CN108172930B - 电池包冷却控制方法、装置和电池包 - Google Patents

电池包冷却控制方法、装置和电池包 Download PDF

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Abstract

一种电池包冷却控制方法、装置和电池包，电池包冷却控制方法包括：获取电池当前温度Tbat；确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P；根据电池冷却功率P确定冷却液流速Mc；根据电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度。该方法不仅考虑到电池当前温度的影响，还考虑到电池的发热功率和环境对电池的换热功率的影响，将反馈控制与前馈控制相结合，可以避免冷却控制滞后的缺陷，减少电池包温度波动，使电池包最大限度的保持温度稳定，实现了电池包的实时冷却控制。

Description

电池包冷却控制方法、装置和电池包
技术领域
本发明涉及电池包温度控制领域，具体涉及一种基于发热量和温度监测的前馈式电池包冷却控制方法。
背景技术
电池系统作为纯电动汽车的核心部件，是纯电动汽车惟一的动力来源，对电动汽车的工作性能起着决定性作用。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下行驶时，电池会以不同倍率放电，会以不同生热速率产生大量热量，若加上时间累积以及空间影响将聚集大量热量，从而导致电池包温度上升。电池包内温度上升会严重影响电池的电化学系统的运行、循环寿命和充电可接受性、电池包功率和能量、安全性和可靠性。
纯电动汽车通常将动力电池组和热泵空调作为一个整体来进行热管理，以达到既满足纯电动汽车电池组热管理的需求，又满足车内人体热舒适性的要求。通过选择合适的电动汽车空调系统，将电动汽车空调系统的运行工况和动力电池组的冷却需求综合起来考虑和解决，对提高纯电动汽车用性能，加快电动汽车产业发展意义重大。
现有技术通过反馈的方式对电池包进行冷却，即当温度上升至某值时，空调开始运行，对电池包进行冷却。这种冷却方案的缺点在于温度调节滞后，在一些恶劣工况下，如高温环境下、爬坡或高速行驶状况下，需要以降低乘员舱制冷功率的方式来满足电池包的冷却需求。例如，在夏季高温条件下，汽车进行高速行驶或通过一长坡时，电池包发热量增大，但是电池包的温度并不会立即发生大的变化，需累积一段时间后才会被检测到，现有的冷却方案需要等电池温度升高以后才能进行反馈控制，需要以降低乘员舱制冷功率的方式来满足电池包的冷却需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种电池包冷却控制方法、装置和相应的电池包，以克服现有的反馈控制方式的制冷不及时、需要以降低乘员舱制冷功率的方式来满足电池包的冷却需求的缺陷。
本发明一方面提出一种电池包冷却控制方法，包括：
获取电池当前温度Tbat；
确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据所述电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P；
根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc；
根据所述电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度。
优选地，根据以下公式(1)计算所述电池发热功率Pb：
Pb＝I2×R×N (1)
其中，I为通过单体电芯的电流，R为单体电芯的电阻，N为电芯数量。
优选地，所述电池包冷却控制方法还包括：
计算一段时间内所述电池发热功率Pb的平均值，作为所述电池发热功率Pb。
优选地，根据以下公式(2)计算所述电池降温功率Pt：
Pt＝(Tbat-Tbatdes)×Cb×Mb/t (2)
其中，Tbatdes为冷却的目标温度，t为期待冷却时间，Cb为电池的比热容，Mb为电池的质量。
优选地，根据以下公式(3)计算所述电池冷却功率P：
P＝Pb+Pc+Pt (3)。
优选地，所述根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc包括：
通过标定试验获取所述电池冷却功率P与所述冷却液流速Mc之间的关系曲线；
