CN111106410B - 一种基于模糊pid控制的新型动力电池包系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于模糊pid控制的新型动力电池包系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法；包括电池管理系统，冷却液循环主管道，冷却液一/二级分支管，冷却液流量控制阀，一/二级球型分液枢纽，s形扁状换热管；所述冷却液循环主管道通过一级球型分液枢纽与冷却液一级分支管相连通，所述冷却液一级分支管通过二级球型分液枢纽与冷却液二级分支管相连，每一个冷却液二级分支管尾端连接两个s形扁状换热管相隔180°置于电池芯外表面，每一个冷却液一级分支管上安装冷却液流量控制阀，由受到模糊PID控制器控制的步进电机带动。本发明能够控制动力电池包始终工作在最适温度范围内，并且保证电池包内部温度的均衡性，解决了电池包整体温度不均衡的缺点，提高了使用寿命。

Description

一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车动力电池包温控技术领域，特别涉及一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法。
背景技术
随着世界化石能源的日益减少，各个能源行业都面临转型升级我国的汽车行业也同样面临着相同的问题，随着中国政府对新能源汽车工业的推进，不断出台一系列的政策鼓励行业发展，我国新能源汽车行业也取得了一定的发展。对于电动汽车来说，电池组是其主要储能部件，电池包工作状态的好坏直接影响到电动车的性能，其中动力电池包的温控技术更是对电池工作性能造成了极大的影响。电池包的热管理问题是决定其使用性能、使用安全性、及使用寿命的关键因素。无论曾经的铅酸电池，还是现在的锂电池，温度对电池整体性能都有非常显著的影响。锂电池的温度是否合适直接影响使用时的能量与功率性能。在温度较低时，电池可能发生瞬间的电压过充现象，造成内部析锂，从而引发短路。在温度较高时热量将迅速产生并且累计起来，如果不能即时将热量传走，可能会引起电池内部温度急剧升高，此时电池可能会出现冒烟等问题，在严重时电池甚至可能发生剧烈燃烧甚至是发生爆炸，特别是在高温环境下使用时，电池工作状态进一步下降，此时将严重威胁到人们的生命和财产安全。电池包的工作环境温度也会影响其使用寿命，电池包的最适工作温度约在10～30℃之间，过高或过低的温度都将对延长电池寿命造成不利的影响。电动汽车中电池的温度直接影响了电池的安全性和使用性，因此电池的温控系统是我们需要重视的问题，必须设计合理的电池温控系统，对电池包的工作环境的温度进行有效的调节，以提升电动汽车整车性能，而这也将成为未来的电动车优化的重点之一。
相应的现在的电动汽车电池管理技术也同样发展迅速。动力电池散热方式可分为空气散热、液冷散热和固体相变材料散热等不同方式，动力电池的液冷式散热系统包括直接接触式和间接接触式，是一种通过制冷剂的循环流动把电池包内产生的热量带走的散热系统。液冷系统的制冷剂可以是水、水和乙二醇的混合物、硅油和蓖麻油等，当前动力电池的液冷技术也拥有了相当成熟的技术，在电动汽车的散热系统中拥有相当广泛的应用。但现有的液冷系统由于流道结构问题，会导致各个电池芯的温度不均衡或在接近出口处的冷却介质与电芯温差减小，散热量低于接近入口处的散热量，这些都会导致电池包整体温度不均衡，从而对电池包的正常工作造成不利的影响，使电池包的使用性能与使用寿命均受到限制。
专利公开号CN 110061325 A，公开日2019年07月26日，发明创造的名称为一种基于螺旋式微通道液冷管的动力电池热管理系统，该申请公开了本发明提供了一种基于螺旋式微通道液冷管的动力电池热管理系统，其不足之处是未能解决冷却液沿程升温而导致的电池包温度不均衡的问题。
专利公开号CN 107994290 A，公开日2018年05月04日，发明创造的名称为一种电动汽车电池复合热管理系统，该申请公开了一种电动汽车电池复合热管理系统，其不足之处是未能调节确保每一个动力电池芯温度接近，而导致的动力电池组整体温度不均的问题。
发明内容
对于电动汽车来说，电池组是其主要储能部件，电池包工作状态的好坏直接影响到电动车的性能，其中动力电池包的温控技术更是对电池工作性能造成了极大的影响。动力电池的液冷式散热系统包括直接接触式和间接接触式，是一种通过制冷剂的循环流动把电池包内产生的热量带走的散热系统。但现有的液冷系统由于流道结构问题，会导致各个电池芯的温度不均衡或在接近出口处的冷却介质与电芯温差减小，散热量低于接近入口处的散热量，这些都会导致电池包整体温度不均衡，从而对电池包的正常工作造成不利的影响，使电池包的使用性能与使用寿命均受到限制。因此本发明的目的是提供一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，解决了电池包整体温度不均衡，电池包的使用性能与使用寿命不佳的缺点
本发明采用以下技术方案来实现上述目的：一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统，包括机械系统和电气系统；
