CN114552064B - 一种电动汽车锂离子电池包冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车锂离子电池包冷却系统，属于电动汽车电池热管理领域。该冷却系统包括第一电池模组和第二电池模组、液体冷却管道、控制模块和DC/DC变换器。液体冷却管道根据第一电池模组和第二电池模组的布局、散热需求，考虑冷却管道的形状和数量和冷却系统自身重量，设计两种冷却管道，分别为第一液体冷却管道和第二液体冷却管道；控制模块用于检测电池模组的荷电状态和负载电流的变化情况，根据控制策略，对电池模组分配需承担的能量；DC/DC变换器用于转变输入电压并有效输出固定电压，通过对电池模组的电压控制，改变电池模组的能量传输方向。本发明能减轻电池包冷却系统自身重量，冷却效果稳定性好，并且电池工作效率高。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车电池热管理领域，涉及一种电动汽车锂离子电池包冷却系统。
背景技术
对纯电动汽车而言，由于电池本身的特性以及电池所处空间的限制，容易造成电池温度过高和温度分布不均匀的情况，会影响电动汽车的安全性和电源使用寿命。电池包冷却系统是影响电动汽车安全性和电源使用寿命的关键系统之一，其目的在于使电池的最大温差和最高温度处于安全的范围内，从而保证电动汽车在各种工况下安全稳定地运行。
目前的冷却方式有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却和热电冷却等。空气冷却以低温空气为冷却介质，其冷却能力不强，适用于小功率充放电；液体冷却以液体为冷却介质，其冷却及时、可增加电池内部的温均性；相变材料冷却通过相变材料改变自身物质状态而释放潜热，其存在冷却不及时、漏液等问题；热管冷却的结构复杂，系统密闭性要求高；热电冷却主要应用于高性能计算机和空调系统。综上所述，液体冷却应用在电动汽车锂离子电池包冷却系统中的效果最好，但是其在冷却效果、轻量化以及节能等方面仍有较大的提升空间，需要对冷却系统进行进一步优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电动汽车动力和散热需求的双冷却电池包液体冷却系统，克服现有的电池包冷却系统自身重量大、不同放电条件下冷却效果稳定性较差的问题。本发明冷却系统两种电池模组分别作为主能源和辅助能源为电动汽车的不同工况提供能量，并为每种电池模组设计不同的液体冷却系统。通过控制模块检测电池模组的荷电状态、负载电流的变化情况，并根据设计的控制策略，对电池模组分配需承担的能量。当电池模组运行时，其对应的液体冷却系统也随之运行，保证电池包的温度在合理的范围内，从而提高电池工作效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电动汽车锂离子电池包冷却系统，包括：电池模组、液体冷却管道、控制模块3和DC/DC变换器4。
所述电池模组布置在电池箱内，考虑电动汽车的动力需求分为两部分，分别为第一电池模组1和第二电池模组2；
所述液体冷却管道根据第一电池模组1和第二电池模组2的布局、散热需求，考虑冷却管道的形状和数量和冷却系统自身重量等因素，设计两种冷却管道，分别为第一液体冷却管道5和第二液体冷却管道6；
所述控制模块3用于检测电池模组的荷电状态和负载电流的变化情况，根据控制策略，对电池模组分配需承担的能量；
所述DC/DC变换器4用于转变输入电压并有效输出固定电压，通过对电池模组的电压控制，改变电池模组的能量传输方向。
进一步，所述第一电池模组1用于作为主能源为电动汽车提供最佳的行驶里程；所述第二电池模组2用于作为辅助能源为电动汽车在加速或爬坡时提供短时动力。
进一步，所述第一液体冷却管道5，材质为铝；为蛇形结构的冷却管道，缠绕在电池周围进行散热，第一液体冷却管道5的出入口在不同端，可以增大冷却管道与电池的接触面积，从而提高对电池的冷却效果。
进一步，所述第二液体冷却管道6包括上储层61、下储层62和导热结构63。所述上储层和下储层分别与导热结构的入口和出口连接；所述导热结构插入到电池单体之间的间隙中，每个电池单体被三个导热结构包围，可以提高电池模组的紧凑性并且减少冷却系统的重量。
