CN112721735A - 一种动力电池智能热管理控制方法及其控制系统 - Google Patents

一种动力电池智能热管理控制方法及其控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力电池智能热管理控制方法及其控制系统，一种动力电池热管理控制系统，包括动力电池箱、电池管理系统、电池模组、热管理控制器、DC/DC转换器和储能电芯，电池模组包括多个电芯，电芯两侧设置有温差半导体，热管理控制器通过温差半导体调整单体电芯的温度，电池模组一端的热量回收模块可以对电池模组多余的热量进行回收；一种动力电池热管理控制方法，包括车辆上电和下电两种工况，车辆上电或下电时，采集各个电芯的温度并计算平均值，依据单体电芯平均温度判断是否需要开启热量回收；在车辆下电后，根据单体电芯的具体电压，利用储能电芯中的电量对各个电芯进行补电均衡，使电芯保持良好的一致性，延长了动力电池的使用寿命。

Description

一种动力电池智能热管理控制方法及其控制系统
技术领域
本发明涉及动力电池领域，具体是一种动力电池智能热管理控制方法及其控制系统。
背景技术
在电动汽车日益普及化的今天，当人们不再把电动汽车当做一个新鲜事物，而是真正用它去替代曾经使用的燃油车时，我们就需要对电动汽车的最核心部件动力电池提出更高的要求，如更高的能量密度及更广泛的使用区域，更高的能量密度意味着更大的发热量，而更广泛的使用区域意味着在严寒及酷暑的地区，动力电池都需要能够稳定的给电动汽车输送能源，因此研究高效智能的动力电池热管理控制方法，成为开发动力电池的关键和热点问题。
现有电动汽车动力电池的冷却方式主要有：自然冷却、强制风冷、液冷；目前现有的这些冷却方式，都无法对于单独的电芯实现温度控制，电池包内的电芯由于所处位置的不同，常常处于不同的工作温度下，长时间使用后，容易导致电芯的一致性较差，影响电池箱的寿命。
现有电动汽车动力电池的加热方式主要有：电加热膜加热、PTC加热、液热，这些加热方式均无法与冷却系统实现共用，且同样存在无法对于单独的电芯实现温度控制的问题。并且目前现有的加热方式一般只是控制单体电芯最低温度在17℃左右以上即关闭加热，短途行车电芯一般无法达到25℃，长途行车电芯达到25℃后会继续升温，电芯能够工作在最佳工作温度范围内（25℃左右）的时间很少。
目前现有的热管理方式仅仅消耗能量以加热及冷却电池包，缺少热量回收方式，例如在冬季，行车后的电芯温度较高，静置一夜后电芯多余的热量全部被较低的环境温度所吸收，缺少对这部分对于热量的回收方式。
同时，为保证电芯电压的一致性，防止有部分电芯在充电或放电过程中提前发生过充或过放，动力电池需要经常进行均衡，目前采用的均衡策略主要为被动均衡，该方式需要消耗电池包自身的能量，导致车辆续驶里程下降；主动均衡是不会过多消耗电池包自身的能量，但结构和控制策略都很复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动力电池智能热管理控制方法及其控制系统，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种动力电池智能热管理控制方法，为一种电池包智能热管理控制方法，包括以下步骤：
S1：车辆上电后，电池管理系统通过温度传感器采集电池模组内各个电芯的温度及电池箱体表面温度；
S2：电池管理系统进行自检，确认无影响加热及冷却的故障后，将动力CAN网络上允许加热/冷却信号由0置1；
S3：热管理控制器接收到允许加热/冷却信号由0置1后，开启动力电池热管理系统；
S4：当电芯平均温度在22~28℃之间，且电芯平均温度与电池箱体表面温度温差大于10℃时，开启热量回收模块；
热管理控制器按照合理的控制策略，适时开启热量回收模块，利用汤姆逊效应产生电流，采用储能电芯收集产生的电能，适时为电芯补电的同时进行均衡。
进一步的，步骤S3中，