所述机械系统包括了冷却液循环主管道(8)，冷却液一级分支管(4)，冷却液二级分支管(2)，冷却液流量控制阀(6)，一级球型分液枢纽(7)，二级球型分液枢纽(3)，s形扁状换热管；所述冷却液循环主管道(8) 通过一级球型分液枢纽(7)与冷却液一级分支管(4)相连通，所述冷却液一级分支管(4)通过二级球型分液枢纽(3)与冷却液二级分支管(2)相连通，所述冷却液二级分支管(2)通入电池箱(1)，每一个冷却液二级分支管(2)尾端连接两个s形扁状换热管；在每一个冷却液一级分支管(4)上安装冷却液流量控制阀(6)；所述电气系统包括了若干个电池芯、若干个温度传感器、步进电机(5)和电池管理系统(20)，所述温度传感器将传输数据至电池管理系统(20)，电池管理系统(20)根据模糊PID控制算法发送脉冲信号到步进电机(5)中，进而带动所述冷却液流量控制阀(6)的转动。
进一步，每一个电池芯外表面附着着两个s形扁状换热管：s形扁状换热管S1(30)、s形扁状换热管S2 (31)，s形扁状换热管S1(30)和s形扁状换热管S2(31)相隔180°置于电池芯外表面；由于一级球型分液枢纽(7)，二级球型分液枢纽(3)的再次分流作用，使得在冷却液流量控制阀(6)的开度相同时，通过冷却液一级分支管(4)和冷却液二级分支管(2)流入每一个s形扁状换热管的冷却液流量都是相同的。进一步，一级球型分液枢纽(7)为球状，圆周均匀连接四根冷却液一级分支管(4)，二级球型分液枢纽(3)为球状，圆周对称连接两根冷却液二级分支管(2)。上述同一个电池芯上布置两条呈对称分布的s形扁状换热管，有效的改善了同一流道的冷却液会沿程不断加热，从而导致的同一电池芯上下温度不均的问题，同时s形扁状换热管在转弯处管径变宽，在较宽的弯道处，换热性能会极大提高，配合分支管和球型分液枢纽设置，这样对电池包的温度调节更加高效迅速。
进一步，还包括，冷却液循环主管道(8)依次和水泵(9)、水箱(10)相连，水箱(10)和三通阀(13)一端相连，三通阀(13)的另外两端分别和散热器(12)和加热器(11)相连，电池管理系统(20)通过控制三通阀(13)转动进而实现切换散热和加热功能；根据所述三通阀(13)，水箱(10)，水泵(9)，散热器(12)，加热器(11)和冷却液流量控制阀(6)的工作状态，系统分为不工作模式、升温模式和降温模式；所述升温模式可分为升温模式一和升温模式二，所述降温模式也可分为降温模式一和降温模式二：
升温模式一：步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、加热器(11)处于工作状态；
升温模式二：步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、加热器(11)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态；
降温模式一：步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、散热器(12)处于工作状态；
降温模式二：步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、散热器(12)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态。
本发明的方法的技术方案为：一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：每个电池芯上的温温度传感器测得动力电池芯实时的温度数据，并通过温度传感器信号线束14将获得的信息发送给电池管理系统20；
步骤2：由温度传感器采集的温度数据经过电池管理系统20的放大和整形后，进入数据分析模块；
步骤3：电池管理系统20对温度传感器发送的数据进行分析处理计算，结合动力电池包的合适工作温度范围(10℃～30℃)判断有动力电池包的电池芯是否处在此范围；如果处于合适工作温度区间，系统不工作，否则进入下一步；
步骤4：如果有电池芯低于此合适工作温度范围，则执行升温模式，反之，如果有电池芯温度高于此范围，则执行降温模式；
步骤5：系统对温度数据进行逻辑判断后产生控制指令脉冲输出，经过功率放大之后，输出信号；
步骤6：电池管理系统20传输信号至三通阀13、加热器11、冷却液流量控制阀6、散热器12和水泵9；
步骤7：判断各个电芯的温差最大值是否小于0.5℃，如果小于0.5℃则认为各个电芯的温度较稳均衡，满足正常工作的要求，则返回升温或者降温模式一，否则进入升温或者降温模式二；
升温或降温模式一：当电池包各电芯的最大温差ΔTMAX≤0.5℃时，动力电池包系统跳出模式二或者由初始状态直接进入模式一，当系统进入模式一以后，步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、加热器(11)或者散热器(12)处于工作状态，控制系统耗能较小，电池包整体温差较小；
