CN114221063B - 集成式模拟动力电池冷却模块装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集成式模拟动力电池冷却模块装置；包括上位机、模拟动力电池冷却模块、制冷系统，以及电池冷却系统控制器；上位机通过电池冷却模块传热模型对操作者输入的起始参数进行计算，将计算获得的电池发热量和电池冷却泵转速占空比输送给模拟动力电池冷却模块；将计算获得的电池温度输送给电池冷却系统控制器；电池冷却系统控制器与模拟动力电池冷却模块和制冷系统的压缩机、电池冷却泵、电池冷却器连接，调控冷却液的温度和流量，并将冷却液的温度和流量馈入上位机用于电池冷却模块传热模型的计算。本发明实现电池温升的模拟，能更真实地反应电池冷却系统对乘员舱空调系统的影响，更加适用于整车电池冷却策略的开发与测试。
Description
技术领域
本发明涉及电池冷却技术领域，特别涉及集成式模拟动力电池冷却模块装置。
背景技术
电动汽车电池冷却系统与乘员舱空调系统的强耦合性给整车的热管理开发带来了挑战。电池冷却性能不足会使电池升温进而引发热失控，造成安全事故；电池冷却性能过剩会影响乘员舱的舒适度，带来不必要的能耗影响电动车的续航里程。
在现有技术中，行业内一般通过系统台架来测试电池冷却性能。如公开号为CN107196012A的发明专利公开了一种测试方法。这种测试方法通过搭建制冷系统台架与真实电池系统，测试电池冷却能力。该专利采用的是真实电池测试，试验成本比较高，且未考虑集成电池冷却控制而难以用于电池冷却策略的开发与测试。
又如公开号为CN107069119A的发明专利公开了一种模拟电池发热的装置，可以利用控制系统实现电池发热量的模拟，获取电池的温升情况，克服了使用真实电池测试所带来的成本高、可重复性差、可控性差等缺陷。但该专利着重于电池自身发热量的模拟，缺乏冷却介质而难以用于系统试验中。
因此，如何实现电池温升的模拟，能更真实地反应电池冷却系统对乘员舱空调系统的影响成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供集成式模拟动力电池冷却模块装置，实现的目的是实现电池温升的模拟，能更真实地反应电池冷却系统对乘员舱空调系统的影响，更加适用于整车电池冷却策略的开发与测试。
为实现上述目的，本发明公开了集成式模拟动力电池冷却模块装置；包括上位机、模拟动力电池冷却模块、制冷系统，以及电池冷却系统控制器。
其中，所述上位机通过电池冷却模块传热模型对操作者输入的起始参数进行计算，将计算获得的电池发热量和电池冷却泵转速占空比通过数模转换器I输送给所述模拟动力电池冷却模块；将计算获得的电池温度通过数模转换器II输送给所述电池冷却系统控制器；
所述模拟动力电池冷却模块包括采用冷却液管路依次连接并形成呈循环的带控制器的冷却液加热器、流量采集模块、电池冷却泵、电池冷却器和温度采集模块；
所述温度采集模块和所述带控制器的冷却液加热器之间通过三通连接冷却液膨胀水壶；
所述制冷系统包括均与所述电池冷却系统控制器连接，并由所述电池冷却系统控制器控制的电池冷却器总成和压缩机；
所述电池冷却器总成与乘员仓蒸发器总成并联后，依次与所述压缩机及冷凝器连接形成循环；
所述带控制器的冷却液加热器与所述数模转换器I连接，根据所述电池发热量，以等值的发热功率加热内部的冷却液；
所述电池冷却泵与所述数模转换器I连接，根据所述电池冷却泵转速占空比驱动所述冷却液输入所述电池冷却器总成；
所述流量采集模块和所述温度采集模块采集所述冷却液的温度和流量，通过所述数模转换器I反馈给所述上位机；
所述电池冷却系统控制器与所述电池冷却泵以及电池冷却膨胀阀连接，根据所述电池温度，以及输入所述电池冷却器总成的所述冷却液的温度控制所述压缩机、所述电池冷却泵以及所述电池冷却膨胀阀，调控所述冷却液的温度和流量，并将所述冷却液的温度和流量馈入所述上位机用于所述电池冷却模块传热模型的计算。
优选的，所述带控制器的冷却液加热器是带PLC控制的水加热器或者带有CAN/LIN通讯的水加热器。
