CN103682523B - 用于控制电池的冷却或加热的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开一种用于控制电池的冷却或加热的系统。该系统包括：电池，具有气密封结构以防止外部空气的通过；压力传感器，设置在电池上以测量电池的内部压力；气候控制系统，冷却或加热电池；以及控制器，基于压力传感器的测量结果，根据电池的内部压力是正压力还是负压力来确定气候控制系统的冷却或加热，该控制器根据正压力或负压力的水平来控制冷却或加热强度。

Description

用于控制电池的冷却或加热的系统和方法

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(a)，本申请要求在2012年9月7日提交的韩国专利申请第10-2012-0099405号的优先权，其全部内容引入本文以供参考。

技术领域

本发明涉及用于改进环境友好型车辆等的电池的输出性能的系统和方法，并且具体地，本发明涉及用于控制电池的冷却和/或加热的系统和方法，其配置成更可靠精确地控制温度。

背景技术

一些电池制作成使用多个电池单元的一个模块形式，该多个电池单元各自具有薄板结构。根据车辆的性能(例如车辆需要多少动力)，多个模块通常串联连接以构成电池组。包括多个模块的这些电池组通常由外壳、罩等围绕以保护模块免受外部元件影响。

当通过化学反应对这样的电池组充电或放电时，在电池单元内产生热。电池的充电或放电功率根据电池单元的温度而变化。因此，重要的是，电池单元的温度保持在适当的范围内，使得电池在其内部温度为例如约20℃至40℃的情况下工作。

相应地，特别是产生大量热的具有高电压电池的车辆，例如电动车，应该同时设置有当电池变得太热时冷却高电压电池的冷却系统和当内部温度太冷时温热电池的电池加热系统。

然而，根据现有技术，仅通过从车辆内部抽吸的空气冷却电池，因此，在电池温度可能变得太冷的冬天，目前没有用于加热这些模块的方法或装置。

进一步地，车辆内部的空气温度是不可靠的，因为其可受数种变量的影响，例如空气调节器的操作、乘客的数量、打开的窗或门、外部温度等。因此，不能保证提供到电池的空气处于有效冷却电池的适当温度。即，室内空气的温度可能太热或太冷，而不能适当地冷却或加热电池，由此导致电池过热或低效工作。

此外，当电池低于某个温度(即0℃)工作时，从电池单元供应的电压降低。结果，可能变得不能供应起动车辆所需的动力。此外，在低温条件下，现有技术存在问题，即不能顺利地对电池充电。因此，为确保电池的性能，通过加热和冷却而使电池单元的温度最佳化的系统很重要，因此需要与使用室内空气的常规空气调节相比更可靠的控制方法和装置。

上面所提供的作为本发明相关技术的说明仅用于帮助理解本发明的背景，并不应该被解释为包括在本领域技术人员已知的相关技术内。

发明内容

本发明致力于解决与现有技术相关的上述问题。本发明的目的是提供用于控制电池的冷却或加热的系统和方法，其配置成更可靠精确地控制施加到电池模块的空气的温度。

为实现该目的，本发明提供用于控制电池的冷却和加热的系统，包括：电池，具有气密封结构以防止外部空气的通过；压力传感器，设置在电池上以测量电池的内部压力；气候控制系统，配置成冷却和加热供应到电池外壳的空气；以及控制器，配置成基于压力传感器的测量结果，根据电池的内部压力是正压力还是负压力来确定对电池进行加热还是冷却。此外，控制器还配置成根据所测量的正压力或负压力的水平来控制由气候控制系统供应的空气的量和空气的温度。

该系统还可包括将电池的内部与电池外壳的外部连接的连通通道/管道，以及设置在连通通道内以打开和关闭电池外壳内部与电池外壳外部之间的通道的开关阀。更具体地，控制器配置成当电池的正压力或负压力高于预定的阈值时打开和关闭该开关阀。

该系统还可包括溢流阀，其安装在连通通道处，以在开关阀打开时使大气压力和电池的内部压力相等。

控制器可控制气候控制系统在电池的内部压力为正压力时提供冷却空气，并且控制气候控制系统在电池的内部压力为负压力时提供温热空气。

控制器还可根据测量的压力计算电池的内部压力或温度，并且当电池的内部压力或温度达到稳定的范围(例如分别低于或高于正压力阈值或负压力阈值)时，可停止冷却或加热电池外壳。

