CN113921946A - 一种新能源汽车电池包散热控制方法、系统及新能源汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新能源汽车电池包散热控制方法，包括：S101，判断从BMS处获取电池包的最大实时温度Treal是否≥第一预设温度T1；S102，若Treal≥T1，则控制TMS按照预设的初始模式工作而对电池包散热；S103，在TMS按照预设的初始模式工作后，基于在电池包入口处的冷却液实时温度Tin和电池包的最大实时温度Treal确定TMS的实时换热功率Preal，并基于从BMS处获取到的电池包的输出电流I和电池包内阻R确定电池包的实时发热功率P；判断Preal是否＜P；S104，若Preal＜P，控制TMS保持初始模式工作对电池包散热；S105，在电池包的最大实时温度Treal逐渐增大后，判断电池包的最大实时温度Treal是否增大至＞预设的最优目标温度Ttar；若增大后的最大实时温度Treal仍≤预设的最优目标温度Ttar，则重复S40。

Description

一种新能源汽车电池包散热控制方法、系统及新能源汽车
技术领域
本发明属于新能源汽车动力电池热管理系统，具体涉及一种新能源汽车电池包散热控制方法、系统及新能源汽车。
背景技术
电动车低温和高温时放电能力均减弱，低温续驶里程衰减超过40%，高温续驶里程衰减超过20%。传统的热管理系统一般采用以温度为目标的相对固定的控制策略来对电池进行管理，导致整车能耗高，影响续驶里程。
现有技术中提供了一种电动车电池温度控制系统及方法，其通过有效的控制，将空调温度调节的理念应用到纯电动车动力电池包上进行温度调节，保证动力电池在安全温度范围内工作，增加动力电池的续驶里程及使用寿命。同时，根据精准的控制逻辑，对各执行器的功率进行无级调速，让各执行器在满足条件的前提下尽量以最小功率工作，以达到节能的效果，增加电动车续驶里程。该专利的另一个发明点在于通过采集各类传感器信号，根据各个信号值做出判断，操作各种执行器，将电池温度控制在合理的工作范围。
该方案中未涉及电池内部发热实际情况，被动的单纯依靠电池温度进行判断和控制相应的各种执行器，存在严重的滞后性，没有控制预期，无法精准对电池温度进行控制，也会造成阶段性的热管理系统自身能耗的增加，甚至浪费，不利于整车续驶里程的提升,并且其冷却方式是风冷，目前实际应用非常少。
发明内容
为更好的解决以上专利的不足，本发明提供了新能源汽车电池包散热控制方法、系统及新能源汽车，在保证电池包工作在最合理的区间范围同时使得热管理系统自身能耗最小，从而提高整车续驶里程。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种新能源汽车电池包散热控制方法，应用于整车控制器HCU，包括：
步骤S101，判断从电池管理系统BMS处获取电池包的最大实时温度Treal是否≥启动热管理系统TMS的第一预设温度T1；
步骤S102，若最大实时温度Treal≥第一预设温度T1，则控制热管理系统TMS按照预设的初始模式工作而对电池包散热；
步骤S103，在热管理系统TMS按照预设的初始模式工作后，基于在电池包入口处的冷却液实时温度Tin和电池包的最大实时温度Treal确定热管理系统TMS的实时换热功率Preal，并基于从电池管理系统BMS处获取到的电池包的输出电流I和电池包内阻R确定电池包的实时发热功率P；判断所述实时换热功率Preal是否＜所述实时发热功率P；
步骤S104，若所述实时换热功率Preal＜所述实时发热功率P，则控制热管理系统TMS保持初始模式工作对电池包散热，使电池包的最大实时温度Treal逐渐增大；
步骤S105，在电池包的最大实时温度Treal逐渐增大后，判断电池包的最大实时温度Treal是否增大至＞预设的最优目标温度Ttar；若增大后的最大实时温度Treal仍≤预设的最优目标温度Ttar，则重复步骤S40；
