CN106876826A - 锂电池组温度均衡控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池组温度均衡控制系统，包括：锂电池组，由多个锂电池堆并联而成，每个锂电池堆由多个锂电池单元串联而成；温度检测模块，用于测量所述多个锂电池单元的表面温度；温度计算模块，用于根据多个锂电池单元的表面温度计算锂电池组内的每个电池堆的平均温度；温度控制模块，用于根据平均温度和温度控制目标值得到每个电池堆的电流参考值；电流分配模块，用于根据每个电池堆的电流参考值和需用电流值得到每个电池堆的电流分配目标值；电流控制模块，用于实现各电池堆的电流分配目标值，从而对所述锂电池组进行温度均衡。本发明比基于散热的冷却系统具有更强的主动性和可靠性。

Description

锂电池组温度均衡控制系统
技术领域
本发明涉及锂电池应用领域，特别涉及一种锂电池组温度均衡控制系统。
背景技术
锂电池具有比能量高、比功率大、使用寿命长、无记忆效应、无污染等优点，日益广泛地应用于电子设备、电动汽车、轨道交通及航空航天等领域，但与此同时，其安全性问题也逐渐暴露出来。由锂电池引发的安全事故主要是由于电池的热失控引起的，当热量不能及时散出导致局部高温，便会引发电池漏液、变形、着火、甚至爆炸。因此，锂电池的安全性和热管理问题是制约其发展和应用的主要技术瓶颈。
相关技术中，通常是采用冷却系统对锂电池组进行散热的，其冷却系统包括主动冷却和被动冷却系统。主动冷却系统使用廉价空气或冷却液体在电池堆内进行强制对流散热，额外的流体输送装置增加了系统的能耗，并且其冷却效果容易受到环境温度的制约。被动冷却系统主要采用相变材料、热管技术等，其不足之处是电池单体可能被相变物质污染导致不能顺利充放电、出现故障时维修不便等。另外，主动冷却和被动冷却系统都无法避免地增加了系统的重量和体积，并且其散热能力都存在上限，无法从根本上解决温度过高和温度分布不均匀的问题，尤其是串行式主动冷却系统，更是人为地增加了温度分布的不均匀性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种锂电池组温度均衡控制系统。该锂电池组温度均衡控制系统比基于散热的冷却系统具有更强的主动性和可靠性，从系统结构来说，没有引入额外的流体或能耗，并且能够降低冷却系统的要求和负担。
为了实现上述目的，本发明公开了一种锂电池组温度均衡控制系统，包括：锂电池组、温度检测模块、温度计算模块、温度控制模块、电流分配模块和电流控制模块，其中，所述锂电池组由多个锂电池堆并联而成，每个锂电池堆由多个锂电池单元串联而成；所述温度检测模块，用于测量所述多个锂电池单元的表面温度；所述温度计算模块，用于根据所述多个锂电池单元的表面温度计算所述锂电池组内的每个电池堆的平均温度；所述温度控制模块，用于根据所述平均温度和温度控制目标值得到每个电池堆的电流参考值；所述电流分配模块，用于根据每个电池堆的电流参考值和需用电流值得到每个电池堆的电流分配目标值；所述电流控制模块，用于实现各电池堆的电流分配目标值，从而对所述锂电池组进行温度均衡。
根据本发明的锂电池组温度均衡控制系统，通过温度控制模块得到每个锂电池堆的电流参考值，从而限制和分配每个锂电池堆的电流以实现锂电池组的温度均衡控制，即从产热的源头来避免局部高温和热失控，比基于散热的冷却系统具有更强的主动性和可靠性，另外，从系统结构来说，设计简单实用，没有引入额外的流体或能耗，并且能够降低冷却系统的要求和负担。
另外，根据本发明上述实施例的锂电池组温度均衡控制系统还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述电流分配模块包括电流分配算法及其硬件实现。
进一步地，所述电流分配算法具体包括：电池堆的电流参考值为负值时，将所述电池堆的电流参考值重置为零；所有电池堆的电流参考值之和大于需用电流值时，各个电池堆的电流分配目标值按照电流参考值的权重分配，其中，分配后的所有电池堆的电流值之和等于需用电流值；所有电池堆的电流参考值之和小于等于需用电流值时，设置各个电池堆的电流分配目标值等于所述电流参考值。
进一步地，所述温度控制模块包括控制算法。
进一步地，所述控制算法包括PID控制方法和自抗扰控制方法。
进一步地，所述自抗扰控制算法包括PID控制器、扩张状态观测器、模型参数和扰动补偿算法，其观测和补偿的广义扰动包括电池模型内部不确定性和外部热源扰动作用。
