CN112563618B - 一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法，属于动力电池技术领域，所述装置包括电池仓、相变储热装置、备用相变储热装置，所述电池仓与相变储热装置、备用相变储热装置经管道并联，所述相变储热装置、备用相变储热装置的两侧出口处分别设有风道控制电磁阀，管道上分别设有风机，所述电池仓、相变储热装置、备用相变储热装置形成单向空气流通通道，所述温度传感器与控制单元微处理器相连，所述控制单元微处理器控制电磁阀的起闭与风机转速。本发明利用相变储热材料的特性对电池仓的温度进行控制，同时回收部分电池工作时散发的热量来用于低温启动，在高效节能的同时，解决电池正常工作时的散热问题和低温启动保护问题。

Description

一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法
技术领域
本发明属于动力电池技术领域，具体涉及一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法。
背景技术
动力电池作为电动汽车的动力来源等同于传统燃油车的内燃发动机，其通常以锂离子电池单体通过串并联的形式组成。由于锂离子电池工作对于温度具有一定的敏感性，工作温度过高容易引起电池热失控，导致电池分解燃烧；工作温度过低则会导致放电容量衰减，加速老化进程，因此，电动汽车的BTMS（Battery Thermal Management System）成为研究热点。当前，BTMS的研究主要集中在散热管理，电池仓的最高温度和均一性是控制的主要目标，空气冷却、液体冷却、相变冷却是采用主要的方法，结构多为开放式结构，通过空气、水等冷却介质流过电池表面或者用相变材料包裹电池来带走热量并向外排散；而对于低温状态下电池的运行状态，多数研究未考虑在内，在较少的低温启动方案中，多以外加热源对电池仓进行加热来实现温度的控制，整体呈现粗放式状态，缺乏对电池能量一体化管理利用的方法结构。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法，利用相变冷却材料的特性对电池仓的温度进行控制，同时回收部分电池工作时散发的热量来用于低温启动，在节能高效的同时，解决电池正常运行时的散热问题和低温启动保护问题。
本发明采用如下技术方案：
一种电动汽车电池温度控制装置，所述装置包括电池仓、相变储热装置、备用相变储热装置，所述电池仓与相变储热装置、备用相变储热装置经管道并联，所述相变储热装置、备用相变储热装置的两侧开口处分别设有风道控制电磁阀，相变储热装置、备用相变储热装置并联后的空气流入口和空气流出口的管道上分别设有风机，所述相变储热装置、备用相变储热装置上分别设有两个与外界进行空气交换的电磁阀，所述电池仓、相变储热装置、备用相变储热装置形成单向空气流通通道，所述相变储热装置包括相变储热装置外壳，所述相变储热装置外壳上设有相变储热装置空气流入口、相变储热装置空气流出口，所述相变储热装置外壳内设有相变储热管，所述相变储热管经隔板分隔，所述相变储热装置外壳内侧设有隔热材料填充层，所述备用相变储热装置与相变储热装置结构相同，所述电池仓包括电池仓外壳，所述电池仓外壳上设有电池仓空气流入口、电池仓空气流出口，所述电池仓外壳内设有动力电池组，所述动力电池组外部设有导热材料，所述电池仓外壳内壁设有电池仓隔热材料，相变储热装置、备用相变储热装置内部及二者的相变储热装置空气流入口、相变储热装置空气流出口处设有温度传感器，所述导热材料上设有温度传感器，所述温度传感器与控制单元微处理器相连，所述控制单元微处理器控制电磁阀的起闭与风机转速。
进一步地，所述风机由超级电容提供启动电量，风机启动后由动力电池组提供电量，且动力电池组对电容进行充电。
进一步地，相变储热装置、备用相变储热装置中的相变储热管之间留有间隙，相变储热装置空气流入口、相变储热装置空气流出口与相变储热管之间的间隙形成空气流通传热通道。
进一步地，电池仓的电池仓空气流入口、电池仓空气流出口与导热材料之间的空隙形成空气流通传热通道。
进一步地，所述风机为圆形斜流增压管道风机。
