CN100504881C - 一种基于语义查询重写的柔性数据服务组合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆技术领域的动力锂电池组温度控制装置，其中：所述包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构包括锂动力电池电芯栅格和独立散热通道栅格，锂动力电池电芯栅格和独立散热通道栅格并排连接，散热介质的外部驱动及通道部分设置在车辆空调系统与栅架组装结构之间，且与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构散热通道的两端相连接，温度采集和控制系统中的温度采集部分位于栅架组装结构内，温度控制部分独立设置在栅架组装结构外部。本发明解决动力锂电池组在使用中的温度变化问题，提高锂电池组工作的安全性及循环使用寿命。

Description

动力锂电池组温度控制装置

技术领域

本发明涉及一种车辆技术领域的控制装置，具体地说，是一种动力锂电池组温度控制装置。

背景技术

锂电池(包括各种正极材料如钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等)由于其能量密度高、比功率大，循环寿命长，使得在各种便携式电子消费设备如笔记本电脑、移动电话、MP3等等方面的广泛应用。提高锂动力电池的安全性，目前主要都是均是从电池的内部材料性能来分析的，比如：1)在电解液中，使用溶点低、沸点高、分解电压高的有机溶剂，通过添加阻燃性添加剂使易燃有机电解液变成难燃或不可燃的电解液，但就目前研究结果看，添加剂的电化学不稳定性或其不利的理化性质，对电池性能也会造成一定的负面影响；2)从正极材料来说，正极材料的能量密度和功率密度的提高，也是引发锂离子动力电池安全隐患的主要原因。但对于锂动力电池组来说，对于大容量电池组的因温度而失效，有很大一部分原因是由于电池组单元间的热量堆积造成的。由于在长时间放电或大电流充放电过程中，电池内部(电池的等效内阻)会产生大量的热量。如果这种热量不能及时散发出去，就会在电池单元之间积累，从而影响电池电极材料和电解液的内部正常工作，进一步增大等效内阻等参数(超过正常范围)，从而进入一个恶性循环，造成锂电池的提前失效，缩短使用寿命，极端情况下甚至发生安全事故。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利5524681《Apparatus and methodfor draining and filling a battery cooling system》(一种抽排风电池冷却系统的原理和装置)中提出了应用风冷系统对电池单元组进行冷却的装置。该专利提出了采用排风和进风两种工作状态来将电池单元的热量散发，并由微控器进行通断控制来完成设定好工作时序。但对于电池组单元如何布置和电池单元间的独立的散热通道并无提及，且还不包括采用水冷的冷却方式。检索中还发现，Siddique A.Khateeb等在《Journal of Power Sources》(2005年142卷345-353)发表“Thermal management of Li-ion battery with phase changematerial for electric scooters：experimental validation”(《电源》“电动滑板车用锂电池组相变材料温度控制的实验验证”)，提出在电池单元间填充相变材料控制电池单元温度的方案，同时还描述了圆筒形电池单元组的通风散热情况，其方法是采用新型相变材料来吸收和释放电池单元的热量，保持整体电池单元的温度不变或变化范围较小。同时对于电池组的通风散热也有所提及，但方案中通风散热利用电池单元间的缝隙来流动，散热面积也不能保证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述不足，提供一种动力锂电池组温度控制装置，使其采用风冷和水冷两种散热方式来控制锂电池组使用过程中的温度，以提高锂电池组工作的安全性及循环使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下三个部分：包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构、散热介质的外部驱动及通道部分、温度采集和控制系统。所述包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构包括锂动力电池电芯栅格和独立散热通道栅格，锂动力电池电芯栅格和独立散热通道栅格并排连接，在空间上两种栅格相互间隔，散热通道在两端并联。散热介质的外部驱动及通道部分设置在车辆空调系统与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构之间，且与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构散热通道的两端相连接。温度采集和控制系统中的温度采集部分位于包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构内，温度控制部分独立设置在包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构外部。