所述第一预设温度T1小于所述最优目标温度Ttar；最优目标温度Ttar为使电池包工作在最优工作状态的温度。
优选地，步骤S105中，若最大实时温度Treal增大至＞最优目标温度Ttar，所述方法还包括：
步骤S106，判断热管理系统TMS的实时换热功率Preal是否＜预设的目标换热功率Ptar；
步骤S107，若所述实际换热功率Preal＜预设的目标换热功率Ptar，则判断电池包的最大实时温度Treal是否＞预设的第二预设温度T2；
步骤S108，若最大实时温度Treal＞预设的第二预设温度T2，则控制电池管理系统BMS降低动力电池的输出功率和/或控制热管理系统TMS提高动力输出，使动力电池的最大实时温度Treal逐渐降低；
步骤S109，判断降低后的动力电池的最大实时温度Treal是否＜第三预设温度T3；
步骤S110，若最大实时温度Treal＜第三预设温度T3，则控制热管理系统TMS关闭，停止为电池包散热；
第二预设温度T2为预先确定的使电池包出现热失效的极限温度；
目标换热功率Ptar为热管理系统TMS输出的使电池包工作在最优目标温度Ttar且使电池包入口处的冷却液温度为最优冷却温度Tintar时所对应的换热效率；
第三预设温度T3小于第一预设温度T1，第二预设温度T2大于第一预设温度T1。
优选地，步骤S106中，若所述实际换热功率Preal≥预设的目标换热功率Ptar，所述方法还包括：
步骤S111，控制热管理系统TMS降低动力输出，使热管理系统TMS的实时换热功率Preal降低，再返回至步骤S105。
优选地，步骤S107中，若最大实时温度Treal≤预设的第二预设温度T2，所述方法还包括：
步骤S112, 控制热管理系统TMS保持初始模式工作对电池包散热，直至整车下电。
优选地，步骤S103中：
通过公式：
Preal=Ptar*（Treal-Tin）/（Ttar-Tin）
计算热管理系统TMS的实时换热功率Preal；其中，Treal为电池包的最大实时温度，Tin电池包入口处的冷却液实时温度，Ttar为预设的电池包的最优目标温度，Ptar为预设的目标换热功率；
通过公式：
P=I2R
计算电池包的实时发热功率P，I为电池包的输出电流，R为电池包内阻。
本发明还提供了一种新能源汽车电池包散热控制系统，包括整车控制器HCU、与整车控制器HCU连接的电池管理系统BMS和热管理系统TMS，所述整车控制器HCU用于执行上述的新能源汽车电池包散热控制方法；
其中，所述热管理系统TMS包括：
电池冷却器；
相连通的冷却水泵和电池冷水板，所述电池水冷板连通所述电池冷却器的冷却液入口；所述电池水冷板贴合于电池包的各电池模组布置；所述电池冷却器的冷却液出口连通所述冷却水泵；
依次连接的冷凝器、压缩机和膨胀阀，所述冷凝器的入口连通所述电池冷却器的制冷剂出口，所述膨胀阀连通所述电池冷却器的制冷剂入口；
贴合于所述冷凝器布置的冷却风扇；
所述热管理系统TMS通过对所述压缩机的转速进行控制，使所述热管理系统TMS输出的动力增大或降低。
本发明还提供了一种新能源汽车，包括上述的新能源汽车电池包散热控制系统。
本发明的有益效果为：
在不改变现有热管理系统的架构的情况下，整车控制器HCU利用电池管理系统BMS、热管理系统TMS提供的相关信号，可以实时分析电池包的散热需求。通过提取CAN信号中实时的电池包SOC、内阻R、电压U，电池包的放电电流I，从而计算出电池包对应的实时发热功率，再依托现有的电池热管理控制策略的温度阈值，去调整热管理系统的控制策略以满足动力电池的散热需求，保证热管理系统的散热能力与电池散热需求的实时对应，保证电池包工作在最合理的区间范围同时使得热管理系统自身能耗最小，从而提高整车续驶里程。
附图说明
图1本实施例中的热管理系统TMS的架构图；
图2是本发明方法的控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本系统作的描述。
