CN113611947A - 一种电动汽车电池温度控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种控制电动汽车电池温度的装置，包括包括电池单元、风冷装置、加热装置、温度检测装置、控制器、存储器；所述电池单元包括至少一个电池组，所述电池组包括至少一个单体电池，所述单体电池具有外壳，所述单体电池串联安装在电池组的壳体内；所述风冷装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行冷却；所述加热装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行加热。本发明能够根据精确计算的电池温度以及车辆的工作环境提前对电池进行冷却，降低了电动机的高峰负荷值，相比现有技术的冷却效果更好、降低了成本、能耗更低，符合节能减排的发展理念。

Description

一种电动汽车电池温度控制装置
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动汽车电池温度控制装置。
背景技术
电动汽车成为未来汽车的发展方向已成为世界共识，受限于电池技术，电动汽车成本高、行驶路程短的问题依然没有得到有效解决，电动汽车性能的好坏很大程度上依赖于电池组的性能，其中，电动汽车电池组温度是影响电池性能至关重要的因素。电池频繁的充电和放电会产生大量的热量，不同时间、不同地点以及驾驶习惯的不同导致了电池的寿命情况复杂，电池过热会导致电池容量、寿命的急剧下降，使电池温度保持在某一合理范围内是延长电池寿命和提高电池性能的有效方法之一。
在电池的冷却方面，常规的是空气冷却或液体冷却。空气冷却，顾名思义靠行驶过程中的气流来带走热量，这种冷却方式成本低廉、结构简单，但是冷却效果难以让人满意。相比之下，液体冷却的效率高，而且结构设计上比空气冷却更加灵活，但存在设计和制造成本高昂的问题。如何快速、高效、低成本地冷却电池是电动汽车在发展过程中面临的共性技术问题。
在电动汽车工作过程中，对电池冷却的精确控制依赖于准确的电池内部温度的估算。而电池单元性能实际上是由单元内部温度决定的，电池表面的温度和内部温度之间有很大的误差，特别是在空气冷却电池系统的现有技术中，实际误差可能超过10℃甚至更多。
现有技术中，ZL201910623114.4，采用的是表面温度作为电池实际温度进行计算，以该温度作为进一步控制的基础，在电池表面采集的温度数据作为电池温度进行控制，这往往会导致电池寿命急剧下降，而且电池在老化之后其内部电阻也会发生变化，依据这种变化后的电阻计算的电池发热量也是偏差会更大，以至于产生更多的成本上的浪费、油耗的增加。
发明内容
针对该现有技术存在的问题，本申请提出了一种电动汽车电池温度控制装置，该装置及其方法所要解决的技术问题是：如何对电池进行快速准确地冷却降温并降低成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：
一种电动汽车电池温度控制装置，包括电池单元、风冷装置、加热装置、温度检测装置、控制器、存储器；
所述电池单元包括至少一个电池组，所述电池组包括至少一个单体电池，所述单体电池具有外壳，所述单体电池串联安装在电池组的壳体内；
所述风冷装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行冷却；
所述加热装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行加热；
在一个或多个实施例中，所述温度检测装置包括至少一个电池温度传感器(Ts1…Tsn)和，所述电池温度传感器设置于单体电池外表面用于检测电池表面温度Ts，其中
Figure BDA0003191944990000021
还包括至少一个空气温度传感器(Ta1…Tam)，被配置用于检测环境温度Ta；其中
Figure BDA0003191944990000022
在一个或多个实施例中，基于所述电池表面温度Ts和环境温度Ta，建立电池组的热动力平衡方程：
Figure BDA0003191944990000023
其中，It为电池组实时检测的终端电流，R为电池组等效电阻，C为电池组的等效比热容，m为电池组质量，Tt为t时刻电池组中心温度，T0为车辆启动时电池组中心温度，Rs为单体电池外壳的热阻系数，Ra为空气的热阻系数；
基于上述热动力平衡方程，可得t时刻电池组中心温度Tt为：
Figure BDA0003191944990000024
