CN112713330A - 一种车用液冷电池系统参数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池冷却技术领域，具体涉及一种车用液冷电池系统参数的确定方法。本发明针对液冷电池系统换热系数难以确定的问题，改变思路，分别对电池箱、以及不串设电池箱的冷却管路进行冷却试验，从而对应计算得到冷却液带走的电池的热量以及冷却管路损失的热量，根据这两个热量便可计算得到冷却机组的制冷功率，即电池系统的制冷需求，根据计算出来的制冷功率便可简单、快速对液冷机组进行选型，便于完成对整车液冷电池系统的设计。

Description

一种车用液冷电池系统参数的确定方法
技术领域
本发明属于电池冷却技术领域，具体涉及一种车用液冷电池系统参数的确定方法。
背景技术
随着能量密度的特高，电池发热量增加较快。如今，新能源汽车的电池系统仍有较多采用自然冷却系统，此时，自然冷却系统已经无法满足夏季运营需求，液冷电池系统开始逐步走向市场，为了充分发挥液冷电池系统的性能，需要确定液冷电池系统的关键部件以及液冷电池系统中的热管理参数，这里的关键部件包括冷却机组和水泵等，热管理参数包括冷却支路流量、冷却支路进水口的温度和每条冷却支路最大串联电池箱数等。
例如，对于冷却机组的选型，是根据冷却机组的制冷功率来确定的，而冷却机组的制冷功率与电池制冷量的需求有关。一般采用下式来确定冷却机组的制冷功率：
Figure BDA0002248410590000011
Pre为电池发热量，
Figure BDA0002248410590000012
为液冷电池系统换热系数。但是，在实际试验过程中，
Figure BDA0002248410590000013
难以确定，继而使得冷却机组选型不合适。
发明内容
本发明提供了一种车用液冷电池系统参数的确定方法，用以解决现有技术中由于液冷电池系统换热系数难以确定造成的冷却机组选择不合适的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：
本发明的一种车用液冷电池系统参数的确定方法，包括确定冷却机组功率的步骤：
按照设定的冷却液进水口温度、设定的冷却液流量、设定的试验冷却时间的设定试验条件对电池箱进行冷却试验，检测该试验下的第一冷却液出水口温度，与设定的冷却液进水口温度作差，得到第一温度差；根据电池箱数量、冷却液的热容、冷却液流经冷却管路的质量和所述第一温度差，计算得到所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量；按照所述设定试验条件对不串设电池箱的冷却管路进行冷却试验，检测该试验下的第二冷却液出水口温度，与设定的冷却液进水口温度作差，得到第二温度差；根据冷却液的热容、冷却液流经冷却管路的质量和所述第二温度差，计算得到所述设定试验条件下冷却管路损失的热量；将所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量与所述设定试验条件下冷却管路损失的热量相加，得到的和值除以所述设定的试验冷却时间，得到的值为冷却机组的制冷功率。
其有益效果：本发明针对液冷电池系统换热系数
Figure BDA0002248410590000021
难以确定的问题，改变思路，分别对电池箱、以及不串设电池箱的冷却管路进行冷却试验，从而对应计算得到冷却液带走的电池的热量以及冷却管路损失的热量，根据这两个热量便可计算得到冷却机组的制冷功率，即电池系统的制冷需求，根据计算出来的制冷功率便可简单、快速对液冷机组进行选型，便于完成对整车液冷电池系统的设计。
进一步的，所述冷却液流经冷却管路的质量为：m＝ρ·L·t，式中，m为冷却液流经冷却管路的质量，ρ为冷却液的密度，L为设定的冷却液流量，t为设定的试验冷却时间。
