CN108110370B - 一种动力电池箱冷却结构及其控制方法 - Google Patents

一种动力电池箱冷却结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种动力电池箱冷却结构及其控制方法，涉及电池箱冷却技术，为了解决现有刚性管道长时间运行后可能会出现结构变形，冷却效率低的问题。该结构为相邻电池模组之间设有柔性水套，在电池箱箱体外部、两个小型蓄水箱之间采用外部水道连通，形成循环水路，沿着水流方向在外部水道上依次设置冷却水箱、换热器和水泵。该方法为采集电池模组的实际温度T(t)，计算T(t)与目标温度T1的差值e(t)，数字PID控制器计算输出电压u(t)，确定水泵电机输入电压的PWM波形U(t)，水泵电机根据U(t)输出相应转速n(t)，水泵输出相应压力F(n)。本发明适用于冷却电池。

Description

一种动力电池箱冷却结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池箱冷却技术。
背景技术
由于空间限制，电池组在电动汽车内部布置得比较紧凑，温度容易过高。如果没有合理的冷却措施，将导致电池组的温度上升，电池组充放电性能下降，电池出现过充过放，造成电池使用寿命缩短。目前采用的主要冷却方法有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却等。液体冷却因为冷却效果好，成为了许多电动车的优选方案。
专利申请201510591143.9及201710301415.6针对圆柱形电池的冷却水套，将水套设置成扁管形，呈波浪形布置在电池周边，波浪圆弧部分与圆柱形电池贴合，有效增大了接触面积，提高了冷却速率。但两者均是将刚性材料作为波浪管的管体，随着长时间的运行，管体会出现形变，导致贴合不再紧密而使得冷却效率大大下降，甚至由于结构变形，使得换热无法进行，导致电池冷却失败。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有刚性管道长时间运行后可能会出现结构变形，冷却效率低的问题，从而提供一种动力电池箱冷却结构及其控制方法。
本发明所述的一种动力电池箱冷却结构，用于对电池箱箱体1内部的电池模组2冷却，包括两个小型蓄水箱3、柔性水套4、冷却水箱6、换热器7和水泵8；
电池箱箱体1内部的两端分别设有一个小型蓄水箱3，两个小型蓄水箱3之间设有多组电池模组2，电池模组2由多个电池阵列形成，相邻电池模组2之间设有柔性水套4，柔性水套4的一端作为进水口与一个小型蓄水箱3连通，柔性水套4的另一端作为出水口与另一个小型蓄水箱3连通，在电池箱箱体1外部、两个小型蓄水箱3之间采用外部水道5连通，形成循环水路，沿着水流方向在外部水道5上依次设置冷却水箱6、换热器7和水泵8。
优选的是，还包括防磨套垫9；
柔性水套4与小型蓄水箱3接触处套有防磨套垫9。
优选的是，还包括导热胶10；
形成同一电池模组2的相邻电池间设有导热胶。
优选的是，外部水道5为铝合金材料。
优选的是，循环水路中的冷却液采用水与乙二醇混合物实现。
优选的是，柔性水套4采用橡胶套实现。
本发明所述的一种动力电池箱冷却结构的控制方法，该方法为利用数字PID控制器接收采集到的电池模组2的实际温度，来控制水泵8的输出转速及压力，具体包括以下步骤：
步骤一、初始化，令t＝2，u(1)、e(1)和e(0)均为0；
u(t)、e(t)分别为数字PID控制器输出电压、实际温度与目标温度的差值；
步骤二、采集电池模组2的实际温度T(t)；
步骤三、计算实际温度T(t)与目标温度T1的差值e(t)，e(t)＝T(t)-T1；
步骤四、判断e(t)是否小于或等于设定温度差Tμ，如果判断结果为是，则执行步骤八，否则执行步骤五；
步骤五、数字PID控制器计算输出电压u(t)，u(t)＝△u(t)+u(t-1)；
其中△u(t)＝kp[e(t)-e(t-1)]+kie(t)+kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]，kp、ki和kd分别为数字PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数；