升温或降温模式二：当电池包各电芯的最大温差ΔTMAX＞0.5℃时，电池管理系统(20)控制着冷却液流量阀(6)对各电池芯进行冷却液流量的相对大小进行控制，使电池包整体温度均衡；此时，步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、加热器(11)或者散热器(12)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态；
步骤8：所述升温或者降温模式二为水泵9根据电池管理系统20输出的电压信号，实时调整转速以达到对流道中液体整体流量的控制，从而使电池包整体工作在适合的温度区间内，于此同时，加热器11 或者散热器12实时调整散热效率，以配合温控系统的高效合理的运行，同时电池管理系统(20)根据模糊 PID控制算法发送脉冲信号到步进电机(5)中，并驱动步进电机5转动控制冷却液流量阀6的开启角度大小，设置步进电机5转速为300r/min；
步骤9：所述步进电机5将根据电池管理系统20的控制电压正反转，以实现冷却液流量阀6的角度张大或减小，从而对每一个达到对每一个冷却液一级分支管4中流量的准确控制，以达到使各个电池芯的温度均衡的目的，通过流量的控制均衡各个电池芯的温度变化速率，有效的保证了各个电池芯温度的均衡；
步骤10：在所述电池包开始工作之后，温度传感器将实时传输温度数据到电池管理系统20，电池管理系统20将实时根据内置的指令进行处理，达到对冷却液流量阀6的实时控制。所述冷却液流量阀6 将实时控制不同的电池芯的冷却液流量；
步骤11：所述各个电池芯温度最大温差在0.5℃以内时，将跳出升温或者降温模式二，进入升温或者降温模式一，所述动力电池包以整体均衡的温度在最适温度区间高效良好的运行。
进一步，所述温度传感器实时测量并将数据传输至电池管理系统(20)，数据经过系统的处理后，计算四个温度传感器T1、T2、T3、T4的平均值
Figure BDA0002338356610000051
并计算四个电池芯与平均温度的温差ΔTi、四个温差的实时变化率
Figure BDA0002338356610000052
和电池包各电池芯的最大温差ΔTMAX；将ΔTi、
Figure BDA0002338356610000053
作为模糊PID控制器的输入,将ΔTi和
Figure BDA0002338356610000054
模糊化，然后再通过模糊规则进行决策，逆模糊化后得到一个清晰的Kp、Ki、Kd；输入量和 Kp、Ki、Kd的变量模糊子集均定义为{PL，PM，PS，ZO，NS，NM，NL}，所述模糊子集中各元素分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；所述输入和输出变量的模糊论域范围为[-1，1],ΔTi的量化因子为0.125，
Figure BDA0002338356610000055
的量化因子为0.5，Kp的量化因子为0.1，Ki的量化因子为0.1，Kd的量化因子为0.001，所述全部变量的隶属度函数都选择三角形隶属度函数，根据ΔTi与
Figure BDA0002338356610000056
两者的大小即变化趋势以及反复实验，建立减小误差的模糊控制规则；
将所述Kp、Ki、Kd作为PID调节器的输入，经过算法：
Figure BDA0002338356610000057
可以进一步得出对步进电机的实时控制输入量γi(t)。
进一步，当所述ΔTi(t)为正时，将ΔTi(t)输入电池管理系统的模糊PID控制算法，在降温模式下，模糊 PID控制器输出量控制步进电机正转，流量阀张大，降温效果加强；在升温模式下，模糊PID控制器输出量控制步进电机反转，流量阀关小，加热效果减弱；当温差ΔTi(t)为负时，上述各动作均相反；以达到调节电池包温度整体均衡性的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所述的基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，通过由电池管理系统控制的冷却液流量阀的控制，在电池包内部温度差异过大时，能够及时、灵活、有效控制每一根分支管的流量，通过流量调节来进行温度调节，从而确保电池包内部温度的均衡。
(2)本发明所述的基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，通过在流道上布置一二级分液枢纽来实现冷却液的重新分配，避免了因为在分液时造成的不同流道的流速以及流量不同，在保证冷却的同时也保证了温度的一致性。
(3)本发明所述的基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，在同一个电池芯上布置两条呈对称分布的s形扁状换热管，有效的改善了同一流道的冷却液会沿程不断加热，从而导致的同一电池芯上下温度不均的问题，同时其独有的s形弯道，在较宽的弯道处，换热性能会极大提高，对电池包的温度调节更加高效迅速，能够有效的提高电池包的使用性能和使用寿命。