同时，使用控制系统控制电池的冷却或加热的方法包括：通过控制器，根据电池的内部压力是正压力还是负压力来确定和选择是冷却还是加热电池外壳；以及通过气候控制系统和控制器，根据电池的内部压力即正压力或负压力，调节冷却或加热强度。

上述方法还可包括通过测量电池外壳内的正压力或负压力来计算电池的内部压力或温度；以及当电池的内部压力或温度在稳定范围内时终止冷却或加热电池。

或者，用于控制电池的冷却或加热的方法可包括：根据电池的内部压力是正压力还是负压力来选择气候控制系统的冷却或加热；在冷却电池外壳时，当电池的内部压力小于或等于大气压力时减小冷却强度(例如供应到电池外壳的冷却空气的温度和量)，并且当基于正压力或负压力所计算的电池的内部压力或温度降低到小于或等于第一预定值时终止冷却；以及在加热控制时，当电池的内部压力大于或等于大气压力时减小加热强度(例如供应到电池外壳的温热空气的温度和量)，并且当基于正压力或负压力的水平所计算的电池的内部压力或温度增加到大于或等于第二预定值时终止加热电池外壳。

或者，用于控制电池的冷却或加热的方法可包括：当电池的正压力或负压力超过给定的阈值时打开开关阀；以及当使电池的内部压力和大气压力相等时关闭开关阀。

或者，用于控制电池的冷却或加热的方法可包括：测量与外部环境密封的电池的压力，当电池为正压力或负压力时冷却或加热电池，根据正压力或负压力超过给定的阈值的量控制冷却或加热强度，以及当根据测量的正压力或负压力所计算的电池的内部压力或温度在稳定的范围内时终止冷却或加热。

如上所述构建的用于控制电池的冷却或加热的方法的优势在于，电池制作在气密封系统中并配置成测量其中的压力，并且根据内部压力值执行冷却或加热控制，使得以低成本配置较小和较轻的系统，并且与计算安装在每个电池单元中的温度传感器的温度值相比，响应速度更快。

进一步地，本发明能够精确地控制电池温度，以使电池的耐久性提高并减小修理成本。电能被高效地管理，以使驾驶距离增加且适销性增强。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制冷却或加热电池的系统的视图；

图2是示出使用图1中所示的用于控制冷却或加热电池的系统控制冷却或加热电池的方法的流程图；

图3是示出密封电池中的压力与温度之间的关系的图。

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

此外，应该理解，通过至少一个控制器来执行下面的方法。术语控制器是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置成储存模块，并且处理器具体配置成执行所述模块以实施以下进一步描述的一个或多个操作。

此外，本发明的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。

首先，图1是示出根据本发明的示例性实施方式的用于控制冷却或加热电池的系统的视图。根据本发明的用于控制电池的冷却或加热的系统包括电池100、压力传感器200、气候控制系统300以及控制器400。电池100具有气密结构以防止电池外壳的内部与电池外壳的外部之间有空气通过。压力传感器200可设置在电池100上以测量电池/电池外壳100的内部压力。气候控制系统300冷却或加热电池100。控制器400基于压力传感器200的测量结果，根据电池100的内部压力是正压力还是负压力来确定气候控制系统300的冷却或加热，并根据正压力或负压力(即测量的正或负压力)来控制冷却或加热强度。

本发明的电池/电池外壳100是指由多个电池单元和一个模块构成的整个电池系统，该模块由外壳、罩等围绕。本发明这样的电池100设计成密封的，以防止外壳内部的空气逸出以及外壳外部的空气进入，并具有相当高的热效率以高效地控制电池100内的气候。进一步地，不需要用于测量电池100的温度的温度传感器。因此，使计算最小化，同时减小处理时间。

压力传感器200被安装到本发明的电池100的托架(tray)的表面上以测量托架中的压力。进一步地，当测量的压力相较于大气压力为正(+)压力时，托架中的温度较高因此压力上升，使得电池100需要冷却。相反地，当测量的值为负(-)压力时，应该加热电池100以温热电池100的托架的内部。

同时，当电池托架中的压力显著地上升或下降时，电磁阀(例如用于防止损坏托架的安全装置)打开。因此，通过溢流阀可缓解异常过低的压力或异常过高的压力。

为此，控制器400基于压力传感器200的测量结果，根据电池100的内部压力是正压力还是负压力来确定气候控制系统300的冷却或加热，并根据测量的正压力或负压力控制冷却或加热强度。