优选的，所述电池冷却膨胀阀集成于所述电池冷却器上，是带截止功能的热力膨胀阀、带截止功能的节流管或者电子控制膨胀阀。
优选的，所述电池冷却系统控制器是独立的控制器或者是集成于上位机中的模拟软件。
优选的，所述上位机能够提供初始设定参数界面，提供所述电池冷却系统控制器运行所需的所有整车环境，提供数模转换器的配置模块，计算及显示输出给冷却液加热器的加热量，计算及显示模拟电池的温升情况，显示及记录电池冷却泵流量，以及显示及记录冷却液进出口温度。
优选的，所述电池发热量通过所述电池冷却模块传热模型迭代计算，所述电池冷却模块传热模型为：
Q换＝Q电-C电*M电*(dT电/dt)；
其中，Q换是模拟动力电池冷却模块的换热量，数值上等于所述带控制器的冷却液加热器加热量；
Q电是设定的电池发热量，通过电池电流、可逆阻抗、不可逆阻抗计算；
C电是电池的比热容，单位J/kg/K；
M电是电池的质量，单位kg；
T电是电池温度，单位℃；
t是时间，单位s。
优选的，所述电池温度通过所述电池冷却模块传热模型迭代计算，所述电池冷却模块传热模型为：
HA电*(T电-T进)+C电*M电*(dT电/dt)＝Q电；
其中，HA电是从电池至冷却液的综合换热系数，单位是W/K；
T电是电池温度，单位℃；
T进是电池进口冷却液温度，即冷却液加热器出口水温，单位℃；
C电是电池的比热容，单位J/kg/K；
M电是电池的质量，单位kg；
t是时间，单位s；
Q电是设定的电池发热量，通过电池电流、可逆阻抗、不可逆阻抗计算。
本发明的有益效果：
本发明能够方便的集成在制冷系统台架中，能在制冷系统台架中实时获取电池的温升情况，能测试电池冷却对乘员舱空调系统的影响，能更好地集成电池冷却控制策略，甚至能将电池冷却控制策略软件直接与所述冷却模块传热模型对接，在实际应用中，能够边做台架试验，边优化电池冷却控制策略，提高了电池冷却控制策略的开发效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例的结构示意图。
图2示出本发明一实施例中模拟动力电池冷却模块的结构示意图。
图3示出本发明一实施例中制冷系统的结构示意图。
图4示出本发明一实施例中电池冷却膨胀阀位于电池冷却器上的示意图。
具体实施方式
实施例
如图1至图3所示，集成式模拟动力电池冷却模块装置；包括上位机、模拟动力电池冷却模块、制冷系统，以及电池冷却系统控制器。
其中，上位机通过电池冷却模块传热模型对操作者输入的起始参数进行计算，将计算获得的电池发热量和电池冷却泵转速占空比通过数模转换器I输送给模拟动力电池冷却模块；将计算获得的电池温度通过数模转换器II输送给电池冷却系统控制器；
模拟动力电池冷却模块包括采用冷却液管路依次连接并形成呈循环的带控制器的冷却液加热器、流量采集模块、电池冷却泵、电池冷却器、冷却液膨胀水壶和温度采集模块；
温度采集模块和带控制器的冷却液加热器之间通过三通连接冷却液膨胀水壶；
制冷系统包括均与电池冷却系统控制器连接，并由电池冷却系统控制器控制的电池冷却器总成和压缩机；
电池冷却器总成与乘员仓蒸发器总成并联后，依次与压缩机及冷凝器连接形成循环；
带控制器的冷却液加热器与数模转换器I连接，根据电池发热量，以等值的发热功率加热内部的冷却液；
电池冷却泵与数模转换器I连接，根据电池冷却泵转速占空比驱动冷却液输入电池冷却器总成；
流量采集模块和温度采集模块采集冷却液的温度和流量，通过数模转换器I反馈给上位机；
电池冷却系统控制器分别与电池冷却泵和电池冷却膨胀阀连接，根据电池温度和输入电池冷却器冷却液的温度来控制压缩机、电池冷却泵以及电池冷却膨胀阀，调控冷却液的温度和流量，并将冷却液的温度和流量反馈到上位机用于电池冷却模块传热模型的计算。
本发明模拟动力电池冷却模块的作用是给制冷系统台架提供热负载，并实时将电池进口冷却液温度上传给上位机，包含的部件有：带控制器的冷却液加热器、数模转换器、电池冷却膨胀阀、电池冷却泵、冷却液膨胀水壶、冷却液管路、温度采集模块、流量采集模块以及通讯总线等。