所述栅格结构由金属或塑料板材制成，通过在板材上设置窗口和空洞，且窗口和空洞的面积应大于板材面积的60％，以便于电芯单元与散热介质能够充分接触。所述栅格，其高度不一致，但宽度和深度相同。若栅格高度低于单个电芯高度，则不安放铝塑薄膜动力电池电芯，只是作为独立散热通道栅格；若栅格高度大于或等于单个电芯高度，则安放铝塑薄膜动力电池电芯，作为锂动力电池电芯栅格。当铝塑薄膜动力电池电芯单元安装后，锂动力电池电芯栅格与散热栅格为均匀分布。

本发明中，散热通道在两端并联，其散热方式包括风冷和水冷两种方式。水冷方式栅格内不开窗口，并作防水密封。强制散热介质从散热通道流过，并主要基于传导散热，而非传统风冷的对流散热。对于冷却水介质的场合，将散热通道的四壁可以不打空洞，直接形成冷却水道。同时，散热通道也可以作为锂动力电池短路膨胀时的释放空间，杜绝锂电池电芯单元在非常情况下因能量无法释放而形成的剧烈燃烧和爆炸。

所述散热通道具体数量的多少和每个散热通道截面积的大小，应根据锂动力电池组电芯单元数量多少和每个动力电池电芯单元大小进行计算，但也要考虑总的电池组的体积和强制通风的冷却量来确定，每个最小电芯单元一般要有三个主要外表面与独立散热通道相接触，且最小电芯单元与其他电芯单元只能有一个面相接触，从而保证散热热阻的最小化。对于锂电池组电芯单元较小、或组数量较小的应用场合(如电动高尔夫车、电动自行车)，可以用绝缘支架仅在锂电电芯单元间保留一定空间，形成明显的独立散热通道即可。

散热介质的外部驱动及通道部分，分为风冷方式和水冷方式两种。

若采用风冷，包括冷却风引入口，冷却风管，冷却风连接膨胀管，送风风扇，排风风扇。连接方式：空调系统的冷却风引入口与冷却风管一端相连，另一端与冷却风连接膨胀管相连，送风风扇与膨胀管出口相对，送风风扇出口与独立散热通道相连，在散热通道另一侧连接排风风扇。汽车本身自有的空调系统，冷却介质(冷风或暖风)有空调系统的送风口处通过管道连接入电池组的冷却空气进入口，冷却风管，冷却风连接管，流入各个送风风扇，经风扇加压后进入独立散热通道，经然后经排风风扇排出。冷却介质通道不宜过长，各个小的散热通道部分应并联，使得电池电芯单元温度均匀。

若采用水冷，则相应为热交换器、冷却水出水管、水阀、水泵、回水管。热交换器的出水口与冷却水出水管一端相连，水阀安装于出水管道中间，出水管另一端与各个水泵的入口相连，水泵出口与独立散热通道一端相连，散热通道另一端和回水管一端相连，回水管另一端接热交换器的入水口。其工作方式如下：水经热交换器，出水管，水阀，经水泵加压，然后进入独立的散热通道，吸收热量后的水，经回水管流回冷却器的上端。进水口和出水口可在电池组的同一侧。冷却介质通道不宜过长，各个小的散热通道部分应并联，使得电池电芯单元温度均匀。

所述电池温度采集和控制系统包括各个温度传感器、温度控制和保护板、控制执行开关、串并联及外部控制接口和断路器。温度控制和保护板、控制执行开关、串并联及外部控制接口和断路器构成温度控制部分。温度传感器(即温度采集部分)位于锂动力电池电芯栅格内，且与电芯单元可靠接触。温度传感器的信号连接到各个温度控制和保护板，温度控制和保护板对采集到的温度变量进行处理，决定相应控制策略，并输出控制信号，如风机的开关和转速信号，水泵的转速信号等。控制执行信号再输出到控制执行开关。部分控制信号接入串并联及外部控制接口。最终各个控制信息经串并联及外部控制接口的对应接口与上位机连接，并控制断路器完成保护。