本发明的电池100为气密结构，以防止内部与外部之间有空气通过。这在冷却或加热控制中仅允许使用相对小体积的空气，由此能够在电池100内控制温度。进一步地，并非仅使用内部空气，为冷却电池100，本发明利用单独的气候控制系统300，例如Peltier装置。Peltier装置优选设置成在控制器400中执行冷却或加热控制。电池的这种气候控制系统300可设计成使用导管等与电池100密封在一起，并且在一些实施方式中可与电池100整体密封。

同时，在常规技术中，为测量密封电池100的压力或温度，温度传感器应该安装至托架中的每个电池单元。然而，这样的结构存在问题，即需要大量的传感器并且当传感器出故障时须修理整个托架，因此策略非常的低效。然而，示例性实施方式不需要贯穿托架布置大量传感器。

供参考，图3是示出密封电池100中的压力与温度之间关系的图。可以看出，温度的变化相应于密封空间中压力的变化。因此，基于压力传感器的膜片的弯曲程度识别压力差，使得能够通过从其中移除大气压力来获得电池的压力。进一步地，从测得的压力的量获得温度。同时，根据查理定律(Charles’Law)，温度的变化与压力的变化成比例，由此从压力差可以直接获得温度差，并且参照大气的温度可以获得电池的温度。即，根据通过压力传感器和周围环境所提供的数据，能够以多种方式容易地获得电池的温度。

此外，根据本发明的用于控制电池的冷却和加热的系统还可包括连通通道120和开关阀500。连通通道120与电池100的内部连接，以在电池100的内部与电池的外部之间创建通道。开关阀500设置在连通通道120内以打开和关闭通道。控制器400配置成当电池100的正压力或负压力大于预定的阈值时打开该开关阀500。

此外，在连通通道120内也可安装溢流阀600，从而当开关阀500打开时使大气压力和电池100的内部压力相等。因此，当电池100的正压力或负压力太大(例如高于阈值)时，控制器400打开开关阀500并且通过溢流阀600使压力相等，由此防止电池100被损坏。随后，当使压力相等时，开关阀500再次关闭以执行正常的气候控制操作。

进一步地，控制器400可配置成当电池100的内部压力为正压力时执行冷却电池的控制，并且当测量到负压力时执行加热电池的控制。然后，控制器400基于测量的压力计算电池100的内部压力或温度，并且当电池100的内部压力或温度在稳定范围内时终止冷却或加热控制。

图2为示出使用图1中所示的用于控制电池的冷却或加热的系统控制电池的冷却或加热的方法的流程图。使用权利要求1的控制系统控制电池的冷却或加热的方法包括根据电池的内部压力是正压力还是负压力来选择气候控制系统的冷却或加热的选择步骤S100，以及根据所测量的电池的内部压力即正压力或负压力来调节冷却或加热强度(即施加到电池的空气的温度和空气的量)的调节步骤S200和S300。

调节步骤S200、S300可包括用于测量正压力或负压力的量并相应地计算电池的内部压力或温度的计算步骤S240、S340，以及当电池的内部压力或温度在稳定的范围内时终止冷却或加热操作的终止步骤S260、S360。

具体地，根据本发明的用于控制车辆用电池的冷却或加热的方法包括：根据电池的内部压力是正压力还是负压力来选择气候控制系统的冷却或加热的选择步骤S100、S210和S310，当电池的内部压力小于或等于大气压力时减小冷却强度并且当基于正压力或负压力计算的电池的内部压力或温度降低到小于或等于第一预定值时终止冷却的冷却步骤S200，以及当电池的内部压力大于或等于大气压力时减小加热强度并且当基于正压力或负压力计算的电池的内部压力或温度增加到大于或等于第二预定值时终止加热的加热步骤S300。

在步骤S100中，压力传感器基于传感器内的膜片弯曲的程度和方向测量电池外壳中的压力的量。在步骤S200中，如果膜片朝向大气压力弯曲，则电池的压力较高，从而确定电池处于高温，并由此执行冷却控制。进一步地，在步骤S300中，当膜片朝向电池弯曲，则电池的压力较低，从而确定电池处于低温，并由此执行加热控制。当执行控制时，在步骤S210和S310中最初执行增加速率的冷却和增加速率的加热。在初始阶段，由于户外温度，电池可能处于过低或过高的温度。

