CN110828943A

CN110828943A - 一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统及方法

Info

Publication number: CN110828943A
Application number: CN201911131992.0A
Authority: CN
Inventors: 牛慧昌; 姬丹; 徐永君; 姜羲
Original assignee: Institute of Industry Technology Guangzhou of CAS
Current assignee: Institute of Industry Technology Guangzhou of CAS
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本发明公开了一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统及方法，其包括电池箱体、温度采集模块、自动控制模块、制冷室；所述电池箱体内设有冷却导向通道以及若干间隔设置的电池模组，所述冷却导向通道设置在所述电池箱体的内下部，所述冷却导向通道的进气口与所述制冷室连通且所述冷却导向通道的出气口朝向所述电池模组，所述制冷室内设置有半导体制冷模块以及箱体进气口，同时公开了一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统进行的的方法。本发明冷却效率高，装置以空气为介质，自重小，无需液体冷却介质。

Description

一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统及方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车动力电池技术领域，具体涉及一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统及方法。

背景技术

由于全球范围内的能源危机和环境污染问题，全社会正在积极推进以低能耗、低排放为特点的新能源汽车的发展。新能源汽车以电池为能源储存的载体，通过电机产生驱动力从而推动汽车的行驶。新能源汽车动力电池在充电和行驶过程中，会因电流产生热量，这些热量如果不能及时地疏散出去，就会在电池箱内部积累，造成电池温度升高。当温度升高至超过电池运行的最佳温度范围时，会对电池性能造成破坏，影响其使用寿命；如果温度升至更高的阶段，会造成电池内部隔膜融化从而引发热失控，甚至造成大规模汽车火灾。另一方面，如果电池运行环境温度过低(这种情况常见于北方的冬天)，低温会导致电池容量降低，充放电性能均显著下降，因此低温同样会使电池无法发挥其最优性能。所以，有必须在电池温度过高或者过低时，采取技术措施对电池箱内部温度进行管理和控制。电池热管理系统可以对动力电池的运行温度加以调控，从而保证电池工作在舒适的环境温度范围内，避免电池热失控和火灾事故的发生。

新能源汽车电池系统最为常见的热管理方式为风冷散热、液冷散热、冷媒直冷技术三种，这些温度管理的方式各有优缺点，适用于不同类型的新能源汽车电池系统上。风冷散热系统的设计相对简单，但是效率比较低；液冷系统的散热效率较高，然而因为需要增加冷却板、管道、液体介质等造成冷却系统自重较大，降低了电池系统的能量密度；冷媒直冷技术因价格昂贵多数应用在高端汽车上。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统及方法，冷却效率高，装置以空气为介质，自重小，无需液体冷却介质。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其包括电池箱体、温度采集模块、自动控制模块、制冷室；所述电池箱体内设有冷却导向通道以及若干间隔设置的电池模组，所述冷却导向通道设置在所述电池箱体的内下部，所述冷却导向通道的进气口与所述制冷室连通且所述冷却导向通道的出气口朝向所述电池模组，所述制冷室内设置有半导体制冷模块以及箱体进气口，所述温度采集模块用于获取所述电池模组内各单体电池的表面温度信息，并将表面温度信息传输到所述自动控制模块，所述自动控制模块根据接收到的表面温度信息控制所述半导体制冷模块对从所述箱体进气口进入的空气进行冷却，电池箱体设有箱体出气口，所述箱体出气口设置在相对所述制冷室的另一侧的上部。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，进一步地，所述半导体制冷模块包括制冷片和给所述制冷片提供电源的直流电源；所述制冷片包括两平行间隔设置的绝缘体，两所述绝缘体的内侧设有若干组NP模块，所述NP模块包括依次电性连接的金属导体，N型半导体、金属导体、P型半导体，所述金属导体分别附着在两所述绝缘体的内侧上。

