CN114883702B - 一种基于气温预测的充电后电池热控制的方法和装置 - Google Patents

一种基于气温预测的充电后电池热控制的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气温预测的充电后电池热控制的方法和装置。该方法或装置通过网络获取本地区预测气温，根据预测气温和当前电池温度进行对比和比较，结合电池包自然散热，周期性地控制对电池进行加热或冷却，从而使得电池能够在充电后保持在合适温度范围内，以便于用户随时用车，同时减少因对电池进行加热或冷却所需消耗的电能。

Description

一种基于气温预测的充电后电池热控制的方法和装置
技术领域
本发明涉及电动汽车电池热管理。
背景技术
现有电动汽车所采用的电源通常为锂离子电池。锂离子电池对温度比较敏感，温度过低和过高都会对锂离子电池造成影响，严重的甚至引起爆炸，产生严重的行车安全问题。因此在锂离子电池充电或者放电时都需要在一个较为合理的工作范围内。而环境气温随着气候条件的变化，很难保持在锂离子电池工作的温度范围内。为此，很多电动汽车为电池包设置了液冷系统和加热系统。当电池温度过低时，通过加热系统对电池的加热提高电池温度。当电池温度过高时，通过液冷系统对电池的制冷降低电池温度，从而使得锂离子电池能够尽可能的保持在最佳的工作温度范围内。
电动汽车电池充电通常需要耗费较长时间。充电完成后，也差不多到了用车的时候。也有很多情况下，充电完成到用车会有一定的时间。此时，电池管理系统通常提供两种热管理模式：第一种模式是直接关闭电池的热控制，第二种模式是开启持续电池的热控制。用户可以根据实时需要而设定采用哪一种模式。在第一种模式下，电池温度自然散热或吸热回到环境温度。若环境温度就在电池合理工作范围内，不会影响用户随时用车。若环境温度过低，用户用车时，且电池温度回到了环境温度中，此时，用户需要等待对电池的加热，直到电池温度能够在正常工作的范围内。也就是说，此模式下，用户可能无法随时用车。在第二种模式下，电池的热控制使得电池能够保持在合适的工作温度范围内，由此用户可以随时用车。然而，对电池加热和制冷都需要消耗大量的电能。
发明内容
本发明所要解决的问题：为保证用户随时用车，减少对电池加热和制冷的能耗。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
根据本发明的一种基于气温预测的充电后电池热控制的方法，包括如下步骤：
步骤S1：获取当前电池温度；
步骤S2：判断当前电池温度是否在最佳工作温度区间；若当前电池温度不在最佳工作温度区间内，则控制加热系统对电池加热或控制冷却系统对电池冷却，否则执行步骤S3；
步骤S3：通过网络获取本地区预测气温；
步骤S4：若预测气温在正常工作温度区间内，则停止加热或冷却，否则计算自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间t；其中，Th为预先设定的温度阈值；所述正常工作温度区间的上限较最佳工作温度区间的上限大，且下限较最佳工作温度区间的下限小；
步骤S5：若t<to，则停止加热或冷却，否则对电池进行加热或冷却；
其中to为预先设定的时间阈值；
步骤S6：重复执行步骤S1至S5。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，所述步骤S6中，等待一定的时间间隔后重复执行步骤S1至S5。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，所述步骤S6中，所等待的时间间隔为to。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，所述步骤S4中，时间t采用如下公式进行计算：
t＝a×ln(dT)+b；其中，
t为自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间；
dT＝abs(Te－Tc)；
a和b为预先测得的系数；
Tc为当前电池温度；
Te为预测气温。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，所述步骤S3中，通过网络获取本地区未来N小时的气温预测数据，然后通过计算平均值得到预测气温。
根据本发明的一种基于气温预测的充电后电池热控制的装置，包括如下模块：
模块M1，用于：获取当前电池温度；
模块M2，用于：判断当前电池温度是否在最佳工作温度区间；若当前电池温度不在最佳工作温度区间内，则控制加热系统对电池加热或控制冷却系统对电池冷却，否则执行模块M3；
