CN113071302A - 一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统和方法，包括发电机、液压泵、液压马达、传动带、离合器、DC/DC变换器、加热膜、电池组、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ、储能控制阀、加热控制阀、溢流阀、蓄能器组、压力继电器、控制器及温度传感器。该系统利用液压蓄能装置和再生制动能量，从而在无外部加热源的情况下实现电动汽车低温启动时的动力电池快速加热。该方法简单可靠，且易于与其它加热方法集成使用，能够弥补电池自加热在较低荷电状态下难以实施的问题，从而有效解决电汽在低温严寒工况下启动时的电池性能衰退大、工作性能差的问题。

Description

一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统和方法

技术领域

本发明属于电动汽车动力电池低温热管理技术领域，具体涉及一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统和方法。

背景技术

动力电池在低温情况下使用时，其容量性能急剧衰退，导致电动汽车在严寒地区行驶时续行里程严重降低，另外，低温引发电池阻抗大幅增加，引起动力电池的充放电功率能力下降，充电时间大幅度延长，且容易在充电时产生负极析锂，带来安全隐患，阻碍了电动汽车在低温环境下的应用。因此，低温加热是提升动力电池系统低温性能的重要技术手段，如何在车辆启动之前对动力电池进行快速预热，是当前亟需解决的重要技术问题。

目前普遍采用的低温加热方法包括外部加热与内部加热两种。然而，现有的低温加热技术存在一些技术瓶颈，其中外部加热方法稳定性高，但是大部分外部加热方法都需要依赖于既有的外部热源，因此只能在特定场合下实施加热，限制了其在电动汽车上的灵活使用，而内部加热方法则是利用电池自身电流在电池内部产热，这种方法在加热的同时需要消耗电池自身电量，当电池荷电状态较低时则难以实施。

发明内容

针对上述技术问题，本专利公开了一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统和方法。该系统既不依赖于外部加热源，也不消耗电池自身电量，而是利用电动汽车再生制动时回收的能量暂时存储于液压储能系统中，用于进行动力电池的低温加热。

一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统，包括控制器、加热膜、DC/DC变换器、发电机、液压泵、液压马达、传动带、离合器、温度传感器、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ、储能控制阀、加热控制阀、溢流阀、蓄能器组以及压力继电器；所述液压泵和离合器的输出轴上安装有带轮，两个带轮之间设置有传动带，且离合器与车辆传动轴连接，液压泵的出口经过单向阀Ⅰ与储能控制阀的入口连接，所述液压马达的输出端与发电机连接，发电机通过DC/DC变换器与包覆在电池组外表面的加热膜连接，液压马达的输入端通过单向阀Ⅱ与加热控制阀的出口连接；蓄能器组的入口与储能控制阀出口连接，蓄能器组的出口端分别与加热控制阀、溢流阀入口端连接，蓄能器组的信号输出端与压力继电器的信号输入端连接，所述控制器分别与压力继电器、温度传感器、加热控制阀、储能控制阀及发电机连接，温度传感器输入端与电池组连接；溢流阀的调定压力高于其余所有控制阀，起安全防护作用，压力继电器的调定压力高于一次加热所需的设定压力值，并在缺省位置时输出低电平，而当入口压力高于调定压力时输出高电平；储能控制阀与加热控制阀的初始位置至于左位，储能控制阀切换至右位时将停止入油进行保压，加热控制阀切换至右位时将输出高压油用于驱动液压马达运转。

一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对溢流阀、压力继电器、储能控制阀、加热控制阀进行初始化，并通过控制器设置电池温度阈值K1与K2；其中溢流阀的调定压力高于其余所有控制阀，起安全防护作用；压力继电器的调定压力高于一次加热所需的设定压力值，并在缺省位置时输出低电平，而当入口压力高于调定压力时输出高电平；储能控制阀与加热控制阀的初始位置至于左位；温度阈值K1为电池低温阈值，当电池温度低于此阈值时则必须进行加热，温度阈值K2为加热停止阈值，即当温度高于此阈值时，加热可以停止；

步骤2：在车辆运行过程中，通过控制器实时地监测压力继电器的工作状态来判断蓄能器组的电压状态，当压力继电器处于低电平时，则表示蓄能器组中的压力不足，进入步骤3；反之，当压力继电器处于高电平时，则表示蓄能器组中已有足够压力，进入步骤5；

