CN108063298A - 一种电池组温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组温度控制系统及其控制方法，包括：电池箱、储热箱、散热箱、温度传感器、主控制器、电磁阀、储能介质和导热元件，储能介质储存于储热箱体和散热箱体内，导热元件包括超导热管、超导热管支管和金属导热片，导热元件用于将电池组发出的热量传导至储热箱体内，电磁阀设置在储热箱和散热箱之间的连接管路中，主控制器用于根据电池箱和储热箱中温度传感器检测到的温度向电磁阀发送控制指令。本发明通过主控制器控制电磁阀的开启和关闭来切换温度控制系统的储热模式和散热模式，从而调节电池组的温度。本系统能够适应冬天、夏天等不同的使用环境，有利于提升动力电池的工作性能，具有节能环保的特点。

Description

一种电池组温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车动力电池热管理技术，尤其涉及一种电动汽车动力电池温度调节系统。

背景技术

动力电池是电动汽车中的主要储能元件和关键部件。动力电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本，另一方面决定着电动汽车的动力性和续驶里程。锂离子电池因其比能量高、体积小、循环寿命长、环境污染小等优点在未来将取代镍氢等电池成为电动汽车主要动力来源。锂离子电池在使用的过程中对温度的要求异常严格，温度过高或过低都会造成动力电池性能的大幅度衰减。当温差为5℃,10℃和15℃时，在相同充电条件下，电池组的荷电态分别下降10％，15％和20％，温差的变化会影响电池的整体寿命和稳定性。同时锂离子电池在使用过程中产生大量的热，过高的温度影响电池性能的同时也会产生相应的安全问题。在电动汽车热管理上，传统的电动汽车都需要配备专门的冷却系统和加热系统对动力电池的温度进行调节，而目前的冷却系统和加热系统都需要消耗电池大量的电能，这会缩短电动汽车的里程数，这也和电动汽车环保的主体不符，因而设计一种不需要消耗电能的温度控制系统显得十分必要。

在众多传热元件中，热管是最有效传热元件之一。热管是一种利用相变高效率传热的热传导元件，它将传热介质，如水、水银、萘、乙醚等材料封闭在真空金属管中制成的传热元件。它可以将大量热量通过很小的传热面远距离输送而无需使用外加动力。在所有固体中，金属银是最好的热导体，常规热管的导热系数是银的200-3000倍。超导热管是以无机元素为导热介质，将数十种无机热超导材料密封在管状或片装夹层物理的空隙中制成的传热元件，易称无机传热元件。它利用具有超常的热活性和热敏感性的超导介质以分子震荡形式来传递热量的一种传热，这种热超导介质在一定条件下被激活，它的超强导热性能使其导热系数是一般金属的一万倍左右，是普通热管的十倍左右，在传导方向上几乎没有温度的衰减并能以极快的速度传递。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请采用超导热管将动力电池工作时产生的多余的热存储起来，并在温度降低时提供热量，从而使动力电池处于一个较小幅度的温度范围内。

本发明提供了一种电动汽车动力电池组温度控制系统，包括：电芯组、电池箱、储热箱、散热箱、主控制器、电磁阀、储能介质和超导热管，其中，

所述电芯组的各电芯固定排布于电池箱内；

所述电池箱和储热箱分开设置，电池箱和储热箱之间通过超导热管连接，其中，所述超导热管的一端插入电池箱内，另一端插入储能箱中，用于电池箱和储热箱之间的热交换。

所述储能介质储存于储热箱和散热箱中，优选地，选取液体作为储能介质；

所述储热箱和散热箱通过管路连接，储热介质中储存的能量通过管路在储热箱和散热箱之间传递；所述储热箱和散热箱之间的连接管路中设置有电磁阀，用于控制储热箱和散热箱中储热介质的流动；

所述电池箱和储热箱中均设有温度传感器，所述温度传感器连接主控制器，所述主控制器用于根据温度传感器检测到的温度向所述电磁阀发送控制指令。

进一步地，所述电池箱内还设有超导热管支管和金属导热片，电池箱内电芯组的各电芯设置于金属导热片之间，所述超导热管支管连接金属导热片和超导热管，用于实现电芯和超导热管之间快速的热交换。