进一步地，所述管道为耐高温玻璃纤维软管。
一种电动汽车电池温度控制方法，当电池工作发热时，由风机将热空气通过风道吹送入相变储热装置，将热量储存在相变材料储热管中，待电池仓温度恢复；而当电池处于低温环境中时，相变材料释放热量，由风机将热量传输到电池仓内对动力电池组进行加热；微处理器MCU根据相变储热装置、备用相变储热装置及电池仓的温度信号对比关系，输出电磁阀开关信号、风机的转速控制信号与超级电容的开关信号，如果电池仓温度高于电池最佳工作温度范围的上限，微处理器MCU输出控制信号打开主相变储热装置电磁阀，控制单元调节风机转速，电池仓通过空气与相变材料发生热交换，主相变储热装置在风机运行的过程中始终处于储热的过程，主相变储热装置接近饱和时，控制单元发出切换信号打开备用相变储热装置电磁阀，开启备用相变储热装置，当储热装置的温度达到限定值时，微处理器MCU根据相变储热装置与电池仓的温度信号差值判断电池仓是否处于理想工作温度范围，如果此时电池仓温度处于理想工作温度范围，微处理器MCU输出指令关闭两台风机与所有电磁阀，封闭相变储热装置与备用相变储热装置；如果此时电池仓温度仍高于理想工作温度范围上限，微处理器MCU输出指令提高两台风机转速，并打开电磁阀，排除多余热量，保证电池仓温度回落到理想工作温度范围；当电动汽车处于熄火状态，微处理器MCU控制电磁阀关闭风道，相变储热装置处于封闭状态，以保存热量，用于低温启动；当电池仓温度逐渐升高，控制单元根据电动汽车最初启动时电池仓温度判断外界环境温度，当电池仓处于最佳工作温度时，根据温度模块发送的电池仓温度开启主备用相变储热风道，相变储热装置开启散热风道，给电池仓降温；电池仓处于较低的外界环境温度，在低温启动时，控制单元接受温度模块发来的信号，根据温度值，控制开启主备用相变储热循环风道，将提前储存在相变储热装置中的热量通过空气带入到电池仓中，给电池仓升温，待电池仓温度达到电池最佳工作范围时，电池仓工作，电动车运行，在运行过程中将逐渐升高的电池仓温度以热量的形式存储到相变储热装置中，当主相变储热装置接近饱和时，开启备用相变储热装置风道向备用相变储热装置储能；电池仓温度一直处于较高的状态时，电动汽车启动前，控制单元根据接到的温度信号判断开启主备用相变储热风道，相变储热散热风道一直处于打开的状态，控制单元会根据温度的变化切换主备相变储热风道的开启与关闭为电池仓降温。
本发明的优点与效果为：
本发明为一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法，既解决了电动汽车在运行时电池仓的散热问题，又解决了电动汽车在低温启动时电池仓启动温度过低的问题，有效的扩大了电池仓电池工作温度范围。将散热性能与低温启动能力集成到一个装置中，结构简单，减小装置的安装空间，提高了电池仓温度控制效率，可抵御环境温度变化的能力也更强，极大的改善了锂离子电池在低温环境下的工作状况，扩大了纯电动汽车的使用地域限制。
附图说明
图1为本发明固液相变储热电池温度控制结构图；
图2为本发明温度数据采集与控制系统图；
图3为本发明相变储热装置结构图；
图4为固液相变储热装置剖面图；
图5为电池仓结构图；
图6为电池仓剖面图；
图7为电动汽车运行散热过程工作流程图；
图8为电动汽车低温启动过程工作流程图。
图中部件：1-相变储热装置空气流入口、2-相变储热装置空气流出口、3-相变储热管、4-隔板、5-隔热材料填充层、6-相变储热装置外壳、7-空气、8-电池仓空气流入口、9-电池仓空气流出口、10-电池仓外壳、11-电池仓隔热材料、12-动力电池组、13-导热材料、14-空隙。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释。
本发明为一种电动汽车电池温度控制装置及其控制方法，图1所示为电动汽车电池温度控制系统，主体包括相变储热装置、备用相变储热装置、电池仓。
