CN103904384A - 一种混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，本发明首先获取电池管理系统传感器采集得到的电池的相关参数，通过相关参数计算电池单位时间内的发热量；根据电池的发热量，电池表面温度，电池包进出风口冷却空气的温度，以传热学理论为基础，计算电池表面单位时间的理论换热量；通过电池包进、出风口冷却空气温度和理论换热量，求出单位时间内的冷却风量；通过改变风机输出信号，使得风机输出计算冷却风量。本发明具有根据电池表面温度变化趋势，对风机风量进行实时修正，确保电池温度变化平稳的特点。

Description

一种混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电池安全控制技术领域，尤其是涉及一种节能效果好，冷却效率高，有效避免冷却过度、冷却不足和冷却滞后的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法。

背景技术

在混合动力汽车运行过程中，动力电池随时进行着充放电过程，过程中伴随着大量的生热量，导致电池内部温度较高。温度大惯性、大延迟的特性导致电池表面温度变化缓慢。在传统的动力电池冷却系统的控制方式中，风机普遍采用基于电池表面温度分挡控制风机风量的方式。而电池表面温度的缓慢变化可能会造成当前时刻风机冷却风量不足，造成电池温度持续升高。直到电池表面温度达到风机档位阀值点时才能促使风机进入下一个风量档位。采用基于电池表面温度分挡控制风机风量的方式，同样会造成动力电池在小功率使用时的过度冷却。这样的控制系统增大了风机的能量消耗和风机的运行噪声，造成了电池温度的频繁波动，甚至会偏离电池的最优温度范围。

目前国内混合动力汽车动力电池冷却系统普遍采用定档控制风机风量的方式。通常将风机设置成一个或几个固定档位，不同档位对应不同风量。当电池温度达到不同档位的温度阀值时，风机输出该档位对应的风量。但是，电池冷却系统通常存在下述缺点：

1.冷却系统冷却滞后

当电池大功率使用时，电池内部发热量非常大，导致内部温度快速升高。而温度和导热具有大惯性、大延迟的特性，并且由于电池材料的导热性能差，导致电池外表面温度的变化缓慢。因此依据电池表面温度来控制冷却风机的方式，必然导致冷却系统动作的延迟。

2.冷却系统会造成冷却过度和冷却不足的间题

风机采用分档控制的方式，冷却风量的大小仅依靠电池表面温度确定。当风机处在小风量档位时，如果电池大功率使用，产热量较多，造成当前时刻冷却不足，导致电池温度持续升高，并很快触发下一档位的温度阀值点。当风机处在大风量档位时，如果电池小功率使用，产热量很少，造成当前时刻冷却过度，温度迅速下降。冷却不足和冷却过度会造成电池温度频繁波动，甚至会偏离电池最优温度范围。

3.系统冷却效率低，较高的能量消耗和运行噪声。

系统在过度冷却时会造成不必要的风机能量消耗，增大了风机运行的噪声。

中国专利授权公开号：CN102420343A，授权公开日2012年4月18日，公开了一种车辆用的电池冷却装置，包括：分别安装在隔离空间的电池和PE设备；进气导管，被设置成将来自车辆内部的空气分别向所述电池和所述PE设备供给；排放导管，被设置成将来自所述进气导管流经所述电池的空气排放到外面；PE排放导管，将从所述进气导管流经所述PE设备的空气排放到车辆内部或者外面；第一阀门，设置在将空气从车辆内部分别向所述电池和所述PE设备供给的所述进气导管内；以及第二阀门，设置在所述PE排放导管内并且调节流经所述PE设备并排放到车辆内部或外面的空气。该发明存在冷却系统冷却滞后，冷却效率低的不足。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的冷却系统冷却滞后，冷却过度、冷却不足、冷却效率低，能耗高和噪声大的不足，提供了一种节能效果好，冷却效率高，有效避免冷却过度、冷却不足和冷却滞后的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，包括如下步骤：

(1-1)在动力电池测试台架上，利用电池充放电设备对动力电池进行充放电，获取动力电池在不同荷电状态参数SOC(State ofcharge)和温度下的开路电压值E，并将SOC、温度及相对应的开路电压值E存储在电池管理系统中；

(1-2)电池管理系统通过电流、电压以及温度传感器测量电池的工作电流I(放电为正，充电位负)、电池的负载电压U、电池包进风口冷却空气的温度T_f，in和电池包出风口冷却空气的温度T_f，out，电池包内m个检测点处的电池表面温度T₁，T₂，。。。，T_m；