模块M3，用于：通过网络获取本地区预测气温；
模块M4，用于：若预测气温在正常工作温度区间内，则停止加热或冷却，否则计算自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间t；其中，Th为预先设定的温度阈值；所述正常工作温度区间的上限较最佳工作温度区间的上限大，且下限较最佳工作温度区间的下限小；
模块M5，用于：若t<to，则停止加热或冷却，否则对电池进行加热或冷却；
其中to为预先设定的时间阈值；
模块M6，用于：重复执行模块M1至M5。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，所述模块M6中，等待一定的时间间隔后重复执行模块M1至M5。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，所述模块M6中，所等待的时间间隔为to。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，所述模块M4中，时间t采用如下公式进行计算：
t＝a×ln(dT)+b；其中，
t为自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间；
dT＝abs(Te－Tc)；
a和b为预先测得的系数；
Tc为当前电池温度；
Te为预测气温。
进一步，根据本发明的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，所述模块M3中，通过网络获取本地区未来N小时的气温预测数据，然后通过计算平均值得到预测气温。
本发明的技术效果如下：本发明通过预测气温，计算自然散热和吸热的时间，调节电池加热或冷却的节奏，减少加热系统和冷却系统的开关频次，从而在保证用户随时能够用车的同时，减少电池加热或冷却的能耗。
附图说明
图1是本发明实施例的整体流程图。
图2是本发明实施例所涉电池管理系统的连接结构示意图。
图3是某一电池包自然冷却时间和温差的实验数据。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图2示例了一种用于电动汽车的电池管理系统。该电池管理系统包括处理器100、电池阵列200、冷却系统300、加热系统400以及移动通讯模块500。处理器100连接电池阵列200、冷却系统300、加热系统400和移动通讯模块500。电池阵列200由电池箱内的若干电池连接而成。冷却系统300通常采用液冷方式，用于对电池阵列200内的电池进行降温冷却。加热系统400通常采用PTC加热电阻，用于对电池阵列200内的电池进行加热升温。移动通讯模块500采用2G/3G/4G/5G移动通讯方式接入移动网络，从而连接互联网，访问互联网上的网站。处理器100通常是电池箱内电池管理单元中的处理器，通过执行存储于存储器上的计算机程序指令集实现对电池的管理。本实施例的基于气温预测的充电后电池热控制的方法是由处理器100执行计算机程序指令集所实现的方法。该方法是在电池充电完成后，电动汽车未被使用时的处理过程，其作用是为了使得电池能够保持在合适的温度下，从而使得用户能够随时用车。参照图1，该方法是一个持续循环处理过程，直到电动汽车被使用。电动汽车被使用时，电池进入正常工作状态，此时电池的热控制管理由另外的处理过程进行处理，不是本发明所讨论的范畴。参照图1，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1，获取当前电池温度；
步骤S2，判断当前电池温度为最佳工作温度；
步骤S3，获取预测气温；
步骤S4，判断预测气温是否为正常工作温度和计算自然调节时间；
步骤S5，判断自然调节时间是否小于to；
步骤S6，等待to时间后重复执行步骤S1至S5。
步骤S1通过电池阵列200上设置的采集电路实时采集各个电池的电池温度后，取各个所采集电池温度的平均值后得到的当前电池温度。
步骤S2中，最佳工作温度通常可以表示为区间，也就是最佳工作温度区间。故此步骤S2可以表示为判断当前电池温度是否在最佳工作温度区间。若当前电池温度不在最佳工作温度区间内，则控制加热系统对电池加热或控制冷却系统对电池冷却，否则执行步骤S3。
步骤S3中，预测气温通过网络获取，也就是处理器100通过移动通讯模块500连接互联网上的网站，在网站上获取的气温预测数据。本实施例中，在网站上获取的气温预测数据本地区未来N小时的气温预测数据。N小时的气温预测数据是N个每小时的气温预测数据，计算平均值后得到本实施例的预测气温。N取值3～12。