为了保证采样的充分性，温度控制和保护板可根据电池单元的多少而增加，并通过光电耦合来传递信息和控制散热风扇开关或水泵。

本发明的适用对象是由软壳铝塑薄膜的锂电芯动力电池组。锂动力电池组，是由一定数量的锂动力电池电芯单元组合构成。对于钢壳或塑封等硬壳电池，不仅表面积小，且电池外壳材料热阻较大，故总的热阻较大。由于本发明是基于电池表面作为传导散热的通路，对于表面积较小的圆柱形电池单元则不是很适合。电芯单元一般以软壳的铝塑薄膜的薄方形锂动力电池为好，因为由于其表面积较大，热阻较低，散热效果较好。太大的电芯单元容量往往导致电芯内部的温度较高，而太小的电芯有可能使得连接部分复杂化并降低可靠性，对于超过10AH的电芯单体(如100AH)，应尽量使电芯单元扁平化，同时散热通道的接触面积要大。较小的电芯单元，应保证足够的联接部分空间，避免联接部分出现因挤压而造成的虚焊、脱焊、以及短路等情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1)可以通过独立散热通道用强制风冷或水冷来控制锂电池工作时的温度，提高锂电池的工作可靠性，避免由于电池组局部温度过热，造成锂动力电池组的热失效，并延长电池的使用寿命。从实施例来看，可将由于热不平衡所造成的寿命缩短减少30％以上。2)可以随时监测锂电池的工作温度点，当锂电池处于故障性温度过高时，可以向上位机发送故障信号，从而切断电池与主电路通路，保护锂动力电池组的整体安全。3)温度控制与电池过充过放保护可以集合在一起，既提高锂动力电池组的集成度，又可降低动力锂电池组的成本。4)利用汽车本身具有的空调系统提供温度可控的冷却风，除可用于降低电池单元温度外，在电池单元温度较低的时候，可利用空调系统提供的暖风，来加热电池单元，提高电池可靠性。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为锂动力电池独立散热通道栅格结构示意图；

图3为动力锂电池电芯单元简化结构栅格示意图；

图4为水冷方式俯视示意图；

图5为风冷方式俯视示意图；

图6为电池温度采集和控制系统示意图(略去电芯单元)；

图中：包含独立散热通道构成的锂电池组电芯单元组栅架结构1、散热介质的外部驱动及通道2、温度采集和控制系统3、锂动力电池电芯栅格11，独立散热通道栅格12，电芯间支撑结构13、水热交换器20、回水管28、冷却水出水管29、水阀25、水泵27、冷却风引入口21、冷却风管22、冷却风连接管23、送风风扇24、排风风扇26、温度传感器31、温度控制和保护板32、控制执行开关33、串并联及外部控制接口34、断路器35。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例由以下三个部分构成：包含独立散热通道构成的锂电池组电芯单元组栅架结构1，散热介质的外部驱动及通道2，温度采集和控制系统3。其中：包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构1包括锂动力电池电芯栅格11和独立散热通道栅格12，锂动力电池电芯栅格11和独立散热通道栅格12并排连接，在空间上两种栅格相互间隔，散热通道在两端并联。散热介质的外部驱动及通道部分2设置在车辆空调系统与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构1之间，且与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构1散热通道的两端相连接。温度采集和控制系统3中的温度采集部分位于包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构1内，温度控制部分3独立设置在包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构1外部。

1.包含独立散热通道构成的锂电池组电芯单元组栅架结构1，如图1、2所示，包括锂动力电池电芯栅格11，独立散热通道栅格12。电池电芯栅格11和独立散热通道栅格12应在空间均匀分布，且应保证散热通道与动力电池电芯的接触面积。栅格结构由金属或塑料板材制成，通过在板材上设置窗口和空洞，且窗口和空洞的面积应大于板材面积的60％，以便于电芯单元与散热介质能够充分接触。所述栅格，其高度不一致，但宽度和深度相同。若栅格高度低于单个电芯高度，则不安放铝塑薄膜动力电池电芯，只是作为独立散热通道栅格；若栅格高度大于或等于单个电芯高度，则安放铝塑薄膜动力电池电芯，作为锂动力电池电芯栅格。当铝塑薄膜动力电池电芯单元安装后，锂动力电池电芯栅格与散热栅格在正视图上为均匀分布。

