CN111830413B - 一种车载电源水冷系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载电源水冷系统的控制方法，包括：按照车载电源实际充、放电工况对车载电源进行充、放电循环试验，在充、放电循环试验中控制水冷系统工作，直至达到水冷系统关闭温度阈值；根据充、放电循环试验中的电源温度‑时间曲线确定水冷系统在达到水冷系统关闭温度阈值时未停机继续运行到电源充满电或放完电时的温度，以此计算水冷系统停机后的预期下降温度；判断所述预期下降温度是否大于设定温度阈值，若大于，则在车载电源实际工作中通过降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统。本发明兼顾了电源温度和能耗使电源平均温度更低，延长了电源寿命的同时，大幅降低了水冷系统的能耗，使水冷系统更节能。

Description

一种车载电源水冷系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种车载电源水冷系统的控制方法，属于电动汽车用动力电池技术领域。

背景技术

随着新能源汽车大范围推广，客户对于续驶里程和车载电源寿命有了更高的要求。为保证续驶里程和车载电源的寿命，一般都会给车载电源增加水冷系统。加入水冷系统的电源系统可以有效降低电源在充、放电过程中的车载电源平均温度，缩减车载电源的温差，大幅提高了车载电源的使用寿命。例如，授权公告号为CN105895976B的中国专利文件公开了一种汽车电池管理系统及其方法，该系统包括用于冷却动力电池组的冷却装置，能够在电池充放电过程中控制电池温度降低。

在带有水冷系统的电源系统中，平均温度和能耗是两个最重要的指标，在实际控制中，为了降低电源(电池)的平均温度，延长电池使用寿命，通常会加大水冷系统的输出功率，但这带来了能耗的升高；而为了减少能耗而降低水冷系统的输出功率又经常会导致电池平均温度的升高。因此，现有车载电源的水冷系统控制没有兼顾电池平均温度和能耗，导致对水冷系统的利用不够充分。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载电源水冷系统的控制方法，用于解决目前车载电源水冷系统没有兼顾电源温度和能耗导致水冷系统没有充分利用的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种车载电源水冷系统的控制方法，包括以下步骤：

1)按照车载电源实际充、放电工况对车载电源进行充、放电循环试验，在充、放电循环试验中控制水冷系统工作，直至达到水冷系统关闭温度阈值；

2)根据充、放电循环试验中的电源温度-时间曲线确定水冷系统在达到水冷系统关闭温度阈值时未停机继续运行到电源充满电或放完电时的温度，以此计算水冷系统停机后的预期下降温度；

3)判断所述预期下降温度是否大于设定温度阈值，若大于，则在车载电源实际工作中通过降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统。

本发明的有益效果是：通过计算充、放电循环试验中水冷系统的预期下降温度，当预期下降温度大于设定温度阈值的情况下，降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率；通过降低水冷系统关闭温度阈值，使得水冷系统得到了充分利用，同时降低水冷系统输出功率，以平衡能耗的相对增加，兼顾了电源温度和能耗，使电源平均温度更低，延长了电源寿命的同时，大幅降低了水冷系统的能耗，使水冷系统更节能。

进一步的，为了获取最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率，以实现最优控制，所述步骤3)中是按照最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率来控制水冷系统，所述的最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率的确定过程为：

再次进行充、放电循环试验，并按照降低后的水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统，直至水冷系统停机后的预期下降温度不大于设定温度阈值。

进一步的，为了快速获取最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率，在确定最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率时，每次充、放电试验过程按照设定的步长降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率。

进一步的，为了可靠判断是否需要降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率，所述的设定温度阈值为1度。

进一步的，为了实现可靠控制，所述步骤1)中的车载电源进行充、放电循环试验包括N个单次充电过程和N个单次放电过程，步骤2)是根据各单次充电、单次放电过程确定对应的预期下降温度，若充电过程中存在预期下降温度大于设定温度阈值，则在车载电源实际充电中降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率；若放电过程中存在预期下降温度大于设定温度阈值，则在车载电源实际放电中降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率。