(1-3)电池管理系统根据公式T_avr=(T₁+T₂+。。。+T_m)/m计算m个测量温度的平均值T_avr，计算温度的最大值T_max；并得到电池的荷电状态参数SOC；电池管理系统根据电流I和电压U，采用现有技术中的安时积分和动态修正的方法计算电池的SOC；

(1-4)电池管理系统根据电池的SOC和电池的平均温度T_avr，在电池管理系统存储的数据中找到与当前电池SOC和平均温度相对应的电池开路电压E；

(1-5)当电池最大温度T_max大于预先设定在电池管理系统中的温度T_set时，电池管理系统计算冷却风量实际值并控制风机按照冷却风量实际值

出风：

(1-5-1)在电池管理系统中设定t₀，t₁，t₂，…为等间隔排列的时刻，t_i为t₀，t₁，t₂，…中的任一个时刻，Δt_i=t_i+1-t_i；

(1-5-2)当电池最大温度T_max大于预先设定在电池管理系统中的温度T_set时，电池管理系统利用公式

计算t₀～t₁时间段内电池发热量

(1-5-3)风机在t₁时刻启动；

(1-5-4)电池管理系统设定在t_i～t_i+1时间内，电池管理系统根据公式

计算t_i～t_i+1时间段内电池发热量

根据以下公式计算理论冷却风量：

$q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_i}=\frac{Q_{\mathrm{calc}}^{{\mathrm{\Δt}}_i}}{\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}\right)(T_{f,\mathrm{out}}^{\left(t_i\right)}-T_{f,\mathrm{in}}^{\left(t_i\right)})},$

$Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_i}=Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_{i-1}}+Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_{i-2}}-{\∫}_{t_{i-1}}^{t_i}\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}{q}_f^{\left(t\right)}\right)[T{\left(t\right)}_{f,\mathrm{out}}-T_{f,\mathrm{in}}\left(t\right)]\mathrm{dt}$

其中，当i=1时，理论冷却风量为：

$q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}=\frac{Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}}{\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}\right)(T_{f,\mathrm{out}}^{\left(t_1\right)}-T_{f,\mathrm{in}}^{\left(t_1\right)})}$

$Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}=Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_0}$

其中c_p，f为空气的平均比热容，ρ_f为空气的平均密度，c_p，f和ρ_f为标准的空气热物性参数；

为t_i时刻的电池包入风口处空气温度；

为t时刻实际输出冷却风量；

为t_i到t_i+1时间内电池表面的综合对流换热量；

为t_i到t_i+1时间内计算电池的发热量；

(1-5-5)电池管理系统根据公式计算Δt_i时间内的冷却风量实际值

电池管理系统控制风机在t_i到t_i+1时间内的出风量为

其中，k_c为根据电池表面最大温度在Δt_i时间内的变化量得到的风量修正系数，其值为：

T(t_i)为t_i时刻的电池表面最大温度，

为t_i+1时刻的电池表面最大温度；t₁时刻的k_c取值为1；ΔT₁为设定的风量调整温度阈值；

(1-6)当电池表面最大温度T_max≤T_set-ΔT₂时，则电池管理系统控制风机停止运行，(T_set-ΔT₂)为控制风机停止运行的温度阀值；

否则转入步骤(1-5-4)。

本发明的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法首先获取电池管理系统传感器采集得到的电池的相关参数，通过相关参数计算电池单位时间内的发热量；根据电池的发热量，电池表面温度，电池包进出风口冷却空气的温度，以传热学理论为基础，计算电池表面单位时间的理论换热量；通过电池包进、出风口冷却空气温度和理论换热量，求出单位时间内的冷却风量；通过改变风机输出信号，使得风机输出计算冷却风量；根据电池表面温度变化趋势，对风机风量进行实时修正，确保电池温度变化平稳。

本发明根据电池发热量和电池换热量计算动力电池冷却所需风量，克服了冷却滞后的问题，具有提前控制效应。综合考虑计算确定的风量和反馈的电池表面温度，通过无极调速风机灵活地调节冷却风量，避免了冷却过度和冷却不足造成的温度频繁波动的问题，并使得电池温度始终维持在最优温度范围内，具有节能、降噪和冷却效率高的特点。

