。
83.在本实施例的一种情况中，检测装置可以采取为温度传感器、温度检测仪、温度变送器模块等。
84.在本实施例的一种情况中，控制装置可以采取为工业控制器、电子计算机、或者安装有控制软件的其他控制设备。
85.在本实施例的一种情况中，电池管理系统运行时，检测装置实时检测电池的温度，控制装置判断电池的温度是否符合要求。如果电池的温度过高，则通过控制装置控制冷却液输送装置工作，通过冷却液输送装置向冷却系统内输送冷却液，从而降低电池的温度。在这个过程中，检测装置实时检测冷却液进出冷却系统的温度。如果电池的温度过低，则通过控制装置控制石墨烯膜工作，石墨烯膜通电对电池进行加热，从而提高电池的温度。利用上述措施，使电池的温度始终保持在合适的工作范围内，确保电池的使用性能。
86.本实施例提供了一种电池管理系统，通过利用检测装置实时检测电池的温度，在电池温度过高时，控制装置控制冷却液输送装置工作，向冷却系统内输送冷却液降低电池
的温度，在电池温度过低时，控制装置控制石墨烯膜工作，石墨烯膜对电池进行加热提高电池的温度，从而确保电池处在合适的温度区间内，保证电池的使用性能。
87.作为本发明的一种优选实施例，结合附图5，
88.所述检测装置包括：
89.第一温度传感器，其均匀布置在电池表面，用于检测电池表面各检测点的温度；
90.所述控制装置包括：
91.控制模块，用于在所述电池表面各检测点的温度不在预设温度范围时控制所述石墨烯膜或冷却液输送装置工作。
92.在本实施例的一种情况中，控制装置包括处理器和计算机可读介质，计算机可读存储介质内存储有控制指令，控制装置通过执行计算机可读存储介质中的控制指令来实现控制操作。
93.在本实施例的一种情况中，在控制模块内存储有预设温度范围，预设温度范围的两个端点是第一预设温度和第二预设温度，此处，以第一预设温度低于第二预设温度为准。如附图6所示，通过第一温度传感器实时检测电池表面各检测点的温度，控制模块判断电池表面各检测点的温度的最小值是否低于第一预设温度。当电池表面各检测点的温度的最小值低于第一预设温度时，控制模块控制石墨烯膜接通电源，通过石墨烯膜对电池进行加热；当电池表面各检测点的温度的最小值不低于第一预设温度、或者石墨烯膜加热电池使电池表面各检测点的温度的最小值大于等于第一预设温度时，控制模块判断电池表面各检测点的温度的最大值是否高于第二预设温度，以及控制通电的石墨烯膜断电。当电池表面各检测点的温度的最大值不高于第二预设温度时，说明电池处于合适的工作温度范围内；当电池表面各检测点的温度的最大值高于第二预设温度时，控制模块控制冷却液输送装置工作，通过冷却液输送装置向冷却系统内输送冷却液，从而降低电池的温度；在电池表面各检测点的温度的最大值下降至小于等于第二预设温度时，控制模块控制冷却液输送装置停止工作，冷却液输送装置停止向所述冷却系统内输送冷却液，电池处于合适的工作温度范围内。
94.在本实施例的一种情况中，控制模块内存储的预设温度范围是被测电池正常的工作温度区间、或者理想的工作温度区间等。
95.本实施例提供了一种电池管理系统，通过第一温度传感器检测电池表面各检测点的温度，通过控制模块判断电池表面各检测点的温度是否在预设温度范围内，当电池表面各检测点的温度的最小值低于预设温度范围时，控制模块控制石墨烯膜通电加热电池，当电池表面各检测点的温度的最大值高于预设温度范围时，控制模块控制冷却液输送装置工作向冷却系统内输送冷却液，从而使得电池的温度始终保持在预设温度范围内，确保电池的使用性能。
96.作为本发明的一种优选实施例，结合附图7，
97.所述检测装置还包括：
98.第二温度传感器，其设置于冷却液进口处，用于检测冷却液的进口温度；
99.第三温度传感器，其设置于冷却液出口处，用以检测冷却液的出口温度；
100.所述控制装置还包括：
101.第一计算模块，用于根据所述电池表面各检测点的温度计算电池表面的平均温
度；用于根据所述平均温度、进口温度和出口温度计算使电池保持在指定温度所需的冷却液的流量；
102.所述控制模块还能够根据所述流量控制所述冷却液输送装置的开度。
103.在本实施例的一种情况中，冷却液输送装置上或者冷却液输送装置与冷却板连通的管道上设有电磁阀。如附图8所示，当控制模块控制冷却液输送装置工作向冷却板输送冷却液时，通过第二温度传感器实时检测冷却液的进口温度，通过第三温度传感器实时检测冷却液的出口温度。第一计算模块接收第一温度传感器所检测电池表面各检测点的温度、以及第二温度传感器和第三温度传感器所检测的进口温度和出口温度，并根据电池表面各检测点的温度计算电池表面的平均温度，以及根据电池表面的平均温度、冷却液的进口温度和出口温度计算使电池保持在指定温度所需的冷却液的流量。控制模块根据第一计算模块计算出的流量，控制电磁阀的开度(也就是控制冷却液输送装置的开度)，使输送向冷却板的冷却液的流量与所计算出的流量一致，进而使电池保持在指定温度。
104.在本实施例的一种情况中，所述的指定温度是电池的理论最佳工作温度，或者预设温度范围内的任意温度值。
105.在本实施例的一种情况中，以理论最佳工作温度为例，假设理论最佳工作温度为tb。首先，根据电池表面各检测点的温度计算电池表面的平均温度t0：