步骤3：储能控制阀与加热控制阀的工作位置均保持为缺省位置左位，等待车辆制动，车辆制动时的动能通过液压泵转化为液压能，流经单向阀进入液压系统，此时高压油进入蓄能器组，当蓄能器组的压力高于阈值，即压力满足一次低温加热的需求时，触发压力继电器动作，反馈信号给控制器，并进入步骤4；

步骤4：控制器控制储能控制阀切换工作位置至右位，加热控制阀的工作位置仍保持为缺省位置左位，进入步骤5；

步骤5：高压油在储能控制阀、加热控制阀、溢流阀的共同作用下在蓄能器组中处于保压状态，储能控制阶段结束，进入步骤6；

步骤6：通过温度传感器实时监测电池组温度，将电池组温度T与温度阈值K1进行对比，若T＜K1，则进入步骤7，反之若T≥K1，则进入步骤8；

步骤7：控制器控制加热控制阀换向至右位，导通液压马达的高压油路，液压马达驱动发电机发电，经过DC/DC变换器调压后发电机电流流经加热膜，在加热膜上产生焦耳热促使电池迅速升温；通过温度传感器判断电池温度，将电池温度T与温度阈值K2进行对比，若T＜K2，则继续加热，反之若T≥K2，则停止加热，并进入步骤8；

步骤8：通过控制器使加热控制阀位于左位，电池组加热结束。

本发明的技术效果为：

1、加热控制阀与储能控制阀用来完成将能量进行存储与释放液压能用于加热的控制功能，而液压泵的作用是通过传动带与离合器连接传动轴、当车辆发生制动时液压泵被传动轴拖动，从而在车辆制动时实现再生制动，将车辆制动时的机械能转化为液压能，进行暂时存储；控制器通过温度传感器感知动力电池的温度并控制发电机、加热控制阀、储能控制阀完成储能与加热工作。

2、由于液压系统相比于动力电池具有更好的耐低温性能，且液压储能来自于上一次再生制动时的回收能量，因此所公开的低温加热系统具备节能、不依赖于外部设施与能源的显著优势，即使电池初始荷电状态较低也可以实现快速升温，提高电池工作性能、增强电池可靠性与耐久性，可以有效应对当前电动汽车低温电池性能衰退的技术问题。

3、加热控制方法为循环储能控制，即在每一次行车过程中利用车辆制动时的再生制动能量为下一次启动汽车时的电池低温加热提供能量，因此加热控制方法分两个阶段，一是储能阶段的控制，二是加热阶段的控制；当液压储能达到低温加热需求之后，储能控制阀切换能量传输回路，再生制动能量转化为在车辆下一次启动之前先判断电池温度，当温度低于阈值时，主动触发加热控制阀使液压能驱动液压马达带动发电机给加热膜供电，实现电池快速升温。该方法简单可靠，且易于与其它加热方法集成使用，能够弥补电池自加热在较低荷电状态下难以实施的问题，从而有效解决电汽在低温严寒工况下启动时的电池性能衰退大、工作性能差的问题。

附图说明

图1为本发明基于液压储能的电动汽车动力电池低温加热系统结构图；

图2为本发明基于液压储能的电动汽车动力电池低温加热系统控制流程图；

图3为本发明基于液压储能的电动汽车动力电池低温加热系统的加热效果示意图；

1-发电机，2-液压泵，3-液压马达、4-传动带，5-离合器，6-DC/DC变换器，7-加热膜，8-电池组，9-单向阀Ⅰ，10-单向阀Ⅱ，11-储能控制阀，12-加热控制阀，13-溢流阀，14-蓄能器组，15-压力继电器，16-控制器，17-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

电池组8采用锂离子动力电池组，采用18650HZ型NMC锂离子动力电池组为例，其标称容量为2.5Ah，电池组8所处的环境温度＜5℃；溢流阀13选用先导式溢流阀，型号为：Goetze-Z105，调定压力为8.5MPa；压力继电器15型号为QYZ-2T，调定压力设为8MPa；储能控制阀11与加热控制阀12均选取ZC23型号的两位三通换向阀；控制器16采用MOTOHAWK系统作为处理单元。