具体地，所述金属导热片为平板状的金属箔片，如铜箔、铝箔或其它金属箔片；

具体地，所述电池箱内设有多个超导热管支管，所述金属导热片固定在超导热管支管上，金属导热片的一端与超导热管支管接触并冶金结合；

具体地，所述超导热管的一端与超导热管支管连接，另一端插入储热箱内的储能介质中；

具体地，所述超导热管和超导热管支管为空心圆形或矩形结构的无机量子超导热管传热元件，连接电池箱和储热箱的超导热管至少为一根，所述超导热管和超导热管支管为一体结构；

具体地，由于连接各电芯和储能介质之间的导热元件采用了超导热管材料，使得电芯与储能介质之间实现了快速的热交换；

具体地，由于超导热管的等温特性，电芯的温度与插入储热箱中的超导热管一端温度大致相同，由于储能箱中选取液体作为储能介质，液体具有流动性，能够与超导热管充分热交换，使得电芯产生的热量能够快速传递至储热箱内的储能介质中。

进一步地，在优选情况下，选取水作为储能介质，所述储能介质还包括添加有溶质的水溶液或其它具有高比热容的液体。

进一步地，所述电池箱的箱体外壁设有隔热装置，能够隔绝电池箱与外界环境之间的热交换，另一方面，隔热装置能够减小由于电池箱与外界环境接触而导致电池箱体各电芯之间存在温差的风险，所述隔热装置包括设置保温层、采用真空夹层结构或其它保温方法。

进一步地，所述储热箱的箱体外壁设有隔热装置，用于隔绝储热箱与外界环境之间的热交换，所述隔热装置包括采用真空夹层结构以及镀银，或设置保温层等其它保温方法。

进一步地，所述散热箱的箱体采用薄壁设计和增大箱体表面积等其它方法，便于散热箱与外界环境之间的热交换。

进一步地，所述散热箱设置于储热箱的上端，所述散热箱上设有加液口，所述储热箱上设有排液口，便于液体储能介质的排液和加液；

具体地，动力电池组需要保持一定的温度，通过添加不同温度的储能介质，可以方便周期性的对电芯温度进行控制。

进一步地，所述电池组温度控制系统还包括与主控制器双向连接的人机界面，通过人机界面能够方便的了解电池箱和储热箱中的温度，同时还能够通过人机界面控制电磁阀的开启和关闭，便于对电池箱和储热箱中的温度进行调节。

进一步地，裸露在外界环境中的超导热管部分通过保温材料包裹，减小电池箱体、导热管与外界环境进行热交换的风险。

一种动力电池组温度控制方法，基于上述的电池组温度控制系统，方法包括：

冬季在动力电池组长时间未运行或充电情况下，为保持电池组处于合适的温度，通过散热箱体上的加液口添加不同温度的储能介质，对电芯工作温度进行控制；

冬季在动力电池组正常运行的情况下，

主控制器接收电池箱体和储热箱体中温度传感器发送的温度信号；

主控制器根据温度传感器检测到的温度向电磁阀发送控制指令，包括：

主控制器在温度传感器检测到的电池箱体或储热箱体中温度高于预设的最高温度时，控制电磁阀的开启；

主控制器在温度传感器检测到的电池箱体或储热箱体温度低于预设的最低温度时，控制电磁阀的关闭。

夏季电池组正常工作情况下，通过人机界面或主控制器控制电磁阀处于常开状态。

本发明还提供一种电动汽车，所述电动汽车的动力电池组温度控制系统基于上述电池组温度控制系统。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明能够适应冬天、夏天等不同的使用环境；冬天时，动力电池组工作时产生的热量储存在储热箱体内，由于储热箱体和电池箱体具有保温结构，在动力电池组未工作时，储热箱体中储存的热量又可用于加热电池组，使电池组始终保持在合适的温度范围内；夏天时，阀体处于常开状态，使储热箱体和散热箱体连通，储热箱体内的热量通过散热箱体散出；不管是冬季电池组的加热，还是夏季电池组的冷却，整个温度调节系统利用的只是电池组的余热，不需要电池额外的能源消耗，具有节能环保的特点；

(2)本发明通过控制电磁阀的开启和关闭，能够切换电池组温度控制系统的加热和冷却，从而使电池组始终处于一个较小幅度的温度范围内；

(3)本发明通过在散热箱体上设置加液口，储热箱体上设置排液口，能够方便的对电池组的温度进行调节，即使在特殊情况下，如电池组长时间未运行，外界温度较低，但电池组充电过程中或启动时均需要保持合适的温度，可通过添加合适温度的储能介质来调节电池组的温度，有利于提升动力电池的性能。