散热通道在两端并联，有风冷和水冷两种散热方式。水冷方式栅格内不开窗口，并作防水密封。锂动力电池电芯栅格11和独立散热通道栅格12并排。散热通道栅格12在通道的两端并联，包括风冷和水冷两种方式。对于较小容量的锂动力电池组，如图3所示，可以用电芯间支撑结构13简单组成散热通道12。

2.散热介质的外部驱动及通道部分2：分为水冷和风冷两种方式。对于水冷方式。

如图4所示，水冷方式时，包括水热交换器20，冷却水出水管29，水阀25水泵27，回水管28。连接方式：热交换器20的出水口与冷却水出水管29一端相连，水阀25安装于出水管道中间，出水管另一端与各个水泵27的入口相连，水泵出口与独立散热通道一端相连，散热通道另一端和回水管一端相连，回水管另一端接热交换器的入水口。冷却水经热交换器20，出水管29，水阀25水泵27，然后流过各个独立散热通道12，然后汇入回水管29，最终回到热交换器。

如图5所示，风冷方式时，包括冷却风引入口21，冷却风管22，冷却风连接膨胀管23，送风风扇24，排风风扇26，连接方式：空调系统的冷却风引入口21与冷却风管22一端相连，另一端与冷却风连接膨胀管23相连，送风风扇24与膨胀管出口相对，风扇24出口与独立散热通道11相连，在散热通道另一侧连接排风风扇26。空调系统的冷却风经冷却风引入口21，冷却风管22，冷却风连接管23，流入各个送风风扇24，经风扇加压后进入独立散热通道12，然后经排风风扇26排出。

3.温度采集和控制系统部分3：如图6所示，包括各个温度传感器31，温度控制和保护板32，以及控制执行开关33，串并联及外部控制接口34和断路器35。温度传感器31位于锂动力电池电芯栅格11内，且与电芯单元可靠接触。温度传感器31的信号，连接到各个温度控制和保护板32，温度控制和保护板对采集到的温度变量进行处理，决定相应控制策略，并输出控制信号，如风机的开关和转速信号，水泵的转速信号等。控制执行信号在输出到控制执行开关33。部分控制信号接入串并联及外部控制接口34。最终各个控制信息经串并联及外部控制接口34的对应接口与上位机连接，并控制断路器35完成保护。

实际应用时，一般以8-10个单元为一组确定一个控制保护器，每个控制保护器由这一组锂动力电池单元来供电，在电路上与其他组完全隔离，并通过光电耦合电路传递控制信息，并通过控制执行开关来进行冷却介质的通断和调节，这样可以做到成本较低且安全可靠。

温度传感器安装在锂动力电池电芯栅格11内，应避免置于散热通道12内，并在空间上均匀分布。并根据电池单元的体积和堆积层数，确定温度传感器31的位置和个数。其原则为温度传感器31置于电芯单元之间，紧贴电芯单元。对锂电池组整体使用保护的断路器35(或接触器)，超快融断器等等一般和电池单元的接线端在同一侧安装位置。各个温度控制和保护板32的光电通讯信号以及冷却风扇(或冷却水泵)的控制信号与上位机进行通讯。使用时，由温度传感器31检测各检测点的温度，当温度上升到设定冷却温度时，进行强制冷却控制，控制执行开关33，开启冷却风扇(或冷却水泵)控制可采用PID、滞环控制等各种控制策略。当温度升至报警值，切断锂电池组电源断路器35或输出故障信号。整个控制中与上位机保持联系。

