发明内容
针对车载蓄电池组的温度特性要求,本发明提供一套完整的车载蓄电池组的温度隔离、调节、控制设备——车载蓄电池组温度控制器。
本发明车载蓄电池组温度控制器,必须结合车载蓄电池的使用条件和整车的动力结构进行综合设计,包括电池仓、风道、空气过滤器和风机,其中:所述电池仓外壳设有保温层,内部装有若干个单体电池,每两个电池之间设有散热通道,电池仓两端设有进风道和出风道,进风道连接空气过滤器,出风道连接温度调整控制模块,温度调整控制模块外连接有风道切换器,风道切换器外连接有消音器,风道切换器和进风道之间接有回风道,在电池仓中设有电池管理器,在进风道、出风道和风道切换器中分别设置温度传感器,电池检测器和温度传感器连接到电子检测控制电路,电子检测控制电路还连接用于检测环境温度的外部温度开关,电子检测控制电路的输出分别连接到风道切换器和温度调整控制模块,风道切换器中设有风门,可在回风道和消音器两路之间切换。
所述外部温度开关包括35℃温度开关、5℃温度开关、40℃温度开关和15℃温度开关。
所述温度调整控制模块包括加热交换器、电加热器、循环风机、制冷交换器,其中:加热交换器和电加热器合为加热段,循环风机和制冷交换器合为制冷段,两端之间设有第二风道切换器,第二风道切换器的支路连接回风道,第二风道切换器的风门在加热段和回风道之间切换。
所述电加热器包括加热用陶瓷板、铅板、+85℃限温开关、电源输入端,陶瓷板和铅板沿空气出入口方向层叠设置,每层陶瓷板有数个小块陶瓷加热板,相互之间留有间隙,+85℃限温开关至少设一个,电源输入端通过+85℃限温开关连接陶瓷板。
所述加热交换器包括液体管道、散热翅、液体阀门、液体出口,散热翅沿空气进出口方向层叠设置,液体管道垂直设置于散热翅中,前端设有液体阀门,后端设有液体出口,液体阀门和液体出口分别连接汽车发动机冷却系统。
所述制冷交换器包括压缩机、冷凝器、减压阀、蒸发器,压缩机、冷凝器、减压阀和蒸发器依次串接成密封闭换,蒸发器垂直设置在制冷交换器空气进出口之间。
所述制冷交换器包括加热器、第一冷却器、第二冷却器803、制冷器804,加热器、第二冷却器和制冷器连接成第一闭环,加热器、第一冷却器和制冷交换器连接成第二闭环,第一冷却器垂直设置在制冷交换器空气进出口之间。
所述电子检测控制电路设有CAN总线和直流12V输人。
所述电子检测控制电路连接有若干个限位开关,限位开关安装在风门两个终止位置上。
本发明车载蓄电池组温度控制器对蓄电池组的温度控制方法如下:
1)检测外部温度和电池温度;
2)按照电池组的温度范围要求(锰酸锂电池的最佳使用的温度范围是15℃-35℃),结合自然环境温度变化范围(-40℃到+45℃),在环境温度低于35℃条件下,在车载蓄电池组的温度上升到40℃,开动循环风机,风道切换器处在消音器和出风道连接状态,采用强制通风方式给车载蓄电池组降温;当车载电池组的整体温度下降到限量范围内(15℃-35℃)时停止降温程序;
3)当环境温度高于35℃时、车载蓄电池组需要降温时,循环风机和制冷交换器进入工作状态,第二风道切换器处在出风道和回风道连接状态,行程内循环状态;制冷交换器输出低温能量冷却空气,电池仓处于制冷方式的降温状态,当车载电池组的整体温度下降到限量范围内时停止降温程序;
4)在环境温度低于5℃条件时,温度低于15℃,启动加热系统和循环电机,风道切换器处在出风口和回风道连接状态,形成内循环状态,从车载蓄电池仓内吸出的气体经循环风机加压后进入电加热器和液体加热器,经电加热器或液体加热器加热变成热气流,热气流经内循环风道返回车载蓄电池仓内给车载蓄电池组加温;当车载电池组的整体温度上升到限量范围(15℃-35℃)内时停止升温程序。纯电动车采用电加热方式,混动车采用液体加热方式(也可用电热系统快速加热后转到液体加热方式)。