本实施例中提供了一种新能源汽车电池包散热控制系统，主要涉及三个控制器：整车控制器HCU、电池管理系统BMS和热管理系统TMS。所有控制指令均由整车控制器HCU发出，电池管理系统BMS和热管理系统TMS上传各自的参数信息并执行整车控制器HCU发出的相应指令。
参照图1，本实施例中，该热管理系统TMS包括：电池冷却器；相连通的冷却水泵和电池冷水板，所述电池水冷板连通所述电池冷却器的冷却液入口；所述电池水冷板贴合于电池包的各电池模组布置；所述电池冷却器的冷却液出口连通所述冷却水泵；
依次连接的冷凝器、压缩机和膨胀阀，所述冷凝器的入口连通所述电池冷却器的制冷剂出口，所述膨胀阀连通所述电池冷却器的制冷剂入口；贴合于所述冷凝器布置的冷却风扇。
在整车运行过程中，整车控制器HCU统揽全局，统一控制和协调电池管理系统BMS及热管理系统TMS系统工作。
在本实施例中，每个电池模组均自带有至少两个对各电池模组的温度进行检测的温度传感器，温度传感器属于电池管理系统BMS。电池管理系统BMS提供给整车控制器HCU的信号有：电池包SOC、电池包的最大实时温度Treal（电池管理系统BMS内部比较各模组的最高温度Tmax所得）、实时放电电流I；电池管理系统BMS基于采集到的电池包电压U与电池包SOC的预定对应关系确定电池包SOC。
电池水冷板的入口位置布置有温度传感器（图未示出），这个传感器属于热管理系统TMS，用于反馈电池包入口处的冷却液实时温度Tin。热管理系统TMS提供给整车控制器HCU的信号有：电池包入口处的冷却液实时温度Tin，冷却水泵6的转速或档位，压缩机转速。
整车控制器HCU在收到该电池管理系统BMS发送的相关参数信息后，通过预设的电池包的最大实时温度、电池包SOC和电池包内阻的对应关系，确定电池包内阻R。
当整车控制器HCU根据电池管理系统BMS发送的电池包的实时温度Treal确定电池包具有散热需求时，整车控制器HCU向热管理系统TMS发出散热指令。在热管理系统TMS中，冷却水泵6开启，电池模组8将电池产生的热量通过电池水冷板传递给冷却液，冷却液将热量带到电池冷却器4，在电池冷却器4中完成换热，将热量传递给制冷剂。在制冷剂回路中，压缩机1开启，冷却风扇5开启，制冷循环打开，冷凝器2、膨胀阀3、电池冷却器4均参与工作，根据空调系统制冷原理开始工作，制冷剂通过压缩机1做功，将低温低压气态的制冷剂压缩成高温高压的气体，送往冷凝器2冷凝成中高温高压的液体，并通过膨胀阀3节流减压，变成低温低压的液体，低温低压的液体在电池冷却器4中蒸发吸热，变成低温低压的气体，实现将热量从制冷剂通过冷凝器2和空气的换热。简单来说：电池模组8的热量通过电池水冷板7传递给冷却液，冷却液通过电池冷却器4传递给制冷剂，制冷剂通过冷凝器2传递给冷却空气，从而实现电池模组8的散热。
参见图2，为了实现对电池包散热控制，本实施例按照如下流程进行控制：
随着电池放电输出的进行，电池温度会不断上升。当整车控制器HCU电池包的最大实时温度Treal增大至电池包需要冷却的第一预设温度T1时，整车控制器HCU向热管理系统TMS发出冷却指令。
其中，该第一预设温度T1为预先标定的温度，该第一预设温度T1小于电池包出现热失效时的温度。
热管理系统TMS在接收到整车控制器HCU的冷却指令后，启动压缩机、冷却风扇和冷却水泵；其中，压缩机、冷却风扇、冷却水泵按照预定的初始模式进行启动。本实施例中，预定的初始模式是指使热管理系统TMS工作在能耗最少且散热效果最好的模式，如压缩机的最大转速为7000r/min，但压缩机工作在该最大转速来说所造成的能耗会较多，经过试验发现，压缩机工作在5000/min所带来的散热效果和能耗都处于用户所能接受的范围，因而将该压缩机工作在5000/min确定为本实施例中初始模式下的压缩机转速。同理，可以通过试验预先确定该冷却风扇和冷却水泵的最优工作挡位或转速。
一般地，当热管理系统TMS开启后，电池包入口处的冷却液实时温度Tin会迅速变化，很快达成与电池包入口处的最优冷却温度Tintar，即电池包入口处的冷却液实时温度Tin=Tintar。
