一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统

1.本发明涉及水下机器人，具体涉及到一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统。


背景技术：

2.随着社会不断进步，科技不断创新，各学科各领域的科研方面也在不断创新，涉及到河流湖泊等的水下研究也越来越多，比如淡水水产养殖、水质相关的环境监测等。要使相关进展顺利，往往需要照明、探测等设备，因而如何实现水下电源供给成了问题。过去人们常用铅酸蓄电池，但铅酸蓄电池具有使用条件不稳定、寿命短、污染严重等问题，因而，目前水下设备的供电大都需要采用具有寿命长、容量大、能量密度高、运行稳定等优点的锂电池。锂电池发电有单个锂电池和多个锂电池并排串联等方案，单个锂电池作业，或存在供能不足的问题，工程实际多选用锂电池并排串联的设计。多个锂电池并排则存在电池之间的热量堆积无法及时散热等问题，同时，锂电池的发热效率和散热效果与环境温度、散热材料等因素有关。为了发挥电池的最佳性能并尽量延长电池寿命，必须让电池工作在适当的温度范围内，超出了这个范围，不但电池性能下降，电池寿命缩短，严重的还会造成安全事故。
3.当今散热方式存在许多问题，成本低廉的散热系统多为被动式空气散热系统，其依靠空气的流动为电池散热，在电池大功率运行或天气炎热等工况下不能达到相应的温度控制要求；主动空气散热系统散热效果较好，但其散热方式不能使电池保持较好的温度均匀性，长时间运行会缩短电池的寿命。
4.此外，磷酸铁锂电池虽然具有良好的安全性，但是出现热失控的情形偶有发生，磷酸铁锂电池出现热失控时一般不会爆炸但是会析出一些气体，如果没有及时检测到任随热失控电池继续失控，可能会影响其他电池的安全性。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，包括：
6.金属箱体外壳，在所述金属箱体外壳内设有若干金属隔板将所述金属箱体外壳内部区域分割为若干电池槽；
7.锂电池组，所述锂电池组由若干块分别插入所述电池槽中并通过导线依次串联连接的锂电池块组成，在每块所述锂电池块的正负极材料外表面以及侧壁表面均包覆有多层石墨膜；
8.液冷散热管道，所述液冷散热管道包含有分布于所述金属箱体外壳的侧壁以及所述金属隔板内的回形散热管，所述液冷散热管道的一端与所述金属箱体外壳一侧的冷却液入口相连，所述液冷散热管道的另一端与所述金属箱体外壳另一侧的冷却液出口相连；
9.换热系统，所述换热系统包含有换热器、循环水泵，所述换热器安装于水下装备的表面，所述循环水泵与冷却液入口、冷却液出口相连；
10.电池安全监测模块，所述电池安全监测模块包含有安装在各所述锂电池块表面的
温度传感贴片以及安装在各所述电池槽中的热失控气体传感检测模块，所述热失控气体传感检测模块用于监测电池热失控后析出的多组分气体；
11.主控系统，所述主控系统与所述换热系统和所述电池安全监测模块相连。
12.进一步的，所述锂电池块为磷酸铁锂电池或者聚合物锂电池。
13.进一步的，所述液冷散热管道内流通的冷媒包含有蒸馏水、防腐剂、抗菌剂、蚀刻剂、表面活性剂。
14.进一步的，所述金属箱体外壳的材质为铝合金，所述液冷散热管道的材质为铝合金管或者铜管。
15.进一步的，所述金属箱体外壳配置有翻转上盖，所述上盖的下表面设有若干块对应每个所述电池槽区域的柔性隔热保温层。
16.进一步的，所述金属箱体外壳为矩形壳体，在所述金属箱体外壳设有平行布置有若干纵向的所述金属隔板，所述金属隔板的前后两端与所述金属箱体外壳正反两面侧壁相连，
17.每块所述锂电池块与所述金属箱体外壳的正面壳体内壁之间留有间隙，在间隙中设有镂空防撞架，所述防撞架的两侧抵接在所述锂电池块与所述金属箱体外壳的正面壳体内壁之间，所述热失控气体传感检测模块安装在所述间隙底部。