所述温度控制方法中设有启动自锁功能,车载蓄电池组温度控制器工作条件是检测到车
辆上的功能控制电源输入时才能启动,小型车辆为直流12V、大型车辆是直流24V。
所述温度控制方法中设有多点直测方式,即两个以上的35℃温控开关用于环境温度上限
监测、两个以上的5℃温控开关用于环境温度下限监测。
所述温度控制方法中设有互锁功能如下:
1)当车载蓄电池仓外的环境温度高于35℃时,制冷交换器处可进入工作状态,同时切断加热器的工作条件(互锁);
2)当车载蓄电池仓外的环境温度低于 5℃时,加热器可进入工作状态,同时切断制冷交换器的工作条件(互锁);
3)当车载蓄电池仓外的环境温度处于限量范围(15℃-35℃)之内时,加热器和制冷交换器的工作条件都被切断。
本发明车载蓄电池组温度控制器,可以应用在纯电动汽车和混合电动汽车上,具有很好的兼容性,可以在复杂的环境下保证需电池组的正常使用温度,确保需电池组最大限度地提供足够的动力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明车载蓄电池组温度控制器及温度控制方法作详尽的说明。
图2是本发明车载蓄电池组温度控制器的示意图。
本发明车载蓄电池组温度控制器,必须结合车载蓄电池的使用条件和整车的动力结构进行综合设计,包括电池仓9、风道、空气过滤器13和风机.
电池仓9外壳设有保温层10,内部装有若干个单体电池11,单体电池11由支撑用小壳体15支撑,每两个电池之间设有散热通道12,对应于散热通道12的小壳体15位置有裸露孔16(见图1)。
电池仓9两端设有进风道3a和出风道3b,进风道3a连接空气过滤器13,出风道3b连接温度调整控制模块,温度调整控制模块外连接有风道切换器2,风道切换器2外连接有消音器4,风道切换器2和进风道3a之间接有回风道14,在电池仓9中设有电池管理器18,在进风道3a、出风道3b和风道切换器2中分别设置温度传感器19,电池管理器18和温度传感器19连接到电子检测控制电路17,电子检测控制电路17还连接用于检测环境温度的外部温度开关20,电子检测控制电路17的输出分别连接到风道切换器2和温度调整控制模块,风道切换器2中设有风门1,可在回风道14和消音器4两路之间切换。
外部温度开关20包括35℃温度开关20a、5℃温度开关20b、20c、40℃温度开关20d和15℃温度开关20e(见图6)。
温度调整控制模块包括加热交换器5、电加热器6、循环风机7、制冷交换器8,其中:加热交换器5和电加热器6合为加热段,循环风机7和制冷交换器8合为制冷段,两段之间设有第二风道切换器2a,第二风道切换器2a的支路连接回风道14,第二风道切换器2a的风门1a在加热段和回风道14之间切换。
电加热器6包括加热用陶瓷板61、铅板62、+85℃限温开关63、电源输入端64(见图7),陶瓷板61和铅板62沿空气出入口方向层叠设置,每层陶瓷板61有数个小块陶瓷加热板,相互之间留有间隙,+85℃限温开关63设有两个,电源输入端64通过+85℃限温开关63连接陶瓷板61。
加热交换器5包括液体管道51、散热翅52、液体阀门53、液体出口54(见图8),散热翅52沿空气进出口方向层叠设置,液体管道51垂直设置于散热翅52中,前端设有液体阀门53,后端设有液体出口54,液体阀门53和液体出口54分别连接汽车发动机冷却系统。
