CN111630710B - 电动车辆电池组冷却系统和使用电动车辆电池组冷却系统的电动车辆电池组系统冷却方法 - Google Patents

电动车辆电池组冷却系统和使用电动车辆电池组冷却系统的电动车辆电池组系统冷却方法 Download PDF

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Abstract

提供了：能够在快速充电时使用的电动车辆电池组冷却系统；和使用该冷却系统的电动车辆电池组系统冷却方法。根据本发明的电动车辆电池组冷却系统包括：电池组；水冷却型冷却装置；安设在水冷却型冷却装置的制冷剂管道之间的热电元件模块；用于检测将被供应到电池组的充电电流的强度的电流传感器；和控制单元，用于根据充电电流的强度确定充电C速率，并且当充电C速率是预设阈值或者更高时驱动热电元件模块。

Description

电动车辆电池组冷却系统和使用电动车辆电池组冷却系统的 电动车辆电池组系统冷却方法
技术领域
本公开涉及一种用于电动车辆的电池组冷却系统和一种使用该电池组冷却系统的冷却方法，更具体地，本公开涉及一种可以防止电池温度在快速充电期间升高的、用于电动车辆的电池组冷却系统和一种通过使用该电池组冷却系统对用于电动车辆的电池组系统进行冷却的方法。本申请要求2018年7月10日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0080099的优先权，其公开通过引用并入本文。
背景技术
近来，随着对诸如笔记本计算机和移动电话此类便携式电子产品的需求快速地增加，并且对电动推车、电动轮椅和电动自行车的需求增加，正在积极地研究能够重复充电和放电的高性能二次电池。而且，近来，随着碳能逐渐地耗尽并且对环境的兴趣增加，全世界对诸如插电式电动车辆(PEV)和插电式混合电动车辆(PHEV)此类电动车辆(EV)的需求增加。
相应地，越来越多的注意力和研究集中在作为电动车辆的关键构件的电池组上，并且迫切需要研发用于对电池快速充电的快速充电技术。特别地，尤其对于未设置另外能源的PEV而言，快速充电也是非常重要的性能。
对电池充电的过程包括向电池供应电流以积累电荷和能量，这个过程必须仔细地控制。通常，过度的充电速率或者充电电压可能使电池的性能永久地劣化，并且最终造成完全故障或者意外问题，诸如腐蚀性化学品发生泄漏或者发生爆炸。
“C”、即C速率被用作充电速率和放电速率的单位。例如，1C意味着在1小时内将完全充电电池的容量耗尽的放电速度和在1小时内将电池的容量充满的充电速度，并且还意味着此时的电流密度。近来，随着电子装置的功能多样化，所述装置在预定时间内使用的所需电流也大大地增加。相应地，还要求被用作能源的电池具有高得多的性能。大多数现有移动电话要求1/2C，但是在将来，因为这些特征更进一步增强，所以可能要求对应于1C的性能。目前，笔记本电池、用于电动车辆的电池组等要求类似的充电C速率和高得多的放电C速率。
在车辆市场中，对充电时间的需求正在增加，从而要求更高的充电C速率以满足这个要求。因此，优选的是，鉴于快速充电而使得充电C速率为1C或者更高。然而，在对电动车辆充电时，如果利用强电压和电流对电池进行无条件地充电，则电池的内部结构可能受到破坏，从而降低耐久性和输出。因此，要求更多的关注。例如，在利用高充电电流密度快速充电期间，Li在负电极处未被嵌入而是析出，由此造成Li镀覆现象。另外，如果以高电流连续地对电池进行充电，则不同于通常充电过程，可以在电池内产生大量的热，并且由于电池的电阻，每个电极可以进入过电压状态。
通常，用于电动车辆的电池组的充电由设置在电池组中的电池管理系统(BMS)进行控制。BMS需要通过选择适当的控制变量来用于短时间地控制快速充电。与电池组的疲劳寿命最相关的控制变量可能是电池温度。取决于电池的温度，充电电流可能受限，并且电池的疲劳寿命可能改变。例如，在充电开始之后，BMS检测电池SOC(荷电状态)和温度，并且执行充电直至SOC达到目标SOC。然而，如果电池温度是阈值温度或者更高，则BMS可以暂时地停止充电，以冷却电池，并且仅当电池温度低于阈值温度时，BMS才将电池充电至目标SOC。
在如上传统方法中，当电池温度升高到高于设定阈值温度时，可以停止充电，如果当应用传统冷却方法时冷却不足，则充电不可避免地被延迟。因此，快速充电还要求不同于通常充电过程的冷却方法。
水冷却方法和空气冷却方法是众所周知的冷却电池的通常方法。为了冷却用于电动车辆的电池组，通常使用利用空气的空气冷却结构，其中，车辆中或者车辆外的空气被吸入以冷却电池组，并且然后被排放。然而，在仅使用空气冷却电池组时存在限制。特别地，因为当车辆停止时，空气的循环不平稳，所以在通过将电池组所产生的热量耗散到外侧来有效地冷却电池组方面存在限制。