进一步的，所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量为：Q1＝N·c·m·ΔT1，式中，Q1为所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量，N为电池箱数量，c为冷却液的热容，m为冷却液流经冷却管路的质量，ΔT1为第一温度差；所述设定试验条件下冷却管路损失的热量为：Q2＝c·m·ΔT2，式中，Q2为设定试验条件下冷却管路损失的热量，c为冷却液的热容，m为冷却液流经冷却管路的质量，ΔT2为第二温度差。
进一步的，为了准确完成对水泵的选型以完成对整车液冷电池系统的设计，还包括确定水泵的步骤：根据液冷电池系统的并联支路数和确定的冷却液流量，得到总流量；根据各个水泵的流量和最大流阻之间的关系，得到与总流量对应的各个水泵的最大流阻；根据电池箱数量和单箱流阻，确定总流阻；选择与总流量对应的最大流阻大于总流阻的水泵。
进一步的，为了准确确定冷却支路最大串联电池箱数以完成对整车液冷电池系统的设计，还包括确定冷却支路最大串联电池箱数的步骤：以确定的冷却液进水口温度和确定的冷却液流量对电池箱进行冷却试验；改变串设的电池箱的数量，并对应检测冷却液出水口温度，计算冷却液进水口温度和冷却液出水口温度的差值，得到对应的系统温差；当串设的电池箱的数量n对应的系统温差Tn满足Tn≤Tset，且当串设的电池箱的数量n+1对应的系统温差Tn+1＞Tset时，确定冷却支路最大串联电池箱数为n，其中，Tset为设定系统温差阈值。
附图说明
图1是本发明的方法实施例中方法流程图；
图2是本发明的方法实施例中一个水泵的性能曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
方法实施例：
该实施例提供了一种车用液冷电池系统参数的确定方法，液冷电池系统参数包括冷却液流量、冷却液进水口温度、冷却支路最大串联电池箱数，并在基础上进行冷却机组的选型和水泵的选型，以完成整车液冷电池系统的设计。下面结合图1，对整个过程进行进一步的详细说明。
一、冷却液流量L
该过程是一个寻找动态平衡的过程。可先将冷却液进水口温度设置为定值15℃，然后不断改变冷却液流量，可观察到电池最高温度、系统温差随着冷却液流量的增大而降低，但是，当冷却液流量达到一定值后，再继续增大冷却液流量，其温度的变化会越来越小，该转折点便是需确定的冷却液流量。
二、冷却液进水口温度Tjin
该过程同确定冷却液流量的过程类似，也是一个寻找动态平衡的过程。在确定好冷却液流量后，改变冷却液进水口温度，冷却液进水口温度越低，电池温度下降越明显，但此时能耗会越来越大，对冷却机组要求也会越高，高到一定程度会影响整车成本及续航里程。因此，在不断改变冷却液进水口温度的过程中，找到一个平衡点，在满足高温工况电池不高温、充电不限流为前提下，如以25℃的冷却液进水口温度运行，电池会高温或充电限流，但以22℃的冷却液进水口温度运行就可满足电池不高温也不限流，那么便可选择22℃的冷却液进水口温度，同时可适当降低1～2℃以预留设计余量。
三、、冷却支路最大串联电池箱数
该过程同样是一个寻找动态平衡的过程。具体步骤如下：
步骤1，以上述确定的冷却液进水口温度Tjin和确定的冷却液流量L对电池箱进行冷却试验。
步骤2，改变串设的电池箱的数量n，检测冷却液出水口温度，并与冷却液进水口温度作差，得到对应的系统温差Tn。
步骤3，当串设的电池箱的数量n对应的系统温差Tn满足Tn≤Tset，且当串设的电池箱的数量n+1对应的系统温差Tn+1＞Tset时，便可确定冷却支路最大串联电池箱数为n，其中，Tset为设定系统温差阈值，例如可取5℃。
四、冷却机组的选型
冷却机组的选型是由电池系统制冷需求确定的，即根据冷却机组的制冷功率来进行冷却机组的选型。具体冷却机组的制冷功率的计算过程如下：