(4)本发明所述的基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，将模糊控制理论结合到PID 控制系统中，有效的解决了温控系统响应速度滞后、超调量较大的缺点，并且具有较好的稳定性，将对电池包内部温度的稳定产生极大的作用。
(5)本发明所述的基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，通过不同的流道形成了升温模式和降温模式，在大部分结构共用的情况下，极大的扩展了温控系统的调节功能和调节范围，从而有效地增加了电池包的适应环境的能力，使得其能够在更多更广的环境中使用。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的基于模糊PID控制的新型电池包温控系统结构图
图2为本发明实施例所提供的电池包内部结构图
图3为本发明实施例所提供的s形扁状换热管在电池芯外侧的布置示意图
图4为本发明实施例所提供的s形扁状换热管在电池芯外侧布置的俯视图
图5为本发明实施例所提供的s形扁状换热管结构示意图
图6为本发明实施例所提供的一级球型分液枢纽的全剖俯视图
图7为本发明实施例所提供的二级球型分液枢纽的全剖俯视图
图8为本发明实施例所提供的模糊PID控制器中全部变量的隶属度函数
图9为本发明实施例所提供的模糊PID控制器工作结构
图10为本发明实施例所提供的基于模糊PID控制的新型电池包温控系统工作流程图
图中：
1-动力电池包；2-冷却液二级分支管；3-二级球型分液枢纽；4-冷却液一级分支管；5-步进电机；6-冷却液流量控制阀；7-一级球型分液枢纽；8-冷却液循环主管道；9-水泵；10-水箱；11- 加热器；12-散热器；13-三通阀；14-温度传感器信号线束；15-步进电机信号线束；16-水泵控制线束；17-三通阀控制线束；18-加热器控制线束；19-散热器控制线束；20-电池管理系统；21-电池芯A；22-电池芯B；23-电池芯C；24-电池芯D；25-电池包外壁；26-温度传感器C1；27- 温度传感器C2；28-温度传感器C3；29-温度传感器C4；30-s形扁状换热管S1；31-s形扁状换热管 S2；32-电源；33-电源线；
具体实施方式
下面结合附图对本发明涉及的电池包温控系统的结构和工作原理的作进一步的说明，对本发明实施例中的技术方案进行完整地描述，但本发明的保护范围并不限于此。基于本发明中的实例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例是一种新型的电池包温控系统及其结构设计，可用于新能源汽车及其他一些装置的动力电池包上，能够保证电池包工作在适合的温度区间内，并且保证了各个电池芯温度的均衡性这将极大地提升电池包整体的使用寿命和使用功效。
如图1、图2、图3、图4以及图5所示，本发明所述的是一个基于模糊PID控制的新型动力电池包系统及其控制方法，包括了电气系统和机械系统，所述电气系统包括了动力电池包的若干个电芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)，温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29、温度传感器信号线束14，步进电机5，电池管理系统20，步进电机信号线束15，水泵控制线束16，三通阀控制线束17，加热器控制线束18，散热器控制线束19。所述机械系统包括了冷却液循环主管道8，冷却液一级分支管4，冷却液二级分支管2，三通阀13，水箱 10，水泵9，散热器12，加热器11，冷却液流量控制阀6，一级球型分液枢纽7，二级球型分液枢纽3， s形扁状换热管(s形扁状换热管S1 30、s形扁状换热管S2 31)
同时，所述冷却液循环主管道通8过三通阀13分别与加热器11与散热器12相连分别形成了升温系统和降温系统。所述冷却液循环主管道8与水泵9和水箱10相连，所述冷却液循环主管道8连接一级球型分液枢纽7，所述一级球型分液枢纽7下分出若干条冷却液一级分支管4连通至二级球型分液枢纽3，所述二级球型分液枢纽3分别通过冷却液二级分支管2连通至每一个电芯的s形扁状换热管，所述每一个电芯由2个呈180°分布的s形扁状换热管(s形扁状换热管S1 30、s形扁状换热管S2 31) 所包围，所述s形扁状换热管(s形扁状换热管S1 30、s形扁状换热管S2 31)下部接出液管，所述s 形扁状换热管(s形扁状换热管S130、s形扁状换热管S2 31)下部出液口连至散热器12和加热器11。
同时，所述温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器 C4 29)分别与电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)外侧表面紧密贴合，所述温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C328、温度传感器C4 29)通过温度传感器信号线束14与电池管理系统20相连，并且电池管理系统20对其进行实时控制，在电池管理系统20接收到来自于温度传感器(温度传感器C126、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)的信号后及时处理并传输信号至三通阀13、加热器11和控制冷却液流量阀6的步进电机5，用以控制对电池包进行温度调节。