步骤六、由u(t)和前馈f(T1)共同确定水泵电机输入电压的PWM波形U(t)，即U(t)＝u(t)+f(T1)；
步骤七、水泵电机根据U(t)输出相应转速n(t)，水泵输出相应压力F(n)；
步骤八、令t＝t+1，并返回步骤二。
优选的是，f(T1)＝KT1；
其中，K＝u1/T1，u1为系统开环且无前馈f(T1)时，T(t)设定为目标温度时数字PID控制器的输出电压。
优选的是，设定温度差Tμ为2℃～3℃。
本发明的一种动力电池箱冷却结构及其控制方法，冷却方式为液冷，冷却时，通过控制柔性水套内水压使其发生膨胀，来增大与电池的贴合面积，改变对电池的冷却速率。使用柔性水道后在足够的压力条件下可以使流道与电池实现更充分和可靠的接触和换热，提高了冷却效率，并且不会出现因结构变形引起的接触传热失败的问题。控制方法的逻辑简单，根据温度来调节冷却速率，在一定程度上节省了电池电能。
附图说明
图1是一种动力电池箱冷却结构的结构示意图；
图2是动力电池箱冷却结构的控制方法的流程图；
图3是动力电池箱冷却结构的控制方法的框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的
一种动力电池箱冷却结构，用于对电池箱箱体1内部的电池模组2冷却，包括两个小型蓄水箱3、柔性水套4、冷却水箱6、换热器7和水泵8；
电池箱箱体1内部的两端分别设有一个小型蓄水箱3，两个小型蓄水箱3之间设有多组电池模组2，电池模组2由多个电池阵列形成，相邻电池模组2之间设有柔性水套4，柔性水套4的一端作为进水口与一个小型蓄水箱3连通，柔性水套4的另一端作为出水口与另一个小型蓄水箱3连通，在电池箱箱体1外部、两个小型蓄水箱3之间采用外部水道5连通，形成循环水路，沿着水流方向在外部水道5上依次设置冷却水箱6、换热器7和水泵8。
小型蓄水箱3起冷却液分流作用。
本实施方式中，还包括防磨套垫9；
柔性水套4与小型蓄水箱3接触处套有防磨套垫9，防止水套膨胀时磨破。柔性水套4为导热性能较好的柔性材料。电池箱内部电池为圆柱形电池。
本实施方式中，还包括导热胶10；形成同一电池模组2的相邻电池间隙设有导热胶。导热胶能够弥补水套无法完全填充电池间隙的缺陷。冷却时，系统根据电池温度调节水泵电机转速，以改变冷却液的输出来调节柔性水套的压力条件，从而通过控制柔性水套与电池的接触面积，改变柔性水套对电池组的冷却速度。
本实施方式中，外部水道5为铝合金材料，循环水路中的冷却液采用水与乙二醇混合物实现，柔性水套4采用耐高温的橡胶套实现。
具体实施方式二：结合图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种动力电池箱冷却结构的控制方法，该方法为利用数字PID控制器接收采集到的电池模组2的实际温度，来控制水泵8的输出转速及压力，具体包括以下步骤：
步骤一、初始化，令t＝2，u(1)、e(1)和e(0)均为0；
u(t)、e(t)分别为数字PID控制器输出电压、实际温度与目标温度的差值；
步骤二、电池管理系统采集电池模组2的实际温度T(t)；
步骤三、计算实际温度T(t)与目标温度T1的差值e(t)，e(t)＝T(t)-T1；
步骤四、判断e(t)是否小于或等于设定温度差Tμ，如果判断结果为是，则执行步骤八，否则执行步骤五；
步骤五、数字PID控制器计算输出电压u(t)，u(t)＝△u(t)+u(t-1)；
其中△u(t)＝kp[e(t)-e(t-1)]+kie(t)+kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]，kp、ki和kd分别为数字PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数；
步骤六、由u(t)和前馈f(T1)共同确定水泵电机输入电压的PWM波形U(t)，即U(t)＝u(t)+f(T1)；
步骤七、水泵电机根据U(t)输出相应转速n(t)，水泵输出相应压力F(n)；