水冷却方法是用于使用诸如冷却剂这样的热交换介质进行冷却的技术。在水冷却方法中，安装被成形为类似电板的线圈这样的冷却剂导管，以允许与电池的外侧进行热传导，冷却剂被引入冷却剂导管中，以间接地利用热传导来冷却电池。例如，韩国专利No.10-1112442、No.10-1205181、No.10-1833526等公开了具有水冷却装置的电池模块。
与空气冷却方法相比较，水冷却方法具有优良的冷却效率。因此，如果在通过使用水冷却方法对用于电动车辆的电池组进行快速充电期间实施更加专业的冷却方法和系统，则将是理想的。
发明内容
技术问题
本公开旨在提供一种可以在快速充电期间所利用的、用于电动车辆的电池组冷却系统。
本公开还旨在提供一种可以在快速充电期间所利用的、冷却用于电动车辆的电池组系统的方法。
根据以下详细描述可以理解本公开的这些和其它目的和优点，并且本公开的这些和其它目的和优点从本公开的示例性实施例将变得更加显而易见。而且，将易于理解，本公开的目的和优点可以通过所附权利要求书所示手段及其组合来实现。
技术方案
在本公开的一个方面中，提供了一种用于电动车辆的电池组冷却系统，包括：电池组，所述电池组包括多个电池；水冷却装置，所述水冷却装置具有被安装为允许与所述电池的外侧进行热传导的冷却剂导管，并且被构造为通过将冷却剂引入所述冷却剂导管中而利用热传导来间接地冷却所述电池；热电模块，所述热电模块在所述水冷却装置的所述冷却剂导管处被安设在进口冷却剂导管和出口冷却剂导管之间，所述进口冷却剂导管用于朝向所述电池组引入冷却剂，所述出口冷却剂导管用于将冷却所述电池组的冷却剂排放至所述电池组的外侧，所述热电模块具有面对所述进口冷却剂导管的吸热表面和面对所述出口冷却剂导管的散热表面；电流传感器，所述电流传感器被构造为检测被供应到所述电池组的充电电流的大小；和控制单元，所述控制单元被构造为基于所述充电电流的大小确定充电C速率，并且当所述充电C速率是预设阈值或者更高时运行所述热电模块，使得在所述吸热表面和所述散热表面之间造成温差。
优选地，所述吸热表面可以与所述进口冷却剂导管接触，所述散热表面可以与所述出口冷却剂导管接触，使得通过所述热电模块在所述进口冷却剂导管和所述出口冷却剂导管之间进行热交换。
该电池组可以进一步包括电池组外壳和设置在所述电池组外壳的内部的冷却部件，使得冷却剂在其中流动，以冷却所述电池，所述冷却部件中可以形成有连续通道，使得所述通道的两端被连接到用于朝向所述电池组引入冷却剂的冷却剂进口和用于将冷却所述电池组的冷却剂排放至所述电池组的外侧的冷却剂出口，所述进口冷却剂导管可以被连接到所述冷却剂进口，并且所述出口冷却剂导管可以被连接到所述冷却剂出口。
优选地，用于电动车辆的电池组冷却系统可以进一步包括安设在电池组处以检测电池组的温度的温度传感器，并且控制单元可以被构造为通过使用所述温度传感器来确定所述电池组的温度随时间的变化率，并且当所述随时间的变化率是预设值或者更高并且所述充电C速率是所述预设阈值或者更高时，运行所述热电模块。
可以从所述电池组之外的外部充电装置供应所述充电电流，并且电流传感器可以被安设在将电池组和外部充电装置连接的充电线上。
可以从外部电力供应装置供应用于运行热电模块的电力，用于电动车辆的电池组冷却系统可以进一步包括被连接在外部电力供应装置和热电模块之间的开关，并且控制单元可以被构造为通过接通开关来运行热电模块。
在本公开的另一个方面中，还提供了一种冷却用于电动车辆的电池组系统的方法，该电池组系统包括：电池组，所述电池组包括多个电池；和水冷却装置，所述水冷却装置被构造为通过将冷却剂引入到冷却剂导管中而间接地冷却所述电池，所述冷却剂导管被安装为允许与所述电池的外侧进行热传导。该方法包括如下步骤：(a)在用于朝向电池组引入冷却剂的进口冷却剂导管和用于将冷却电池组的冷却剂排放至电池组的外侧的出口冷却剂导管之间设置热电模块，热电模块具有面对进口冷却剂导管的吸热表面和面对出口冷却剂导管的散热表面；(b)通过测量流动通过将电池组和外部充电装置连接的充电线的充电电流的大小来确定充电C速率；并且(c)当充电C速率是预设阈值或者更高时运行热电模块，使得在热电模块的吸热表面和散热表面之间造成温差，以在吸热表面处降低冷却剂的温度，并且朝向电池组供应低温冷却剂。
优选地，所述步骤(a)可以包括：允许所述吸热表面接触所述进口冷却剂导管，并且允许所述散热表面接触所述出口冷却剂导管，使得通过所述热电模块在所述进口冷却剂导管和所述出口冷却剂导管之间进行热交换。
优选地，在所述步骤(c)中，热电模块可以在充电C速率为2C或者更高的快速充电期间运行。
优选地，所述步骤(c)可以包括：测量电池组的温度；以及当所述电池组的温度随时间的变化率是预设值或者更高并且所述充电C速率是所述预设阈值或者更高时，运行所述热电模块。