当单体电芯温度＜20℃，给分布于该电芯侧的温差半导体通正向电流，开启加热，单体电芯温度达到25℃后停止加热；
当单体电芯温度＞30℃，给分布于该电芯侧的温差半导体通逆向电流，开启冷却，单体电芯温度达到25℃后停止冷却；
热管理控制器通过电性控制线束控制流经单个温差半导体的电流大小及方向，实现对单个电芯温度的精确控制；
热管理控制器对每个电芯温度的精确控制，可以使每个电芯温度都保持在最佳工作范围内。
进一步的，步骤S2中，电池管理系统自检过程中，若电池管理系统检测到热管理控制系统故障，则热管理控制系统上报故障。
进一步的，步骤S4中，还包括以下步骤：
A1：当电芯平均温度与电池箱体表面温度温差大于10℃时，动力电池系统无影响能量回收的故障，则电池管理系统通过CAN总线闭合热量回收继电器，开启热量回收模块；
A2：电池管理系统通过CAN总线控制DC/DC转换器，将输出电压调整至4V，为储能电芯充电；
A3：当电芯平均温度与电池箱体表面温度差值≤10℃时，电池管理系统断开热量回收继电器。
进一步的，步骤S1中，还包括以下步骤：
B1：当车辆处于上电状态时，热管理控制器接收电池管理系统发送的电芯平均温度和电池箱体表面温度，当电芯平均温度在22~28℃之间，没有单体电芯处于加热及冷却工况，且电芯平均温度与电池箱体表面温度差值＞10℃，电池管理系统通过CAN总线闭合热量回收继电器，开启动力电池热量回收；
B2：电池管理系统将DC/DC转换器输出电压调整至4V后，给储能电芯充电；
B3：当电芯平均温度与电池箱体表面温度差值≤10℃，或电芯平均温度不在22~28℃之间，或有单体电芯需要进行加热/冷却，电池管理系统断开热量回收继电器；
热管理控制器根据电芯的平均温度及电芯与动力电池箱体表面温度差来判断是否要对热量进行回收，可以合理的对动力电池包温度进行管理。
进一步的，车辆下电后包括以下步骤：
C1：车辆下电并完成热量回收后，电池管理系统不立刻休眠，继续采集所有电芯的单体电压，并设定第一阶段目标电压为采集到的平均单体电压，第二阶段目标电压为采集到的最高单体电压；
C2：补电均衡第一阶段：开启所有小于单体平均电压的电芯的补电均衡回路，利用储能电芯中储存的电量，给小于单体平均电压的电芯充电至第一阶段目标电压，静置5min后开启第二阶段补电均衡；
C3：补电均衡第二阶段：开启除单体电压最高的电芯外所有电芯的补电均衡回路，利用储能电芯中储存的电量，给这部分电芯进行补电均衡；
步骤C2中，补电均衡第一阶段过程中，若储能电芯电压≤第一阶段目标电压，即停止补电均衡，BMS执行休眠；
进一步的，步骤C3中，当单体电压等于第二阶段目标电压后，断开该单体电芯的补电均衡回路，静置5min电芯去极化后，再次开启该单体电芯的补电均衡回路，当单体电压再次等于第二阶段目标电压后，断开该单体电芯的补电均衡回路，并判断该电芯已完成补电均衡，所有电芯均完成第二阶段补电均衡后，关闭BMS执行休眠。
更进一步的，步骤C3中，补电均衡过程中，若储能电芯电压≤第二阶段目标电压，即停止补电均衡，BMS执行休眠；
利用储能电芯对动力电池进行分阶段补电均衡，可以更好的实现动力电池包中各个单体电芯的补电均衡。
本发明还提供了一种动力电池智能热管理控制系统，包括动力电池箱、电池管理系统、电池模组、热管理控制器、DC/DC转换器和储能电芯，所述电池管理系统通过补电均衡回路和采样电路连接至电池模组，所述电池模组包括多个电芯，所述电芯两侧设置有温差半导体，所述温差半导体电性连接至热管理控制器，所述热管理控制器通过CAN总线连接至电池管理系统，所述电池模组一端设置有热量回收模块，所述热量回收模块电性连接至电池模组另一端的热管理控制器；所述热管理控制器电性连接至DC/DC转换器，所述DC/DC转换器电性连接至储能电芯，所述储能电芯电性连接至电池管理系统；所述动力电池箱内侧设置有温度传感器，所述温度传感器电性连接至电池管理系统，电芯两侧的温差半导体可以实现电池管理系统对单个电芯温度的精确控制，热量回收模块布置在电芯底部与动力电池箱下箱体之间，并设置储能电芯，利用汤姆逊效应收集电池包多余的热量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明根据动力电池在实际应用中存在的热管理方面的问题，发明设计了一种动力电池智能热管理控制方法：