如图3、4所示，相变储热装置与备用相变储热装置结构相同，包括相变材料储热管、隔板、外壳。外壳内侧填充隔热材料，防止相变材料储热管吸收的热量扩散流失；相变材料储热管排布时留有间隙，防止其内部密封的相变材料在固-液转换过程中由于体积变化导致储热管相互挤压破裂。相变储热装置内部中空，用于放置多个并排设置的相变材料储热管。相变储热装置外壳两侧各有一个开口，与相变材料储热管之间的空隙一起为空气流通提供通道。相变储热装置内部设置隔板增加传热路径延长热交换时间。外壳安装两只电磁阀，即图1中的c 1、c 2、d 1、d 2，用于和外界进行空气交换。
如图5、6所示，电池仓包括动力电池组和外壳两部分，外壳内部中空，用于安放动力电池组。动力电池组由多个并排设置的电池单体构成，电池组外侧包裹导热材料。外壳内侧填充隔热材料防止热量扩散流失。外壳两侧各有一个开口，与导热材料之间的空隙一起为空气流通传热提供通道。
电动汽车电池温度采集与控制方法：
如图2所示，电动汽车电池温度采集与控制系统包括温度传感器、微处理器MCU、电磁阀、风机与超级电容。
温度传感器采用多点布置方法，在相变储热装置、备用相变储热装置内部布置多点传感器测温及二者的空气流入口和空气流出口各安装一个温度传感器；在包裹每组动力电池的导热材料外壁上贴附安装温度传感器。测得的温度信号基于CAN总线协议传输给微处理器MCU，实现动力电池组温度的实时监测与相变储热装置、备用相变储热装置储热状态的实时监测。
根据相变储热装置、备用相变储热装置与电池仓温度差值，微处理器MCU生成指令，控制电磁阀，即图1中a 1、a 2、b 1、b 2的开关状态，用于切换不同形式的循环风道。风道控制电磁阀共4个，图1中a 1、a 2、b 1、b 2，安装于相变储热装置两侧开口处。在连接相变储热装置与备用相变储装置空气流入口和空气流出口的管道上分别设置1台风机。每台风机分别搭配1个启动电路，该启动电路为现有技术，由开关e 1、e 2控制，通过超级电容为风机启动供电，风机启动后关断启动电路，供电电源切换为动力电池组。为进一步简化系统，也可以使用1个启动电路同时控制两台风机。
系统的温度控制具体流程：
当电池工作发热时，由风机将热空气通过风道吹送入相变储热装置，将热量储存在相变材料储热管中，待电池仓温度恢复；而当电池处于低温环境中时，相变材料释放热量，由风机将热量传输到电池仓内对动力电池组进行加热。
微处理器MCU根据相变储热装置、备用相变储热装置及电池仓的温度信号对比关系，输出电磁阀开关信号、风机的转速控制信号与超级电容的开关信号。电动汽车运行过程中，如果电池仓温度高于电池最佳工作温度范围的上限，微处理器MCU输出控制信号打开主相变储热装置电磁阀，图1中a 1、a 2，控制单元调节风机转速，电池仓通过空气与相变材料发生热交换，主相变储热装置在风机运行的过程中始终处于储热的过程，主相变储热装置接近饱和时，控制单元发出切换信号打开备用相变储热装置电磁阀，图1中b 1、b 2，开启备用相变储热装置。当储热装置的温度达到限定值时，微处理器MCU根据相变储热装置与电池仓的温度信号差值判断电池仓是否处于理想工作温度范围。如果此时电池仓温度处于理想工作温度范围，微处理器MCU输出指令关闭两台风机与所有电磁阀，图1中a 1、a 2、b 1、b 2、c 1、c 2、d 1、d 2，封闭相变储热装置与备用相变储热装置；如果此时电池仓温度仍高于理想工作温度范围上限，微处理器MCU输出指令提高两台风机转速，并打开电磁阀，图1中a 1、a 2、b 1、b 2、c 1、c 2、d 1、d 2，排除多余热量，保证电池仓温度回落到理想工作温度范围。
当电动汽车处于熄火状态，微处理器MCU控制电磁阀关闭风道，相变储热装置处于封闭状态，以保存热量，用于低温启动。
当电动汽车在低温环境下启动时，电池仓内温度较低，低于电池最佳工作温度时，微处理器MCU在检测到点火信号后，首先开启主相变储热装置两侧电磁阀，图1中a 1、a 2，打开超级电容电路开关，图1中e 1、e 2，建立主相变储热装置与电池仓之间的循环风道，微处理器MCU输出信号控制风机转速，将相变储热装置中储存的热能通过空气循环带入电池仓，从而起到给电池仓迅速升温的作用。保证了发动机在发动时电池仓的温度处于在电池理想工作范围，避免动力电池组在低温下工作。当主相变储热装置温度接近电池仓温度时，微处理器MCU输出控制信号关闭电磁阀，图1中a 1、a 2，同时开启备用相变储热两侧电磁阀，图1中b 1、b 2，改变循环风道结构，将热量送入电池仓，以提高动力电池组仓升温的速度。