所述步进电机5、水泵9、水箱10、加热器11、散热器12、三通阀13、电池管理系统20均与电源相连接以提供动力。
所述温度管理系统由冷却液循环管道(冷却液循环主管道8，冷却液一级分支管4，冷却液二级分支管2)、三通阀13、水箱10、水泵9、散热器12、加热器11、一级球型分液枢纽7，二级球型分液枢纽3，s形扁状换热管(s形扁状换热管S1 30、s形扁状换热管S2 31)组成的闭合循环系统由接受电池管理系统20信号的控制对动力电池包进行升温或者冷却。
如图6、图7所示，所述冷却液循环主管道通过一级球型分液枢纽与冷却液一级分支管相连通，所述冷却液一级分支管相连接通过二级球型分液枢纽与冷却液二级分支管相连通，由于一级球型分液枢纽，二级球型分液枢纽的特殊结构，能够对冷却液起到再次分流作用，使得在冷却液流量控制阀的开度相同时，通过冷却液一级分支管和冷却液二级分支管流入每一个s形扁状换热管的冷却液流量都是相同的。
如图10所示，结合所述的动力电池包基于步进电机5、冷却液流量控制阀6、一级球型分液枢纽7、二级球型分液枢纽3、水泵9、加热器11、散热器12、三通阀13以及s形扁状换热管(s形扁状换热管 S1 30、s形扁状换热管S2 31)耦合的温控系统，本发明提供如下控制方法：
步骤1：每个电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)上的温温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)测得动力电池芯实时的温度数据，并通过温度传感器信号线束14将获得的信息发送给电池管理系统20。
步骤2：由温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)采集的温度数据经过电池管理系统20的放大和整形后，进入数据分析模块。
步骤3：电池管理系统20对温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)发送的数据进行分析处理计算，结合动力电池包的合适工作温度范围(10℃～30℃) 判断有动力电池包的电池芯是否处在此范围；如果处于最适工作温度区间，温控系统不工作，否则进入下一步。
步骤4：如果有电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)低于此最适温度范围，则执行升温模式，反之，如果有电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C23、电池芯D 24) 温度高于此范围，则执行降温模式。
步骤5：系统对温度数据进行逻辑判断后产生控制指令脉冲输出，经过功率放大之后，输出信号。
步骤6：电池管理系统20传输信号至三通阀13、加热器11、冷却液流量控制阀6、散热器12和水泵9；
步骤7：判断各个电芯的温差最大值是否小于0.5℃，如果小于0.5℃则可以认为各个电芯的温度较稳均衡，满足正常工作的要求，则返回升温或者降温模式一，否则进入升温或者降温模式二；
步骤8：所述升温模式一和升温模式二，降温模式一和降温模式二的切换规则如下：
升温或降温模式一：当电池包各电芯的最大温差ΔTMAX≤0.5℃时，动力电池包系统跳出模式二或者由初始状态直接进入模式一，当系统进入模式一以后，步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、加热器(11)或者散热器(12)处于工作状态，控制系统耗能较小，电池包整体温差较小；
升温或降温模式二：当电池包各电芯的最大温差ΔTMAX＞0.5℃时，电池管理系统(20)控制着冷却液流量阀(6)对各电池芯进行冷却液流量的相对大小进行控制，使电池包整体温度均衡；此时，步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、加热器(11)或者散热器(12)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态；
步骤9：所述升温或者降温模式二为水泵9根据电池管理系统20输出的电压信号，实时调整转速以达到对流道中液体整体流量的控制，从而使电池包整体工作在适合的温度区间内，于此同时，加热器11 或者散热器12实时调整散热效率，以配合温控系统的高效合理的运行，同时并驱动步进电机5转动控制冷却液流量阀6的开启角度大小，设置步进电机5转速为300r/min；
步骤10：所述步进电机5将根据电池管理系统20的控制电压正反转，以实现冷却液流量阀6的角度张大或减小，从而对每一个达到对每一个冷却液一级分支管4中流量的准确控制，以达到使各个电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)的温度均衡的目的。通过流量的控制均衡各个电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)的温度变化速率，有效的保证了各个电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)温度的均衡。