进一步的，为了可靠获取充、放电过程的个数，所述N的大小为：

其中，T为车载电源的总使用时间，SOC_用为车载电源的SOC使用范围，v_充为车载电源的充电倍率，v_放为车载电源的放电倍率，t为车载电源的单次静置时间。

附图说明

图1是本发明车载电源水冷系统的控制方法的流程图；

图2是本发明某次放电过程中获取的电源温度-时间曲线图；

图3是本发明改进前策略和改进后策略中所获取的充放电过程的能耗数据对比图；

图4是本发明三种策略中所获取的电池最高温度变化对比图；

图5是本发明三种策略中所获取的电池最低温度变化对比图；

图6是本发明三种策略中所获取的能耗变化对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本实施例提供了一种车载电源水冷系统的控制方法，通过计算充、放电循环试验中车载电源的预期下降温度，这里的车载电源是指电池，当预期下降温度大于设定温度阈值的情况下，则降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率，直到找到最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率。该车载电源水冷系统的控制方法兼顾了电池温度和能耗，通过降低水冷系统关闭温度阈值，使得水冷系统得到了充分利用，同时降低水冷系统输出功率，以平衡能耗的相对增加，使水冷系统更节能的同时降低了电池温度，延长了电池使用寿命。

具体的，该车载电源水冷系统的控制方法对应的流程图如图1所示，具体包括以下步骤：

1)按照电池实际充、放电工况对电池进行充、放电循环试验，在充、放电循环试验中控制水冷系统工作，直至达到水冷系统关闭温度阈值。

其中，为了实现对电池进行充、放电循环试验的过程，选择待优化的车载电源水冷系统，将其放置在环境试验箱中，以保证可以提供运行所需要的温度和湿度。通常，温度有恒温和变温两种条件，要求环境试验箱可以实现程序变温。将车载电源水冷系统和与之匹配的充放电机相连接，要求充放电机的工作电压、电流、功率能够满足试验条件需求，并且要求充放电机带有通讯功能，可以和电池实现信息交互，以满足过充、过放、过温、绝缘保护的要求。要求充放电机可以实现工况功能，以满足模拟实际工况的要求。充放电机的一通道连接车载电源水冷系统中的电源系统即电池进行循环试验，另一通道连接车载电源水冷系统中的水冷系统，为水冷系统中的水冷机组提供供电电源(在实际车辆中，电池充电时，由充放电机给水冷机组供电，而在放电时，由电池给水冷机组供电，与试验对电池进行充、放电时水冷系统的供电系统不一致，因为测试使用的电池箱体为单箱电池，单箱电池的电压无法使水冷机组工作，所以使用外部供电方式，这种方式对统计能耗并无影响。但实际车辆的电池能量确实有部分用于水冷系统的工作，不过此部分能量占比不大；对电池温度有部分影响，不过影响也不大，试验中电池的工作方式和实际车辆相比运行时间会稍长)，通过前者得到电池温度、电池电流等随时间的变化曲线，通过后者得到水冷机组能耗、水冷机组工作电流随时间的变化曲线。

以电池实际使用的情况为依据，即以实车工况为基准，确定电池的充电倍率v_充、放电倍率v_放，SOC使用范围SOC_用，充、放电循环试验次数N。例如：电池的充电倍率v_充为1C、电池的放电倍率v_放为0.33C，充、放电循环试验次数N为4。其中，电池的充电倍率v_充以电池实际充电倍率为准；电池的放电倍率v_放以电池实际工况的平均值确定；电池的SOC使用范围SOC_用由电池实际使用条件确定。电池的充电倍率v_充、放电倍率v_放和SOC使用范围SOC_用确定后，可以确定电池的单次循环时间(电池充放电一次所需时间)。电池的总使用时间T等于车辆每天运行时间(含充电)，一般可以定义为16h，通过电池的总使用时间T和单次循环时间确定充、放电循环试验次数N，具体计算公式为：

其中，T为电池的总使用时间，SOC_用为电池的SOC使用范围，v_充为电池的充电倍率，v_放为电池的放电倍率，t为电池的单次静置时间，

为电池的单次循环时间。

按照确定的电池的充电倍率v_充、放电倍率v_放，对电池进行N次充、放电循环试验，也就是对电池进行充、放电循环试验包括N个单次充电过程和N个单次放电过程。在充、放电循环试验中，控制水冷系统工作，直至达到水冷系统关闭温度阈值。

2)根据充、放电循环试验中的电源温度-时间曲线确定水冷系统在达到水冷系统关闭温度阈值时未停机继续运行到电源充满电或放完电时的温度，以此计算水冷系统停机后的预期下降温度。

其中，分别根据单次充电过程和单次放电过程的温度情况计算预期下降温度，即根据各单次充电、单次放电过程确定对应的预期下降温度，因为循环包含N个充放电过程，每个充放电过程都有自己的预期下降温度，充电过程对应的是充电预期下降温度，放电过程对应的是放电预期下降温度。其中，预期下降温度的定义为：假设水冷系统中的水冷机组未停机继续运行到电池充满电或放完电后的温度减去电池实际在水冷系统中的水冷机组停机后的温度。