带控制器的冷却液加热器的作用是根据上位机输入的换热量，输出等量的加热功率，加热冷却液来模拟电池与冷却液的热交换。
带控制器的冷却液加热器与上位机的通讯是通过通讯总线传输的。
带控制器的冷却液加热器与上位机的通讯需要数模转换器进行信号调制。
电池冷却膨胀阀位于电池冷却器上(图4)，用于控制制冷系统中制冷剂流入电池冷却器的流量与压力，其形式可以是带截止功能的热力膨胀阀，带截止功能的节流管，也可以是电子控制膨胀阀。
乘员舱蒸发器膨胀阀位于乘员舱蒸发器上(图4)，用于控制制冷系统中制冷剂流入乘员舱蒸发器的流量与压力，其形式可以是带截止功能的热力膨胀阀，带截止功能的节流管，也可以是电子控制膨胀阀。
电池冷却膨胀阀一般通过LIN/PWM通讯与电池冷却系统控制器相连。
乘员舱蒸发器膨胀阀一般通过LIN/PWM通讯与电池冷却系统控制器相连。
电池冷却泵为带控制器的电动水泵，该电池冷却泵通过数模转换器接收上位机发出的流量转速占空比，以一定的流量流入电池冷却器中。
冷却液膨胀水壶作用是排出模拟动力电池冷却模块中的气体和补液。
温度采集模块功能是测量带控制器的冷却液加热器出口冷却液温度，并将该温度信号转换后输入给上位机的传热模型中。信号转换需要配合数模转换器实现。
流量采集模块功能是测量带控制器的冷却液加热器冷却液的流量，并将该流量信号转换后输入给上位机的以显示流量。信号转换需要配合数模转换器实现。
电池冷却系统控制器内储存有电池冷却系统的控制策略、被控件驱动软件等，其形式可以是独立的硬件，也可以是储存在上位机中的软件，其功能是接收冷却模块传热模型中输入的电池温度、电池进口冷却液温度；接收上位机输入的整车环境信号，根据一定的控制策略来控制压缩机、电池冷却膨胀阀、电池冷却水泵。
电池冷却系统控制器通过通讯总线与上位机相连。
电池冷却系统控制器需要数模转换器实现与上位机的信号调制。
本发明中集成式模拟动力电池冷却模块装置的测试方法，参考附图3，具体为通过压缩机将气态制冷剂压缩升温增压后流入冷凝器中冷凝，冷凝后的液态制冷剂一路流向乘员舱蒸发器总成，乘员舱蒸发器膨胀阀将制冷剂节流后降温降压，流入乘员仓蒸发器中，配合空调鼓风机实现乘员舱降温；一路流向集成式模拟动力电池冷却模块装置，电池冷却器膨胀阀将制冷剂节流后降温降压，流入电池冷却器中，配合电池冷却泵实现模拟电池冷却模块的降温。
在上述工作过程中，可以实现模拟电池冷却以及电池冷却对乘员舱的影响。
乘员舱蒸发器膨胀阀与电池冷却膨胀阀均为带比例调节的阀件。因此电池冷却系统控制器需要合理控制上述两阀的开度，实现制冷剂在电池冷却器与乘员舱空调蒸发器的合理流量分配，最终平衡乘员舱舒适度与电池冷却需求。
在某些实施例中，带控制器的冷却液加热器是带PLC控制的水加热器或者带有CAN/LIN通讯的水加热器。
在某些实施例中，电池冷却膨胀阀集成于电池冷却器上，是带截止功能的热力膨胀阀、带截止功能的节流管或者电子控制膨胀阀。
在某些实施例中，电池冷却系统控制器是独立的控制器或者是集成于上位机中的模拟软件。
在某些实施例中，上位机能够提供初始设定参数界面，提供电池冷却系统控制器运行所需的所有整车环境，提供数模转换器的配置模块，计算及显示输出给冷却液加热器的加热量，计算及显示模拟电池的温升情况，显示及记录电池冷却泵流量，以及显示及记录冷却液进出口温度。
在某些实施例中，电池发热量通过电池冷却模块传热模型迭代计算，电池冷却模块传热模型为：
Q换＝Q电-C电*M电*(dT电/dt)；
其中，Q换是模拟动力电池冷却模块的换热量，数值上等于带控制器的冷却液加热器加热量；
Q电是设定的电池发热量，通过电池电流、可逆阻抗、不可逆阻抗计算；
C电是电池的比热容，单位J/kg/K；
M电是电池的质量，单位kg；
T电是电池温度，单位℃；
t是时间，单位s。
在某些实施例中，电池温度通过电池冷却模块传热模型迭代计算，电池冷却模块传热模型为：
HA电*(T电-T进)+C电*M电*(dT电/dt)＝Q电；
其中，HA电是从电池至冷却液的综合换热系数，单位是W/K；
T电是电池温度，单位℃；