1、本发明在结构上简单合理， 在动力电池箱内单体电芯两侧添加温差半导体，可以精确控制单体电芯的温度；在单体电芯一端添加热量回收模块，在电芯存在多余热量时，可以通过热量回收模块收集此部分热量，通过DC/DC转换器转化为电能储存在储能电芯中，在热管理控制器的管理下对各个单体电芯实现补电均衡；
2、本发明对动力电池的管理分为两种工况，在动力电池上电时，根据动力电池箱内单体电芯的平均温度以及电芯平均温度与动力电池箱箱体表面温度差值判断是否要开启热量回收，实现行车时的动力电池热管理；
3、在动力电池下电后，根据动力电池箱内单体电芯的平均电压来判断是否要对单体电芯进行补电均衡，储能电芯的电压高于所有单体电芯的平均电压时，实施第一阶段补电均衡，第二阶段的补电均衡依据单体电芯最高电压与储能电芯的电压差值判断是否开启，同时第一、第二阶段的补电均衡在补电到位后，静止5min后再次开启，可以去除电芯极化，一定程度上提高了动力电池的使用寿命。
附图说明
图1为一种动力电池智能热管理控制系统结构示意图；
图2为一种动力电池智能热管理控制系统温差半导体结构示意图；
图3为一种动力电池智能热管理控制方法的车辆上电后热管理流程图；
图4为一种动力电池智能热管理控制方法的车辆下电后热管理流程图。
具体实施方式
下为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1： 一种动力电池智能热管理控制方法，为一种电池包智能热管理控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：车辆上电后，电池管理系统通过温度传感器采集电池模组内各个电芯的温度及电池箱体表面温度；
S2：电池管理系统进行自检，确认无影响加热及冷却的故障后，将动力CAN网络上允许加热/冷却信号由0置1；
S3：热管理控制器接收到允许加热/冷却信号由0置1后，开启动力电池热管理系统；
S4：当电芯平均温度在22~28℃之间，且电芯平均温度与电池箱体表面温度温差大于10℃时，开启热量回收模块；
热管理控制器按照具体的温度控制策略，适时开启热量回收模块，利用汤姆逊效应产生电流，采用储能电芯收集产生的电能，适时为电芯补电的同时进行均衡。
步骤S3中，
当单体电芯温度＜20℃，给分布于该电芯侧的温差半导体通正向电流，开启加热，单体电芯温度达到25℃后停止加热；
当单体电芯温度＞30℃，给分布于该电芯侧的温差半导体通逆向电流，开启冷却，单体电芯温度达到25℃后停止冷却。
步骤S2中，电池管理系统自检过程中，若电池管理系统检测到热管理控制系统故障，则热管理控制系统上报故障。
步骤S4中，还包括以下步骤：
A1：当电芯平均温度与电池箱体表面温度温差大于10℃时，动力电池系统无影响能量回收的故障，则电池管理系统通过CAN总线闭合热量回收继电器，开启热量回收模块；
A2：电池管理系统通过CAN总线控制DC/DC转换器，将输出电压调整至4V，为储能电芯充电；
A3：当电芯平均温度与电池箱体表面温度差值≤10℃时，电池管理系统断开热量回收继电器。
步骤S1中，还包括以下步骤：
B1：当车辆处于上电状态时，热管理控制器接收电池管理系统发送的电芯平均温度和电池箱体表面温度，当电芯平均温度在22~28℃之间，没有单体电芯处于加热及冷却工况，且电芯平均温度与电池箱体表面温度差值＞10℃，电池管理系统通过CAN总线闭合热量回收继电器，开启动力电池热量回收；
B2：电池管理系统将DC/DC转换器输出电压调整至4V后，给储能电芯充电；