所述等效电阻R、等效比热容C和电池组质量m数值存储在所述存储器，所述存储器、风冷装置、加热装置和温度检测装置连接所述控制器，控制器基于电池组的中心温度Tt进行冷却或加热控制；预设电池工作范围温度(f，g)存储于存储器中，当电池组中心温度Tt低于f时，立即对电池组进行加热；当电池组中心温度Tt高于g时，立即对电池组进行冷却。
在一个或多个实施例中，所述等效电阻R为电池组建立在0.2C—2C放电倍率范围和-30℃—50℃范围内的电阻值矩阵表，所述等效电阻的计算方式为：
Figure BDA0003191944990000025
其中Voc为开路电压，Vt为终端电压，I为电流；所述电阻值矩阵表存在存储器中。
车辆启动时电池组中心温度T0为：
Figure BDA0003191944990000031
若toff<tstable
T0＝Ta′若toff≧tstable；
其中，Tt′为上次停车时电池组中心温度，Ta′为车辆启动时的环境温度，toff为停车时间，tstable为电池内部中心温度收敛于环境温度的时间。
在一个或多个实施例中，预设电池高效温度范围(u，v)存储于存储器，当电池组中心温度Tt处于持续下降状态且u≤Tt≤1.1u时，控制器控制加热装置提前对电池进行预热，否则不开启；当电池组中心温度Tt处于持续上升状态且0.9v≤Tt≤v时，控制器控制加热装置提前对电池进行冷却，否则不开启。
在一个或多个实施例中，所述风冷装置包括至少一个驱动风机，所述风冷装置与所述壳体一侧面的接口包括至少一个进风口，在壳体的另一侧面设置至少一个出风口。
在一个或多个实施例中，所述加热装置包括至少一个PCT发热管，所述PCT发热管嵌入电池组中。
在一个或多个实施例中，所述加热装置包括至少一个PCT发热片，所述PCT发热体贴附在单体电池表面。
在一个或多个实施例中，所述连续下降状态为连续3-5次获得温度值的变化率为负值；所述连续上升状态为连续3-5次获得温度值的变化率为正值。
本发明的有益效果为：
(1)本发明根据电池表面温度和环境温度值，通过热力学模型精确估算电池内部的温度，其更接近于真实值，为温度的准确控制提供了基础。
(2)本发明能够根据车辆的工作环境提前对电池进行冷却或加热，降低了电动机的高峰负荷值，相比现有技术的冷却效果更好、降低了成本、能耗更低，符合节能减排的发展理念。
附图说明
图1为本发明的控制电动车辆电池温度的装置的示意图；
图2为本发明的控制电动车辆电池组示意图；
图3所示的电池电路等效模型。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的电动汽车，包括纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)都包含有电池，如今广泛使用的锂离子电池(磷酸铁锂电池或者三元电池)，都需要时刻注意电池的温度，在温度过低时，电池容量SOC会降低，最直接的表现就是车辆的续航缩短；电池温度过高，容易引起电池起火，严重时升值爆炸，这类事故经常能够见于新闻，本申请旨在通过精确计算出电池的内部温度，尤其通过提前的预判来控制电池的温度，保障车辆的续航和行车安全，具体的，本申请采用如下的技术放来实现上述目标：
一种电动汽车电池温度控制装置，包括电池单元、风冷装置、加热装置、温度检测装置、控制器、存储器；
所述电池单元包括至少一个电池组，所述电池组包括至少一个单体电池1，所述单体电池1具有外壳3，外壳3作为保护电池的作用和构成电池组整体的作用，所述单体电池1串联安装在电池组的壳体内，单体电池1并不限于采用圆柱形的电池，常规的也有矩形形状的电池，在此，电池形状并不构成具体的限定。
所述风冷装置具有驱动风机，驱动风机安装在车辆的车头位置，引入自然风，通过驱动风机的加压将风送至电池组，风冷装置还包括风管，风管与壳体通过接口连接，显然，接口的数量设置至少一个，这是根据电池组的大小和实际需要可以设置其数量的，相应的，进风口和出风口均可设置多个，但进风口和出风口最好是设置在对称的两个面，这样能够更有利于散热。
所述加热装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行加热，加热装置可以包括PTC加热管或者加热片，如果采用加热管的形式，则将加热管嵌入地、分布式地设置在电池组中，利于电池的快速加热；如果采用加热片的形式，则将加热片贴在单体电池上，这样就能够快速的加热，但是，这种方式在工艺成本上会显得更高。