在所述步骤(c)中，电力可以被从外部电力供应装置供应，以运行热电模块。
有利的效果
在快速充电期间，需要有别于通常充电过程的冷却方法。根据本公开，因为在快速充电期间运行热电模块来冷却被用于冷却电池组的冷却剂，所以能够在快速充电期间有效地消除电池组产生的大量的热。
因此，可以解决当冷却不充分时、传统电池组中造成的延迟充电问题，并且还可以解决导致电池组劣化的热积累问题。因为解决了电池组的劣化问题，所以还可以延长电池组的寿命，并且从根本上防止起火或者爆炸。
附图说明
附图示出本公开的优选实施例，并且与前面的公开一起用于提供对本公开技术特征的进一步理解，因此本公开不被理解为限于附图。
图1是示出根据本公开实施例的用于电动车辆的电池组冷却系统的视图；
图2示出可以被包括在图1所示用于电动车辆的电池组冷却系统中的电池组系统的一部分；
图3是示例性地示出可以被包括在图2所示电池组系统中的冷却部件的视图；
图4概略地示出在可以被包括在图1所示用于电动车辆的电池组冷却系统中的热电模块和冷却剂导管之间的连接关系；
图5是示出可以被包括在图1所示用于电动车辆的电池组冷却系统中的热电模块的概略视图。
图6是模拟根据本公开的实施例的冷却用于电动车辆的电池组冷却系统的方法的冷却效果的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。然而，根据本公开的实施例可以以各种方式修改，并且本公开的范围不应该被理解为限制于以下实施例。本公开的实施例被提供用于向本领域技术人员更加充分地描述本公开。
应该理解，在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应该被理解为被限制于一般的和字典的含义，而是基于允许本发明人为了最好的解释适当地限定术语的原则，基于对应于本公开的技术方面的含义和概念来解释。
因此，本文提出的描述仅是为了示意的优选实例，而非旨在限制本公开的范围，从而应该理解，能够在不偏离本公开的范围的情况下对此作出其它等同和修改。
图1是示出根据本公开实施例的用于电动车辆的电池组冷却系统的视图。
参考图1，根据本公开实施例的用于电动车辆的电池组冷却系统100是应用于电池组系统10的热电模块(TEM)70。
在图1中，附图标记“200”示出电动车辆充电站。例如，通过将电动车辆充电站200的线缆230连接到电动车辆的连接器110，电池组1可以在电动车辆充电站200处充电。此时，电动车辆充电站200可以包括外部充电装置210和外部电力供应装置220。
电池组系统10包括电池组1和水冷却装置20。
电池组1包括多个电池1’。
通过穿过被安装为允许与电池1’的外侧进行外部热传导的冷却剂导管30而引入冷却剂，水冷却装置20间接地冷却电池1’。图中的短划线箭头意味着冷却剂的流动方向。水冷却装置20可以进一步包括用于与冷却剂导管30交换热量的热交换器(未示出)。
用于电动车辆的电池组冷却系统100可以与普通电动车辆中采用的空气冷却一起使用。例如，电池组冷却系统100可以联合使用室内空气冷却方法，在所述室内空气冷却方法中，室内空气(从空调供应的室内空气)被位于诸如封装托盘这样的预定室内位置处的冷却风扇抽吸、穿过电池组1的内侧并且通过行李仓排放。
图2示出可以被包括在图1所示用于电动车辆的电池组冷却系统中的电池组系统的一部分。图3是示例性地示出可以被包括在图2所示电池组系统中的冷却部件的视图。图4概略地示出位于可以被包括在图1所示用于电动车辆的电池组冷却系统中的热电模块和冷却剂导管之间的连接关系。
以上，首先，参考图2，电池组系统10的电池组1包括多个电池1’和电池组外壳2。电池组外壳2具有这样的结构：能够通过使得冷却剂在电池组外壳2内侧或者外侧流动或者穿过电池组外壳2自身流动而冷却电池1’。
例如，图3所示冷却部件3可以被设置在电池组外壳2中。冷却部件3由金属板4制成，并且可以具有这样的结构：连续通道5形成在其内表面处，其余部分6则被密封或者为实心。通道5的两端被分别地连接到用于朝向电池组1引入冷却剂的冷却剂进口40和用于将冷却电池组1的冷却剂排放到电池组1的外侧的冷却剂出口50。在图中，短划线箭头示出冷却剂的流动方向。
再次参考图1，冷却剂导管30相对于电池组系统10的冷却部件3在电池组1的外侧处被连接到冷却剂进口40和冷却剂出口50。冷却剂导管30包括进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52，进口冷却剂导管42被连接到冷却剂进口40，并且位于冷却剂进口40附近，出口冷却剂导管52被连接到冷却剂出口50，并且位于冷却剂出口50附近。在图2的电池组系统10中，部分地示出了进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52。