如图1所示，一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统，包括控制器16、加热膜7、DC/DC变换器6、发电机1、液压泵2、液压马达3、传动带4、离合器5、温度传感器17、单向阀Ⅰ9、单向阀Ⅱ10、储能控制阀11、加热控制阀12、溢流阀13、蓄能器组14以及压力继电器15；所述液压泵2和离合器5的输出轴上安装有带轮，两个带轮之间设置有传动带4，且离合器5与车辆传动轴连接，液压泵2的出口经过单向阀Ⅰ9与储能控制阀11的入口连接，所述液压马达3的输出端与发电机1连接，发电机1通过DC/DC变换器6与包覆在电池组8外表面的加热膜7连接，液压马达3的输入端通过单向阀Ⅱ10与加热控制阀12的出口连接；蓄能器组14的入口与储能控制阀11出口连接，蓄能器组14的出口端分别与加热控制阀12、溢流阀13入口端连接，蓄能器组14的信号输出端与压力继电器15的信号输入端连接，所述控制器16分别与压力继电器15、温度传感器17、加热控制阀12、储能控制阀11及发电机1连接，温度传感器17输入端与电池组8连接；溢流阀13的调定压力高于其余所有控制阀，起安全防护作用，压力继电器15的调定压力高于一次加热所需的设定压力值，并在缺省位置时输出低电平，而当入口压力高于调定压力时输出高电平；储能控制阀11与加热控制阀12的初始位置至于左位，储能控制阀11切换至右位时将停止入油进行保压，加热控制阀12切换至右位时将输出高压油用于驱动液压马达3运转；加热控制阀12与储能控制阀11用来完成将能量进行存储与释放液压能用于加热的控制功能，而液压泵2的作用是通过传动带4与离合器5连接传动轴、当车辆发生制动时液压泵2被传动轴拖动，从而在车辆制动时实现再生制动，将车辆制动时的机械能转化为液压能，进行暂时存储；控制器16通过温度传感器17感知动力电池的温度并控制发电机1、加热控制阀12、储能控制阀11完成储能与加热工作。

该系统的基本原理是在车辆再生制动时将车辆制动时的机械能进行二次利用，这部分能量以液压能的形式暂行存储，用于提供下一次车辆启动时对电池低温加热所需要的能量，在车辆启动时监测电池温度，若发现电池处于低温工作状态，则在启动车辆之前对电池进行加热，加热时由液压能驱动液压马达3带动发电机1产生直流电，经过DC/DC降压调制后电流流经加热膜7，在加热膜7上产生的热量QE如式1所示

其中：I为加热膜7电流，ρ为电阻率，L为加热器电阻丝的总长度，S为电阻丝截面积。

加热膜7包覆在电池表面，实现对电池组8的快速加热升温，加热膜7的热量会以热传导的形式传递给电池组8，实现电池组8的快速加热，电池组8预生温度如式2所示，

其中：m为电池质量，Cp为电池比热容，μ为导热比，ΔT为预测温升。

如图2和图3所示，一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，对溢流阀13、压力继电器15、储能控制阀11、加热控制阀12进行初始化，并通过控制器16设置电池温度阈值K1与K2，K1为电池组8低温阀值，温度为3℃，当电池组8温度低于3℃时则必须进行加热，K2为电池组8加热停止阀值，温度为15℃，当温度高于15℃时，加热可以停止；其中溢流阀13的调定压力高于其余所有控制阀，起安全防护作用；压力继电器15的调定压力高于一次加热所需的设定压力值，并在缺省位置时输出低电平，而当入口压力高于调定压力时输出高电平；储能控制阀11与加热控制阀12的初始位置至于左位；

步骤2：在车辆运行过程中，通过控制器16实时地监测压力继电器15的工作状态来判断蓄能器组14的电压状态，当压力继电器15处于低电平时，则表示蓄能器组14中的压力不足，进入步骤2；反之，当压力继电器15处于高电平时，则表示蓄能器组14中已有足够压力，进入步骤4；

步骤3：储能控制阀11与加热控制阀12的工作位置均保持为缺省位置左位，等待车辆制动，车辆制动时的动能通过液压泵2转化为液压能，流经单向阀进入液压系统，此时高压油进入蓄能器组14，当蓄能器组14的压力高于阈值，即压力满足一次低温加热的需求时，触发压力继电器15动作，反馈信号给控制器16，并进入步骤3；