步骤1，在设定的试验条件下(冷却液进水口温度、冷却液流量、试验冷却时间均是确定好的，分别为设定的冷却液进水口温度Tjin、设定的冷却液流量L、设定的试验冷却时间t)对电池箱进行冷却试验，检测在该试验下冷却液管路出水口的温度，记录为第一冷却液出水口温度Tchu1，将Tchu1与设定的冷却液进水口温度Tjin作差，得到温度差，记录为第一温度差ΔT1＝Tchu1-Tjin；根据电池箱数量N、冷却液的热容c、冷却液流经冷却管路的质量m和第一温度差ΔT1，采用式(1)，计算得到在该设定试验条件下冷却液带走的电池的热量Q1：
Q1＝N·c·m·ΔT1 (1)
式中，Q1为所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量，N为电池箱数量，c为冷却液的热容，m为冷却液流经冷却管路的质量，ΔT1为第一温度差。
其中，冷却液流经冷却管路的质量m根据式(2)计算得到：
m＝ρ·L·t (2)
m为冷却液流经冷却管路的质量，ρ为冷却液的密度，L为设定的冷却液流量，t为设定的试验冷却时间。
步骤2，在与步骤1相同的试验条件下，对不串设电池箱的冷却管路进行冷却试验，检测该试验下冷却管路的出水口温度，记录为第二冷却液出水口温度Tchu2，将其与设定的冷却液进水口温度Tjin作差，得到温度差，记录为第二温度差ΔT2＝Tchu2-Tjin；根据冷却液的热容c、冷却液流经冷却管路的质量m和第二温度差ΔT2，采用式(3)，计算得到在该设定试验条件下冷却管路损失的热量Q2：
Q2＝c·m·ΔT2 (3)
式中，Q2为设定试验条件下冷却管路损失的热量，c为冷却液的热容，m为冷却液流经冷却管路的质量，ΔT2为第二温度差。
对于其中冷却液流经冷却管路的质量m可采用与式(2)相同的计算公式进行计算。
具体在实施过程中，可不对电池系统中的整段冷却管路进行该试验，例如，可取5米长整车用的冷却管路，仍旧采用上述介绍的方法对不串设电池箱的冷却管路进行冷却试验，在设计时管路预估长度为X时，结合式(2)和式(3)，可得到在该设定试验条件下冷却管路损失的热量Q2为：
Figure BDA0002248410590000051
步骤3，将步骤1中计算得到冷却液带走的电池的热量Q1和步骤2中计算得到的冷却管路损失的热量Q2相加，并将得到的和值除以设定的试验冷却时间t，便可计算得到冷却机组的制冷功率Pleng：
Figure BDA0002248410590000052
根据计算得到冷却机组的制冷功率Pleng便可对冷却机组进行选型，选择比计算出的冷却机组的制冷功率Pleng功率大的冷却机组。
五、水泵的选型
该方法是在有多个可供选择的水泵的情况下，选择其中可满足需求的水泵。
步骤1，根据液冷电池系统的并联支路数Y和确定的冷却液流量L，得到总流量Qzong＝Y·L。
步骤2，由于每个水泵的流量与最大流阻存在一个对应关系，故可根据各个水泵的流量和最大流阻之间的关系，得到与总流量Qzongll对应的各个水泵的最大流阻Fmax。
步骤3，根据电池箱数量N和单箱流阻，确定总流阻Fzonglz。其中，单箱流阻是液冷电池箱本身的固有属性，一般的测试方法为，用水泵带动冷却液循环，在一定的流量下，测试电池进水口压差，该压差即为电池在此流量下的单箱流阻。
步骤4，选择与总流量对应的最大流阻Fmax大于总流阻Fzonglz的水泵。
例如，如图2所示为一个水泵的性能曲线图，即为步骤2中提到的流量与最大流阻的对应关系，其横坐标为流量L，单位为L/h，纵坐标为扬程H，单位为m。该图中20m扬程对应20kpa压力。若总支路需要的总流量Qzong为30L/min，换算成1800L/h，图2中对应的扬程为19m，则最大流阻Fmax为190kpa。如若核算的总流阻Fzonglz小于190kpa，则此水泵可用，否则需要更换扬程更高的水泵。