18.进一步的，所述金属隔板内的回形散热管的两端分别与所述金属箱体外壳正反两面侧壁内的回形散热管相连通。
19.进一步的，金属箱体外壳采用模块化设计，内置有回形散热管的外壳侧壁以及各金属隔板与金属箱体外壳的底板采用螺钉连接形成所述金属箱体外壳；
20.金属箱体外壳的底板设有若干条隔板定位槽。
21.本发明的优势在于：
22.1)搭载液冷散热系统对水下机器人的电池组进行散热，能够保证水下工作锂电池在水下低温环境中保持锂电池工作温度稳定，避免对锂电池的寿命、工作效率产生影响；
23.2)在电池正负极以及侧面设有导热性能良好的多层石墨膜，有助于将电池热量传导到金属箱体外壳上，提高散热效果；
24.3)将换热器的散热芯体直接装载于水下装备的表面，在水下工作时直接电池热量直接与水进行换热，换热效果好；
25.4)搭载电池安全监测模块，不仅可以对电池温度进行检测，还可以检测一旦电池热失控时析出的气体，及时起到预警作用；
26.5)通过对电池温度进行检测，根据电池温度实时调节散热水泵的转速，在水下机器人的续航和电池散热寻求合理的平衡点。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统的壳体内
电池部分的示意图；
29.图2为将图1中外壳的前面板隐藏后的示意图；
30.图3为俯视角度下，金属箱体外壳内的冷却液流动方向示意图；
31.图4为设有电池槽中设于锂电池块与外壳前面板之间间隙的防撞架侧视图。
具体实施方式
32.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
33.为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
34.参照图1-2所示，本发明提供了一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，散热系统包含有金属箱体外壳6、液冷散热管道2、换热系统、电池安全监测模块和主控系统。
35.在金属箱体外壳6内设有若干金属隔板6-1将金属箱体外壳6内部区域分割为若干电池槽。在每个电池槽中均安装有锂电池块4，且各个电池槽中的锂电池块4通过导线依次串联连接，锂电池组可根据水下装备对于总电压以及容量的需求，一般可采用4-10块锂电池串联组成，在每块所述锂电池块4的正负极材料外表面以及侧壁表面均包覆有导热性能良好的多层石墨膜3。
36.在一可选的实施案例中，金属箱体外壳6采用模块化设计，内置有液冷散热管道2的外壳侧壁以及各金属隔板6-1与金属箱体外壳6的底板采用螺钉连接形成金属箱体外壳6；金属箱体外壳6的底板设有若干条隔板定位槽，便于快速定位金属隔板6-1。
37.在一可选的实施案例中，金属箱体外壳6配置有可翻转上盖10，在上盖10的下表面设有若干块对应每个电池槽区域的柔性保温片11，当上盖合上后，柔性保温片11可以压紧在各个电池块上，以消除电池块与上盖之间的间隙，有效避免电池出现晃动，同时避免热量传导到上盖。
38.由于本发明锂电池材料对于水下应用环境的需求，由于外界环境较密闭，为承载更高的产生热量，可使用耐高温锂电池，正极材料主要为磷酸铁锂等，工作峰值温度达350℃-500℃，应用更耐久，安全性更高。需要说明的是，选用磷酸铁锂仅为本发明的一个较佳实施案例中，在实际应用中，也可以选用其他类型电池，例如聚合物电池、燃料电池等、氢电池等。
39.液冷散热管道2设有位于金属箱体外壳6的侧壁5以及金属隔板6-1内的回形散热管，液冷散热管道2的一端与金属箱体外壳6一侧的冷却液入口1相连，液冷散热管道2的另一端与金属箱体外壳6另一侧的冷却液出口7相连。其中，金属隔板6-1内的回形散热管的两端分别与金属箱体外壳6正反两面侧壁内的回形散热管相连通。金属箱体外壳6的侧壁以及金属隔板6-1内的冷却液流向如图3所示，实现了对各电池块全方位的立体散热。
40.在一可选的实施案例中，金属箱体外壳6的材质为铝合金，液冷散热管道2的材质