B3：当电芯平均温度与电池箱体表面温度差值≤10℃，或电芯平均温度不在22~28℃之间，或有单体电芯需要进行加热/冷却，电池管理系统断开热量回收继电器。
如图3所示，车辆下电后包括以下步骤：
C1：车辆下电并完成热量回收后，电池管理系统不立刻休眠，继续采集所有电芯的单体电压，并设定第一阶段目标电压为采集到的平均单体电压，第二阶段目标电压为采集到的最高单体电压；
C2：补电均衡第一阶段：开启所有小于单体平均电压的电芯的补电均衡回路，利用储能电芯中储存的电量，给小于单体平均电压的电芯充电至第一阶段目标电压，静置5min后开启第二阶段补电均衡；
C3：补电均衡第二阶段：开启除单体电压最高的电芯外所有电芯的补电均衡回路，利用储能电芯中储存的电量，给这部分电芯进行补电均衡；
步骤C2中，补电均衡第一阶段过程中，若储能电芯电压≤第一阶段目标电压，即停止补电均衡，BMS执行休眠；
步骤C3中，当单体电压等于第二阶段目标电压后，断开该单体电芯的补电均衡回路，静置5min电芯去极化后，再次开启该单体电芯的补电均衡回路，当单体电压再次等于第二阶段目标电压后，断开该单体电芯的补电均衡回路，并判断该电芯已完成补电均衡，所有电芯均完成第二阶段补电均衡后，关闭BMS执行休眠。
步骤C3中，补电均衡过程中，若储能电芯电压≤第二阶段目标电压，即停止补电均衡，BMS执行休眠；
在对单体电芯补电均衡静置5min时，可以消除充电时的极化现象，降低单体电芯的温度，维护动力电池的同时也提高了动力电池的使用寿命。
如图1所示，一种动力电池智能热管理控制系统，包括动力电池箱、电池管理系统、电池模组、热管理控制器、DC/DC转换器和储能电芯，电池管理系统通过补电均衡回路和采样电路连接至电池模组，电池模组包括多个电芯，单体电芯上设置有温度传感器，采样电路可以通过温度传感器获取单体电芯的温度，并传输至电池管理系统，电芯两侧设置有温差半导体，温差半导体电性连接至热管理控制器，热管理控制器通过CAN总线连接至电池管理系统，电池模组一端设置有热量回收模块，热量回收模块为整体式温差半导体，热量回收模块电性连接至电池模组另一端的热管理控制器；热管理控制器通过热量回收继电器电性连接至DC/DC转换器，DC/DC转换器电性连接至储能电芯，储能电芯电性连接至电池管理系统；动力电池箱内侧设置有温度传感器，温度传感器电性连接至电池管理系统；
热量回收模块布置在电芯底部与动力电池箱下箱体之间，并设置储能电芯，借助动力电池箱内单体电芯与动力电池箱箱体间的温度差，利用汤姆逊效应，收集电池包多余的热量。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，为一种电池包智能热管理控制方法，包括以下步骤：
S1：车辆上电后，电池管理系统通过温度传感器采集电池模组内各个电芯的温度及电池箱体表面温度；
S2：电池管理系统进行自检，确认无影响加热及冷却的故障后，将动力CAN网络上允许加热/冷却信号由0置1；
S3：热管理控制器接收到允许加热/冷却信号由0置1后，开启动力电池热管理系统；
S4：当电芯平均温度在22~28℃之间，且电芯平均温度与电池箱体表面温度温差大于10℃时，开启热量回收模块。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤S3中，
当单体电芯温度＜20℃，给分布于该电芯侧的温差半导体通正向电流，开启加热，单体电芯温度达到25℃后停止加热；
当单体电芯温度＞30℃，给分布于该电芯侧的温差半导体通逆向电流，开启冷却，单体电芯温度达到25℃后停止冷却。
3.根据权利要求1所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤S2中，电池管理系统自检过程中，若电池管理系统检测到热管理控制系统故障，则热管理控制系统上报故障。
4.根据权利要求1所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤S4中，还包括以下步骤：