在完成液冷电池系统的设计后，可制定如下控制策略，分别为“最低温度法”和“温升法”。这两种方法针对换热效率不同的液冷电池系统寻找一个平衡点，这个平衡点即能满足电池不高温、不限流、不影响客户使用，同时又将对整车能耗影响降到最低，即高于这个值开启，会影响客户使用，低于这个值开启，会浪费整车能耗。其中，液冷电池系统的换热效率是液冷电池系统带走的热量与电池PACK发热量的比值，换热效率低的液冷电池系统会使电池温升较高，换热效率高的液冷电池会使电池温升较低。其整体原理为，对于换热效率较高的液冷电池系统可晚一些时间开启液冷，对于换热效率较低的液冷电池系统可尽量早一些时间开启液冷。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种车用液冷电池系统参数的确定方法，其特征在于，包括确定冷却机组功率的步骤：
按照设定的冷却液进水口温度、设定的冷却液流量、设定的试验冷却时间的设定试验条件对电池箱进行冷却试验，检测该试验下的第一冷却液出水口温度，与设定的冷却液进水口温度作差，得到第一温度差；根据电池箱数量、冷却液的热容、冷却液流经冷却管路的质量和所述第一温度差，计算得到所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量；
按照所述设定试验条件对不串设电池箱的冷却管路进行冷却试验，检测该试验下的第二冷却液出水口温度，与设定的冷却液进水口温度作差，得到第二温度差；根据冷却液的热容、冷却液流经冷却管路的质量和所述第二温度差，计算得到所述设定试验条件下冷却管路损失的热量；
将所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量与所述设定试验条件下冷却管路损失的热量相加，得到的和值除以所述设定的试验冷却时间，得到的值为冷却机组的制冷功率。
2.根据权利要求1所述的车用液冷电池系统参数的确定方法，其特征在于，所述冷却液流经冷却管路的质量为：m＝ρ·L·t，式中，m为冷却液流经冷却管路的质量，ρ为冷却液的密度，L为设定的冷却液流量，t为设定的试验冷却时间。
3.根据权利要求1所述的车用液冷电池系统参数的确定方法，其特征在于，所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量为：Q1＝N·c·m·ΔT1，式中，Q1为所述设定试验条件下冷却液带走的电池的热量，N为电池箱数量，c为冷却液的热容，m为冷却液流经冷却管路的质量，ΔT1为第一温度差；所述设定试验条件下冷却管路损失的热量为：Q2＝c·m·ΔT2，式中，Q2为设定试验条件下冷却管路损失的热量，c为冷却液的热容，m为冷却液流经冷却管路的质量，ΔT2为第二温度差。
4.根据权利要求1～3任一项所述的车用液冷电池系统参数的确定方法，其特征在于，还包括确定水泵的步骤：
根据液冷电池系统的并联支路数和确定的冷却液流量，得到总流量；
根据各个水泵的流量和最大流阻之间的关系，得到与总流量对应的各个水泵的最大流阻；
根据电池箱数量和单箱流阻，确定总流阻；
选择与总流量对应的最大流阻大于总流阻的水泵。
5.根据权利要求1～3任一项所述的车用液冷电池系统参数的确定方法，其特征在于，还包括确定冷却支路最大串联电池箱数的步骤：
以确定的冷却液进水口温度和确定的冷却液流量对电池箱进行冷却试验；
改变串设的电池箱的数量，并对应检测冷却液出水口温度，计算冷却液进水口温度和冷却液出水口温度的差值，得到对应的系统温差；
当串设的电池箱的数量n对应的系统温差Tn满足Tn≤Tset，且当串设的电池箱的数量n+1对应的系统温差Tn+1＞Tset时，确定冷却支路最大串联电池箱数为n，其中，Tset为设定系统温差阈值。
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