制冷交换器8包括压缩机81、冷凝器82、减压阀83和蒸发器84(见图9),压缩机81、冷凝器82、减压阀83和蒸发器84依次串接成密封闭换,蒸发器84垂直设置在制冷交换器空气进出口之间。
制冷交换器8也可以采用溴化锂制冷系统,包括加热器801、第一冷却器802、第二冷却器803和制冷器804(见图10),加热器801、第二冷却器803和制冷器804连接成第一闭环,为溴化锂循环;加热器801、第一冷却器802和制冷器804连接成第二闭环,为水循环,制冷器804垂直设置在制冷交换器8空气进出口之间,对循环空气制冷。
电子检测控制电路17设有CAN总线和直流12V输人(见图2)。
电子检测控制电路17连接两个限位开关K1、K2,分别设置在风门1的两个终止位置上。
图5是循环风机的控制电路图,供参考。
图3、图4分别是本发明车载蓄电池组温度控制器的外循环和内循环两个状态示意图,结合下面说明。
特别说明:
1、 车载蓄电池组的散热通道设计:对车载蓄电池的温度调节基本方式是采用通风方式调整车载电池组温度的,这要求调节气流能够均匀且大面积通过每只车载蓄电池的体表面,本方案采用如图1所示的结构,先用带裸露孔的小壳体把车载蓄电池单体夹紧,然后按电压等级和储能量要求组合成相应的车载蓄电池组。这种方式可保障每个车载蓄电池单体都有相同的通风条件。相临小壳体拼接后形成的能够通气、散热的通孔,这里定义为散热通道。
2、 车载蓄电池仓设计:安照车载蓄电池组成组后的体积设计车载蓄电池组的外箱体-车载蓄电池仓,在顺着车载蓄电池组的散热孔的通透方向在车载蓄电池仓两端开设进风通道和出风通道。车载蓄电池仓的外壳上加装隔热层,如可在车载电池仓的外面粘贴一层汽车发动机仓内常用的隔热棉即可,如图2所示。
3、 空气空气过滤器设计:空气空气过滤器采用标准滤网组件,按通风道的8倍配滤网组件。如果空气空气过滤器的通风道的截面积是100mm×100mm,那么标准滤网组件的面积不能小于8×100mm×100mm。
4、 温度调整控制模块设计:温度调整控制模块功能中的主要功能器件有:液体加热器、电加热器、循环风机和制冷交换器四项,具体实施方案如下:
4.1、 电加热器设计:电加热器采用最新型号的陶瓷加热组件,如图6中所示电加热器件,电加热器用于对电池组升温调节,电加热器的功率按车载电池仓内容积匹配-每立方米/1KW、工作电压按车载蓄电池组的串联总电压上限配制。配保护用温控开关,用标准85℃温控开关两个(安全器件),串联后接入电加热器的加热电源回路上。装配时,85℃温控开关压靠在陶瓷加热器的发热组件上,如图7所示。电加热器的体积设定为40mm×150mm×150mm。
4.2、 循环风机设计:循环风机采用标准风机,布置方式台如图2所示,沿气流动方向,在制冷交换器后端,电加热器前端。
工作电压有DC12V和DC24V两种,功率配备应满足下列条件:
4.2.1、在用强制通风方式下,车载蓄电池组的温度不会超出限量。
4.2.2、在电加热器工作条件下,电加热器中的陶瓷加热组件的温升不超过50℃。
4.2.3、本方案中对12V系统的小型车辆上的容量相对较小的车载蓄电池组配80W风机, 对24V系统的大型车辆上的容量相对较大的车载蓄电池组配200W风机。上述风机功率配比是按锰酸锂电池的最佳使用的发热特性实测确定的,其它种类车载蓄电池组配套方式也应实测确定。
4.2.4、循环风机的体积设定为35mm×150mm×150mm。
4.3、 液体加热器设计:液体加热器采用汽车发动机中小循环系统的小水箱结构,即全密封的铜质循环管路,外套铝制散热筋;循环管路的入口端配装控制阀门,用于关断液体流动或开通液体流动通道,如图8所示。
液体加热器的体积设定为45mm×150mm×150mm。