A1：当电芯平均温度与电池箱体表面温度温差大于10℃时，动力电池系统无影响能量回收的故障，则电池管理系统通过CAN总线闭合热量回收继电器，开启热量回收模块；
A2：电池管理系统通过CAN总线控制DC/DC转换器，将输出电压调整至4V，为储能电芯充电；
A3：当电芯平均温度与电池箱体表面温度差值≤10℃时，电池管理系统断开热量回收继电器。
5.根据权利要求1所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤S1中，还包括以下步骤：
B1：当车辆处于上电状态时，热管理控制器接收电池管理系统发送的电芯平均温度和电池箱体表面温度，当电芯平均温度在22~28℃之间，没有单体电芯处于加热及冷却工况，且电芯平均温度与电池箱体表面温度差值＞10℃，电池管理系统通过CAN总线闭合热量回收继电器，开启动力电池热量回收；
B2：电池管理系统将DC/DC转换器输出电压调整至4V后，给储能电芯充电；
B3：当电芯平均温度与电池箱体表面温度差值≤10℃，或电芯平均温度不在22~28℃之间，或有单体电芯需要进行加热/冷却，电池管理系统断开热量回收继电器。
6.根据权利要求1所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，车辆下电后包括以下步骤：
C1：车辆下电并完成热量回收后，电池管理系统不立刻休眠，继续采集所有电芯的单体电压，并设定第一阶段目标电压为采集到的平均单体电压，第二阶段目标电压为采集到的最高单体电压；
C2：补电均衡第一阶段：开启所有小于单体平均电压的电芯的补电均衡回路，利用储能电芯中储存的电量，给小于单体平均电压的电芯充电至第一阶段目标电压，静置5min后开启第二阶段补电均衡；
C3：补电均衡第二阶段：开启除单体电压最高的电芯外所有电芯的补电均衡回路，利用储能电芯中储存的电量，给这部分电芯进行补电均衡；
根据权利要求6所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤C2中，补电均衡第一阶段过程中，若储能电芯电压≤第一阶段目标电压，即停止补电均衡，BMS执行休眠。
7.根据权利要求6所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤C3中，当单体电压等于第二阶段目标电压后，断开该单体电芯的补电均衡回路，静置5min电芯去极化后，再次开启该单体电芯的补电均衡回路，当单体电压再次等于第二阶段目标电压后，断开该单体电芯的补电均衡回路，并判断该电芯已完成补电均衡，所有电芯均完成第二阶段补电均衡后，关闭BMS执行休眠。
8.根据权利要求6所述的一种动力电池智能热管理控制方法，其特征在于，步骤C3中，补电均衡过程中，若储能电芯电压≤第二阶段目标电压，即停止补电均衡，BMS执行休眠。
9.一种动力电池智能热管理控制系统，包括动力电池箱和电池模组，其特征在于，还包括电池管理系统、热管理控制器、DC/DC转换器和储能电芯，所述电池管理系统通过补电均衡回路和采样电路连接至电池模组，所述电池模组包括多个单体电芯，所述电芯两侧设置有温差半导体，所述温差半导体包括铜连接片、P型半导体、N型半导体及控制线束，所述P型半导体与N型半导体通过铜连接片连接。
10.所述温差半导体电性连接至热管理控制器，所述热管理控制器通过CAN总线连接至电池管理系统，所述电池模组一端设置有热量回收模块，所述热量回收模块电性连接至电池模组另一端的热管理控制器；所述热管理控制器电性连接至DC/DC转换器，所述DC/DC转换器电性连接至储能电芯，所述储能电芯电性连接至电池管理系统；所述动力电池箱内侧设置有温度传感器，所述温度传感器电性连接至电池管理系统。
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