步骤4：控制器16控制储能控制阀11切换工作位置至右位，加热控制阀12的工作位置仍保持为缺省位置左位，进入步骤4；

步骤5：高压油在储能控制阀11、加热控制阀12、溢流阀13的共同作用下在蓄能器组14中处于保压状态，储能控制阶段结束，进入步骤5；

步骤6：通过温度传感器17实时监测电池组8温度，将电池组8温度T与温度阈值K1进行对比，若T＜K1，则进入步骤6，反之若T≥K1，则进入步骤7；

步骤7：控制器16控制加热控制阀12换向至右位，导通液压马达3的高压油路，液压马达3驱动发电机1发电，经过DC/DC变换器6调压后发电机1电流流经加热膜7，在加热膜7上产生焦耳热促使电池迅速升温；通过温度传感器17判断电池温度，将电池温度T与温度阈值K2进行对比，若T＜K2，则继续加热，反之若T≥K2，则停止加热，并进入步骤7；

步骤8：通过控制器16使加热控制阀12位于左位，电池组8加热结束。

在本实施例中，通过实现低温加热，使电池组8温度迅速从0℃升温至15℃，耗时约300秒，在温度达到15℃之后，加热停止，控制效果理想，可以实现电动汽车在低温环境下的快速预热与温度管控效果。

Claims (2)

1.一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统，其特征在于，包括控制器、加热膜、DC/DC变换器、发电机、液压泵、液压马达、传动带、离合器、温度传感器、单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ、储能控制阀、加热控制阀、溢流阀、蓄能器组以及压力继电器；所述液压泵和离合器的输出轴上安装有带轮，两个带轮之间设置有传动带，且离合器与车辆传动轴连接，液压泵的出口经过单向阀Ⅰ与储能控制阀的入口连接，所述液压马达的输出端与发电机连接，发电机通过DC/DC变换器与包覆在电池组外表面的加热膜连接，液压马达的输入端通过单向阀Ⅱ与加热控制阀的出口连接；蓄能器组的入口与储能控制阀出口连接，蓄能器组的出口端分别与加热控制阀、溢流阀入口端连接，蓄能器组的信号输出端与压力继电器的信号输入端连接，所述控制器分别与压力继电器、温度传感器、加热控制阀、储能控制阀及发电机连接，温度传感器输入端与电池组连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于液压储能的电动汽车电池低温加热系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对溢流阀、压力继电器、储能控制阀、加热控制阀进行初始化，并通过控制器设置电池温度阈值K1与K2；其中溢流阀的调定压力高于其余所有控制阀，起安全防护作用；压力继电器的调定压力高于一次加热所需的设定压力值，并在缺省位置时输出低电平，而当入口压力高于调定压力时输出高电平；储能控制阀与加热控制阀的初始位置至于左位；温度阈值K1为电池低温阈值，当电池温度低于此阈值时则必须进行加热，温度阈值K2为加热停止阈值，即当温度高于此阈值时，加热可以停止；

步骤2：在车辆运行过程中，通过控制器实时地监测压力继电器的工作状态来判断蓄能器组的电压状态，当压力继电器处于低电平时，则表示蓄能器组中的压力不足，进入步骤3；反之，当压力继电器处于高电平时，则表示蓄能器组中已有足够压力，进入步骤5；

步骤3：储能控制阀与加热控制阀的工作位置均保持为缺省位置左位，等待车辆制动，车辆制动时的动能通过液压泵转化为液压能，流经单向阀进入液压系统，此时高压油进入蓄能器组，当蓄能器组的压力高于阈值，即压力满足一次低温加热的需求时，触发压力继电器动作，反馈信号给控制器，并进入步骤4；

步骤4：控制器控制储能控制阀切换工作位置至右位，加热控制阀的工作位置仍保持为缺省位置左位，进入步骤5；

步骤5：高压油在储能控制阀、加热控制阀、溢流阀的共同作用下在蓄能器组中处于保压状态，储能控制阶段结束，进入步骤6；

步骤6：通过温度传感器实时监测电池组温度，将电池组温度T与温度阈值K1进行对比，若T＜K1，则进入步骤7，反之若T≥K1，则进入步骤8；

步骤7：控制器控制加热控制阀换向至右位，导通液压马达的高压油路，液压马达驱动发电机发电，经过DC/DC变换器调压后发电机电流流经加热膜，在加热膜上产生焦耳热促使电池迅速升温；通过温度传感器判断电池温度，将电池温度T与温度阈值K2进行对比，若T＜K2，则继续加热，反之若T≥K2，则停止加热，并进入步骤8；

步骤8：通过控制器使加热控制阀位于左位，电池组加热结束。

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