当电池仓温度逐渐升高，控制单元根据电动汽车最初启动时电池仓温度判断外界环境温度，当电池仓处于最佳工作温度时，只需考虑电动汽车长时间运行时电池仓温度高的散热问题，根据温度模块发送的电池仓温度开启主备用相变储热风道，相变储热装置开启散热风道，给电池仓降温。冬季时，电池仓处于较低的外界环境温度，主要考虑低温启动的问题，在低温启动时，控制单元接受温度模块发来的信号，根据温度值，控制开启主备用相变储热循环风道，将提前储存在相变储热装置中的热量通过空气带入到电池仓中，给电池仓升温，待电池仓温度达到电池最佳工作范围时，电池仓工作，电动车运行，在运行过程中将逐渐升高的电池仓温度以热量的形式存储到相变储热装置中，当主相变储热装置接近饱和时，开启备用相变储热装置风道向备用相变储热装置储能。夏季时，电池仓温度一直处于较高的状态，主要考虑电池仓散热问题，电动汽车启动前，控制单元根据接到的温度信号判断开启主备用相变储热风道，相变储热散热风道一直处于打开的状态，在电动汽车行驶过程中，控制单元会根据温度的变化切换主备相变储热风道的开启与关闭，更有效的为电池仓降温。
循环风道中风机转速和电磁阀开关由控制单元控制，与设定的相变储热装置温度保持同步开启状态，电动汽车启动时，超级电容带动风机，超级电容电路的开关状态由微处理器MUC控制，与相变储热装置电磁阀保持同步开启，当电池开始工作时，电池给风机提供持续电压，此时对超级电容充电，超级电容接近饱和时断开超级电容电路开关，超级电容储存电能用于下次风机启动时提供启动电压。
由于车辆空间有限，锂离子电池单体通过紧密排列组成电池组，电池组并联在电池仓中，电池仓为整车提供动力。系统中使用超级电容启动风机。
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出种电动汽车电池温度控制结构及系统。在电动车动力电池组亏电等极端情况导致风机无法工作时，作为应急电源，超级电容的功率密度大、快速充放电等储能特性能够保证风机短时间内的正常运行。Autowit生产的新型超级电容AutowitS2-5.0，具有无须提前充电、高低温启动等特性。最大工作电压为15.5V，最大工作电流700A，可在-40℃~70℃的极端温度环境下正常工作。
风机选用HF100圆形斜流增压管道风机，具有风量大、噪音小的特点，可对接内径100mm的通风管道。
通风管道选用耐高温玻璃纤维软管。玻璃纤维具有阻燃、防火性强、抗老化、使用寿命长的特点，可承受最高450℃的高温。
相变储热装置为单通道储热器，包括储热单元、壳体和保温层，所述的储热单元为由相变材料填充的细管，储热单元包裹在保温层内，各储热单元之间的空隙用于风道内空气流通，风机吹动空气带动储热单元温度变化，储热单元在壳体内，所述壳体为金属材料，由保温层包裹；所述的相变材料选取由无硅基材构成的相变导热材料HCM 300，相变温度为50±0.5℃，适用温度范围-40~125℃具有极低的热阻和高效散热性。
电池仓内温度测量装置设置至少一个温度传感器吸附于每一组电池底部，用于采集电池仓内温度；温度传感器采集到的信号通过CAN通讯协议传输到的MCU控制单元。所述温度传感器的型号为DS18B20，具有体积小，抗干扰能力强，精度高的特点。并且多个DS18B20可以并联在一起，实现多点测温。

Claims (5)

1.一种电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述装置包括电池仓、相变储热装置、备用相变储热装置，所述电池仓与相变储热装置、备用相变储热装置经管道并联，所述相变储热装置、备用相变储热装置的两侧开口处分别设有风道控制电磁阀，相变储热装置、备用相变储热装置并联后的空气流入口和空气流出口的管道上分别设有风机，所述相变储热装置、备用相变储热装置上分别设有两个与外界进行空气交换的电磁阀，所述电池仓、相变储热装置、备用相变储热装置形成单向空气流通通道，所述相变储热装置包括相变储热装置外壳(6)，所述相变储热装置外壳(6)上设有相变储热装置空气流入口(1)、相变储热装置空气流出口(2)，所述相变储热装置外壳(6)内设有相变储热