同时，在冷却控制S200中，当在步骤S220中电池的内部压力为大气压力或更低时，在步骤S230中减小冷却强度。当在步骤S240和S250中压力或温度减小到预定值或更低时，在步骤S260中终止冷却操作。

此外，在加热控制S300中，当在步骤S320中电池的内部压力为大气压力或更大时，在步骤S330中减小加热强度。这表明空气的温度和空气的量增加。在步骤S340和S350中压力或温度增加到预定值时，在步骤S360中终止加热操作。进一步地，当压力达到形成接触点的最大值时，在步骤S410中打开开关阀和溢流阀以执行校准，从而重建适当的压力差。当在步骤S420中压力变得平衡时，在步骤S430中关闭阀。这对保护传感器和电池是有效的。

如上所述构建的车辆用电池的冷却或加热传感器、使用该传感器的冷却或加热系统以及控制方法意在向气密封系统中提供电池托架以测量压力，并根据其中所测量的压力值执行加热或冷却控制，使得与基于贯穿安装的温度传感器计算安装在每个电池单元中的温度传感器的温度值的常规方法相比，本发明实现小型化和减小的重量，具有低成本和快响应速度。进一步地，本发明能够精确地控制电池温度，以使电池的耐久性提高并减小修理成本。电能被高效地管理，以使驾驶距离增加且适销性增强。

参照本发明的优选实施方式详细描述了本发明。但是，本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施方式进行改变，本发明的范围由权利要求及其等效形式限定。

Claims (8)

1.一种用于控制电池的冷却或加热的系统，包括：

电池，具有气密封结构以防止所述电池的内部区域与外部区域之间有空气通过；

压力传感器，设置在所述电池上并配置成测量所述电池的内部压力；

气候控制系统，配置成冷却或加热所述电池；

控制器，配置成基于所述压力传感器的测量结果，根据所述电池的内部压力是正压力还是负压力来确定对电池进行冷却还是加热，所述控制器根据测量的正压力或负压力控制冷却或加热强度；

连通通道，从所述电池的内部连接至所述电池的外部；以及

开关阀，设置在所述连通通道内以执行选择性开关操作，

其中当所述电池的正压力或负压力超过最大值时，所述控制器打开所述开关阀。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

溢流阀，安装在所述连通通道内，以在所述开关阀打开时使所述电池的内部压力与大气压力相等。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器在所述电池的内部压力是正压力时冷却所述电池，并且在所述电池的内部压力是负压力时加热所述电池。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器根据测量的压力计算所述电池的内部压力或温度，并且当所述电池的内部压力或温度在稳定范围内时终止冷却或加热控制。

5.一种使用权利要求1所述的系统控制电池的冷却或加热的方法，包括：

通过控制器，根据所述电池的内部压力是正压力还是负压力来选择气候控制系统的冷却或加热；以及

通过所述控制器，根据所述电池的正压力或负压力的水平来调节冷却或加热强度。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

通过测量所述正压力或负压力的水平来计算所述电池的内部压力或温度；以及

当所述电池的内部压力或温度在稳定范围内时终止所述冷却或加热。

7.一种使用权利要求1所述的系统控制电池的冷却或加热的方法，包括：

通过控制器，根据所述电池的内部压力是正压力还是负压力来选择气候控制系统的冷却或加热；

通过所述控制器，当所述电池的内部压力小于或等于大气压力时减小冷却强度，并且当基于所述正压力或负压力的水平计算的所述电池的内部压力或温度降低到小于或等于第一预定值时终止冷却；以及

通过所述控制器，当所述电池的内部压力大于或等于大气压力时减小加热强度，并且当基于所述正压力或负压力的水平计算的所述电池的内部压力或温度增加到大于或等于第二预定值时终止加热。

8.一种用于控制电池的冷却或加热的方法，包括：

通过传感器，测量与外部密封的电池的内部压力；

当所述电池的内部压力是正压力或负压力时，通过气候控制系统冷却或加热所述电池；

通过控制器，根据所述正压力或负压力控制供应到所述电池的冷却或加热强度；

当根据所述正压力或负压力计算的所述电池的内部压力或温度在稳定范围内时，终止冷却或加热；

当所述电池的正压力或负压力大于最大值时打开开关阀；以及

当所述电池的内部压力和大气压力相等时关闭所述开关阀。