为铝合金管或者铜管。
41.在一可选的实施案例中，液冷散热管道2内流通的冷媒包含有蒸馏水、防腐剂、抗菌剂、蚀刻剂、表面活性剂。蒸馏水是主要成分，负责将热量从散热器表面带走，防腐剂和抗菌剂则可以保护系统内部不被腐蚀和生长细菌，蚀刻剂可以防止水管内部结垢，表面活性剂则可以增加液体的表面张力，提高流动性和热传递效率。
42.换热系统换热器和循环水泵，换热器的正面与水体连接，背面设有换热管道，换热管道通过循环水泵与液冷散热管道2的冷却液入口1、冷却液出口7相连并构成回路，由循环水泵驱动回形散热管内的冷却液在金属箱体外壳6的侧壁以及金属隔板6-1内做迂回流动并不断输送到换热器芯体的换热管道，通过水进行换热带走锂电池块4的热量。
43.电池安全监测模块包含有安装在各锂电池表面的温度传感贴片9以及安装在各电池槽中的热失控气体传感检测模块8，热失控气体传感检测模块8用于监测电池热失控后析出的多组分气体。锂电池组正常工作温度为-40℃～85℃，工作湿度为5％～90％，一旦电池组工作温度超过正常温度(即出现热失控)，锂电池组将释放no2、nh3、ch3、h2等气体，高灵敏度的热失控气体传感检测模块8即可迅速检测到异常(检测精度可达10nmol/l)，实现快速响应并连接报警器进行报警警告，及时发现及时预警，避免局部电池长时间热失控影响整体电池组甚至高昂价值的水下机器人安全。
44.本发明的主控系统与换热系统和电池安全监测模块相连，主要用处在于：
45.1)根据温度传感贴片9检测到的电池温度来调节循环水泵的转速。水下机器人工作模式分为自主工作或者有缆工作，在自主工作模型下，完全依靠内部的电池模块为水下机器人的行进机构以及环境采样监测系统进行供电，电量消耗较快。为保证续航，电池温度在接受范围内时，循环水泵以较低的转速运行，以减少电量消耗。当水下机器人的大功率模块开始工作时，电池组输出需要更大的电压以驱动，这就导致了电池组的温度进一步上升，主控系统根据温度传感贴片9检测到的电池温度来调节循环水泵的转速，电池温度越高循环水泵的转速越高，以提高换热效率，及时将电池热量带走。
46.2)一旦热失控气体传感检测模块8检测到异常气体析出，主控系统接收到异常信息后，及时通过信息传输模块发送到水下机器人的远程控制端，提醒用户及时介入，避免造成更大损失。
47.在一可选的实施案例中，金属箱体外壳6为矩形壳体，以适应方块状的锂电池块4，提高空间利用效率。在金属箱体外壳6设有平行布置有若干纵向的金属隔板6-1，金属隔板6-1的前后两端与金属箱体外壳6正反两面侧壁相连，每块锂电池与金属箱体外壳6的正面壳体内壁之间留有间隙，该间隙作为电池热失控气体的释放缓冲区，由于热失控气体比空气密度较大，本技术将热失控气体传感检测模块8安装在间隙底部，从而提高测量精度。此外，为了避免锂电池产生晃动，在间隙中设有镂空防撞架12，如图4所示，防撞架12的两侧抵接在所述锂电池块与正面壳体内壁之间，在固定锂电池的同时，不影响失控气体在间隙中的扩散。
48.以上对本发明的较佳实施案例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的
等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，包括：金属箱体外壳(6)，在所述金属箱体外壳(6)内设有若干金属隔板(6-1)将所述金属箱体外壳(6)内部区域分割为若干电池槽；锂电池组，所述锂电池组由若干块分别插入所述电池槽中并通过导线依次串联连接的锂电池块(4)组成，在每块所述锂电池块(4)的正负极材料外表面以及侧壁表面均包覆有多层石墨膜(3)；液冷散热管道(2)，所述液冷散热管道(2)包含有分布于所述金属箱体外壳(6)的侧壁(5)以及所述金属隔板(6-1)内的回形散热管，所述液冷散热管道(2)的一端与所述金属箱体外壳(6)一侧的冷却液入口(1)相连，所述液冷散热管道(2)的另一端与所述金属箱体外壳(6)另一侧的冷却液出口(7)相连；换热系统，所述换热系统包含有换热器、循环水泵，所述换热器安装于水下装备的表面，所述循环水泵与冷却液入口(1)、冷却液出口(7)相连；电池安全监测模块，所述电池安全监测模块包含有安装在各所述锂电池块(4)表面的温度传感贴片(9)以及安装在各所述电池槽中的热失控气体传感检测模块(8)，所述热失控气体传感检测模块(8)用于监测电池热失控后析出的多组分气体；主控系统，所述主控系统与所述换热系统和所述电池安全监测模块相连。