步骤S4，正常工作温度通常可以表示为区间，也就是正常工作温度区间。由此步骤S4判断预测气温是否为正常工作温度可以表述为预测气温在正常工作温度区间内。若预测气温在正常工作温度区间内，则停止加热或冷却，否则计算自然调节时间。自然调节时间是指自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间，以t表示。本实施例中，时间t，也就是自然调节时间，采用如下公式进行计算：
t＝a×ln(dT)+b；
其中，dT＝abs(Te－Tc)；a和b为预先测得的系数；Tc为当前电池温度；Te为预测气温；ln为以自然常数e为底的对数函数，abs表示绝对值。
根据一般物理常识，在自然冷却的条件下，单位时间内物体散发的热量与温差成正比，表述成微分方程有：
其中，dQ和dt分别为散发热量和时间的微分形式，k为传导系数，T为当前温度，T0为环境温度。
又由物体温度变化与散发热量成正比：
dT＝-c*dQ；
其中，c可以表示为比热容系数，dT为物体温度的微分形式。
两式结合后可以得到：
若Tc>Te，以Tc为初始温度，以Te+Th为结束温度，并T0以Te代入后两边积分，可以得到：
t＝a×ln(Tc-Te)+b。其中，
若Tc<Te，以Tc为初始温度，以Te－Th为结束温度，并T0以Te代入后两边积分，可以得到：
于是有：
t＝a×ln(Te-Tc)+b。其中，
由此可以看出，无论Tc>Te，还是Tc<Te，均存在有：t＝a×ln(dT)+b，dT＝abs(Te－Tc)的形式，并且两者的系数a和b相同。由此也可以看出本发明自然调节时间的计算公式来自于公式推导。本实施例中，系数a和b通过实际测量得到后存储于存储器。本领域技术人员理解，每个电池包其尺寸大小，产品结构，保温设计均会影响电池的自然散热和吸热，从而影响系数a和b的数值。而每种不同的设备其尺寸、结构和保温设计不可能相同，故此系数a和b只能是通过测量得到。
此外，根据上述的公式有b/a＝－ln(Th)，但实际测量的结果可能与理论值存在较大差异。比如在对某一特定的电池包测量自然冷却时间和温差的关系如图3所示。根据图3所示的实验数据，Th取值为10的情形下，自然冷却时间和温差之间呈现为一条对数曲线，通过对这一对数曲线拟合得到的a＝17097，b＝－18662。
此外，这里的正常工作温度区间是比步骤S2中的最佳工作温度区间范围大的区间。具体来说，正常工作温度区间的上限较最佳工作温度区间的上限大，且下限较最佳工作温度区间的下限小。本实施例中，最佳工作温度区间为[Ta,Tb]，则正常工作温度区间为[Ta－Th,Tb+Th]，又或者正常工作温度区间为[Ta,Tb]，而最佳工作温度区间为[Ta+Th,Tb-Th]。也就是说，本实施例中正常工作温度区间的上限比最佳工作温度区间的上限大Th，下限较最佳工作温度区间的下限小Th。这里的Th也就是自然调节时间所定义中的阈值Th，优选取值10。
步骤S5，具体为若t<to，则停止加热或冷却，否则对电池进行加热或冷却。
步骤S6，表示步骤S1至S5是一个循环体。由上述步骤S1至S5可知，该方法的每一轮循环可能对冷却系统300和加热系统400下发一次控制指令，控制指令可能是关闭指令也可能是开启指令。为避免冷却系统300和加热系统400的频繁启停操作，本实施例中，在每一轮循环之间设置了一定的时间间隔。该时间间隔也就是步骤S6中等待to时间。这里的时间间隔与步骤S5中的条件t<to中to相同。
本发明工作原理如下：
考虑根据前述式子：对于T>To和T<To两种情形，对其两边不定积分后可以分别得到：
以及/>
对上述式子转换后，分别有：
T＝e-ck(t-C)+T0以及T＝T0-e-ck(t-C)。
上述是指可以简化表示为：
T＝me-ut+T0以及T＝T0-ne-ut，u＝ck。
T0以Te代入，且当t＝0时，T＝Tc代入后可以得到m＝Tc-Te以及n＝Te-Tc，于是两式可以统一为：
T＝(Tc-Te)e-ut+Te。
由此，在自然散热或吸热状态下经过to时间后电池温度由当前电池温度达到的温度To＝(Tc-Te)e-uto+Te。
步骤S5中，t<to所表示的含义也就是，若Tc>Te，则To<Te+Th，也就是(Tc-Te)e-uto<Th；若Tc<Te，则To>Te-Th，也就是，(Te-Tc)e-uto<Th。两式合并也就是，dT<Th*euto，dT＝abs(Te－Tc)。也就是，从理论上来说，步骤S5等价于判断预测气温Te和当前电池温度Tc之间的温差是否小于阈值Th*euto，若小于Th*euto则停止加热或冷却。但如前实验数据，理论情形和实际情形存在较大差异。