进一步，所述导热结构的中心设置了冷却液通道，上端冷却液入口与上储层连接，下端冷却液出口与下储层连接。
进一步，该系统的冷却方法包括：
满足第一预定条件时启动第一模式，第一模式下，第一电池模组1进行供能，同时第一液体冷却管道5开始运转，冷却液从冷却管道的入口处流入，通过蛇形管道流向出口的同时，通过热传递的方式将第一电池模组1中电池产生的热量带走；
满足第二预定条件时启动第二模式，第二模式下，第二电池模组2进行供能，同时第二液体冷却管道6开始运转，上储层61中的冷却液通过导热结构63流入下储层62的同时，通过热传递的方式将第二电池模组2中电池产生的热量带走；
满足第三预定条件时启动第三模式，第三模式下，第一电池模组1和第二电池模组2同时进行供能，第一液体冷却管道5和第二液体冷却管道6也同时开始运转，将电池模组中电池产生的热量，通过热传递的方式向冷却液进行传递；
满足第四预定条件时启动第四模式，第四模式下，第一电池模组1进行能量回收，同时第一液体冷却管道5开始运转，冷却液从冷却管道的入口处流入，通过蛇形管道流向出口的同时，通过热传递的方式将第一电池模组1中电池产生的热量带走；
满足第五预定条件时启动第五模式，第五模式下，第二电池模组2进行能量回收，同时第二液体冷却管道6开始运转，上储层61中的冷却液通过导热结构63流入下储层62的同时，通过热传递的方式将第二电池模组中电池产生的热量带走；
满足第六预定条件时启动第六模式，第六模式下，的第一、第二电池模组同时进行能量回收，第一、第二液体冷却管道也同时开始运转，将电池模组中电池产生的热量，通过热传递的方式向冷却液进行传递。
第一预定条件、第二预定条件、第三预定条件、第四预定条件、第五预定条件和第六预定条件是电池模组的参数满足预定条件。
进一步，所述第一预定条件为驱动模式下，Preq≤Pave+且SOC1较大或适中，或者Preq>Pave+且SOC2较小；其中，Preq为电极的需求功率，Pave+为放电功率期望值，SOC1和SOC2分别为第一电池模组和第二电池模组的荷电状态；
所述第二预定条件为驱动模式下，SOC2较大；
所述第三预定条件为驱动模式下，SOC1较小且SOC2适中；
所述第四预定条件为制动模式下，Preq≥Pave-且SOC1较小或适中，或者Preq<Pave-且SOC2较大；其中，Pave-为充电功率期望值；
所述第五预定条件为制动模式下，SOC2较小；
所述第六预定条件为制动模式下，SOC1较大且SOC2适中。
进一步，当电动汽车加速或者上坡时，则为驱动模式；当电动汽车减速或者下坡时，则为制动模式。
本发明的有益效果在于：
(1)与传统的电池包模组设计方式相比，本发明电池包设计了两种电池模组，可以均匀负载，使第一电池模组避免大电流放电，其寿命得到延长，降低使用成本，提高电池工作效率。
(2)与传统液体冷却系统相比，本发明冷却系统针对两种电池模组设计两种冷却管道，第一冷却液体管道的重量相较于第二液体冷却管道降低了46.13％，从而达到降低系统自身重量的目的；第二液体冷却管道中的冷却液并行流动，总压降相较于第一液体冷却管道降低了65％，可以减少系统所消耗的能量。两种冷却管道的应用，可以使电池在不同温度环境状况下都能处于合适的工作温度区间，有效地避免了因电池散热不足而导致的电池热失控及局部过热现象的发生，保证电池的安全性和使用寿命一致性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的电池系统的结构示意图；
图2为本发明第一电池模组及第一液体冷却管道的结构示意图；
图3为本发明第二电池模组及第二液体冷却管道的结构示意图；
图4为本发明导热结构示意图；
图5为本发明冷却系统控制策略的流程图；