如果在固态材料的两端之间存在温差，则在具有热依赖性的载流子(电子或者空穴)处产生浓度差，这表现为被称作热电力的电学现象，即热电现象。这样，热电现象意味着在温差和电压之间的可逆并且直接的能量转换。热电现象可以被分为产生电能的热电发电和通过施加电流在两端之间造成温差的热电冷却/加热。
在本公开中，从外部电力供应装置向热电模块70供应电力，从而通过在热电模块70的两端处造成温差而执行热电冷却。如果通过从外部电力供应装置供应电力而在热电模块70的两个表面上形成电动势，则一个表面通过吸热而被冷却，另一个表面通过散热而被加热。因此，当通过施加驱动电力来施加电流时，热电模块70的一个表面变为吸热表面，并且其另一个表面变为散热表面。
如图1中所示，热电模块70被特别地安设在水冷却装置20的进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52之间，如图4中更详细地所示。
如图4中所示，热电模块70被附接在进口冷却剂导管42或者包围进口冷却剂导管42的进口冷却剂导管支撑件43的表面以及出口冷却剂导管52或者包围出口冷却剂导管52的出口冷却剂导管支撑件53的表面之间。通过供应驱动电力所施加的电流的方向被形成为使得：进口冷却剂导管42或者包围进口冷却剂导管42的进口冷却剂导管支撑件43的表面形成吸热表面70a，出口冷却剂导管52或者包围出口冷却剂导管52的出口冷却剂导管支撑件53的表面形成散热表面70b。以此方式，如果施加电流，则热电模块70从进口冷却剂导管42吸收热量，并且朝向出口冷却剂导管52散发热量，由此形成如由图4中的箭头所示的热流。换言之，吸热表面70a被附接到进口冷却剂导管42，散热表面70b被附接到出口冷却剂导管52，从而通过热电模块70在进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52之间进行热交换。这里，进口冷却剂导管支撑件43和出口冷却剂导管支撑件53可以分别包围进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52，以在结构上支撑车辆中的进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52，并且进口冷却剂导管支撑件43和出口冷却剂导管支撑件53可以被去除。
如上所述，在本公开中，热电模块70的吸热表面70a和散热表面70b被设置成分别面对进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52。优选地，吸热表面70a与进口冷却剂导管42接触，散热表面70b与出口冷却剂导管52接触，从而通过热电模块70在进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52之间进行热交换。所述接触包括直接接触和通过支撑件43、53的间接接触这两者。
通常，热电模块可以包括作为基本单元的一对p-n热电元件，其包括p型热电元件和n型热电元件，在所述p型热电元件中，空穴发生移动，以传递热能；在所述n型热电元件中，电子发生移动，以传递热能。另外，热电模块可以包括将p型热电元件和n型热电元件相互连接的电极。而且，热电模块可以包括基板，所述基板被置放在热电模块的外部处，以使得诸如电极这样的构件与外侧电绝缘，并且保护热电模块免受外部物理或者化学因素的影响。
图5是示出可以被包括在图1所示用于电动车辆的电池组冷却系统中的热电模块的概略视图。
参考图5，热电模块70包括基板75、电极80和热电元件85。
基板75具有板形，并且被置放在热电模块70之外，以保护热电模块70的各种构件，诸如热电元件85，并且维持热电模块70和外侧之间的电绝缘。基板75可以是氧化铝基板。基板75包括面对彼此的一对上基板76和下基板77。
电极80具有导电性，以允许电流流动。另外，电极80可以被设置于基板75。特别地，电极80可以被构造为在基板75的至少一个表面上露出，从而热电元件85被安装于此。特别地，至少两个热电元件85可以被安装到电极80，并且在该两个热电元件85之间设置用于电流流动的路径。电极80可以通过沉积、溅射、直接压缩、印刷等被设置于上基板76的下表面和下基板77的上表面，并且多个热电元件85可以被置放在其间，以构成热电模块70。电极80还可以用于被直接形成在基板75上的直接覆铜(DBC)型基板。电极80优选由金属制成，所述金属例如是选自由Cu、Au、Ag、Ni、Al、Cr、Ru、Re、Pb、Sn、In和Zn组成的组的至少一种金属或者包含这些金属中的至少两种的合金。在电极80中，形成在上基板76处的上电极81在热电元件85的上部处相互连接，并且在电极80中，形成在下基板77处的下电极82在热电元件85的下部处相互连接。