作为优选，所述m为3～6。

作为优选，所述T_set为32～37℃。

作为优选，所述Δt_i为2min～4min。

作为优选，b为1.02～1.2，b₁为0.81～0.99。

作为优选，ΔT₁为0.5～1℃。

作为优选，ΔT₂为2～4℃。

因此，本发明具有如下有益效果：

1、通过计算电池运行过程中的发热量和电池换热量确定冷却风机的冷却风量，避免了冷却系统冷却滞后、冷却不足和过度冷却的问题，提高了冷却系统的冷却效率。

2、通过无极调速式风机得到精确冷却风量，并结合电池表面温度变化趋势对风量进行反馈修正，避免了电池温度的频繁波动，甚至波动幅度过大导致的电池实际运行温度偏离最优温度范围的问题。

3、通过计算风量和反馈温度共同控制冷却风量，保证电池始终维持最优工作温度范围内，降低了风机能量消耗和风机的运行噪声。

附图说明

图1是本发明的实施例的一种流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，包括如下步骤：

步骤100，在动力电池测试台架上，利用电池充放电设备对动力电池进行充放电，获取动力电池在不同荷电状态参数SOC和温度下的开路电压值E，并将SOC、温度及相对应的开路电压值E存储在电池管理系统中；

步骤200，电池管理系统通过电流、电压以及温度传感器测量电池的工作电流I、电池的负载电压U、电池包进风口冷却空气的温度T_f，in和电池包出风口冷却空气的温度T_f，out，电池包内m个检测点处的电池表面温度T₁，T₂，。。。，T_m；本实施例中m=5；

步骤300，电池管理系统根据公式T_avr=(T₁+T₂+。。。+T_m)/m计算m个测量温度的平均值T_avr，计算温度的最大值T_max；并得到电池的荷电状态参数SOC；

步骤400，电池管理系统根据电池的SOC和电池的平均温度T_avr，在电池管理系统存储的数据中找到与当前电池SOC和平均温度相对应的电池开路电压E；

步骤500，当电池最大温度T_max大于预先设定在电池管理系统中的温度T_set时，电池管理系统计算冷却风量实际值

并控制风机按照冷却风量实际值

出风：

步骤501，在电池管理系统中设定t₀，t₁，t₂，…为等间隔排列的时刻，t_i为t₀，t₁，t₂，…中的任一个时刻，Δt_i=t_i+1-t_i；本实施例中Δt_i为2min；

步骤502，当电池最大温度T_max大于预先设定在电池管理系统中的温度T_set时，电池管理系统利用公式计算t₀～t₁时间段内电池发热量

步骤503，风机在t₁时刻启动；

步骤504，电池管理系统设定在t₁～t_i+1时间内，电池管理系统根据公式

计算t_i～t_i+1时间段内电池发热量

根据以下公式计算理论冷却风量：

$q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_i}=\frac{Q_{\mathrm{calc}}^{{\mathrm{\Δt}}_i}}{\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}\right)(T_{f,\mathrm{out}}^{\left(t_i\right)}-T_{f,\mathrm{in}}^{\left(t_i\right)})},$

$Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_i}=Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_{i-1}}+Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_{i-2}}-{\∫}_{t_{i-1}}^{t_i}\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}{q}_f^{\left(t\right)}\right)[T{\left(t\right)}_{f,\mathrm{out}}-T_{f,\mathrm{in}}\left(t\right)]\mathrm{dt}$

其中，当i=1时，理论冷却风量为：

$q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}=\frac{Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}}{\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}\right)(T_{f,\mathrm{out}}^{\left(t_1\right)}-T_{f,\mathrm{in}}^{\left(t_1\right)})}$

$Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}=Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_0}$

其中，c_p，t为空气的平均比热容，ρ_f为空气的平均密度，c_p，f和ρ_f为标准的空气热物性参数；

为t_i时刻的电池包入风口处空气温度；

为t时刻实际输出冷却风量；

为t_i到t_i+1时间内电池表面的综合对流换热量；

为t_i到t_i+1时间内计算电池的发热量；

步骤505，电池管理系统根据公式

计算Δt_i时间内的冷却风量实际值

电池管理系统控制风机在t_i到t_i+1时间内的出风量为

其中，k_c为根据电池表面最大温度在Δt_i时间内的变化量得到的风量修正系数，其值为：

为t_i时刻的电池表面最大温度，

为t_i+1时刻的电池表面最大温度；t₁时刻的k_c取值为1；ΔT₁为设定的风量调整温度阈值；

步骤600，当电池表面最大温度T_max≤T_set-ΔT₂时，则电池管理系统控制风机停止运行，(T_set-ΔT₂)为控制风机停止运行的温度阀值；

否则转入步骤504。

本实施例中b为1.2，b₁为0.9；ΔT₁为4℃，ΔT₂为3℃，T_set=36℃。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，包括如下步骤：