4.4、 制冷交换器设计:制冷交换器不同于液体加热器、电加热器和循环风机三个功能器件,这三个功能器件可作成独立的功能器件,而制冷系统的机械结构都是全封闭的循环结构,制冷交换器只是制冷系统的一个功能器件,该器件会产生低温效应吸收热量。本方案从节能、环保角度分别用两种制冷结构,用于纯电动车辆和混合动力车辆上。
4.4.1、压缩缩制冷结构设计:针对纯电动车辆,本方案采用压缩制冷方式,如图9所示:制冷结构的工作原理是用电驱动的空气压缩机把低沸点的液体(冷媒)压缩到一个容器(冷凝器)内形成高压状态;经通风降温后进入减压阀;经减压阀减后进入第二个低压容器内,冷媒由高压液态进入低压容器内后蒸发形成气态吸热降温,具有降温作用的容器在压缩制冷系统中统称蒸发器,这理按其在温度调整控制模块中的作用定义为为制冷交换器;蒸发成气态的冷媒返回压缩机加压后开始下一个循环。
制冷交换器,的体积设定为30mm×150mm×150mm。
4.4.2、吸收式制冷系统结构设计:针对混合动力车辆,本方案利用发动机余温,通过吸收式制冷方式给车载蓄电池组降温。吸收式制冷系统是利用溴化锂的强溶于水,且伴随强烈降温反应特性产生制冷效应;利用溴化锂水溶液的高温分离特性,通过加热方式把溴化锂从溴化锂水溶液中分离出来,溴化锂在5℃以上的温度限上就开始气化,给溴化锂水溶液加热到75℃时,溴化锂就能从溴化锂水溶液中完全吸出。对吸出的溴化锂气体降温(通过冷却器)、对分离完的纯水降温(通过冷却器),把降温后的两种物质重新在制冷器内混合,产生制冷效应。如图10所示,利用混合动力车辆上的发动机的余热给吸收式制冷系统中的加热器(溴化锂与水分离器)加热,加热分离开的溴化锂和水经分别经冷却器降温后进入制冷交换器产生制冷效应,形成的溴化锂水溶液在返回加热器内加热分离,进入下次循环。吸收式制冷系统的制冷交换器与压缩式制冷系统的制冷交换器体积相同,体积设定为30mm×150mm×150mm。
上述液体加热器、电加热器、循环风机和制冷交换器四项功能器件集中封装在一个隔热的箱体内,设有进风道和出风道,通风顺序是制冷交换器-循环风机-电加热器-液体加热器。如图2所示。
5、 风道切换器设计:
5.1、 风道切换器是用于切换内循环通道与外循环通道的控制执行器,由一个风门构成,当风门处于封闭内循环通道状态时,外循环通道开通,如图4所示;当风门处于封闭外循环通道状态时,内循环通道开通如图5所示。
5.2、风门切换用带有离合器和减速器结构的步进电机控制,这种电机驱动平稳、可靠,不会因控制系统失灵造成电机损坏。电机驱动电路如图3所示。
5.3、风道切换器的风门状态由限位开关控制,当风门处于封闭内循环通道状态时,状态确认开关K1被触发。如图6所示,K1为封闭内循环通道的确认开关,此时车载蓄电池控制器的通风方式处于外循环模式下;此状态下K1的4个常闭触点被同时切断,有如下限制功能:
5.3.1、关断风道切换器的步进电机的工作条件。
5.3.2、关断制冷系统的工作条件。
5.3.3、关断电加热系统的工作条件。
5.3.4、关断液体加器系统的工作条件。
5.4、风道切换器的风门状态由限位开关控制,当风门处于封闭外循环通道状态时,状态确认开K2关被触发,此状态下K2的1个常闭触点和3个常断触点被同时切换,如图6所示。
有如下限制功能:
5.4.1、关断风道切换器的步进电机的工作条件。
5.4.2、提供制冷系统的工作条件,当环境温度高于35℃时,制冷系统可以启动,同时关断加热器的工作条件。
5.4.3、提供电加热系统的工作条件,当环境温度低于5℃时,加热系统可以启动,同时关断加制冷系统的工作条件。(纯电动车辆上用)