根据权利要求2所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述半导体制冷模块还包括一H桥驱动电路，所述H桥驱动电路包括两组NPN型三极管和两组PNP型三极管，两组所述NPN型三极管的发射极相连，两组所述PNP型三极管的发射极相连，所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的集电极相连，所述制冷片的两端分别连接在所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的集电极相连的线路上；所述直流电源施加在所述H桥驱动电路的两端。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，进一步地，所述电池箱体的外侧设置有散热器，一所述绝缘体为冷端且与从所述箱体进气口进入的空气接触，另一所述绝缘体为热端且与所述散热器接触。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，进一步地，所述散热器为多肋片散热器结构散热装置。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，进一步地，所述制冷室设置有送风风机和隔板，所述自动控制模块与所述送风风机控制信号连接，所述隔板将所述制冷室分隔形成U形通道。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，进一步地，所述温度管理模块包括温度传感器以及测温导线，所述温度传感器布置在所述单体电池的侧面并通过所述测温导线与所述自动控制模块控制信号连接。

一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统进行的的方法，其包括：

温度传感器检测电池模组内各单体电池的表面温度信息；当自动控制模块判断表面温度信息高于电池模组的预设温度范围时，自动控制模块则发出指令驱动送风风机开启以及半导体制冷模块开始制冷；当自动控制模块判断表面温度信息在电池模组的预设温度范围内时，自动控制模块则发出指令关闭送风风机以及半导体制冷模块。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理方法，进一步地，通过控制流过H桥驱动电路的电流的方向来控制制冷片制冷或制热。

如上所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理方法，进一步地，通过控制施加在制冷片的电流大小来控制制冷效果，或通过控制施加在送风风机的电流大小来控制送风风机的风速。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本发明冷却效率高，与现有风冷系统相比，冷却介质的温度低于环境温度，低温空气在进入电池箱后与高温电池进行热交换的效率高；

2、本发明烦人装置自重小，与现有液冷系统相比，该装置无需液体冷却介质，节省了装置负载重量；以空气为介质，质量轻；

3、本发明工作温度范围广，可以在-40-70℃工作，且能直接由直流电驱动；

4、本发明同时具有冷却和加热功能，基于珀尔帖效应，可以通过改变电流方向实现冷却和加热功能。

附图说明

图1为本发明实施例的电池箱温度管理系统的结构示意图；

图2为电池箱温度管理系统的俯视图；

图3为自动控制模块与各硬件的连接原理图；

图4为实施例的制冷片的结构示意图；

图5为实施例的带有H桥驱动电路的半导体制冷模块的结构示意图；

图中：100、电池箱体；101、电池模组；102、箱体进气口；103、送风风机；104、隔板；105、条缝口；106、冷却导向通道；107、箱体出气口；

200、控制箱；201、自动控制模块；202、直流电源；203、温度传感器；204、测温导线；

300、半导体制冷模块；301、冷端；302、热端；303、N型半导体；304、P型半导体；305、金属导体；306、绝缘体；307、三极管；308、散热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其包括电池箱体100、温度采集模块、自动控制模块201、制冷室。电池箱体100内设有冷却导向通道106以及若干间隔设置的电池模组101，电池模组101是由多个电池单体按照一定的串并联规则连接在一起。冷却导向通道106设置在电池箱体100的内下部，冷却导向通道106的进气口为附图中的条缝口105，其与制冷室连通。冷却导向通道106的出气口朝向电池模组101，冷却导向通道106是由多块布气板合围形成一个方形冷却室，设有进、出气口，进气口连接的是制冷室，低温气流自制冷室进入方形冷却室然后从出气口排出，出气口面积较大，开口朝向电池模组101。制冷室设置在电池箱体100的前端，制冷室设置有半导体制冷模块300以及箱体进气口102，半导体制冷模块300紧贴设置于该制冷室的外侧且与设进气口相邻，温度采集模块用于获取电池模组101内各单体电池的表面温度信息，并将表面温度信息传输到自动控制模块201，自动控制模块201根据接收到的表面温度信息控制半导体制冷模块300对从箱体进气口102进入的空气进行冷却，电池箱体100设有箱体出气口107，箱体出气口107设置在相对制冷室的另一侧的上部。经过冷却的空气在流经电池模组101的过程中，同时有自下而上的流动，因为冷空气密度相对较高，因此自下而上的流动速度更低，冷空气与电池模组101接触时间更长，对电池的冷却效果更佳。自动控制模块201和直流电源202放置在控制箱200内，控制箱200设置在与半导体制冷模块300同一侧面上。