为了计算每个充电过程或放电过程对应的预期下降温度，以电池某次放电试验过程为例，如图2(图2中水冷机组工作电流与电池温度共用大于0的纵坐标的数值，小于0的纵坐标为电池电流的数值)所示，中间曲线为该放电试验结束后获取的水冷机组(工作)电流随时间的变化曲线，水冷机组在3000秒处停机，以停机前的电池温度数据为基准进行曲线拟合，得到电池最高温度拟合曲线(斜线)，也就是电源温度-时间曲线，将电池放电结束的时间6500秒带入电源温度-时间曲线，得到电源温度-时间曲线的最终温度为25.6℃，即假设水冷系统中的水冷机组不关闭，一直运行到电池放电终止时电池的最高温度。而由图2可知，电池实际放电终止时的最高温度为32℃，两者之差6.4℃即为预期下降温度。

以上述计算方式为例，可以计算电池在各个充电过程及放电过程的预期下降温度。

3)判断预期下降温度是否大于设定温度阈值，若大于，则在电池实际工作中通过降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统。

其中，当预期下降温度大于设定温度阈值时，说明水冷机组能力利用不充分，还有改进空间；当预期下降温度不大于设定温度阈值时，说明水冷机组能力利用充分，没有改进空间。这里的设定温度阈值可以根据应用需要进行设置，例如可以设置为1.5℃、1℃、0.5℃等数值。具体的，若充电过程中存在预期下降温度大于设定温度阈值，则在电池实际充电过程中降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率；若放电过程中存在预期下降温度大于设定温度阈值，则在电池实际放电过程中降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率。

需要说明的是，在充、放电循环试验中，各单次充电过程确定的预期下降温度一般情况下相差不大，若N次充电过程中存在有预期下降温度满足要求的即预期下降温度大于设定温度阈值，有不满足要求的即预期下降温度不大于设定温度阈值，则按照满足要求即按照充电过程中水冷系统利用不充分处理。同样地，一般各单次放电过程确定的预期下降温度相差不大，即使N次放电过程中存在有预期下降温度满足要求即预期下降温度大于设定温度阈值，有不满足要求的即预期下降温度不大于设定温度阈值，也同样按照满足要求即放电过程中水冷系统利用不充分处理。

通过降低水冷系统关闭温度阈值，可以延长水冷系统的工作时间，使水冷系统在电池达到温度平衡前继续工作，电池平均温度存在下降的可能性，但如此会导致能耗的增加，因此需要在此基础上降低水冷系统中水冷机组的输出功率。通过对水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率两个变量的调控，使电池在温度降低的同时能耗也下降。

需要说明的是，水冷系统关闭温度阈值和电池温度相关，根据不同厂家的不同策略可以进行调整。例如，某策略定义水冷系统在电池最高温度37℃或平均温度35℃开启，在电池最高温度35℃或平均温度33℃关闭。这里我们视水冷系统开启温度为人为定义的边界条件，由电池的寿命要求决定，而水冷系统关闭温度则可以进行控制，即水冷系统开启和关闭的温度差值应该由电池的温度是否平衡，水冷系统是否为最大效率工作决定，不是一个定值。

其中在降低水冷系统输出功率时，包括三种情况：当充电过程中预期下降温度大于设定温度阈值时，降低充电过程输出功率；当放电过程中预期下降温度大于设定温度阈值时，降低放电过程输出功率；当充电过程中预期下降温度大于设定温度阈值且放电过程中预期下降温度大于设定温度阈值时，同时降低充放电过程输出功率。通常情况下，如果电池的充电倍率v_充较大时，只会出现放电过程中预期下降温度大于设定温度阈值，此时可以单独降低放电过程输出功率。

由于水冷系统中的水冷机组的能耗等于水冷系统输出功率对工作时间的积分，整体能耗是否降低取决于工作时间长短和输出功率大小。降低水冷系统关闭温度阈值一定增加水冷系统的工作时间，使电池温度更低。但延长水冷系统的工作时间会对能耗不利，这就需要通过降低水冷系统输出功率来弥补。但降低水冷系统输出功率反过来又会造成散热能力的减弱，导致存在电池温度升高的可能。因此，需要确定最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率，以保证在较低电池温度的同时，又能够降低能耗。

在确定最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率的过程中，在降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率后，通过比较降低输出功率前后即改进前后水冷系统能耗曲线，可以判断改进的能耗效果，通过比较改进前后电池温度随时间的变化曲线，可以判断改进后温度升高还是降低。如果改进后水冷系统能耗、电池温度均降低，则需要再次进行充、放电试验，并按照降低后的水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统，直至水冷系统停机后的预期下降温度不大于设定温度阈值，此时可以获得最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率，按照最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率来控制水冷系统运行。其中，在确定最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率时，每次充、放电试验过程按照设定的步长降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率。