步骤八、令t＝t+1，并返回步骤二。
本实施方式中，f(T1)＝KT1；其中，K＝u1/T1，u1为系统开环且无前馈f(T1)时，T(t)设定为目标温度时数字PID控制器的输出电压。设定温度差Tμ为2℃～3℃。
水泵电机为直流电机，电机转速n与水泵压力F之间的关系为正相关函数。控制原理是通过压力控制，调节柔性水套与电池组之间的接触面积，从而控制电池组的冷却速度。控制器选用DSP控制器实现增量PID控制，且需要具备记忆装置，可记录前一时刻输出u(t)。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种动力电池箱冷却结构，用于对电池箱箱体(1)内部的电池模组(2)冷却，其特征在于，包括两个小型蓄水箱(3)、柔性水套(4)、冷却水箱(6)、换热器(7)和水泵(8)；
电池箱箱体(1)内部的两端分别设有一个小型蓄水箱(3)，两个小型蓄水箱(3)之间设有多组电池模组(2)，电池模组(2)由多个电池阵列形成，相邻电池模组(2)之间设有柔性水套(4)，柔性水套(4)的一端作为进水口与一个小型蓄水箱(3)连通，柔性水套(4)的另一端作为出水口与另一个小型蓄水箱(3)连通，在电池箱箱体(1)外部、两个小型蓄水箱(3)之间采用外部水道(5)连通，形成循环水路，沿着水流方向在外部水道(5)上依次设置冷却水箱(6)、换热器(7)和水泵(8)；
一种动力电池箱冷却结构还包括导热胶(10)；形成同一电池模组(2)的相邻电池间设有导热胶；
冷却时，系统根据电池温度调节水泵(8)电机转速，以改变冷却液的输出来调节柔性水套(4)的压力条件，从而通过控制柔性水套(4)与电池的接触面积，改变柔性水套(4)对电池组的冷却速度。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池箱冷却结构，其特征在于，还包括防磨套垫(9)；柔性水套(4)与小型蓄水箱(3)接触处套有防磨套垫(9)。
3.根据权利要求1所述的一种动力电池箱冷却结构，其特征在于，外部水道(5)为铝合金材料。
4.根据权利要求1所述的一种动力电池箱冷却结构，其特征在于，循环水路中的冷却液采用水与乙二醇混合物实现。
5.根据权利要求1所述的一种动力电池箱冷却结构，其特征在于，柔性水套(4)采用橡胶套实现。
6.上述任意一项权利要求所述的一种动力电池箱冷却结构的控制方法，其特征在于，该方法为利用数字PID控制器接收采集到的电池模组(2)的实际温度，来控制水泵(8)的输出转速及压力，具体包括以下步骤：
步骤一、初始化，令t＝2，u(1)、e(1)和e(0)均为0；
u(t)、e(t)分别为数字PID控制器输出电压、实际温度与目标温度的差值；
步骤二、采集电池模组(2)的实际温度T(t)；
步骤三、计算实际温度T(t)与目标温度T1的差值e(t)，e(t)＝T(t)-T1；
步骤四、判断e(t)是否小于或等于设定温度差Tμ，如果判断结果为是，则执行步骤八，否则执行步骤五；
步骤五、数字PID控制器计算输出电压u(t)，u(t)＝△u(t)+u(t-1)；
其中△u(t)＝kp[e(t)-e(t-1)]+kie(t)+kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]，kp、ki和kd分别为数字PID控制器的比例参数、积分参数和微分参数；
步骤六、由u(t)和前馈f(T1)共同确定水泵电机输入电压的PWM波形U(t)，即U(t)＝u(t)+f(T1)；
步骤七、水泵电机根据U(t)输出相应转速n(t)，水泵输出相应压力F(n)；
步骤八、令t＝t+1，并返回步骤二。
7.根据权利要求6所述的动力电池箱冷却结构的控制方法，其特征在于，f(T1)＝KT1；
其中，K＝u1/T1，u1为系统开环且无前馈f(T1)时，T(t)设定为目标温度T1时数字PID控制器的输出电压。
8.根据权利要求6所述的动力电池箱冷却结构的控制方法，其特征在于，设定温度差Tμ为2℃～3℃。
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