106.其中，t1、t2、t3、......tn是电池表面各检测点的温度，n是检测点数目；
107.然后，根据电池的物性参数，计算出电池的温度由t0到tb所需要散发的热量q：
108.q＝cb·
m1·
(t
0-tb)，其中，cb是电池的比热容，m1是电池的质量；
109.最后，根据q、进口温度和出口温度计算使电池保持在tb所需的冷却液的流量mc：
110.其中，cc是冷却液比热容，t
out
是出口温度，t
in
是进口温度。
111.本实施例提供了一种电池管理系统，通过第二温度传感器检测冷却液的进口温度、第三温度传感器检测冷却液的出口温度，第一计算模块根据电池表面各检测点的温度计算电池表面的平均温度后，能够根据电池表面的平均温度、冷却液的进口温度和出口温度计算使电池保持在指定温度所需的冷却液的流量，进而使得控制模块能够根据所述流量控制冷却液输送装置的开度，使得电池保持在指定温度工作。
112.作为本发明的一种优选实施例，结合附图9，
113.所述检测装置还包括：
114.第四温度传感器，其均匀设置于所述石墨烯膜上，用于检测石墨烯膜上各检测点的温度；
115.所述控制装置还包括：
116.第二计算模块，用于根据所述石墨烯膜上各检测点的温度计算石墨烯膜表面的平均温度；
117.所述控制模块还能够根据电池表面的平均温度和石墨烯膜表面的平均温度控制所述石墨烯膜的工作电压。
118.在本实施例的一种情况中，当电池表面各检测点的温度的最小值低于第一预设温
度时，控制模块控制石墨烯膜接通电源，通过第四温度传感器检测石墨烯膜上各检测点的温度，第二计算模块根据石墨烯膜上各检测点的温度计算石墨烯膜表面的平均温度。根据事先测定的多组不同电压条件下石墨烯膜稳定后的平均温度，计算电池表面实时的平均温度与石墨烯膜通电后稳定状态下的平均温度的差值δt，若δt大于第一预设温差，则控制模块控制电源处于第一电压档位；当电池表面的平均温度每升高指定温度值时，控制模块控制电源的电压降低一个档位，直至电池表面各检测点的温度的最小值大于等于第一预设温度，石墨烯膜断电。
119.在本实施例的一种情况中，提供了事先测定的多组不同电压条件下石墨烯膜稳定后的平均温度的附表：
120.表1
121.石墨烯膜工作电压(v)石墨烯膜温度(℃)2021.33027.24034.75045.4
122.在本实施例的一种情况中，第一电压档位可以是电源的最高电压档位，或其他较高的电压档位；指定温度值可以是5摄氏度或其他设定的温度值。
123.本实施例提供了一种电池管理系统，通过第四温度传感器检测石墨烯膜上各检测点的温度，第二计算模块计算石墨烯膜表面的平均温度，结合电池表面的温度，进而逐渐降低石墨烯膜所连接电源的档位，以确保能量的合理利用。
124.实施例3
125.结合附图10，在另一个实施例中，提供了一种电池管理方法，所述电池管理方法基于实施例2中任意一项所述的电池管理系统实施，所述电池管理方法包括以下步骤：
126.步骤一：检测电池表面各检测点的温度、以及冷却液的进口温度和出口温度；判断电池表面各检测点的温度的最小值是否低于第一预设温度，如果是，则执行步骤二，如果不是，则执行步骤三；
127.步骤二：石墨烯膜接通电源；当电池表面各检测点的温度的最小值达到第一预设温度时，石墨烯膜断电并返回执行步骤一；
128.步骤三：判断电池表面各检测点的温度的最大值是否高于第二预设温度，如果是，则执行步骤四，如果不是，则返回执行步骤一；
129.步骤四：向所述冷却系统内输送冷却液；当电池表面各检测点的温度的最大值达到第二预设温度时，冷却液输送装置停止向所述冷却系统内输送冷却液。
130.在本实施例的一种情况中，在向所述冷却系统内输送冷却液的实施过程中，利用根据电池表面各检测点的温度计算电池表面的平均温度，以及实时检测冷却液的进口温度和出口温度，之后根据电池表面的平均温度、冷却液的进口温度和冷却液出口温度计算使电池保持在指定温度所需的冷却液的流量，根据计算出的流量控制冷却液输送装置的开度。
131.在本实施例的一种情况中，在石墨烯膜接通电源的实施过程中，首先根据事先测定的多组不同电压条件下石墨烯膜稳定后的平均温度，然后根据石墨烯膜上各检测点的温
度计算石墨烯膜表面的平均温度，之后计算电池表面实时的平均温度与石墨烯膜通电后稳定状态下的平均温度的差值δt，若δt大于第一预设温差，则控制模块控制电源处于第一电压档位；当电池表面的平均温度每升高指定温度值时，控制模块控制电源的电压降低一个档位，直至电池表面各检测点的温度的最小值大于等于第一预设温度，石墨烯膜断电。
132.本实施例提供了一种电池管理方法，通过检测电池表面各检测点的温度是否在第一预设温度和第二预设温度内，当低于第一预设温度时，表明电池表面温度过低，通过石墨烯膜通电来提高电池的温度，当高于第二预设温度时，表明电池表面温度过高，通过向冷却系统内输送冷却液来降低电池的温度。利用上述措施，使电池的温度始终保持在预设温度范围内，确保电池的使用性能。
133.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。