(1-1)在动力电池测试台架上，利用电池充放电设备对动力电池进行充放电，获取动力电池在不同荷电状态参数SOC和温度下的开路电压值E，并将SOC、温度及相对应的开路电压值E存储在电池管理系统中；

(1-2)电池管理系统通过电流、电压以及温度传感器测量电池的工作电流I、电池的负载电压U、电池包进风口冷却空气的温度T_{f， in}和电池包出风口冷却空气的温度T_f，out，电池包内m个检测点处的电池表面温度T₁，T₂，。。。，T_m；

(1-3)电池管理系统根据公式T_avr=(T₁+T₂+。。。+T_m)/m计算m个测量温度的平均值T_avr，计算温度的最大值T_max；并得到电池的荷电状态参数SOC；

(1-4)电池管理系统根据电池的SOC和电池的平均温度T_avr，在电池管理系统存储的数据中找到与当前电池SOC和平均温度相对应的电池开路电压E；

(1-5)当电池最大温度T_max大于预先设定在电池管理系统中的温度T_set时，电池管理系统计算冷却风量实际值

并控制风机按照冷却风量实际值

出风：

(1-5-1)在电池管理系统中设定t₀，t₁，t₂，…为等间隔排列的时刻，t_i为t₀，t₁，t₂，…中的任一个时刻，Δt_i=t_i+1-t_i；

(1-5-2)当电池最大温度T_max大于预先设定在电池管理系统中的温度T_set时，电池管理系统利用公式

计算t₀～t₁时间段内电池发热量

(1-5-3)风机在t₁时刻启动；

(1-5-4)电池管理系统设定在t_i～t₁₊₁时间内，电池管理系统根据公式

计算t_i～t_i+1时间段内电池发热量

根据以下公式计算理论冷却风量：

$q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_i}=\frac{Q_{\mathrm{calc}}^{{\mathrm{\Δt}}_i}}{\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}\right)(T_{f,\mathrm{out}}^{\left(t_i\right)}-T_{f,\mathrm{in}}^{\left(t_i\right)})},$

$Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_i}=Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_{i-1}}+Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_{i-2}}-{\∫}_{t_{i-1}}^{t_i}\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}{q}_f^{\left(t\right)}\right)[T{\left(t\right)}_{f,\mathrm{out}}-T_{f,\mathrm{in}}\left(t\right)]\mathrm{dt}$

其中，当i=1时，理论冷却风量为：

$q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}=\frac{Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}}{\left({\mathrm{\ρ}}_f{c}_{p,f}\right)(T_{f,\mathrm{out}}^{\left(t_1\right)}-T_{f,\mathrm{in}}^{\left(t_1\right)})}$

$Q_{\mathrm{calc}}^{\mathrm{\Δ}{t}_1}=Q_{\mathrm{heat}}^{\mathrm{\Δ}{t}_0}$

其中，c_p，f为空气的平均比热容，ρ_f为空气的平均密度，c_p，f和ρ_f为标准的空气热物性参数；

为t_i时刻的电池包入风口处空气温度；

为t时刻实际输出冷却风量；

为t_i到t_i+1时间内电池表面的综合对流换热量；

为t_i到t_i+1时间内计算电池的发热量；

(1-5-5)电池管理系统根据公式

计算Δt_i时间内的冷却风量实际值

电池管理系统控制风机在t_i到t_i+1时间内的出风量为

其中，k_c为根据电池表面最大温度在Δt_i时间内的变化量得到的风量修正系数，其值为：

T^(ti)为t_i时刻的电池表面最大温度，

为t_i+1时刻的电池表面最大温度；t₁时刻的k_c取值为1；ΔT₁为设定的风量调整温度阈值；

(1-6)当电池表面最大温度T_max≤T_set-ΔT₂时，则电池管理系统控制风机停止运行，(T_set-ΔT₂)为控制风机停止运行的温度阀值；

否则转入步骤(1-5-4)。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，所述m为3～6。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，所述T_set为32～37℃。

4.根据权利要求1所述的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，所述Δt_i为2min～4min。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，b为1.02～1.2，b1为0.81～0.99。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，ΔT₁为0.5～1℃。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的混合动力汽车车载动力电池的冷却控制方法，其特征是，ΔT₂为2～4℃。

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