进一步地，热管理系统TMS的实际换热功率Preal主要由电池包的最大实时温度Treal决定，Preal=Ptar*（Treal-Tintar）/(Ttar-Tintar)= Ptar*（Treal-Tin）/(Ttar-Tin)；Ptar为目标换热功率，目标换热功率Ptar为热管理系统TMS输出的使电池包工作在最优目标温度Ttar且使电池包入口处的冷却液温度为最优冷却温度Tintar时所对应的换热效率。
从上述公式可以看出，要改变热管理系统TMS的实际换热功率Preal有两种方式，一是改变电池包的最大实时温度Treal，二是改变电池入口处的冷却液实时温度Tin。
同时，整车控制器HCU还可以通过公式：
P=I2R
计算电池包的实时发热功率P，I为电池包的输出电流，R为电池包内阻。
当电池实时发热功率P小于热管理系统TMS实际换热功率Preal时，要求不能通过降低电池包的最大实时温度Treal而去降低热管理系统TMS的实际换热功率Preal去达到匹配的目的，核心是通过降低压缩机的转速从而提升电池包入口处的冷却液实时温度Tin的方式来降低热管理系统TMS的真实换热功率Preal，使Preal=P，这一过程需要利用整车控制器HCU对热管理系统TMS的自学习功能来实现；当电池包的实时发热功率P大于热管理系统TMS的实际换热功率Preal时，先控制电池包入口处的冷却液实时温度Tin降低至目标温度Tintar，看是否能保证电池包的最大实时温度Treal不上升，如果电池包的最大实时温度Treal不上升，表明此时的实际换热功率Preal大于或等于电池包的实时发热功率P，热管理系统TMS会根据这一状态自动调节电池包入口处的冷却液实时温度Tin，保证电池包的最大实时温度Treal不降低；而如果电池包的实时发热功率P继续增大，当电池包入口处的冷却液实时温度Tin达到目标温度Tintar后，则电池包的最大实时温度Treal会持续上升，当电池包的最大实时温度Treal达到目标温度Ttar时，热管理系统TMS的实时换热功率Preal达到目标值Ptar，该目标值Ptar应该为满足用户在绝大部分工况下电池包的输出功率情绪下的最大发热功率值，并作为热管理系统零部件的选型依据。如果保持电池包入口处的冷却液实时温度Tin不变，电池包的最大实时温度Treal恒定在目标温度Ttar，时间超过控制周期T及以上，表明此时电池包的实时发热功率P与热管理系统TMS的实时换热功率Preal平衡，即P=Ptar，以实时换热功率Preal作为整车控制器HCU自学习的基础，后期实际需求的实时换热功率Preal由整车控制器HCU根据前一个控制周期T内电池包的最大实时温度Treal的平均值及电池包入口处的冷却液实时温度Tin的平均值进行插值计算，所以将热管理系统TMS相应时间设置为控制周期，就可以精准得到当前周期的换热需求，有了这个提前计算的换热量，即为下一周期热管理系统TMS的目标换热量，就可以以此目标来调节热管理系统的工作过程，从而达到对电池温度的精准控制。
当电池包的最大实时温度Treal达到Ttar时，如果电池包的实时发热功率P小于热管理系统TMS的实际换热功率Preal（这是刚好等于目标换热功率Ptar），仍然通过降低压缩机转速来提高电池包入口处的冷却液实时温度Tin来降低热管理系统TMS的实时换热功率Preal，使Preal=P；如果电池包的实时发热功率P大于热管理系统TMS的实时换热功率Preal（极端工况下），由于此时热管理系统TMS的实际换热功率Preal已经达到Ptar,压缩机工作在最高效的范围，此后电池包的最大实时温度Treal会上升，不能工作在电池包最理想的目标温度，当电池包的最大实时温度Treal上升至第二预设温度T2（该第二预设温度为使电池包不出现热失效的极限温度）过程中，热管理系统TMS的换热能力会因为电池包的最大实时温度Treal的提高而增大，如果此时还不能满足散热需求，可以适当提高压缩机转速，这个时候压缩机的效率往往不再最高效范围，但可以以此来提高热管理系统TMS的极端换热能力，当压缩机达到极限转速后，如果还不能控制电池包的最大实时温度Treal下降，只能通过限制电池的输出功率来降低电池包发热。