热电元件85可以由热电材料、即热电半导体制成。热电半导体可以包括各种热电材料，诸如硫属化物、方钴矿、硅化物、包合物和半豪斯勒。例如，可以适当地掺杂诸如BiTe基材料和PbTe基材料这样的热电材料。在提交本申请时已知的各种类型的热电半导体可以被用作热电元件85的材料。
热电元件85可以被构造为这样的形式：热电材料被烧结为块状形式。在传统的热电模块中，热电元件通常主要通过沉积方法被构造在电极上。然而，在作为实例描述的热电模块70中，热电元件85未被沉积在电极80上，而是可以首先被烧结为块状形式。另外，块状形式的热电元件85可以被结合到电极80。虽然附图中没有示出，但是可以在电极80和热电元件85之间进一步包括缓冲层(未示出)，以改进粘结性。
首先，可以以块状形式制造热电元件85。此时，可以使用包括如下步骤的方法来制造块状形式的热电元件85：对热电元件85的原材料进行混合，以形成混合物；对混合后的原材料进行热处理，以形成复合物；并且烧结所述复合物。在烧结步骤中烧结的热电材料可以为块状形式。接着，被烧结成块状形式的热电材料可以被加工成适合应用于热电模块70的尺寸和/或形状。例如，被烧结为柱形块状形式的热电材料可以被切割成更小的六面体块状形式。即，热电材料可以具有通过如下方式形成的结构：对热电材料的铸块进行粉碎，然后对其进行小型化球磨处理，并且然后切割所烧结的结构。另外，被处理成更小的块状形式的热电材料可以作为热电元件85被结合到基板75的电极80。这里，块状形式的热电元件85与电极80可以以各种方式进行结合，诸如像烧结或者钎焊这样的热处理，并且本公开不限于具体结合方法。
如上所述，根据所述构造(其中热电元件85被烧结为块状形式，然后被结合到电极80)，因为热电元件85通过烧结而具有紧凑的结构，所以与传统的热电元件、特别是以气相沉积形式构成的传统热电元件相比，可以显著地改进热电性能。
热电元件85可以称作热电臂(thermoelectric leg)等，并且可以包括n型热电元件86和p型热电元件87。这里，可以通过烧结块状形式的n型热电材料来构成n型热电元件86。另外，可以通过烧结块状形式的p型热电材料来构成p型热电元件87。作为n型热电材料和p型热电材料，可以采用在提交该申请时已知的各种材料，因此不在这里对此详细描述。
在热电元件85中，n型热电元件86和p型热电元件87可以配对，以构成一个基本单元。另外，n型热电元件86和p型热电元件87的数量可以被设置为两个或者更多，由此形成多对。另外，n型热电元件86和p型热电元件87可以被交替地布置成多对n型热电元件86和p型热电元件87。
n型热电元件86和p型热电元件87可以经由电极80被相互电连接。例如，基于一个电极80，n型热电元件86可以被结合到电极80的一端，p型热电元件87可以被结合到电极80的另一端。需要考虑分别形成在上基板76和下基板77处的上电极81和下电极82的形状，以使其可以被并联热连接和串联电连接。热电元件85被串联连接，并且引线90被设置在串联连接的热电元件85的两端处，从而电力被从外侧供应于此。
可以通过施加到热电模块70的电流的大小和方向来调节吸热量和散热量以及吸热方向和散热方向。与n型热电元件86接触的电极80在电流流入的一侧上产生热量，并且在相反侧处吸收热量，p型热电元件87则以相反方式产生热量和吸收热量。热电模块70没有机械致动件，并且其安设位置或者方向不影响运行。因此，热电模块70非常适合于被引入水冷却装置20(图1)中。而且，因为热电模块70可以被制造为具有薄形，所以热电模块70可以被插入在冷却剂导管30(图1)之间的空间中，并且可以在不增加水冷却装置的尺寸或者重量的情况下提供高冷却性能。
一起参考图4和5，在本公开的实施例中，热电模块70的吸热表面70a被附接到进口冷却剂导管42或者包围进口冷却剂导管42的支撑件43，同时，热电模块70的散热表面70b被附接到出口冷却剂导管52或者包围出口冷却剂导管52的支撑件53的表面。例如，下基板77变为吸热表面70a，上基板76变为散热表面70b。以上述方式确定施加到引线90的电流的方向。在图5中，与此对应的热流也由箭头示意。
上述电池组冷却系统100的使用对应于用于电池组系统10的冷却方法。再次参考图1，将更加详细地描述电池组冷却系统100的构件和电池组冷却系统100的使用。
电池组冷却系统100进一步包括电流传感器92、温度传感器93、开关94和控制单元95。
电流传感器92检测被供应到电池组1的充电电流的大小。从电池组1之外的外部充电装置210供应充电电流，并且例如，外部充电装置210可以被包括在电动车辆的充电站200中。电流传感器92可以被安设于将电池组1和外部充电装置210连接的充电线92’。