5.4.4、提供液体加热系统的工作条件,当环境温度低于5℃时,加热系统可以启动,同时关断加制冷系统的工作条件。(混合动力电动车辆上用)
6、 内循环风道设计:内循环风道载面积应该与外循环风道载面积相同,空气过滤器与进风道及回道之间用三通结构直接连接,出风道、温度调整控制模块和消音器之间由风道切换器相连。内循环风道的管路采用波纹胶管即可。
7、 消音器设计:消音器主要是用于消除循环风机的噪声,按通风道的载面积放大四倍后延长100mm形成一扩展的容体,在容体内加一个20mm厚的海绵即可,消音器的入口与出口截面相同。
8、 电子检测控制电路设计:
如图6所示,电池检测控制电路由供电电源、CAN通讯接口电路、温度检测电路、状态控制电路、执行器组成。
8.1、本方案针对通用的车辆照明系统的工作电压有DC12C和DC24V两种,设计有两种电源输入口。
8.2、本方案采用标准CAN2.0B的通讯协议进行网间通讯,主要用于读取标配的电池管理器的检测出的单体电池温度参数。
8.3、本方针对温度检测控制方式有:
8.3.1、本方案针对关建的温度控制点,利用温控制开关采用多点直控方式进行控制。
8.3.1.1、环境温度上限监测采用多个35℃温度控制开关并联方式进行控制。
8.3.1.2、环境温度下限监测采用多个5℃温度控制开关并联方式进行控制。
8.3.1.3、本方案针对车载电池组的单体温状态检测配有直测温度控制点,用多个40℃温度控制开关布置在车载蓄电池组上,电池组的温度上限控制,当任何一点处的温度控制开关启动时,循环风机工作,环境温度超过35℃时,制冷系统也工作。
8.3.1.4、本方案针对车载电池组的单体温状态检测配有直测温度控制点,用多个5℃温度控制开关布置在车载蓄电池组上,电池组的温度下限控制,当任何一点处的温度控制开关启动时,循环风机工作、加热器工作。
8.3.1.5、本方案针对电加热系统采用2个85℃温度控制开关控制,超过限量时,关断加热电源回路。
8.3.1.6、本方案针对液体加热系统采用2个95℃温度控制开关控制,超过限量时,关闭液体控制阀。
8.3.1.7、本方案针对车载电池仓的内循环状态的入口温度控制,采用50℃温度控制开关控制,超过限量时,关闭加热器。
8.3.1.8、本方案针对车载电池仓的外循环状态的入口温度控制,采用40℃温度控制开关控制,超过限量时,自动切变到内循环的制冷降温模式。
8.3.2、本方案针对车载蓄电池组配套的电池管理器检测的温度参数,采用读取电池管理器测量参数的方式。
8.4、本方案的温度调节控制程序:
8.4.1、当环境温度在15℃到35℃时,车载蓄电池组温度控制器的风道切换器自动切变风道到外循环模式。
8.4.2、当环境温度高于35℃或低于5℃时,车载蓄电池组温度控制器的风道切换器自动切变风道到内循环模。
8.4.3、当环境温度高于15℃-低于35℃时,且车载蓄电池组的温度超过40℃时,循环风机启动,车载蓄电池组温度控制器进入强制通风的冷却器模式给车载蓄电池组降温。当车载蓄电池组的温度下降到35℃时停止。
8.4.3、当环境温度高于35℃时,风道切换器自动切变风道到内循环模。当车载蓄电池组的温度超过40℃时,循环风机启动,车载蓄电池组温度控制器进入制冷降温模式给车载蓄电池组降温;当车载蓄电池组的温度下降到35℃时停止。
8.4.4、当环境温度低于5℃时,风道切换器自动切变风道到内循环模。当车载蓄电池组的温度低过5℃时,循环风机启动,车载蓄电池组温度控制器进入加热升温模式给车载蓄电池组升温。当车载蓄电池组的温度上升到15℃时停止。(分电加热方式和液体循环加热两种方式)。