基于所述关系曲线，根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc。
优选地，根据以下公式(4)计算所述请求进口冷却液温度Tinletrequire：
Tinletrequire＝Toutlet-P/(Cc×Mc) (4)
其中，Toutlet为电池包的出口冷却液温度，Cc为冷却液比热容。
优选地，所述电池包冷却控制方法还包括：
基于电池当前温度Tbat确定电池包是否进入冷却模式，如果电池当前温度Tbat高于电芯的最高冷却温度Tcoolmax，则确定电池包进入冷却模式。
优选地，所述电池包冷却控制方法还包括：
比较电池包内部温差ΔT与控制允许值，如果电池包内部温差ΔT大于控制允许值，则提高所述冷却液流速Mc。
本发明另一方面提供一种电池包冷却控制装置，所述装置包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
获取电池当前温度Tbat；
确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据所述电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P；
根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc；
根据所述电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度。
优选地，根据以下公式(1)计算所述电池发热功率Pb：
Pb＝I2×R×N (1)
其中，I为通过单体电芯的电流，R为单体电芯的电阻，N为电芯数量。
优选地，所述处理器还执行以下步骤：
计算一段时间内所述电池发热功率Pb的平均值，作为所述电池发热功率Pb。
优选地，根据以下公式(2)计算所述电池降温功率Pt：
Pt＝(Tbat-Tbatdes)×Cb×Mb/t (2)
其中，Tbatdes为冷却的目标温度，t为期待冷却时间，Cb为电池的比热容，Mb为电池的质量。
优选地，根据以下公式(3)计算所述电池冷却功率P：
P＝Pb+Pc+Pt (3)。
优选地，所述根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc包括：
通过标定试验获取所述电池冷却功率P与所述冷却液流速Mc之间的关系曲线；
基于所述关系曲线，根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc。
优选地，根据以下公式(4)计算所述请求进口冷却液温度Tinletrequire：
Tinletrequire＝Toutlet-P/(Cc×Mc) (4)
其中，Toutlet为电池包的出口冷却液温度，Cc为冷却液比热容。
优选地，所述处理器还执行以下步骤：
基于电池当前温度Tbat确定电池包是否进入冷却模式，如果电池当前温度Tbat高于电芯的最高冷却温度Tcoolmax，则确定电池包进入冷却模式。
优选地，所述处理器还执行以下步骤：
比较电池包内部温差ΔT与控制允许值，如果电池包内部温差ΔT大于控制允许值，则提高所述冷却液流速Mc。
本发明再一方面提供一种电池包，包括所述的电池包冷却控制装置。
本发明的有益效果在于：在确定请求进口冷却液温度时，不仅考虑到电池当前温度的影响，还考虑到电池的发热功率和环境对电池的换热功率，将反馈控制与前馈控制相结合，可以避免冷却控制滞后的缺陷，减少电池包温度波动，使电池包最大限度的保持温度稳定，实现了电池包的实时冷却控制，同时也避免了反馈控制所引起的电池包冷却需求过大对乘员舱的影响，减少乘员舱的温度波动，提升乘员舱的舒适性。
本发明的装置和方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1显示根据本发明示例性实施例的电池包冷却控制方法的流程图。
图2显示根据本发明示例性实施例的电池包冷却控制方法的电池冷却功率与冷却液流速之间的关系曲线的一个示例。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
现有电动汽车的电池包主要包括电池包箱体、设于电池包箱体内的多个电芯和环绕多个电芯的冷却液回路，还包括相应的电池管理系统。冷却液回路设有进口和出口，低温冷却液通过进口进入冷却液回路，与温度较高的电芯进行热交换后升温，高温冷却液通过出口流出冷却液回路。低温冷却液一般由车载空调系统提供，进行热交换之后的高温冷却液回到车载空调系统进行降温。