(4)本发明设计巧妙，结构简单，采用热管或超导热管能够将电池组的热量快速地传导出去，若将水作为储能介质，能够方便的加液和放液，便于温度的控制和节省成本。

(5)本发明通过采用人机交互界面能够实时了解及调节电池箱体中电池组的温度，通过主控制器能够自动快速切换电池组的加热模式和冷却模式，本系统具有手动和自动两种调节方式，适用于复杂的外界环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例中的电池组温度控制系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中的电池组温度控制系统简化后的结构示意图；

其中，1-电池箱，2-储热箱，3-超导热管，4-超导热管支管，5-金属导热片，6-散热箱，7-管路，8-电磁阀，9-储能介质，10-温度传感器，11-主控制器，12-人机界面，21-排液口，61-加液口。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。

本文中，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“横向”、“纵向”的方位术语是相对于附图中的电池箱、储热箱、散热箱、超导热管和超导热管支管在安装使用后的方位或者相对附图中所示的方位来定义的，并且，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据电池组温度控制系统的方位的变化而相应地发生变化。

图1是本发明提供的电池组温度控制系统的结构图。

从图1可见，本发明提供了一种电池组温度控制系统，包括：电池箱1、储热箱2、散热箱6、主控制器11和超导热管3。

所述电池箱1为电动汽车用锂电池箱，锂电芯组的各锂电芯固定排布于电池箱1内。

所述电池箱1与储热箱2通过超导热管3连接，所述超导热管3的一端插入电池箱1内，另一端插入储热箱2中。

所述储热箱2和散热箱6中均储存有储能介质9，所述储能介质9为液体储能介质，所述散热箱6设置在储热箱2的上端，散热箱6与储热箱2 之间通过管路7连接，所述管路7中设有电磁阀8。

所述电池箱1和储热箱2中均设有温度传感器10，所述温度传感器10 连接主控制器11，所述主控制器11用于根据温度传感器10检测到的温度向所述电磁阀8发送控制指令。

所述电池箱1内还设有多个超导热管支管4和多个平板状的金属导热片5，电芯组的各电芯设置于金属导热片5之间，所述超导热管支管4连接金属导热片5和超导热管3，其中，所述金属导热片5的一端固定在电池箱 1内横向排列的各超导热管支管上，所述各横向排列的超导热管支管之间还通过至少1纵向排列的超导热管支管相互连接。

在一个可选的实施例中，金属导热片5选取平板状的铜箔，超导热管3 和超导热管支管4选取空心矩形结构的无机量子超导热管，所述金属导热片5的一端与其中一横向排列的超导热管支管充分接触并冶金结合，所述超导热管3插入电池箱1内的一端与纵向排列的超导热管支管接触并冶金结合，另一端插入储能箱2中，采用以上结构能够使各电芯与超导热管3 之间实现快速的热交换，将各电芯的热量迅速传递至储热箱2中。

在一个可选的实施例中，储能介质9选取水作为储能介质，储能介质9 能够将各电芯经金属导热片5、超导热管支管4和超导热管3传递至储能箱 2中的热量储存起来，通过控制储能箱2和散热箱6之间的连接管路7中的电磁阀8，能够控制储能介质9在储热箱2和散热箱6之间的流动。

在一个可选的实施例中，设于电池箱1中的温度传感器10设置在超导热管支管4上，由于各超导热管支管4之间相互连接，电芯组的热量能够在各超导热管支管之间相互传导，从而使各电芯之间温度均匀，避免存在温度差，同时温度传感器10设置在超导热管支管上，使得检测的电池箱1 内的温度更加准确。

所述电池箱1和储热箱2的外壁设有隔热装置，能够减小电池箱1和储热箱2与外界环境之间的热交换。

在一个可选的实施例中，所述电池箱1的外壁设有保温层，所述储热箱2的箱体采用真空夹层结构，以及镀银，从而形成类似热水瓶的保温结构，电池箱1外壁的保温层一方面减少冬季时电池箱1与外界环境的热交换，另一方面也能够减少由于电池箱1与外界接触而导致电池箱1内各电芯之间存在温差的风险。

所述散热箱6设置在储热箱2的上端，散热箱6采用厚度低于3mm的金属箱体，当电磁阀8打开，散热箱6和储热箱2处于连通状态，储热箱2 中热的储能介质上浮，散热箱6中的温度低的储能介质下沉，从而降低电池组的温度，由于散热箱6的箱体较薄，散热箱6中的储能介质9能很快地与外界环境进行热交换。