进一步地，制冷室设置有送风风机103和隔板104，自动控制模块201与送风风机103控制信号连接，隔板104将制冷室分隔形成U形通道，U形通道将空气拐角引导进入冷却导向通道106，可以优化电池箱体100内的布局，减少制冷室的面积。

进一步地，温度管理模块包括温度传感器203以及测温导线204，温度传感器203布置在单体电池的侧面并通过测温导线204与自动控制模块201控制信号连接。温度传感器203优选为K型裸端热电偶，对各个电池表面温度分布进行实时测量，以实时监控电池箱体100内部的温度分布情况。

进一步地，电池模组101优选为不同材料体系的单体电池按照一定的串并联方式连接在一起，一个电池模组101所包含的电池单体的数量不一，一般根据用电需求设定，可以为5个，也可以为多个。

进一步地，自动控制模块201可以为IAP15W4K58S4型单片机，单片机内设嵌入式程序，具备逻辑判断，数据存储，发出指令等功能。

进一步地，半导体制冷模块300包括制冷片和直流电源202。制冷片包括两平行间隔设置的绝缘体306，两绝缘体306的内侧设有若干组NP模块，NP模块包括依次电性连接的金属导体305，N型半导体303、金属导体305、P型半导体304，金属导体305分别附着在两绝缘体306的内侧上。半导体制冷模块300还包括一H桥驱动电路，H桥驱动电路包括两组NPN型三极管和两组PNP型三极管，两组NPN型三极管的发射极相连，两组PNP型三极管的发射极相连，NPN型三极管的集电极与PNP型三极管的集电极相连，制冷片的两端分别连接在NPN型三极管的集电极与PNP型三极管的集电极相连的线路上；直流电源202施加在H桥驱动电路的两端。电池箱体100的外侧设置有散热器308，一绝缘体306为冷端301且与从箱体进气口102进入的空气接触，另一绝缘体306为热端302且与散热器308接触，散热器308为多肋片散热器308结构散热装置，用于是将从空气冷却的热量转移并疏散至环境中。本实施例提供半导体制冷模块300的具体实施例，制冷片的工作原理为由直流电源202提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极出发，首先经过P型半导体304并吸收热量，到了N型半导体303，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由绝缘体306所构成。H桥驱动电路的工作原理为：H桥驱动电路包括4个三极管307和一个制冷片。要使制冷片上通过电流，必须导通对角线上的一对三极管307，根据不同三极管307对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过制冷片，利用制冷片的的电流方向来控制制冷片的冷热端互换。

进一步地，半导体可以为不同的材料体系，如碲化铋基材料、方古矿基材料、SiGe材料等，用于本发明时优选用碲化铋基材料。

直流电源202为明纬480W/12V开关稳压电源，其可以为半导体制冷模块300、自动控制模块201、送风风机103提供不间断的电源。

具体工作时，电池开始工作后(车辆运行或充电)，固定在电池模组间的温度传感器203实时采集电池温度，并将采集到的温度信息传递给自动控制模块201，自动控制模块201接收该信号后对该信号所传递的信息进行分析，判断该温度是否处于电池的最佳运行温度范围内。分析结果为该温度处于最佳运行温度范围内时，自动控制模块201不发出指令，温度传感器203继续监测采集电池温度。分析结果为该温度高于电池最佳运行温度范围时，自动控制模块201发出指令，半导体制冷模块300及送风风机103控制开关响应，开启制冷模式。根据自动控制模块201的分析结果进而控制制冷片上的电流大小，从而使制冷室内空气在半导体制冷模块300的冷却作用下降至一定温度，冷却室内冷空气经条缝口105进入电池箱体100内，冷空气在冷却导向通道106的约束下流向电池单体从而实现对电池的降温，自动控制模块201根据温度传感器203采集的温度来控制通过制冷片的电流大小以及送风风机103的风速，以实现对制冷效率的调节，利于保证电池的使用寿命，流经电池模组后的气体自后壁上方的箱体出气口107排出电池箱体100。期间温度传感器203继续采集电池模组的实时温度，当电池模组温度回复至最佳运行温度范围内后，自动控制模块201发出指令，切断电源、半导体制冷模块300和送风风机103暂停工作。