在现有技术中，常规的是采用一个传感器测量电池组表面温度作为电池的真实温度，而在本申请中，温度检测装置包括至少一个，多个温度传感器贴在电池组的表面取其平均值。
在本技术方案中，多个电池温度传感器(Ts1…Tsn)设置于单体电池外表面用于检测电池表面温度Ts，其中
Figure BDA0003191944990000051
基于多个表面温度传感器检测的温度取其平均值得到更均衡的准确值；
在本技术方案中，还包括至少一个空气温度传感器(Ta1…Tam)，被配置用于检测环境温度Ta；其中
Figure BDA0003191944990000052
获取的环境温度值也更准确。
电池在工作过程中其必然遵循热平衡的过程，电池中的电解液产生电阻发热，从而导致电池温度升高，当然，一定的温度范围内保持电池的高效率这是合理的且必要的，电池发热一部分用于电池本身的温度升高，一部分传递到电池的表面介质和空气中，也就是说，电池发热量等于电池本申请留住的热量、电池表面的热量以及传播到空气中的热量之和，遵循热量平衡定律。
基于上述计算的电池表面温度Ts和环境温度Ta，我们建立电池组的热动力平衡方程：
Figure BDA0003191944990000053
其中，It为t时刻电池组检测的终端电流，R为电池组等效电阻，C为电池组的等效比热容，m为电池组质量，Tt为t时刻电池组中心温度，T0为车辆启动时电池组中心温度，Rs为单体电池外壳的热阻系数，Ra为空气的热阻系数；
基于上述热动力平衡方程，可得t时刻电池组中心温度Tt为：
Figure BDA0003191944990000054
所述等效电阻R、等效比热容C和电池组质量m数值存储在所述存储器，所述存储器、风冷装置、加热装置和温度检测装置连接所述控制器，控制器基于电池组的中心温度Tt进行冷却或加热控制；预设电池工作范围温度(f，g)存储于存储器中，当电池组中心温度Tt低于f时，立即对电池组进行加热；当电池组中心温度Tt高于g时，立即对电池组进行冷却。
在一个或多个实施例中，所述等效电阻R为电池组建立在0.2C—2C放电倍率范围和-30℃—50℃范围内的电阻值矩阵表，电池组的电解质在不同的温度和放电倍率下，其实际电阻值是不相等的，且温度变大其阻值也变化大，尤其在电池老化后，其阻值会高于新的电池，这也会引起一些电池寿命的缩短，在本实施例中，建立电池组在设定放电倍率和温度下的电阻值表存储于储存器中，控制器根据当前的放电倍率和检测的终端电流查询等效电阻R值。具体的，建立如附图3所示的电池电路等效模型，由此得到所述等效电阻的计算方式为：
Figure BDA0003191944990000061
其中Voc为开路电压，Vt为终端电压，I为电流；所述电阻值矩阵表存在存储器中。
进一步的，车辆启动时电池组中心温度T0为：
Figure BDA0003191944990000062
若toff<tstable
T0＝Ta′若toff≧tstable；
其中，Tt′为上次停车时电池组中心温度，Ta′为车辆启动时的环境温度，toff为车辆停止运行到下一次启动之间的时间(即停车时间)，tstable为电池内部中心温度收敛于环境温度的时间。在现实工况中，车辆停车后，如果电池温度高于环境温度，电池会进入冷却状态，经过一定时间后，电池中心温度时必然会收敛于环境温度，如果电池温度高于环境温度，电池中心温度也会收敛于环境温度，因此，定义该收敛时间为tstable。实际上，车辆生产完之后或者在控制装置重置之后，车辆第一次启动的时，定义电池内部温度等于环境温度，也就是说T0＝Ta′，以此为基础，在计算出第一次的中心温度之后，通过热动力平衡方程计算出电池组中心温度。
在一个或多个实施例中，还设置预设电池高效温度范围(u，v)存储于存储器，例如u等于25度，v等于50度，当电池组中心温度Tt处于持续下降状态且u≤Tt≤1.1u时，连续检测几次(例如3-5次)获得温度值且温度变化率为负值，控制器控制加热装置提前对电池进行预热，使电池保持在高效工作区间，否则不开启提前预热；当电池组中心温度Tt处于持续上升状态，例如连续检测几次(例如3-5次)获得温度值且温度变化率为正，且0.9v≤Tt≤v时，控制器控制加热装置提前对电池进行冷却，否则不开启提前冷却。这样做取得的效果是尽量减少在电池中心温度长时间处于低温或高温状态下对动力或者续航造成的不利影响，也能够减少后续对于能源的消耗。
由此可知，本发明可以根据电池表面温度和环境温度值，通过热力学模型估算电池内部的温度，其更接近于真实值，为温度的准确控制提供了基础。本发明能够根据车辆的工作环境提前对电池进行冷却，降低了电动机的高峰负荷值，相比现有技术的冷却效果更好、降低了成本、能耗更低，符合节能减排的发展理念。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车电池温度控制装置，包括电池单元、风冷装置、加热装置、温度检测装置、控制器、存储器；