图1显示根据本发明示例性实施例的电池包冷却控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：获取电池当前温度Tbat。
电池当前温度Tbat可通过现有的电池管理系统进行检测和采集，进而被获取。电池管理系统还可以检测并采集通过电池包的单体电芯的电流、电压等。
根据计算精度的需要，电池当前温度Tbat可以是电池包内的多个电芯的最高温度、最低温度或者平均温度，在本发明实施例中，以多个电芯的最高温度作为电池当前温度Tbat。
步骤2：基于电池当前温度Tbat确定电池包是否进入冷却模式，如果是，则继续到步骤3，否则结束。
电池包的电芯具有理想的冷却温度范围[Tcoolmin，Tcoolmax]，其中Tcoolmin表示电芯的最低冷却温度，Tcoolmax表示电芯的最高冷却温度，比较电池当前温度Tbat与最高冷却温度Tcoolmax，如果电池当前温度Tbat高于最高冷却温度Tcoolmax，则确定电池包进入冷却模式，并继续到步骤3，否则流程结束。
步骤3：确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P。
根据以下公式(1)计算电池发热功率Pb：
Pb＝I2×R×N (1)
其中，I为通过单体电芯的电流，R为单体电芯的电阻，N为电芯数量。现有电池包通常包括大量电芯，例如数千根电芯。
在优选情况下，计算一段时间内电池发热功率Pb的平均值，将其作为电池发热功率Pb，并代入公式(3)中进行后续计算。这是由于实际功率的波动可能很大，计算一段时间内电池发热功率Pb的平均值，将其作为电池发热功率Pb，并继续后续计算，可以减小温度需求的波动，大大降低对乘员舱的影响。具体地，可以通过积分方法计算一段时间内电池发热功率Pb的平均值。
环境对电池的换热功率Pc为标定值，可根据环境温度、风速等因素进行试验标定。例如，可以根据方法的应用环境，预先将特定初始温度的电池放置在与应用环境的温度、风速相接近的条件下，根据电池的降温速率计算该环境条件下的换热功率，并将计算得到的换热功率作为在该环境条件下的环境对电池的换热功率Pc的标定值。
根据以下公式(2)计算电池降温功率Pt：
Pt＝(Tbat-Tbatdes)×Cb×Mb/t (2)
其中，Tbat为电池当前温度，Tbatdes为冷却的目标温度，t为期待冷却时间，Cb为电池的比热容，Mb为电池的质量。冷却的目标温度Tbatdes应大于或等于最低冷却温度Tcoolmin，而且小于或等于最高冷却温度Tcoolmax。
根据以下公式(3)计算所需的电池冷却功率P：
P＝Pb+Pc+Pt (3)
步骤4：根据电池冷却功率P确定电池包的冷却液流速Mc；
在本发明实施例中，通过预先实施的标定试验确定电池冷却功率P与冷却液流速Mc之间的关系曲线，在应用本方法的过程中，基于该关系曲线确定特定的电池冷却功率P所对应的冷却液流速Mc。标定试验的主要过程如下：向电池输入特定的冷却功率，此时对应电池包的冷却液流速Mc的特定值，在该冷却液流速Mc下，能够将电池内部温差控制在理想范围内；逐个输入不同的冷却功率，获得一系列对应的冷却液流速Mc，从而可以绘制电池冷却功率P与冷却液流速Mc之间的关系曲线。关系曲线与电池自身结构设计等因素有关，针对不同型号和规格的电池包需要分别进行标定试验，获得相应的关系曲线。图2显示了关系曲线的一个示例，其中横坐标为冷却液流速，纵坐标为电池冷却功率。
步骤5：比较电池包内部温差ΔT与控制允许值，如果电池包内部温差ΔT小于或等于控制允许值，则可以继续到步骤6，否则，提高冷却液流速Mc。
电池包通常包括数千根电芯，电池内部温差ΔT是指各电芯之间的最大温度差。如果电池内部温差ΔT大于控制允许值，说明电池内部温度分布不均匀，则可以提高冷却液流速Mc，以改善电池内部温度分布状况。在实际应用中，可以通过提高电池包冷却系统的水泵转速提高冷却液流速Mc。控制允许值一般在5°至8°之间。
在实际应用中，步骤5是优选的，并非本方法的必须步骤。
步骤6：根据电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度。
基于电池冷却功率P和冷却液流速Mc，根据以下公式(4)计算电池包的请求进口冷却液温度Tinletrequire：