在制冷片上增加H桥驱动电路，可以进一步实现对电池模组进行加热的功能。

如果温度采集模块传输到自动控制模块201的信号显示电池箱体100内部温度低于临界值，则需要启动加热功能对电池模组101进行加热。在分析结果为该温度低于电池模组101最佳运行温度范围(此情况多见于北方冬天)时，由自动控制模块201发出指令半导体制冷模块300、送风风机103控制开关响应，开启制热模式。制热功率和进气速度由自动控制模块201根据温度采集模块传递的实时温度计算决定。根据自动控制模块201的分析结果进而控制流经半导体元件的电流大小，从而使冷却室内空气在半导体制冷模块300的作用下升温至一定温度。半导体制冷模块300的制冷、制热功能是通过自动控制模块201发出的信号来控制制冷片上电流方向的改变来实现的。热空气经冷却导向通道106吹向电池模组101，经由箱体出气口107排出电池箱体100。

温度传感器检测电池模组内各单体电池的表面温度信息；当自动控制模块判断表面温度信息高于电池模组的预设温度范围时，自动控制模块则发出指令驱动送风风机开启以及半导体制冷模块开始制冷；当自动控制模块判断表面温度信息位于电池模组的预设范围内时，自动控制模块则发出指令关闭送风风机以及半导体制冷模块。

进一步地，通过控制流过H桥驱动电路的电流的方向来控制制冷片制冷或制热。

进一步地，通过控制施加在制冷片的电流大小来控制制冷效果，或通过控制施加在送风风机的电流大小来控制送风风机的风速。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，包括电池箱体、温度采集模块、自动控制模块、制冷室；所述电池箱体内设有冷却导向通道以及若干间隔设置的电池模组，所述冷却导向通道设置在所述电池箱体的内下部，所述冷却导向通道的进气口与所述制冷室连通且所述冷却导向通道的出气口朝向所述电池模组，所述制冷室内设置有半导体制冷模块以及箱体进气口，所述温度采集模块用于获取所述电池模组内各单体电池的表面温度信息，并将表面温度信息传输到所述自动控制模块，所述自动控制模块根据接收到的表面温度信息控制所述半导体制冷模块对从所述箱体进气口进入的空气进行冷却，电池箱体设有箱体出气口，所述箱体出气口设置在相对所述制冷室的另一侧的上部。

2.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述半导体制冷模块包括制冷片和给所述制冷片提供电源的直流电源；所述制冷片包括两平行间隔设置的绝缘体，两所述绝缘体的内侧设有若干组NP模块，所述NP模块包括依次电性连接的金属导体，N型半导体、金属导体、P型半导体，所述金属导体分别附着在两所述绝缘体的内侧上。

3.根据权利要求2所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述半导体制冷模块还包括一H桥驱动电路，所述H桥驱动电路包括两组NPN型三极管和两组PNP型三极管，两组所述NPN型三极管的发射极相连，两组所述PNP型三极管的发射极相连，所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的集电极相连，所述制冷片的两端分别连接在所述NPN型三极管的集电极与所述PNP型三极管的集电极相连的线路上；所述直流电源施加在所述H桥驱动电路的两端。

4.根据权利要求2或3任一所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述电池箱体的外侧设置有散热器，一所述绝缘体为冷端且与从所述箱体进气口进入的空气接触，另一所述绝缘体为热端且与所述散热器接触。

5.根据权利要求4所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述散热器为多肋片散热器结构散热装置。

6.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述制冷室设置有送风风机和隔板，所述自动控制模块与所述送风风机控制信号连接，所述隔板将所述制冷室分隔形成U形通道。

7.根据权利要求1所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统，其特征在于，所述温度管理模块包括温度传感器以及测温导线，所述温度传感器布置在所述单体电池的侧面并通过所述测温导线与所述自动控制模块控制信号连接。

8.一种利用如权利要求1至7任意所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理系统进行的的方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理方法，其特征在于，通过控制流过H桥驱动电路的电流的方向来控制制冷片制冷或制热。

10.根据权利要求8所述的基于珀尔帖效应的电池箱温度管理方法，其特征在于，通过控制施加在制冷片的电流大小来控制制冷效果，或通过控制施加在送风风机的电流大小来控制送风风机的风速。