附图标记：1-第一电池模组，2-第二电池模组，3-控制模块，4-DC/DC变换器，5-第一液体冷却管道，51-第一液体冷却管道的入口，52-第一液体冷却管道的出口，6-第二液体冷却管道，61-上储层，62-下储层，63-导热结构，611-上储层的入口，621-下储层的出口，631-导热结构的入口，632-导热结构的出口。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图5，图1为本发明电池系统的结构示意图，电池系统的整体结构由第一电池模组1、第二电池模组2、控制模块3和DC/DC变换器4组成。控制模块3通过检测第一电池模组1、第二电池模组2的荷电状态、负载电流的变化情况，对第一电池模组1、第二电池模组2分别需要承担的能量进行分配。双向DC/DC变换器4对第一电池模组1、第二电池模组2的电压进行控制，可以改变其能量传输方向；
本实施例提供一种双冷却电池包液体冷却系统包括第一液体冷却管道5、第二液体冷却管道6，其中第一液体冷却管道5为蛇形冷却管道；第二液体冷却管道6包括上储层61、下储层62、导热结构63。
作为一种优选的实施例，第一液体冷却管道5可由铝制成，具有良好的导热性和一定的硬度，可以包裹着每个圆柱电池从而增大圆柱电池与冷却管道的接触面积，第一液体冷却管道5内有冷却液，材料为乙二醇水溶液，冷却液从第一液体冷却管道5的入口51进入，通过第一液体冷却管道5与圆柱电池(第一电池模组1)进行热交换，能及时带走圆柱电池产生的热量，最后从出口52流出。
作为一种优选的实施例，上储层61和下储层62均由工程塑料制成，耐热性好且质量较轻，上储层61放置在圆柱电池(第二电池模组2)的上方，下储层62放置在圆柱电池(第二电池模组2)的下方，导热结构63的入口631插入到上储层61中，出口632插入到下储层62中，冷却液的材料为乙二醇水溶液，冷却液从上储层61的入口611进入，通过导热结构63流向下储层62，通过导热结构63与圆柱电池进行热交换，能及时带走圆柱电池产生的热量，最后从下储层62的出口621流出，从而进行上、下储层之间冷却液的流通。
作为一种优选的实施例，导热结构63由铝制成，插入到圆柱电池之间的间隙中，每个电池单体被三个导热结构63包围，可以增大散热面积。在导热结构63的中心设计了通道用于冷却液的流动，为了增大与圆柱电池的接触面积，导热结构63设计了三个曲面，每个曲面的曲率半径均与圆柱电池的半径相同。
本实施例的冷却系统在不同预定条件下所对应的模式的工作原理详细说明如下：
模式一：电动汽车在驱动模式下：当Preq≤Pave+且SOC1较大或适中时，表明电极的需求功率较小且第一电池模组剩余能量较多，第一电池模组可以提供所需能量，第二电池模组不发挥作用；当Preq>Pave+且SOC2较小时，表明第二电池模组剩余能量相对较少，依旧由第一电池模组提供所需能量。
模式二：电动汽车在驱动模式下：当SOC2较大时，表明第二电池模组剩余能量相对较多，由第二电池模组提供所需能量，第一电池模组不发挥作用。
模式三：电动汽车在驱动模式下：当SOC1较小、SOC2适中时，表明第一电池模组剩余能量较少且第二电池模组剩余能量也不多，则由第一电池模组和第二电池模组共同发挥作用，其中当Preq≥Pave+时，由第一电池模组提供其放电功率期望值Pave+的能量，而第二电池模组提供超出期望值Pave+的能量。
模式四：电动汽车在制动模式下：当Preq≥Pave-且SOC1较小或适中时，表明电极产生的制动能量大于或等于第一电池模组的充电功率期望值Pave-且第一电池模组剩余能量相对较少，由第一电池模组回收所产生的制动能量，第二电池模组不发挥作用；当Preq<Pave-且SOC2较大时，表明第二电池模组剩余能量相对较多，故仍由第一电池模组回收所产生的制动能量。
模式五：电动汽车在制动模式下：当SOC2较小时，表明第二电池模组剩余能量相对较少，由第二电池模组回收所产生的制动能量，第一电池模组不发挥作用。
模式六：电动汽车在制动模式下：当SOC1较大且SOC2适中时，表明第一电池模组剩余能量较多且第二电池模组剩余能量也不少，则由第一电池模组和第二电池模组共同发挥作用，其中当Preq<Pave-时，由第一电池模组回收其充电功率期望值Pave-的能量，而第二电池模组回收超出期望值Pave+的能量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种电动汽车锂离子电池包冷却系统，包括：电池模组、液体冷却管道、控制模块（3）和DC/DC变换器（4），其特征在于：