应用实施例：

某型号混合动力车辆，其电池组采用锰酸锂电池单元，共180个单元，每个单元10AH、3.6V组成110V、60AH。最初电池的温度控制和保护方法为：电池单元间用绝缘胶条隔有2-4mm的缝隙，采用向外抽风，并进行间歇通断的温度控制方法，当温度高于设定值时开启散热风扇。但经过近3个月的使用以后，由于电池单元之间缝隙较小，形不成良好的风道，锂电池在较大电流工作时产生的热量无法释放，造成局部温度过高，使得部分电池单元因高温而失效或性能下降”使得电池一致性急剧恶化。在电池单元组外围表面的温度约40℃左右，而在内部锂电池电芯的温度则会高到近60℃。而在串联电池组工作时，电池单元的参数差异(主要是内阻等参数)会使得电池单元形成连锁反应，使得差异性较大的电池提前损坏。在具体表现上，则是部分电池单元在远未达到正常使用寿命(约1000次以上)次数，仅使用约50次就发生容量降低、短路、膨胀等现象，造成电池组整组报废，损失巨大。

经进行分析研究后认为，发生以上故障的问题在于电池组的散热方式。采用图1所示独立散热通道，将原锂动力电芯10AH单元，安装摆放于形成独立散热通道的新型栅架结构上。电池组的前后共安装了8个轴流风扇，4排4抽，并可以根据情况进行风量和风压的调节，布置了约20多个温度传感器，以上措施扩大了锂电池电芯单元的散热能力，并通过检测点的监测和对散热介质(本例中风量)的控制，使得电池各单元工作温度始终保持一致，其各锂动力电池单元的温度差经测量不超过5℃。

经过改进后的车辆锂动力电池组，在经过一年的使用以及国家863电池检验中心取样检测，结果表明电池容量仍可保持在95％以上，且均通过各项安全检测，达到设计使用效果。

Claims (6)

1.一种动力锂电池组温度控制装置，包括：包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构、散热介质的外部驱动及通道部分、温度采集和控制系统，其特征在于：所述包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构包括锂动力电池电芯栅格和独立散热通道栅格，锂动力电池电芯栅格和独立散热通道栅格并排连接，在空间上两种栅格相互间隔，独立散热通道在两端并联，散热介质的外部驱动及通道部分设置在车辆空调系统与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构之间，且与包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构散热通道的两端相连接，温度采集和控制系统中的温度采集部分位于包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构内，温度控制部分独立设置在包含独立散热通道构成的锂动力电池组栅架组装结构外部。

2.根据权利要求1所述的动力锂电池组温度控制装置，其特征是，所述栅格，其高度不一致，而宽度和深度相同。

3.根据权利要求2所述的动力锂电池组温度控制装置，其特征是，所述栅格，若其高度低于单个电芯高度，则仅作为独立散热通道栅格，若其高度大于或等于单个电芯高度，则安放铝塑薄膜动力电池电芯，作为锂动力电池电芯栅格。

4.根据权利要求1所述的动力锂电池组温度控制装置，其特征是，所述散热介质的外部驱动及通道部分包括：冷却风引入口、冷却风管、冷却风连接膨胀管、送风风扇、排风风扇，其中：冷却风引入口与冷却风管一端相连，冷却风管的另一端与冷却风连接膨胀管相连，送风风扇与冷却风连接膨胀管出口相对，送风风扇出口与独立散热通道相连，在独立散热通道另一侧连接排风风扇。

5.根据权利要求1所述的动力锂电池组温度控制装置，其特征是，所述散热介质的外部驱动及通道部分包括：热交换器、冷却水出水管、水阀、水泵、回水管，热交换器的出水口与冷却水出水管一端相连，水阀安装于冷却水出水管中间，出水管另一端与各个水泵的入口相连，水泵出口与独立散热通道一端相连，独立散热通道另一端和回水管一端相连，回水管另一端接热交换器的入水口。

6.根据权利要求1所述的动力锂电池组温度控制装置，其特征是，所述电池电芯栅格和独立散热通道栅格在空间均匀分布。

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