步骤11：在所述电池包开始工作之后，温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)将实时传输温度数据到电池管理系统20，电池管理系统20将实时根据内置的指令进行处理，达到对冷却液流量阀6的实时控制。所述冷却液流量阀6将实时控制不同的电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)的冷却液流量。
步骤12：所述各个电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)温度最大温差在0.5℃以内时，将跳出升温(降温)模式二，进入升温(降温)模式一，所述动力电池包以整体均衡的温度在最适温度区间高效良好的运行。
所述步骤9中的升温(降温)模式二中冷却液流量阀的控制系统如下：
1)温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)实时测量并将数据传输至电池管理系统20，数据经过系统的处理后，计算四个温度传感器(温度传感器C1 26、温度传感器C2 27、温度传感器C3 28、温度传感器C4 29)传输到电池管理系统20中的四个温度 Ti(T1、T2、T3、T4)的平均值
Figure BDA0002338356610000101
并于T1、T2、T3、T4相比较，计算四个电池芯与平均温度的温差ΔTi和四个温差的实时变化率
Figure BDA0002338356610000102
并且要实时计算电池包各电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)的最大温差ΔTMAX。
2)如图8-9所示，将ΔTi作为模糊PID控制器的输入,将四个电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)与平均温度的温差ΔTi和四个温差的实时变化率
Figure BDA0002338356610000103
作为模糊控制器的输入，将ΔTi和
Figure BDA0002338356610000104
模糊化，然后再通过模糊规则进行决策，得到输出Kp、Ki、Kd，此输出仍然是论域上的模糊集，将这些模糊量清晰化及逆模糊化后得到一个清晰的Kp、Ki、Kd。
3)ΔTi与
Figure BDA0002338356610000105
两者各自的模糊子集定义为{PL，PM，PS，ZO，NS，NM，NL}，所述模糊子集中各元素分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。所述输入变量的模糊论域范围为[-1，1], 输出变量的模糊论域范围为[0，1]，ΔTi的量化因子为0.125，
Figure BDA0002338356610000106
的量化因子为0.5，Kp的量化因子为 0.1，Ki的量化因子为0.1，Kd的量化因子为0.001，所述全部变量的隶属度函数都选择三角形隶属度函数。根据ΔTi与
Figure BDA0002338356610000107
两者的大小即变化趋势，建立减小误差的模糊控制规则。
4)通过查询对应的模糊控制规则表,模糊控制器会将当前的温差和温差变化率映射到模糊子集上, 通过相应的对应规则，可以分别得到对应的输出量,最后再通过最大隶属度法进行逆模糊化处理即将模糊输出转换为精确值Kp、Ki、Kd。
表一：PID比例系数Kp的模糊控制规则
Figure BDA0002338356610000111
表二：PID积分系数Ki模糊控制规则
Figure BDA0002338356610000112
表三：PID微分系数Kd模糊控制规则
Figure BDA0002338356610000113
5)下一步将Kp、Ki、Kd作为PID调节器的输入，经过算法：
Figure BDA0002338356610000121
上式中,T为采样时间；Kp为比例增益；Ki为积分增益；Kd为微分增益；ΔTi(t)为三个电芯与其平均值之间的温差；
Figure BDA0002338356610000122
为温度扰动变化值,即在一个采样周期T内出电池芯温度的变化值。λ按照如下规则选取：
当ΔTi(t)较大时,选取较小的λ以提高系统的响应速度；随着ΔTi(t)的减小增大积分系数λ值,当ΔTi(t)较小时,取λ＝1,以保证系统的控制精度。
6)可以进一步得出对步进电机的控制输入量γi(t)，以做到对步进电机转速的实时控制，从而控制冷却液流量阀6，步进电机5与冷却液流量阀6相应比例关系为：
30r/1°(即步进电机5转动30转带动冷却液流量阀6转动1°)。