为了验证上述电池水冷系统的控制方法(也称为改进后策略)的有效性，并以提高充放电过程中进水口目标温度来实现降低水冷系统输出功率，将改进后策略与改进前策略和参考试验策略进行比较，三种策略中的参数设置如下：

改进前策略：进水口目标温度为10℃，水冷系统关闭条件为电池最高温度≤33℃或电池平均温度≤31℃，此时水冷系统关闭温度阈值为电池最高温度等于33℃或电池平均温度等于31℃。

改进后策略：进水口目标温度为20℃，水冷系统关闭条件为电池最高温度≤30℃或电池平均温度≤28℃，此时水冷系统关闭温度阈值为电池最高温度等于30℃或电池平均温度等于28℃。

参考试验策略：进水口目标温度为20℃，水冷系统关闭条件为电池最高温度≤33℃或电池平均温度≤31℃，此时水冷系统关闭温度阈值为电池最高温度等于33℃或电池平均温度等于31℃。

在三种策略中，所获取的电池温度数据如表1所示。通过表1可知，与改进前策略相比，改进后策略所获取的电池最高温度降低1.87℃，电池最低温度降低1.5℃；与改进前策略相比，参考试验策略所获取的电池最高温度升高0.09℃，电池最低温度升高0.55℃。由参考试验策略所获得的数据可知，单纯降低水冷系统输出功率，会导致电池温度的上升，而改进后策略可以有效降低电池的最高温度和最低温度。

表1

	电池最高温度(℃)	电池最低温度(℃)
			改进前策略	35.20	32.78
改进后策略	33.33	31.28
			参考试验策略	35.29	33.33

在改进前策略和改进后策略中，所获取的充放电过程的能耗数据如表2所示，所对应的能耗统计图如图3所示。与改进前策略相比，采用改进后策略可以每天累计省电3.514kWh，其中放电部分能耗增加2.774kWh，充电部分能耗减少6.289kWh。表2为试验的具体数据，从表2可以看出，充电过程的能耗降低了，放电过程的能耗有所增加，那是因为水冷机组开启时间的延长导致放电能耗增加，但整体能耗大幅降低。

表2

在三种策略中，所获取的电池最高温度和最低温度变化对比情况分别如图4和图5所示。由图4可知，改进后策略中的电池最高温度明显下降，而参考试验策略中的电池最高温度和改进前策略近似。由图5可知，改进后策略中的电池最低温度明显下降，参考试验策略中的电池最低温度比改进前策略略高。

在三种策略中，所获取的能耗变化对比情况如图6所示。由图6可知，改进后策略比改进前策略能耗明显降低，参考试验策略能耗最低，但综合考虑电池温度情况，改进后策略优于参考试验策略。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车载电源水冷系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照车载电源实际充、放电工况对车载电源进行充、放电循环试验，在充、放电循环试验中控制水冷系统工作，直至达到水冷系统关闭温度阈值；

2)根据充、放电循环试验中的电源温度-时间曲线确定水冷系统在达到水冷系统关闭温度阈值时未停机继续运行到电源充满电或放完电时的温度，以此计算水冷系统停机后的预期下降温度；

3)判断所述预期下降温度是否大于设定温度阈值，若大于，则在车载电源实际工作中通过降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统。

2.根据权利要求1所述的车载电源水冷系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3)中是按照最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率来控制水冷系统，所述的最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率的确定过程为：

再次进行充、放电循环试验，并按照降低后的水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率控制水冷系统，直至水冷系统停机后的预期下降温度不大于设定温度阈值。

3.根据权利要求2所述的车载电源水冷系统的控制方法，其特征在于，在确定最优水冷系统关闭温度阈值和最优输出功率时，每次充、放电试验过程按照设定的步长降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的车载电源水冷系统的控制方法，其特征在于，所述的设定温度阈值为1度。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的车载电源水冷系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的车载电源进行充、放电循环试验包括N个单次充电过程和N个单次放电过程，步骤2)是根据各单次充电、单次放电过程确定对应的预期下降温度，若充电过程中存在预期下降温度大于设定温度阈值，则在车载电源实际充电中降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率；若放电过程中存在预期下降温度大于设定温度阈值，则在车载电源实际放电中降低水冷系统关闭温度阈值和水冷系统输出功率。

6.根据权利要求5所述的车载电源水冷系统的控制方法，其特征在于，所述N的大小为：

其中，T为车载电源的总使用时间，SOC_用为车载电源的SOC使用范围，v_充为车载电源的充电倍率，v_放为车载电源的放电倍率，t为车载电源的单次静置时间。

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