在一个可选的实施例中，所述散热箱6的上端设有加液口61，所述储热箱2的下端设有排液口21。

在一个可选的实施例中，所述超导热管3裸露在外界环境中的部分通过保温材料包裹，减小电池箱1、超导热管3与外界环境进行热交换的风险。

在一个可选的实施例中，所述电池组温度控制系统还包括与主控制器 11双向连接的人机界面12，通过人机界面12能够方便的了解电池箱1和储热箱2中的具体温度，同时还能够通过人机界面12控制电磁阀8的开启和关闭，便于对电池箱1和储热箱2中的温度进行调节。

所述主控制器11和普通的单片机一样,由微处理器(CPU)、存储器 (ROM、、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成；所述人机界面12和普通的触摸显示屏一样，包括LCD、 LED等类型的显示屏。

下面，就本发明提供的电池组温度控制系统的工作过程进行详细阐述：

参见图1，先看电池组热量的传递过程：电池箱1中电池组的各电芯散发的热量通过金属导热片5、超导热管支管4和超导热管3快速的传递至储热箱2中的储能介质中，使得电池组处于一个较小幅度的温度范围内，当主控制器11通过温度传感器10检测到电池箱1和储热箱2中的温度高于电池组正常工作的温度时，控制电磁阀8的开启，由于散热箱6设置在储热箱2的上端，储热箱2中较热的储能介质通过连接管路7上浮至散热箱6 中，散热箱6中温度较低的储热介质下沉至储热箱2中，使得储热箱2又可以储存电芯组发出的热量。

下面对主控制器11在温度较低的冬季和温度较高的夏季控制电磁阀8 的过程进行说明。

冬季时，外界环境温度较低。不管是电动汽车正常工作状态、充电状态或未工作状态，为了保持电芯内化合物的活性均需要保持电池组处于合适的温度范围。在冬季电动汽车正常工作时，电池组发出的热量经金属导热片5、超导热管支管4和超导热管3传导至储热箱2中，电池组处于一个较小幅度的温度范围内，由于超导热管的等温特性，电池箱1与储热箱2 近似为等温体；当主控制器11检测到电池箱1和储热箱2中的温度超出电池组预设的最高温度时，控制电磁阀8开启，用于电池组的冷却，当主控制器11检测到电池箱1和储热箱2中的温度低于电池组预设的最低温度时，控制电磁阀8的关闭，当动力电池组停止工作时，由于电池箱1和储热箱2 采用了保温结构，储热箱2中储存的热量能够维持电池组在较长一段时间内保持在合适的温度范围；在冬季电动汽车长时间处于未工作状态时，为了保持电池组处于合适的温度范围，可先通过排液口21将储热箱2和散热箱6中的储能介质排出，再通过加液口61向储热箱2中加入合适温度的储能介质，用于电池箱1中电芯组的加热，由于电池箱1和储热箱2采用了保温结构，能够维持电芯组在较长一段时间内保持在合适的温度范围内。

夏季时，外界环境温度较高。为了保持电池箱1内电池组处于合适的温度范围，通过主控制器11控制电磁阀8处于常开状态，电池组发出的热量经金属导热片5、超导热管支管4和超导热管3传导至储热箱2中的储能介质中，储热箱2中的热量经管路7传导至散热箱6中，散热箱6中的热量经散热箱6散发到外界环境中。当在特殊情况下，如外界环境温度高于电池组能承受的最高温度，同时主控制器11通过温度传感器10检测到电池箱1和储热箱2中的温度高于预设的最高温度，可通过加液口61向储热箱2中加入温度较低的储能介质，达到降低电池组温度的要求。