2.如权利要求1所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，所述锂电池块(4)为磷酸铁锂电池或者聚合物锂电池。3.如权利要求1所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，所述液冷散热管道(2)内流通的冷媒包含有蒸馏水、防腐剂、抗菌剂、蚀刻剂、表面活性剂。4.如权利要求1所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，所述金属箱体外壳(6)的材质为铝合金，所述液冷散热管道(2)的材质为铝合金管或者铜管。5.如权利要求1所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，所述金属箱体外壳(6)配置有翻转上盖(10)，所述上盖(10)的下表面设有若干块对应每个所述电池槽区域的柔性保温片(11)。6.如权利要求1所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，所述金属箱体外壳(6)为矩形壳体，在所述金属箱体外壳(6)设有平行布置有若干纵向的所述金属隔板(6-1)，所述金属隔板(6-1)的前后两端与所述金属箱体外壳(6)正反两面侧壁相连，每块所述锂电池块(4)与所述金属箱体外壳(6)的正面壳体内壁之间留有间隙，在间隙中设有镂空防撞架(12)，所述防撞架(12)的两侧抵接在所述锂电池块(4)与所述金属箱体外壳(6)的正面壳体内壁之间，所述热失控气体传感检测模块(8)安装在所述间隙底部。7.如权利要求6所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，所述金属隔板(6-1)内的回形散热管的两端分别与所述金属箱体外壳(6)正反两面侧壁内的回形散热管相连通。8.如权利要求7所述的一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，其特征在于，金属箱体外壳(6)采用模块化设计，内置有回形散热管的外壳侧壁以及各金属隔
板(6-1)与金属箱体外壳(6)的底板采用螺钉连接形成所述金属箱体外壳(6)；金属箱体外壳(6)的底板设有若干条隔板定位槽。

技术总结
本发明提供了一种基于液冷散热的石墨膜包覆水下装备锂电池散热系统，在金属箱体外壳内设有若干金属隔板以分割有若干电池槽，在各电池槽中设有锂电池块，在每块锂电池块的正负极材料以及两侧均包覆有多层石墨膜；液冷散热管道，液冷散热管道包含有分布于金属箱体外壳的侧壁以及金属隔板内的回形散热管，液冷散热管道通过循环水泵与换热器相连，换热器安装于水下装备的表面，在各锂电池表面安装有温度传感贴片，以及在各电池槽中安装有热失控气体传感检测模块，热失控气体传感检测模块用于监测电池热失控后析出的气体。本发明采用主动散热系统对水下装备的电池进行有效散热，同时可以监测电池温度以及异常析出的气体，及时预警保证水下装备的安全。证水下装备的安全。证水下装备的安全。


技术研发人员：申春赟 王世明 李根沛 付佳 章嘉豪
受保护的技术使用者：上海海洋大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/9/14