温度传感器93被安设到电池组1，以检测电池组1的温度。温度传感器93例如是热电偶。
从外部电力供应装置220供应用于运行热电模块70的电力，并且例如，外部电力供应装置220可以被包括在电动车辆的充电站200中。开关94被连接在外部电力供应装置220和热电模块70之间，以控制外部电力供应装置220和热电模块70之间的连接。例如，开关94可以被安设到将外部电力供应装置220连接到热电模块70的电力供应线94’。
控制单元95被连接到电流传感器92、温度传感器93和开关94，从电流传感器92和温度传感器93获得信息，执行用于控制开关94的运行的各种计算，并且输出控制信号以控制电流传感器92、温度传感器93和开关94。控制单元95可以是电池管理系统(BMS)。
特别地，控制单元95基于充电电流的大小确定充电C速率。如果所确定的充电C速率是预设阈值或者更高，则运行热电模块70，以在吸热表面70a和散热表面70b之间诱发温差。在这个实施例中，如果控制单元95接通开关94，则热电模块70可以运行。另外，控制单元95可以使用温度传感器93确定电池组1的温度随时间的变化率。热电模块70可以被构造为：如果随时间的变化率是预设值或者更高并且充电C速率是预设阈值或者更高，则运行热电模块。
使用电池组冷却系统100的冷却电池组系统10的方法可以以如下方式执行。
热电模块70被设置在用于朝向电池组1引入冷却剂的进口冷却剂导管42和用于在水冷却装置20的冷却剂导管30处向电池组1的外侧排放冷却电池组1的冷却剂的出口冷却剂导管52之间。这里，热电模块70的吸热表面70a和散热表面70b被设置成分别地面对进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52。
通过使用电流传感器92测量流过将电池组1和外部充电装置210连接的充电线92’的充电电流的大小，从而控制单元95确定充电C速率。如果充电C速率是预设阈值或者更高，则控制单元95运行热电模块70，以在热电模块70的吸热表面70a和散热表面70b之间造成温差，并且降低朝向电池组1供应的吸热表面70a处的冷却剂的温度。
同时，在实施例中，控制单元95可以使用温度传感器93测量电池组1的温度，然后，如果电池组1的温度随时间的变化率是预设值或者更高，并且充电C速率是预设阈值或者更高，则运行热电模块70。与控制单元95只是利用充电C速率来确定的情形相比，如果控制单元95通过甚至考虑电池组1的温度随时间的变化率来确定是否运行热电模块70，则即使充电C速率低于预设阈值但是电池组1的温度由于冷却不足而快速地升高，仍然可以运行热电模块70，由此防止电池组1的温度升高。
当热电模块70在运行中时，热电模块70的吸热表面70a从进口冷却剂导管42吸收热量，由此降低穿过进口冷却剂导管42的进口冷却剂的温度。以此方式，在本公开中，因为热电模块70被应用于降低诸如冷却水这样的冷却剂的温度，并且向电池组1供应低温冷却剂，所以冷却性能得到改进。这是本公开的第一特征。
当热电模块70在运行中时，热电模块70的散热表面70b朝向出口冷却剂导管52或者包围出口冷却剂导管52的支撑件的表面散热，同时吸热表面70a降低进口冷却剂的温度。穿过出口冷却剂导管52的冷却剂移走由热电模块70的散热表面70b产生的热量。如上所述，使用出口冷却剂消除热量，从而散热表面的温度不升高，而不是在热电模块70的散热表面处自然地耗散或者积累热量。这是本公开的第二特征。
热电模块70仅在诸如充电C速率为预设阈值或者更高的情况的快速充电期间运行。这是本发明的第三特征。热电模块70需要消耗电力以实现温差。因此，热电模块70在通常充电过程期间不运行，而仅在快速充电期间运行。
另外，当电池组1被充电时，使用单独的外部电源来解决运行热电模块70所要求的电力。这是本公开的第四特征。从外部电力供应装置220供应用于运行热电模块70的电力，并且例如，外部电力供应装置220可以被包括在电动车辆的充电站200中。
对由车辆制造商开发的电动车辆中的电池从5％SOC快速充电到80％SOC所需的时间大约为30分钟。这意味着充电C速率小于大约2C。在使用诸如汽油发动机和柴油发动机这样的普通发动机的车辆中，加油时间通常为大约5分钟。与此相比，即便执行快速充电，电动车辆也要花费大量的时间。就恢复车辆的驱动能量而言，加油和充电是相同的，并且就车辆的适销性而言，在长距离行驶中车辆的加油时间和充电时间是应该考虑的重要因素。
为了减少充电时间，优选更高的充电C速率，但是应该考虑到电池类型和特性来决定充电C速率。例如，用于PEV的电池可以将充电C速率设定为大约1.5C。作为另一实例，用于PHEV的电池可以将初始充电C速率设定为3C。取决于要求更快的充电和放电速率的电池规格，可以将初始充电C速率进一步增加至例如5C。充电C速率可能不仅受到电池的类型的限制，而且还受到实际在车辆中使用的马达的最大电流的限制。在本公开中，快速充电表示充电C速率为1C或者更高，优选为2C或者更高。