T进是电池进口冷却液温度，即冷却液加热器出口水温，单位℃；
C电是电池的比热容，单位J/kg/K；
M电是电池的质量，单位kg；
t是时间，单位s；
Q电是设定的电池发热量，通过电池电流、可逆阻抗、不可逆阻抗计算。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.集成式模拟动力电池冷却模块装置；其特征在于，包括上位机、模拟动力电池冷却模块、制冷系统，以及电池冷却系统控制器；
所述上位机通过电池冷却模块传热模型对操作者输入的起始参数进行计算，将计算获得的电池发热量和电池冷却泵转速占空比通过数模转换器I输送给所述模拟动力电池冷却模块；将计算获得的电池温度通过数模转换器II输送给所述电池冷却系统控制器；
所述模拟动力电池冷却模块包括采用冷却液管路依次连接并形成呈循环的带控制器的冷却液加热器、流量采集模块、电池冷却泵、电池冷却器和温度采集模块；
所述温度采集模块和所述带控制器的冷却液加热器之间通过三通连接冷却液膨胀水壶；
所述制冷系统包括均与所述电池冷却系统控制器连接，并由所述电池冷却系统控制器控制的电池冷却器总成和压缩机；
所述电池冷却器总成与乘员仓蒸发器总成并联后，依次与所述压缩机及冷凝器连接形成循环；
所述带控制器的冷却液加热器与所述数模转换器I连接，根据所述电池发热量，以等值的发热功率加热内部的冷却液；
所述电池冷却泵与所述数模转换器I连接，根据所述电池冷却泵转速占空比驱动所述冷却液输入所述电池冷却器；
所述流量采集模块和所述温度采集模块采集所述冷却液的温度和流量，通过所述数模转换器I反馈给所述上位机；
所述电池冷却系统控制器与所述电池冷却泵以及电池冷却膨胀阀连接，根据所述电池温度，以及输入所述电池冷却器的所述冷却液的温度控制所述压缩机、所述电池冷却泵以及所述电池冷却膨胀阀，调控所述冷却液的温度和流量，并将所述冷却液的温度和流量馈入所述上位机用于所述电池冷却模块传热模型的计算。
2.根据权利要求1所述的集成式模拟动力电池冷却模块装置，其特征在于，所述带控制器的冷却液加热器是带PLC控制的水加热器或者带有CAN/LIN通讯的水加热器。
3.根据权利要求1所述的集成式模拟动力电池冷却模块装置，其特征在于，所述电池冷却膨胀阀集成于所述电池冷却器上，是带截止功能的热力膨胀阀、带截止功能的节流管或者电子控制膨胀阀。
4.根据权利要求1所述的集成式模拟动力电池冷却模块装置，其特征在于，所述电池冷却系统控制器是独立的控制器或者是集成于上位机中的模拟软件。
5.根据权利要求1所述的集成式模拟动力电池冷却模块装置，其特征在于，所述上位机能够提供初始设定参数界面，提供所述电池冷却系统控制器运行所需的所有整车环境，提供数模转换器的配置模块，计算及显示输出给冷却液加热器的加热量，计算及显示模拟电池的温升情况，显示及记录电池冷却泵流量，以及显示及记录冷却液进出口温度。
6.根据权利要求1所述的集成式模拟动力电池冷却模块装置，其特征在于，所述电池发热量通过所述电池冷却模块传热模型迭代计算，所述电池冷却模块传热模型为：
Q换＝Q电-C电*M电*(dT电/dt)；
其中，Q换是模拟动力电池冷却模块的换热量，数值上等于所述带控制器的冷却液加热器加热量；
Q电是设定的电池发热量，通过电池电流、可逆阻抗、不可逆阻抗计算；
C电是电池的比热容，单位J/kg/K；
M电是电池的质量，单位kg；
T电是电池温度，单位℃；
t是时间，单位s。
7.根据权利要求1所述的集成式模拟动力电池冷却模块装置，其特征在于，所述电池温度通过所述电池冷却模块传热模型迭代计算，所述电池冷却模块传热模型为：
HA电*(T电-T进)+C电*M电*(dT电/dt)＝Q电；
其中，HA电是从电池至冷却液的综合换热系数，单位是W/K；
T电是电池温度，单位℃；
T进是电池进口冷却液温度，即冷却液加热器出口水温，单位℃；
C电是电池的比热容，单位J/kg/K；
M电是电池的质量，单位kg；
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