Tinletrequire＝Toutlet-P/(Cc×Mc) (4)
其中，Toutlet为电池包的出口冷却液温度，其可以通过温度传感器实时测量得到，Cc为冷却液比热容。
确定电池包的请求进口冷却液温度Toutlet之后，即可控制车载空调系统根据该请求进口冷却液温度向电池包提供冷却液。
根据本发明示例性实施例的电池包冷却控制方法在确定请求进口冷却液温度时，不仅考虑到电池当前温度的影响，还考虑到电池的发热功率和环境对电池的换热功率，将反馈控制与前馈控制相结合，可以避免冷却控制滞后的缺陷，减少电池包温度波动，使电池包最大限度的保持温度稳定，实现了电池包的实时冷却控制，同时也避免了反馈控制所引起的电池包冷却需求过大对乘员舱的影响，减少乘员舱的温度波动，提升乘员舱的舒适性。
例如，夏季行车时，如果车辆在短时间内爬坡，电池温度本身没有很大的提升，但是发热功率很大，如果等长时间的发热量累计导致电池温度升高之后再进行控制，则会比较滞后，既影响电池性能，又会影响乘员舱制冷。在本发明实施例中，基于电池当前温度和发热功率进行冷却控制，避免短时间内提出较大的冷却功率请求，可以避免乘员舱用能波动。而且本方法基于发热量提前进行电池包降温控制，可防止因电池包温度过高产生较大的制冷需求而造成车内人体热舒适性降低的情形发生，还可避免电池温度升高后，若整车进行大功率的充放电行为会导致短时间内电池温度升高，出现超过限值的现象。
根据本发明实施例的电池包冷却控制方法，夏季长时间行车过程中，电池的温度会一直控制在合适的较低温度下，如果出现长时间的大功率充放电行为，电池发热量会大大增加，此时电池会有较长的升温空间，能维持电池更长时间的正常工作。
本发明实施例还提供一种电池包冷却控制装置，所述装置包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
获取电池当前温度Tbat；
确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据所述电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P；
根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc；
根据所述电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度。
在一个示例中，根据以下公式(1)计算所述电池发热功率Pb：
Pb＝I2×R×N (1)
其中，I为通过单体电芯的电流，R为单体电芯的电阻，N为电芯数量。
在一个示例中，根据以下公式(2)计算所述电池降温功率Pt：
Pt＝(Tbat-Tbatdes)×Cb×Mb/t (2)
其中，Tbatdes为冷却的目标温度，t为期待冷却时间，Cb为电池的比热容，Mb为电池的质量。
在一个示例中，根据以下公式(3)计算所述电池冷却功率P：
P＝Pb+Pc+Pt (3)。
在一个示例中，根据以下公式(4)计算所述请求进口冷却液温度Tinletrequire：
Tinletrequire＝Toutlet-P/(Cc×Mc) (4)
其中，Toutlet为电池包的出口冷却液温度，Cc为冷却液比热容。
在一个示例中，所述处理器还执行以下步骤：
基于电池当前温度Tbat确定电池包是否进入冷却模式，如果电池当前温度Tbat高于电芯的最高冷却温度Tcoolmax，则确定电池包进入冷却模式。
在一个示例中，所述处理器还执行以下步骤：
比较电池包内部温差ΔT与控制允许值，如果电池包内部温差ΔT大于控制允许值，则提高所述冷却液流速Mc。
本发明实施例还提供一种电池包，包括所述的电池包冷却控制装置。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (13)

1.一种电池包冷却控制方法，包括：
获取电池当前温度Tbat；
确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据所述电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P；
根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc；
根据所述电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度；
根据以下公式(2)计算所述电池降温功率Pt：