所述电池单元包括至少一个电池组，所述电池组包括至少一个单体电池，所述单体电池具有外壳，所述单体电池串联安装在电池组的壳体内；
所述风冷装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行冷却；
所述加热装置通过接口连接所述壳体，被配置用于对电池组进行加热；
其特征在于：
所述温度检测装置包括至少一个电池温度传感器(Ts1…Tsn)，所述电池温度传感器设置于单体电池外表面用于检测单体电池表面温度Ts，其中
Figure FDA0003191944980000011
还包括至少一个空气温度传感器(Ta1…Tam)，被配置用于检测环境温度Ta，其中
Figure FDA0003191944980000012
基于所述电池表面温度Ts和环境温度Ta，建立电池组的热动力平衡方程：
Figure FDA0003191944980000013
其中，It为电池组实时检测的终端电流，R为电池组等效电阻，C为电池组的等效比热容，m为电池组电解液质量，Tt为t时刻电池组中心温度，T0为车辆启动时电池组中心温度，Rs为单体电池外壳的热阻系数，Ra为空气的热阻系数；
基于上述热动力平衡方程，可得t时刻电池组中心温度Tt为：
Figure FDA0003191944980000014
所述等效电阻R、等效比热容C和电池组质量m数值均存储于所述存储器中，所述存储器、风冷装置、加热装置和温度检测装置均连接所述控制器，控制器基于电池组的中心温度Tt对电池组进行冷却或加热；进一步的，预设电池工作范围温度(f，g)存储于存储器中，当检测到的电池组中心温度Tt低于f时，立即对电池组进行加热；当检测到的电池组中心温度Tt高于g时，立即对电池组进行冷却。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述等效电阻R为电池组建立在0.2C—2C放电倍率范围和-30℃—50℃温度范围内的电阻值矩阵表，所述等效电阻的计算方式为：
Figure FDA0003191944980000015
其中Voc为开路电压，Vt为终端电压，I为电流；所述电阻值矩阵表存于所述存储器中。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：车辆启动时电池组中心温度T0为：
Figure FDA0003191944980000021
若toff<tstable
T0＝Ta′若toff≧tstable；
其中，Tt′为上次停车时电池组中心温度，Ta′为车辆启动时的环境温度，toff为车辆熄火后的停车时间，tstable为电池内部中心温度收敛于环境温度的收敛时间，所述收敛时间存储于所述存储器中。
4.根据权利要求3所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：预设电池高效温度工作范围(u，v)存储于存储器，当电池组中心温度Tt处于持续下降状态且u≤Tt≤1.1u时，控制器控制加热装置提前对电池进行预热，否则不开启；当电池组中心温度Tt处于持续上升状态且0.9v≤Tt≤v时，控制器控制加热装置提前对电池进行冷却，否则不开启。
5.根据权利要求4所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述风冷装置包括至少一个驱动风机，所述风冷装置与所述壳体一侧面的接口包括至少一个进风口，在壳体的另一侧面设置至少一个出风口。
6.根据权利要求4所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述加热装置包括至少一个PCT发热管，所述PCT发热管嵌入电池组中。
7.根据权利要求4所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述加热装置包括至少一个PCT发热片，所述PCT发热体贴附在单体电池表面。
8.根据权利要求4所述的电动汽车电池温度控制装置，其特征在于：所述连续下降状态为连续3-5次获得温度值的变化率为负值；所述连续上升状态为连续3-5次获得温度值的变化率为正值。
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