由于极端工况下才出现电池包的功率限制，对用户来说往往是可以接受的。
基于上述描述，本实施例中，该方法可以总结为如下流程：
步骤S101，判断从电池管理系统BMS处获取电池包的最大实时温度Treal是否≥启动热管理系统的第一预设温度T1；
步骤S102，若最大实时温度Treal≥第一预设温度T1，则控制热管理系统TMS按照预设的初始模式工作而对电池包散热；
步骤S103，在热管理系统TMS按照预设的初始模式工作后，基于在电池包入口处的冷却液实时温度Tin和电池包的最大实时温度Treal确定热管理系统TMS的实时换热功率Preal，并基于从电池管理系统BMS处获取到的电池包的输出电流I和电池包内阻R确定电池包的实时发热功率P；判断所述实时换热功率Preal是否＜所述实时发热功率P；
步骤S104，若所述实时换热功率Preal＜所述实时发热功率P，则控制热管理系统TMS保持初始模式工作对电池包散热，使电池包的最大实时温度Treal逐渐增大；
步骤S105，在电池包的最大实时温度Treal逐渐增大后，判断电池包的最大实时温度Treal是否增大至＞预设的最优目标温度Ttar；若增大后的最大实时温度Treal仍≤预设的最优目标温度Ttar，则重复步骤S40；
步骤S106，若最大实时温度Treal增大至＞最优目标温度Ttar，判断热管理系统TMS的实时换热功率Preal是否＜预设的目标换热功率Ptar；
步骤S107，若所述实际换热功率Preal＜预设的目标换热功率Ptar，则判断电池包的最大实时温度Treal是否＞预设的第二预设温度T2；
步骤S108，若最大实时温度Treal＞预设的第二预设温度T2，则控制电池管理系统BMS降低动力电池的输出功率和/或控制热管理系统TMS提高动力输出，使动力电池的最大实时温度Treal逐渐降低；
步骤S109，判断降低后的动力电池的最大实时温度Treal是否＜第三预设温度T3；
步骤S110，若最大实时温度Treal＜第三预设温度T3，则控制热管理系统TMS关闭，停止为电池包散热；
步骤S111，若所述实际换热功率Preal≥预设的目标换热功率Ptar，控制热管理系统TMS降低动力输出，使热管理系统TMS的实时换热功率Preal降低，再返回至步骤S105；
步骤S112,若最大实时温度Treal≤预设的第二预设温度T2，控制热管理系统TMS保持初始模式工作对电池包散热，直至整车下电。
其中，在上述步骤S102、S104和S112热管理系统TMS按照预设的初始模式工作是指按照预设的压缩机转速启动压缩机1、按照预设的挡位启动冷却风扇5和按照预设的转速启动冷却水泵6；步骤S108中，控制热管理系统TMS提高动力输出具体是指增大压缩机1的转速；步骤S111中，控制热管理系统TMS降低动力输出是指降低压缩机1的转速。

Claims (7)

1.一种新能源汽车电池包散热控制方法，应用于整车控制器HCU，其特征在于，包括：
步骤S101，判断从电池管理系统BMS处获取电池包的最大实时温度Treal是否≥启动热管理系统TMS的第一预设温度T1；
步骤S102，若最大实时温度Treal≥第一预设温度T1，则控制热管理系统TMS按照预设的初始模式工作而对电池包散热；
步骤S103，在热管理系统TMS按照预设的初始模式工作后，基于在电池包入口处的冷却液实时温度Tin和电池包的最大实时温度Treal确定热管理系统TMS的实时换热功率Preal，并基于从电池管理系统BMS处获取到的电池包的输出电流I和电池包内阻R确定电池包的实时发热功率P；判断所述实时换热功率Preal是否＜所述实时发热功率P；
步骤S104，若所述实时换热功率Preal＜所述实时发热功率P，则控制热管理系统TMS保持初始模式工作对电池包散热，使电池包的最大实时温度Treal逐渐增大；