进一步地，所述模型参数包括电池内阻，获取方式包括通过内阻测量装置实时测量、通过数值模拟方法近似计算。
进一步地，所述电流控制模块采用PID控制方法。
进一步地，所述温度检测模块包括多个温度传感器。
进一步地，所述锂电池组与锂电池组冷却系统相连。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的锂电池组温度均衡控制系统的结构图；以及
图2是根据本发明另一个实施例的锂电池组温度均衡控制系统的结构图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的锂电池组温度均衡控制系统。
图1是根据本发明一个实施例的锂电池组温度均衡控制系统的结构图。
如图1所示，根据本发明一个实施例的锂电池组温度均衡控制系统100，包括：锂电池组110、温度检测模块120、温度计算模块130、温度控制模块140、电流分配模块150和电流控制模块160。
其中，锂电池组110由多个锂电池堆并联而成，每个锂电池堆由多个锂电池单元串联而成。温度检测模块120用于测量多个锂电池单元的表面温度。温度计算模块130用于根据多个锂电池单元的表面温度计算锂电池组内的每个电池堆的平均温度。温度控制模块140用于根据平均温度和温度控制目标值得到每个电池堆的电流参考值。电流分配模块150用于根据每个电池堆的电流参考值和需用电流值得到每个电池堆的电流分配目标值。电流控制模块160用于实现各电池堆的电流分配目标值，从而对锂电池组进行温度均衡。
根据本发明的锂电池组温度均衡控制系统，通过温度控制模块得到每个锂电池堆的电流参考值，从而限制和分配每个锂电池堆的电流以实现锂电池组的温度均衡控制，即从产热的源头来避免局部高温和热失控，比基于散热的冷却系统具有更强的主动性和可靠性，另外，从系统结构来说，设计简单实用，没有引入额外的流体或能耗，并且能够降低冷却系统的要求和负担。
在一些实施例中，电流分配模块150包括电流分配算法及其硬件实现。进一步地，电流分配算法具体分为三种情况，包括：电池堆的电流参考值为负值时，将电池堆的电流参考值重置为零，其中，电池堆的电流参考值为负值即对应电池堆的温度高于控制目标值。所有电池堆的电流参考值之和大于需用电流值时，各个电池堆的电流分配目标值按照电流参考值的权重分配，其中，分配后的所有电池堆的电流值之和等于需用电流值。所有电池堆的电流参考值之和小于等于需用电流值时，设置各个电池堆的电流分配目标值等于所述电流参考值。
在一些实施例中，温度控制模块140包括控制算法。进一步地，控制算法包括PID控制方法和自抗扰控制方法。其中，自抗扰控制算法包括PID控制器、扩张状态观测器、模型参数和扰动补偿算法，其观测和补偿的广义扰动包括电池模型内部不确定性和外部热源扰动作用。模型参数包括电池内阻，获取方式包括通过内阻测量装置实时测量、通过数值模拟方法近似计算。这种采用自抗扰控制技术简化了面向控制的建模过程，并且在电池内部不确定性和外部热源扰动作用下系统具有强鲁捧性。
以锂电池组温度控制目标值为60℃为例，根据平均温度与控制目标值60℃之间的误差，通过控制算法实时计算出每个锂电池堆的电流参考值。采用自抗扰控制算法，电池内阻近似认为是电池荷电状态(SOC)的函数，通过估计SOC可以近似计算得到。或者，电池内阻还可以通过内阻测量装置实时测量得到。
在一些实施例中，电流控制模块160采用PID控制方法。变流电路装置采用已有的均衡控制装置(例如电压或SOC均衡控制DC/DC转换装置)来实现，通过调节占空比来控制每个电池堆的电流。例如可以设定一个温度阀值，变流电路装置在电池组平均温度低于温度阀值时用于电压或SOC均衡控制，在电池组平均温度高于温度阀值时用于温度均衡控制。当然，也可以采用其他的变流电路装置，例如外接电阻等。
在一些实施例中，温度检测模块120包括多个温度传感器。多个温度传感器可以置于多个锂电池单元的表面用于测量电池单元的表面温度，测量结果通过数模转换器实时传输给温度计算模块130。其中，锂电池单元的个数可以小于、等于或大于温度传感器的个数。
在一些实施例中，温度计算模块130可以采用较为复杂的计算方法，甚至可以计算温度分布情况，以增加每个锂电池堆平均温度近似结果的准确度。