本发明提供的电池组温度控制系统能够实现不需要消耗额外的电能来控制动力电池的加热和冷却，从而节约能源，提高电动汽车的里程数。

根据本发明的另一实施例，提供了一种电池组温度控制系统控制方法，基于上述的电池组温度控制系统，方法包括：

冬季电动汽车正常工作情况下，

主控制器接收电池箱和储热箱中温度传感器发送的温度信号；

主控制器根据温度传感器检测到的温度向电磁阀发送控制指令。

进一步地，所述主控制器根据温度传感器检测到的温度向电磁阀发送控制指令，包括：

主控制器在温度传感器检测到的电池箱体或储热箱体中温度高于预设的最高温度时，控制电磁阀的开启；

主控制器在温度传感器检测到的电池箱体或储热箱体中温度低于预设的最低温度时，控制电磁阀的关闭。

例如，预设的最高温度可以是50℃，预设的最低温度可以是10℃。

夏季电池组正常工作情况下，

通过人机界面或主控制器控制电磁阀处于常开状态。

根据本发明的另一实施例，提供了一种电动汽车，所述电动汽车的动力电池组温度控制系统基于上述电池组温度控制系统。

综合上述，本发明提供了一种电池组温度控制系统，包括：电池箱、储热箱、散热箱、导热元件、连接管路、电磁阀、主控制器、温度传感器、储能介质和人机界面，电池箱和储热箱通过导热元件连接，储热箱和散热箱通过连接管路连接，连接管路中设有电磁阀，电池箱和散热箱中设有温度传感器，主控制器通过温度传感器检测到的温度向所述电磁阀发送控制指令，使用人员通过人机界面监测电池箱和储热箱中的温度。本发明通过导热元件将电池组散发的多余的热储存起来，并在电池组需要加热时提供热量，解决了现有的电池组温度控制需要消耗电能，降低电动汽车的里程数的问题，保证了动力电池始终处于合适的温度范围，有利于提高动力电池的工作性能，适用于冬季、夏季等不同的使用环境。

以上例子主要说明了本发明提供的系统和方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种电池组温度控制系统，包括电芯组和电池箱(1)，电芯组的各电芯固定排布于电池箱(1)内，其特征在于，还包括：储热箱(2)和超导热管(3)，其中，

所述电池箱(1)和储热箱(2)分开设置，所述超导热管(3)的一端插入电池箱(1)内，另一端插入储能箱(2)中，用于电池箱(1)和储热箱(2)之间的热交换；

所述电池箱(1)和储热箱(2)均设有隔热装置，用于减小电池箱(1)和储热箱(2)与外界环境之间的热交换。

2.根据权利要求1所述的电池组温度控制系统，其特征在于，所述电池箱(1)内还设有超导热管支管(4)和平板状的金属导热片(5)，电芯组的各电芯设置于金属导热片(5)之间，所述超导热管支管(4)连接金属导热片(5)和超导热管(3)。

3.根据权利要求1所述的电池组温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统还包括与储热箱(2)相连接的散热箱(6)，所述储热箱(2)和散热箱(6)通过管路(7)连接，所述管路(7)中设有电磁阀(8)。

4.根据权利要求3所述的电池组温度控制系统，其特征在于，所述储热箱(2)和散热箱(6)中均设有储能介质(9)，所述储能介质(9)包括水或其它具有高比热容的液体。

5.根据权利要求3所述的电池组温度控制系统，其特征在于，所述散热箱(6)设置在储热箱(2)的上端，其中，所述散热箱(6)上设有加液口(61)，所述储热箱(2)上设有排液口(21)。

6.根据权利要求3所述的电池组温度控制系统，其特征在于，所述电池箱(1)和储热箱(2)中均设有温度传感器(10)；所述温度控制系统还包括与温度传感器(10)相连接的主控制器(11)。

7.根据权利要求6所述的电池组温度控制系统，其特征在于，所述主控制器(11)的信号输入端与温度传感器(10)相连接，所述主控制器(11)的信号输出端与电磁阀(8)相连接，所述主控制器(11)根据温度传感器(10)检测到的温度向所述电磁阀(8)发送控制指令。

8.一种基于权利要求1-7中任一所述的电池组温度控制系统的电池组温度控制方法，其特征在于，包括：

冬季电池组正常工作时，

主控制器接收电池箱和储热箱中温度传感器发送的温度信号；

主控制器根据温度传感器检测到的温度向电磁阀发送控制指令；

夏季电池组正常工作时，

主控制器控制电磁阀处于常开状态。

9.根据权利要求8所述的电池组温度控制方法，其特征在于，所述主控制器根据温度传感器检测到的温度向电磁阀发送控制指令，包括：

主控制器在温度传感器检测到的电池箱或储热箱中的温度高于预设的最高温度时，控制电磁阀的开启；

主控制器在温度传感器检测到的电池箱或储热箱中的温度低于预设的最低温度时，控制电磁阀的关闭。

10.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的电池组温度控制系统。