7)进一步可以得到，电池芯(电池芯A 21、电池芯B 22、电池芯C 23、电池芯D 24)温度与整体相比偏高时，即温差ΔTi(t)为正时，将ΔTi(t)输入电池管理系统的模糊PID控制算法，在降温模式下，模糊PID控制器输出量控制步进电机正转，流量阀张大，冷却液流量相对增加，降温效果加强，使温度较高的电池芯温度相对下降；在升温模式下，模糊PID控制器输出量控制步进电机反转，流量阀关小，冷却液流量相对减少，加热效果减弱，使电池芯温度相对下降；当温差ΔTi(t)为负时，上述各动作均相反；以达到调节电池包温度整体均衡性的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统，其特征在于，包括机械系统和电气系统；
所述机械系统包括了冷却液循环主管道(8)，冷却液一级分支管(4)，冷却液二级分支管(2)，冷却液流量控制阀(6)，一级球型分液枢纽(7)，二级球型分液枢纽(3)，s形扁状换热管；所述冷却液循环主管道(8)通过一级球型分液枢纽(7)与冷却液一级分支管(4)相连通，所述冷却液一级分支管(4)通过二级球型分液枢纽(3)与冷却液二级分支管(2)相连通，所述冷却液二级分支管(2)通入电池箱(1)，每一个冷却液二级分支管(2)尾端连接两个s形扁状换热管；在每一个冷却液一级分支管(4)上安装冷却液流量控制阀(6)；所述电气系统包括了若干个电池芯、若干个温度传感器、步进电机(5)和电池管理系统(20)，所述温度传感器将传输数据至电池管理系统(20)，电池管理系统(20)根据模糊PID控制算法发送脉冲信号到步进电机(5)中，进而带动所述冷却液流量控制阀(6)的转动；
每一个电池芯外表面附着两个s形扁状换热管：s形扁状换热管S1(30)、s形扁状换热管S2(31)，s形扁状换热管S1(30)和s形扁状换热管S2(31)相隔180°置于电池芯外表面，同时s形扁状换热管在转弯处管径变宽；由于一级球型分液枢纽(7)，二级球型分液枢纽(3)的再次分流作用，使得在冷却液流量控制阀(6)的开度相同时，通过冷却液一级分支管(4)和冷却液二级分支管(2)流入每一个s形扁状换热管的冷却液流量都是相同的。
2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统，其特征在于，一级球型分液枢纽(7)为球状，圆周均匀连接四根冷却液一级分支管(4)，二级球型分液枢纽(3)为球状，圆周对称连接两根冷却液二级分支管(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统，其特征在于，还包括，冷却液循环主管道(8)依次和水泵(9)、水箱(10)相连，水箱(10)和三通阀(13)一端相连，三通阀(13)的另外两端分别和散热器(12)和加热器(11)相连，电池管理系统(20)通过控制三通阀(13)转动进而实现切换散热和加热功能；根据所述三通阀(13)，水箱(10)，水泵(9)，散热器(12)，加热器(11)和冷却液流量控制阀(6)的工作状态，系统分为不工作模式、升温模式和降温模式；所述升温模式可分为升温模式一和升温模式二，所述降温模式也可分为降温模式一和降温模式二：
升温模式一：步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、加热器(11)处于工作状态；
升温模式二：步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、加热器(11)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态；
降温模式一：步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、散热器(12)处于工作状态；
降温模式二：步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、散热器(12)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：每个电池芯上的温度传感器测得动力电池芯实时的温度数据，并通过温度传感器信号线束14将获得的信息发送给电池管理系统20；
步骤2：由温度传感器采集的温度数据经过电池管理系统20的放大和整形后，进入数据分析模块；
步骤3：电池管理系统20对温度传感器发送的数据进行分析处理计算，结合动力电池包的合适工作温度范围(10℃～30℃)判断有动力电池包的电池芯是否处在此范围；如果处于合适工作温度区间，系统不工作，否则进入下一步；
步骤4：如果有电池芯低于此合适工作温度范围，则执行升温模式，反之，如果有电池芯温度高于此范围，则执行降温模式；
步骤5：系统对温度数据进行逻辑判断后产生控制指令脉冲输出，经过功率放大之后，输出信号；
步骤6：电池管理系统20传输信号至三通阀13、加热器11、冷却液流量控制阀6、散热器12和水泵9；
步骤7：判断各个电芯的温差最大值是否小于0.5℃，如果小于0.5℃则认为各个电芯的温度较稳均衡，满足正常工作的要求，则返回升温或者降温模式一，否则进入升温或者降温模式二；