所述电池模组布置在电池箱内，考虑电动汽车的动力需求分为两部分，分别为第一电池模组（1）和第二电池模组（2）；
所述液体冷却管道根据第一电池模组（1）和第二电池模组（2）的布局、散热需求，考虑冷却管道的形状和数量和冷却系统自身重量，设计两种冷却管道，分别为第一液体冷却管道（5）和第二液体冷却管道（6）；所述第一电池模组（1）用于作为主能源为电动汽车提供最佳的行驶里程；所述第二电池模组（2）用于作为辅助能源为电动汽车在加速或爬坡时提供短时动力；所述第一液体冷却管道（5）为蛇形结构的冷却管道，缠绕在电池周围进行散热，第一液体冷却管道（5）的出入口在不同端；所述第二液体冷却管道（6）包括上储层（61）、下储层（62）和导热结构（63）；所述上储层和下储层分别与导热结构的入口和出口连接；所述导热结构插入到电池单体之间的间隙中，每个电池单体被三个导热结构包围；所述导热结构的中心设置了冷却液通道，上端冷却液入口与上储层连接，下端冷却液出口与下储层连接；
所述控制模块（3）用于检测电池模组的荷电状态和负载电流的变化情况，根据控制策略，对电池模组分配需承担的能量；
所述DC/DC变换器（4）用于转变输入电压并有效输出固定电压，通过对电池模组的电压控制，改变电池模组的能量传输方向。
2.根据权利要求1所述的电动汽车锂离子电池包冷却系统，其特征在于，该系统的冷却方法包括：
满足第一预定条件时启动第一模式，第一模式下，第一电池模组（1）进行供能，同时第一液体冷却管道（5）开始运转，冷却液从冷却管道的入口处流入，通过蛇形管道流向出口的同时，通过热传递的方式将第一电池模组（1）中电池产生的热量带走；
满足第二预定条件时启动第二模式，第二模式下，第二电池模组（2）进行供能，同时第二液体冷却管道（6）开始运转，上储层（61）中的冷却液通过导热结构（63）流入下储层（62）的同时，通过热传递的方式将第二电池模组（2）中电池产生的热量带走；
满足第三预定条件时启动第三模式，第三模式下，第一电池模组（1）和第二电池模组（2）同时进行供能，第一液体冷却管道（5）和第二液体冷却管道（6）也同时开始运转，将电池模组中电池产生的热量，通过热传递的方式向冷却液进行传递；
满足第四预定条件时启动第四模式，第四模式下，第一电池模组（1）进行能量回收，同时第一液体冷却管道（5）开始运转，冷却液从冷却管道的入口处流入，通过蛇形管道流向出口的同时，通过热传递的方式将第一电池模组（1）中电池产生的热量带走；
满足第五预定条件时启动第五模式，第五模式下，第二电池模组（2）进行能量回收，同时第二液体冷却管道（6）开始运转，上储层（61）中的冷却液通过导热结构（63）流入下储层（62）的同时，通过热传递的方式将第二电池模组（2）中电池产生的热量带走；
满足第六预定条件时启动第六模式，第六模式下，的第一、第二电池模组同时进行能量回收，第一、第二液体冷却管道也同时开始运转，将电池模组中电池产生的热量，通过热传递的方式向冷却液进行传递；
第一预定条件、第二预定条件、第三预定条件、第四预定条件、第五预定条件和第六预定条件是电池模组的参数满足预定条件。
3.根据权利要求2所述的电动汽车锂离子电池包冷却系统，其特征在于，所述第一预定条件为驱动模式下，Preq≤Pave+且SOC1较大或适中，或者Preq>Pave+且SOC2较小；其中，Preq为电极的需求功率，Pave+为放电功率期望值，SOC1 和SOC2分别为第一电池模组和第二电池模组的荷电状态；
所述第二预定条件为驱动模式下，SOC2较大；
所述第三预定条件为驱动模式下，SOC1较小且SOC2适中；
所述第四预定条件为制动模式下，Preq≥Pave-且SOC1较小或适中，或者Preq<Pave-且SOC2较大；其中，Pave-为充电功率期望值；
所述第五预定条件为制动模式下，SOC2较小；
所述第六预定条件为制动模式下，SOC1较大且SOC2适中。
4.根据权利要求3所述的电动汽车锂离子电池包冷却系统，其特征在于，当电动汽车加速或者上坡时，则为驱动模式；当电动汽车减速或者下坡时，则为制动模式。
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