根据本公开，热电模块70仅在快速充电期间通过外部电力运行，并且运行后的热电模块70允许进口冷却剂在进入电池组1之前被冷却到更低的温度，由此在快速充电期间增加电池冷却效率。出口冷却剂冷却热电模块70的散热表面70b，从而热量不在热电模块70的散热表面70b处积累，并且散热表面70b被保持为低温。
如上所述，在本公开中，热电模块70被构造为适当地在进口冷却剂导管42和出口冷却剂导管52之间进行热交换，因此降低了冷却电池组1的冷却剂的温度，然后冷却后的冷却剂被供应到电池组1，由此增加冷却性能。热电模块70被设计成利用在快速充电期间可以从电动车辆的充电站供应的外部电力来运行，由此解决了运行热电模块70所要求的电源的问题。
在本公开中，因为通过在快速充电期间向热电模块70供应外部电力来运行热电模块70，所以即使在快速充电期间电池组1的温度升高，也可以通过供应温度被降低的冷却剂来有效地冷却电池组1。即，可以从电动车辆的充电站供应的外部电力通过引线90被供应到热电模块70的热电元件85，以形成吸热表面70a和散热表面70b。特别地，热电模块70仅在快速充电期间运行，以应对快速充电期间的冷却。因此，在用于电动车辆的电池组的快速充电期间产生的热量可以被有效地散发到外侧，由此抑制电池组的劣化。
同时，如果根据充电C速率的电池组的温度的升高宽度是已知的，则当确定了被维持的电池组的适当的温度时，则可以知道被供应的冷却剂的温度。因此，能够确定以上目的所要求的条件，诸如热电元件的类型、被供应用于吸热表面和散热表面之间的适当温差的电流的大小等。另外，可以在本领域技术人员的通常能力范围内根据需要改变热电元件和冷却导管的实际形状。
图6是模拟根据本公开实施例的冷却用于电动车辆的电池组冷却系统的方法的冷却效果的曲线图。在该曲线图中，水平轴线表示时间(s)，竖直轴线表示最大电池温度(℃)。
通过假定以2C从5％SOC到95％SOC范围内的快速充电而获得图6。在三维、二维、一维和零维模拟方法中，使用零维模拟方法“集总模型计算”。因为温度随着充电时间变化，所以使用依赖于时间的“瞬时分析”，而不是独立于时间的“稳态分析”。
假设初始电池温度为50℃，环境温度也是50℃。可以根据使用环境、依需要改变初始电池温度和环境温度的条件。最大容许电池温度(例如，在BMS中允许充电的阈值温度)为60℃。最大容许电池温度条件依赖于电池的类型。在这个试验实例中，最大容许电池温度为60℃，这是通常是具有三组分NCM(镍、钴、锰)正极电极材料的电池中所要求的。有利地，从电池到冷却剂的总热阻是小的。在这个试验实例中，假设总热阻为2.0K/W，这是在用于电动车辆的电池规格中通常优选的值。
根据本公开，通过运行热电模块(本公开的实例1)，进口冷却剂的温度可以被降低到环境温度或者更低，例如10℃。该情形等同于模拟试验的环境温度，并且将该情形与进口冷却剂的温度为30℃的情形(对比实例1)和进口冷却剂的温度为50℃的情形(对比实例2)相比较。
如在图6中所示，电池温度随着(充电)时间逝去而增加。在进口冷却剂的温度变为10℃、30℃和50℃大约1600秒之后，最大电池温度分别变为55.2℃、65.7℃和76.8℃。
因此，如本公开的实例1中那样，如果进口冷却剂的温度可以被降低到10℃，则在充电期间，最大电池温度可以被维持为60℃或者更低。在对比实例1和2中，最大电池温度超过60℃。
在开始充电之后，BMS检测电池的SOC和温度，并且对电池进行充电，直至SOC达到目标SOC。这里，如果电池被构造成：当电池温度高于阈值温度时，暂时停止充电以冷却电池，并且仅当电池温度低于阈值温度时，电池才被充电至目标SOC，则如在本公开中所述，只要将最大电池温度保持低于60℃，电池就可以在短时间内被完全地充电而不暂时停止充电。然而，在不同于本公开的对比实例1和2中，无法降低冷却剂温度并且供应被冷却的冷却剂，并且如模拟中那样，最大电池温度超过60℃，因此要求暂时停止充电，由此延长了充电时间。
如上所述，本公开涉及一种用于冷却包括多个电池的电池组的冷却系统和一种使用该冷却系统的冷却方法。冷却系统包括用于允许冷却剂在其中流动的冷却剂导管和被设置于冷却剂导管的外部的热电模块。而且，热电模块的吸热表面可以被附接到进口冷却剂导管，并且散热表面可以被附接到出口冷却剂导管。对于安装有电池组的电动车辆，当电动车辆在充电站处充电时，热电模块利用供应的外部电力运行。因为由热电模块冷却的冷却剂对电池组进行冷却，所以可以在快速充电期间针对电池组的过度加热而改进冷却性能。