此外，本发明所指的装置与前述方法相对应的虚装置，其包含的模块是与方法对应的步骤，不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于气温预测的充电后电池热控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：获取当前电池温度；
步骤S2：判断当前电池温度是否在最佳工作温度区间；若当前电池温度不在最佳工作温度区间内，则控制加热系统对电池加热或控制冷却系统对电池冷却，否则执行步骤S3；
步骤S3：通过网络获取本地区预测气温；
步骤S4：若预测气温在正常工作温度区间内，则停止加热或冷却，否则计算自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间t；其中，Th为预先设定的温度阈值；所述正常工作温度区间的上限较最佳工作温度区间的上限大，且下限较最佳工作温度区间的下限小；
步骤S5：若t<to，则停止加热或冷却，否则对电池进行加热或冷却；
其中to为预先设定的时间阈值；
步骤S6：重复执行步骤S1至S5。
2.如权利要求1所述的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，其特征在于，所述步骤S6中，等待一定的时间间隔后重复执行步骤S1至S5。
3.如权利要求2所述的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，其特征在于，所述步骤S6中，所等待的时间间隔为to。
4.如权利要求1所述的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，其特征在于，所述步骤S4中，时间t采用如下公式进行计算：
t＝a×ln(dT)＋b；其中，
t为自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间；
dT＝abs(Te－Tc)；
a和b为预先测得的系数；
Tc为当前电池温度；
Te为预测气温。
5.如权利要求1所述的基于气温预测的充电后电池热控制的方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过网络获取本地区未来N小时的气温预测数据，然后通过计算平均值得到预测气温。
6.一种基于气温预测的充电后电池热控制的装置，其特征在于，包括如下模块：
模块M1，用于：获取当前电池温度；
模块M2，用于：判断当前电池温度是否在最佳工作温度区间；若当前电池温度不在最佳工作温度区间内，则控制加热系统对电池加热或控制冷却系统对电池冷却，否则执行模块M3；
模块M3，用于：通过网络获取本地区预测气温；
模块M4，用于：若预测气温在正常工作温度区间内，则停止加热或冷却，否则计算自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间t；其中，Th为预先设定的温度阈值；所述正常工作温度区间的上限较最佳工作温度区间的上限大，且下限较最佳工作温度区间的下限小；
模块M5，用于：若t<to，则停止加热或冷却，否则对电池进行加热或冷却；
其中to为预先设定的时间阈值；
模块M6，用于：重复执行模块M1至M5。
7.如权利要求6所述的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，其特征在于，所述模块M6中，等待一定的时间间隔后重复执行模块M1至M5。
8.如权利要求7所述的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，其特征在于，所述模块M6中，所等待的时间间隔为to。
9.如权利要求6所述的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，其特征在于，所述模块M4中，时间t采用如下公式进行计算：
t＝a×ln(dT)＋b；其中，
t为自然散热或吸热状态下电池温度由当前电池温度达到和预测气温之间的温差小于Th所需的时间；
dT＝abs(Te－Tc)；
a和b为预先测得的系数；
Tc为当前电池温度；
Te为预测气温。
10.如权利要求6所述的基于气温预测的充电后电池热控制的装置，其特征在于，所述模块M3中，通过网络获取本地区未来N小时的气温预测数据，然后通过计算平均值得到预测气温。
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