升温或降温模式一：当电池包各电芯的最大温差ΔTMAX≤0.5℃时，动力电池包系统跳出模式二或者由初始状态直接进入模式一，当系统进入模式一以后，步进电机(5)以及冷却液流量阀(6)均停止工作，但冷却液流量阀(6)保持当前开度不变，此时只有水泵(9)、加热器(11)或者散热器(12)处于工作状态，控制系统耗能较小，电池包整体温差较小；
升温或降温模式二：当电池包各电芯的最大温差ΔTMAX＞0.5℃时，电池管理系统(20)控制着冷却液流量阀(6)对各电池芯进行冷却液流量的相对大小进行控制，使电池包整体温度均衡；此时，步进电机(5)、冷却液流量阀(6)、水泵(9)、加热器(11)或者散热器(12)均受到电池管理系统的指令而处于实时调节状态；
步骤8：所述升温或者降温模式二为水泵9根据电池管理系统20输出的电压信号，实时调整转速以达到对流道中液体整体流量的控制，从而使电池包整体工作在适合的温度区间内，于此同时，加热器11或者散热器12实时调整散热效率，以配合温控系统的高效合理的运行，同时电池管理系统(20)根据模糊PID控制算法发送脉冲信号到步进电机(5)中，并驱动步进电机5转动控制冷却液流量阀6的开启角度大小，设置步进电机5转速为300r/min；
步骤9：所述步进电机5将根据电池管理系统20的控制电压正反转，以实现冷却液流量阀6的角度张大或减小，从而对每一个达到对每一个冷却液一级分支管4中流量的准确控制，以达到使各个电池芯的温度均衡的目的，通过流量的控制均衡各个电池芯的温度变化速率，有效的保证了各个电池芯温度的均衡；
步骤10：在所述电池包开始工作之后，温度传感器将实时传输温度数据到电池管理系统20，电池管理系统20将实时根据内置的指令进行处理，达到对冷却液流量阀6的实时控制，所述冷却液流量阀6将实时控制不同的电池芯的冷却液流量；
步骤11：所述各个电池芯温度最大温差在0.5℃以内时，将跳出升温或者降温模式二，进入升温或者降温模式一，所述动力电池包以整体均衡的温度在最适温度区间高效良好的运行。
5.根据权利要求4所述的一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统的控制方法，其特征在于，所述步骤8的模糊PID控制算法具体过程为：温度传感器实时测量并将数据传输至电池管理系统(20)，数据经过系统的处理后，计算四个温度传感器T1、T2、T3、T4的平均值
Figure FDA0003572448930000031
并计算四个电池芯与平均温度的温差ΔTi、四个温差的实时变化率
Figure FDA0003572448930000032
和电池包各电池芯的最大温差ΔTMAX；将ΔTi、
Figure FDA0003572448930000033
作为模糊PID控制器的输入,将ΔTi和
Figure FDA0003572448930000034
模糊化，然后再通过模糊规则进行决策，逆模糊化后得到一个清晰的Kp、Ki、Kd；输，入量和Kp、Ki、Kd的变量模糊子集均定义为{PL，PM，PS，ZO，NS，NM，NL}，所述模糊子集中各元素分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；所述输入和输出变量的模糊论域范围为[-1，1],ΔTi的量化因子为0.125，
Figure FDA0003572448930000041
的量化因子为0.5，Kp的量化因子为0.1，Ki的量化因子为0.1，Kd的量化因子为0.001，所述全部变量的隶属度函数都选择三角形隶属度函数，根据ΔTi与
Figure FDA0003572448930000042
两者的大小即变化趋势以及反复实验，建立减小误差的模糊控制规则；
将所述Kp、Ki、Kd作为PID调节器的输入，经过算法：
Figure FDA0003572448930000043
可以进一步得出对步进电机的实时控制输入量γi(t)。
6.根据权利要求5所述的一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统的控制方法，其特征在于，当所述ΔTi(t)为正时，将ΔTi(t)输入电池管理系统的模糊PID控制算法，在降温模式下，模糊PID控制器输出量控制步进电机正转，流量阀张大，降温效果加强；在升温模式下，模糊PID控制器输出量控制步进电机反转，流量阀关小，加热效果减弱；当温差ΔTi(t)为负时，上述各动作均相反；以达到调节电池包温度整体均衡性的目的。
7.根据权利要求4所述的一种基于模糊PID控制的新型动力电池包系统的控制方法，其特征在于，每一个电池芯外表面附着两个s形扁状换热管：s形扁状换热管S1(30)、s形扁状换热管S2(31)，s形扁状换热管S1(30)和s形扁状换热管S2(31)相隔180°置于电池芯外表面，同时s形扁状换热管在转弯处管径变宽；由于一级球型分液枢纽(7)，二级球型分液枢纽(3)的再次分流作用，使得在冷却液流量控制阀(6)的开度相同时，通过冷却液一级分支管(4)和冷却液二级分支管(2)流入每一个s形扁状换热管的冷却液流量都是相同的。
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