管(3)，所述相变储热管(3)经隔板(4)分隔，所述相变储热装置外壳(6)内侧设有隔热材料填充层(5)，所述备用相变储热装置与相变储热装置结构相同，所述电池仓包括电池仓外壳(10)，所述电池仓外壳(10)上设有电池仓空气流入口(8)、电池仓空气流出口(9)，所述电池仓外壳(10)内设有动力电池组(12)，所述动力电池组(12)外部设有导热材料(13)，所述电池仓外壳(10)内壁设有电池仓隔热材料(11)，相变储热装置、备用相变储热装置内部及二者的相变储热装置空气流入口(1)、相变储热装置空气流出口(2)处设有温度传感器，所述导热材料(13)上设有温度传感器，所述温度传感器与控制单元微处理器相连，所述控制单元微处理器控制电磁阀的起闭与风机转速；
相变储热装置、备用相变储热装置中的相变储热管(3)之间留有间隙，相变储热装置空气流入口(1)、相变储热装置空气流出口(2)与相变储热管(3)之间的间隙形成空气流通传热通道；
电池仓的电池仓空气流入口(8)、电池仓空气流出口(9)与导热材料(13)之间的空隙形成空气流通传热通道。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述风机由超级电容提供启动电量，风机启动后由动力电池组提供电量，且动力电池组对电容进行充电。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述风机为圆形斜流增压管道风机。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述管道为耐高温玻璃纤维软管。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：当电池工作发热时，由风机将热空气通过风道吹送入相变储热装置，将热量储存在相变材料储热管中，待电池仓温度恢复；而当电池处于低温环境中时，相变材料释放热量，由风机将热量传输到电池仓内对动力电池组进行加热；微处理器MCU根据相变储热装置、备用相变储热装置及电池仓的温度信号对比关系，输出电磁阀开关信号、风机的转速控制信号与超级电容的开关信号，如果电池仓温度高于电池最佳工作温度范围的上限，微处理器MCU输出控制信号打开主相变储热装置电磁阀，控制单元调节风机转速，电池仓通过空气与相变材料发生热交换，主相变储热装置在风机运行的过程中始终处于储热的过程，主相变储热装置接近饱和时，控制单元发出切换信号打开备用相变储热装置电磁阀，开启备用相变储热装置，当储热装置的温度达到限定值时，微处理器MCU根据相变储热装置与电池仓的温度信号差值判断电池仓是否处于理想工作温度范围，如果此时电池仓温度处于理想工作温度范围，微处理器MCU输出指令关闭两台风机与所有电磁阀，封闭相变储热装置与备用相变储热装置；如果此时电池仓温度仍高于理想工作温度范围上限，微处理器MCU输出指令提高两台风机转速，并打开电磁阀，排除多余热量，保证电池仓温度回落到理想工作温度范围；当电动汽车处于熄火状态，微处理器MCU控制电磁阀关闭风道，相变储热装置处于封闭状态，以保存热量，用于低温启动；当电池仓温度逐渐升高，控制单元根据电动汽车最初启动时电池仓温度判断外界环境温度，当电池仓处于最佳工作温度时，根据温度模块发送的电池仓温度开启主备用相变储热风道，相变储热装置开启散热风道，给电池仓降温；电池仓处于较低的外界环境温度，在低温启动时，控制单元接受温度模块发来的信号，根据温度值，控制开启主备用相变储热循环风道，将提前储存在相变储热装置中的热量通过空气带入到电池仓中，给电池仓升温，待电池仓温度达到电池最佳工作范围时，电池仓工作，电动车运行，在运行过程中将逐渐升高的电池仓温度以热量的形式存储到相变储热装置中，当主相变储热装置接近饱和时，开启备用相变储热装置风道向备用相变储热装置储能；电池仓温度一直处于较高的状态时，电动汽车启动前，控制单元根据接到的温度信号判断开启主备用相变储热风道，相变储热散热风道一直处于打开的状态，控制单元会根据温度的变化切换主备相变储热风道的开启与关闭为电池仓降温。
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