结合图2所示，锂电池组110与锂电池组冷却系统200相连。即，锂电池组温度均衡控制系统100与锂电池组冷却系统可以结合应用。例如，设定空气冷却系统200的温度的控制目标值例如为40℃，空气冷却系统200的启动条件为整个锂电池组的平均温度大于控制目标值40℃，各电池堆的温度将均匀地控制在40℃至60℃之间。当各电池堆的温度趋近于60℃而需用电流值仍在持续增加时，空气冷却系统200的散热量达到上限，各电池堆的实际电流等于其电流参考值、其和小于等于需用电流值，此时锂电池组的实际产热量与冷却系统的最大散热量相平衡，从而实现限制温度、保证电池组的安全性的目的。在一些示例中，锂电池组温度均衡控制系统100还可以与其他类型的冷却系统结合应用，例如冷却液系统、相变材料、热管技术等。
根据本发明的锂电池组温度均衡控制系统，通过温度控制模块得到每个锂电池堆的电流参考值，从而限制和分配每个锂电池堆的电流以实现锂电池组的温度均衡控制，即从产热的源头来避免局部高温和热失控，比基于散热的冷却系统具有更强的主动性和可靠性，另外，从系统结构来说，设计简单实用，没有引入额外的流体或能耗，并且能够降低冷却系统的要求和负担。
另外，文中所描述的“PID控制方法”应理解为包括比例、微分、积分控制及其各种组合形式。
本发明实施例所描述的过程或方法可以不按所讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能；各功能单元可以集成在一个或多个模块中，也可以单独存在；可以具体实现在任何计算机可读介质中，可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，包括：锂电池组、温度检测模块、温度计算模块、温度控制模块、电流分配模块和电流控制模块，其中，
所述锂电池组由多个锂电池堆并联而成，每个锂电池堆由多个锂电池单元串联而成；
所述温度检测模块，用于测量所述多个锂电池单元的表面温度；
所述温度计算模块，用于根据所述多个锂电池单元的表面温度计算所述锂电池组内的每个电池堆的平均温度；
所述温度控制模块，用于根据所述平均温度和温度控制目标值得到每个电池堆的电流参考值；
所述电流分配模块，用于根据每个电池堆的电流参考值和需用电流值得到每个电池堆的电流分配目标值；
所述电流控制模块，用于实现各电池堆的电流分配目标值，从而对所述锂电池组进行温度均衡。
2.根据权利要求1所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述电流分配模块包括电流分配算法及其硬件实现。
3.根据权利要求2所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述电流分配算法具体包括：
电池堆的电流参考值为负值时，将所述电池堆的电流参考值重置为零；
所有电池堆的电流参考值之和大于需用电流值时，各个电池堆的电流分配目标值按照电流参考值的权重分配，其中，分配后的所有电池堆的电流值之和等于需用电流值；
所有电池堆的电流参考值之和小于等于需用电流值时，设置各个电池堆的电流分配目标值等于所述电流参考值。
4.根据权利要求1所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述温度控制模块包括控制算法。
5.根据权利要求4所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述控制算法包括PID控制方法和自抗扰控制方法。
6.根据权利要求5所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述自抗扰控制算法包括PID控制器、扩张状态观测器、模型参数和扰动补偿算法，其观测和补偿的广义扰动包括电池模型内部不确定性和外部热源扰动作用。
7.根据权利要求6所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述模型参数包括电池内阻，获取方式包括通过内阻测量装置实时测量、通过数值模拟方法近似计算。
8.根据权利要求1所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述电流控制模块采用PID控制方法。
9.根据权利要求1所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述温度检测模块包括多个温度传感器。
10.根据权利要求1-9任一项所述的锂电池组温度均衡控制系统，其特征在于，所述锂电池组与锂电池组冷却系统相连。
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