Pt＝(Tbat-Tbatdes)×Cb×Mb/t (2)
其中，Tbatdes为冷却的目标温度，t为期待冷却时间，Cb为电池的比热容，Mb为电池的质量；
根据以下公式(1)计算所述电池发热功率Pb：
Pb＝I2×R×N (1)
其中，I为通过单体电芯的电流，R为单体电芯的电阻，N为电芯数量；
根据以下公式(3)计算所述电池冷却功率P：
P＝Pb+Pc+Pt (3)。
2.根据权利要求1所述的电池包冷却控制方法，还包括：
计算一段时间内所述电池发热功率Pb的平均值，作为所述电池发热功率Pb。
3.根据权利要求1所述的电池包冷却控制方法，其中，所述根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc包括：
通过标定试验获取所述电池冷却功率P与所述冷却液流速Mc之间的关系曲线；
基于所述关系曲线，根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc。
4.根据权利要求1所述的电池包冷却控制方法，其中，根据以下公式(4)计算所述请求进口冷却液温度Tinletrequire：
Tinletrequire＝Toutlet-P/(Cc×Mc) (4)
其中，Toutlet为电池包的出口冷却液温度，Cc为冷却液比热容。
5.根据权利要求1所述的电池包冷却控制方法，还包括：
基于电池当前温度Tbat确定电池包是否进入冷却模式，如果电池当前温度Tbat高于电芯的最高冷却温度Tcoolmax，则确定电池包进入冷却模式。
6.根据权利要求1所述的电池包冷却控制方法，还包括：
比较电池包内部温差ΔT与控制允许值，如果电池包内部温差ΔT大于控制允许值，则提高所述冷却液流速Mc。
7.一种电池包冷却控制装置，所述装置包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：
获取电池当前温度Tbat；
确定电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt，并根据所述电池发热功率Pb、环境对电池的换热功率Pc和电池降温功率Pt计算电池冷却功率P；
根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc；
根据所述电池冷却功率P和冷却液流速Mc计算电池包的请求进口冷却液温度；
根据以下公式(2)计算所述电池降温功率Pt：
Pt＝(Tbat-Tbatdes)×Cb×Mb/t (2)
其中，Tbatdes为冷却的目标温度，t为期待冷却时间，Cb为电池的比热容，Mb为电池的质量；
根据以下公式(1)计算所述电池发热功率Pb：
Pb＝I2×R×N (1)
其中，I为通过单体电芯的电流，R为单体电芯的电阻，N为电芯数量；
根据以下公式(3)计算所述电池冷却功率P：
P＝Pb+Pc+Pt (3)。
8.根据权利要求7所述的电池包冷却控制装置，所述处理器还执行以下步骤：
计算一段时间内所述电池发热功率Pb的平均值，作为所述电池发热功率Pb。
9.根据权利要求7所述的电池包冷却控制装置，其中，所述根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc包括：
通过标定试验获取所述电池冷却功率P与所述冷却液流速Mc之间的关系曲线；
基于所述关系曲线，根据所述电池冷却功率P确定冷却液流速Mc。
10.根据权利要求7所述的电池包冷却控制装置，其中，根据以下公式(4)计算所述请求进口冷却液温度Tinletrequire：
Tinletrequire＝Toutlet-P/(Cc×Mc) (4)
其中，Toutlet为电池包的出口冷却液温度，Cc为冷却液比热容。
11.根据权利要求7所述的电池包冷却控制装置，其中，所述处理器还执行以下步骤：
基于电池当前温度Tbat确定电池包是否进入冷却模式，如果电池当前温度Tbat高于电芯的最高冷却温度Tcoolmax，则确定电池包进入冷却模式。
12.根据权利要求7所述的电池包冷却控制装置，其中，所述处理器还执行以下步骤：
比较电池包内部温差ΔT与控制允许值，如果电池包内部温差ΔT大于控制允许值，则提高所述冷却液流速Mc。
13.一种电池包，包括根据权利要求7-12中任一项所述的电池包冷却控制装置。
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