已经详细描述了本公开。然而，应该理解，虽然详细描述和具体实例示出了本公开的优选实施例，但仅仅通过示意方式给出，因为对本领域技术人员而言，根据该详细描述，将清楚理解本公开的范围内的各种改变和修改。

Claims (11)

1.一种用于电动车辆的电池组冷却系统，包括：
电池组，所述电池组包括多个电池；
水冷却装置，所述水冷却装置具有被安装为允许与所述电池的外侧进行热传导的冷却剂导管，并且所述水冷却装置被构造为通过将冷却剂引入所述冷却剂导管中而利用热传导来间接地冷却所述电池；
热电模块，所述热电模块在所述水冷却装置的所述冷却剂导管处被安设在进口冷却剂导管和出口冷却剂导管之间，所述进口冷却剂导管用于朝向所述电池组引入冷却剂，所述出口冷却剂导管用于将冷却所述电池组的冷却剂排放到所述电池组的外侧，所述热电模块具有面对所述进口冷却剂导管的吸热表面和面对所述出口冷却剂导管的散热表面；
电流传感器，所述电流传感器被构造为检测被供应到所述电池组的充电电流的大小；和
控制单元，所述控制单元被构造为基于所述充电电流的大小来确定充电C速率，并且当所述充电C速率是预设阈值或者更高时运行所述热电模块，使得在所述吸热表面和所述散热表面之间造成温差。
2.根据权利要求1所述的用于电动车辆的电池组冷却系统，
其中，所述吸热表面与所述进口冷却剂导管接触，并且所述散热表面与所述出口冷却剂导管接触，使得通过所述热电模块在所述进口冷却剂导管和所述出口冷却剂导管之间进行热交换。
3.根据权利要求1所述的用于电动车辆的电池组冷却系统，
其中，所述电池组进一步包括电池组外壳和设置在所述电池组外壳的内部的冷却部件，使得冷却剂在所述冷却部件中流动，以冷却所述电池，
其中，在所述冷却部件中形成有连续通道，使得所述通道的两端被连接到用于朝向所述电池组引入冷却剂的冷却剂进口和用于将冷却所述电池组的冷却剂排放到所述电池组的外侧的冷却剂出口，并且
其中，所述进口冷却剂导管被连接到所述冷却剂进口，并且所述出口冷却剂导管被连接到所述冷却剂出口。
4.根据权利要求1所述的用于电动车辆的电池组冷却系统，进一步包括：
温度传感器，所述温度传感器被安设在所述电池组处，以检测所述电池组的温度，
其中，所述控制单元被构造为通过使用所述温度传感器来确定所述电池组的温度随时间的变化率，并且当所述随时间的变化率是预设值或者更高并且所述充电C速率是所述预设阈值或者更高时，运行所述热电模块。
5.根据权利要求1所述的用于电动车辆的电池组冷却系统，
其中，从所述电池组之外的外部充电装置供应所述充电电流，并且所述电流传感器被安设在将所述电池组和所述外部充电装置连接的充电线上。
6.根据权利要求1所述的用于电动车辆的电池组冷却系统，
其中，从外部电力供应装置供应用于运行所述热电模块的电力，
其中，用于电动车辆的所述电池组冷却系统进一步包括被连接在所述外部电力供应装置和所述热电模块之间的开关，并且
其中，所述控制单元被构造为通过接通所述开关来运行所述热电模块。
7.一种冷却用于电动车辆的电池组系统的方法，所述电池组系统包括：
电池组，所述电池组包括多个电池；和
水冷却装置，所述水冷却装置被构造为通过将冷却剂引入到冷却剂导管中而间接地冷却所述电池，所述冷却剂导管被安装为允许与所述电池的外侧进行热传导，
所述方法包括：
(a)在用于朝向所述电池组引入冷却剂的进口冷却剂导管和用于向所述电池组的外侧排放冷却所述电池组的冷却剂的出口冷却剂导管之间设置热电模块，所述热电模块具有面对所述进口冷却剂导管的吸热表面和面对所述出口冷却剂导管的散热表面；
(b)通过测量流过将所述电池组和外部充电装置连接的充电线的充电电流的大小来确定充电C速率；和
(c)当所述充电C速率是预设阈值或者更高时运行所述热电模块，使得在所述热电模块的所述吸热表面和所述散热表面之间造成温差，以在所述吸热表面处降低冷却剂的温度，并且朝向所述电池组供应低温冷却剂。
8.根据权利要求7所述的冷却用于电动车辆的电池组系统的方法，
其中，所述步骤(a)包括：
允许所述吸热表面接触所述进口冷却剂导管，并且允许所述散热表面接触所述出口冷却剂导管，使得通过所述热电模块在所述进口冷却剂导管和所述出口冷却剂导管之间进行热交换。
9.根据权利要求7所述的冷却用于电动车辆的电池组系统的方法，
其中，在所述步骤(c)中，所述热电模块在所述充电C速率为2C或者更高的快速充电期间运行。
10.根据权利要求7所述的冷却用于电动车辆的电池组系统的方法，
其中，所述步骤(c)包括：
测量所述电池组的温度；和
当所述电池组的温度随时间的变化率是预设值或者更高并且所述充电C速率是所述预设阈值或者更高时，运行所述热电模块。
11.根据权利要求7所述的冷却用于电动车辆的电池组系统的方法，
其中，在所述步骤(c)中，从外部电力供应装置供应电力，以运行所述热电模块。
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