步骤S105，在电池包的最大实时温度Treal逐渐增大后，判断电池包的最大实时温度Treal是否增大至＞预设的最优目标温度Ttar；若增大后的最大实时温度Treal仍≤预设的最优目标温度Ttar，则重复步骤S40；
所述第一预设温度T1小于所述最优目标温度Ttar；最优目标温度Ttar为使电池包工作在最优工作状态的温度。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车电池包散热控制方法，其特征在于，步骤S105中，若最大实时温度Treal增大至＞最优目标温度Ttar，所述方法还包括：
步骤S106，判断热管理系统TMS的实时换热功率Preal是否＜预设的目标换热功率Ptar；
步骤S107，若所述实际换热功率Preal＜预设的目标换热功率Ptar，则判断电池包的最大实时温度Treal是否＞预设的第二预设温度T2；
步骤S108，若最大实时温度Treal＞预设的第二预设温度T2，则控制电池管理系统BMS降低动力电池的输出功率和/或控制热管理系统TMS提高动力输出，使动力电池的最大实时温度Treal逐渐降低；
步骤S109，判断降低后的动力电池的最大实时温度Treal是否＜第三预设温度T3；
步骤S110，若最大实时温度Treal＜第三预设温度T3，则控制热管理系统TMS关闭，停止为电池包散热；
第二预设温度T2为预先确定的使电池包出现热失效的极限温度；
目标换热功率Ptar为热管理系统TMS输出的使电池包工作在最优目标温度Ttar且使电池包入口处的冷却液温度为最优冷却温度Tintar时所对应的换热效率；
第三预设温度T3小于第一预设温度T1，第二预设温度T2大于第一预设温度T1。
3.根据权利要求2所述的新能源汽车电池包散热控制方法，其特征在于，步骤S106中，若所述实际换热功率Preal≥预设的目标换热功率Ptar，所述方法还包括：
步骤S111，控制热管理系统TMS降低动力输出，使热管理系统TMS的实时换热功率Preal降低，再返回至步骤S105。
4.根据权利要求2所述的新能源汽车电池包散热控制方法，其特征在于，步骤S107中，若最大实时温度Treal≤预设的第二预设温度T2，所述方法还包括：
步骤S112, 控制热管理系统TMS保持初始模式工作对电池包散热，直至整车下电。
5.根据权利要求1所述的新能源汽车电池包散热控制方法，其特征在于，步骤S103中：
通过公式：
Preal=Ptar*（Treal-Tin）/（Ttar-Tin）
计算热管理系统TMS的实时换热功率Preal；其中，Treal为电池包的最大实时温度，Tin电池包入口处的冷却液实时温度，Ttar为预设的电池包的最优目标温度，Ptar为预设的目标换热功率；
通过公式：
P=I2R
计算电池包的实时发热功率P，I为电池包的输出电流，R为电池包内阻。
6.一种新能源汽车电池包散热控制系统，其特征在于，包括整车控制器HCU、与整车控制器HCU连接的电池管理系统BMS和热管理系统TMS，所述整车控制器HCU用于执行权利要求1至5任一项所述的新能源汽车电池包散热控制方法；
其中，所述热管理系统TMS包括：
电池冷却器（4）；
相连通的冷却水泵（6）和电池冷水板（7），所述电池水冷板（7）连通所述电池冷却器（4）的冷却液入口；所述电池水冷板（）7贴合于电池包的各电池模组（8）布置；所述电池冷却器（4）的冷却液出口连通所述冷却水泵（6）；
依次连接的冷凝器（2）、压缩机（1）和膨胀阀（3），所述冷凝器（2）的入口连通所述电池冷却器（4）的制冷剂出口，所述膨胀阀（3）连通所述电池冷却器（4）的制冷剂入口；
贴合于所述冷凝器（2）布置的冷却风扇（5）；
所述热管理系统TMS通过对所述压缩机（1）的转速进行控制，使所述热管理系统TMS输出的动力增大或降低。
7.一种新能源汽车，其特征在于，包括权利要求6所述的新能源汽车电池包散热控制系统。
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