CN116190856A - 一种车载锂电池温控系统及其控制方法 - Google Patents

一种车载锂电池温控系统及其控制方法 Download PDF

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CN116190856A CN202310470858.3A CN202310470858A CN116190856A CN 116190856 A CN116190856 A CN 116190856A CN 202310470858 A CN202310470858 A CN 202310470858A CN 116190856 A CN116190856 A CN 116190856A
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Abstract

本发明公开了一种车载锂电池温控系统及其控制方法，属于储能电池热管理的技术领域。包括电池模组，用于采集电池模组实时温度的温度监控模块以及用于控制或改变实时温度的温度控制模块。所述温度控制模块至少包括：冷却模块和加热模块；当实时温度显示异常时，所述温度控制模块执行对应的温控指令在最短时间内将电池模组的实时温度控制在预设的温度范围内。发明所提供的冷却模块和加热模块反应迅速，可较快地使电池模组的工作温度持续保持在适当的温度范围内。温度控制模块的内部结构紧凑，可满足工程实用性的需求。

Description

一种车载锂电池温控系统及其控制方法
技术领域
本发明属于储能电池热管理的技术领域，特别是涉及一种车载锂电池温控系统及其控制方法。
背景技术
锂离子电池由于其高能量容量的应用，使得其在电动汽车中的使用需求量很大。随着其高能量容量的增加，对锂离子电池的使用寿命提出了更高的要求。而锂电池工作温度的过高或过低都会导致电池的性能与效率下降，因此如何实现智能温度控制以保证锂离子电池在特定温度条件下工作的要求，成为国内外学者和制造商的研究和开发热点。在储能系统中，电池模组需要一个舒适的环境温度，电池热管理技术需要满足结构紧凑、安全性好和普适性强的特点。目前现有的电池热管理技术主要包括：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却和半导体冷却。其中空气冷却简称空冷，是以空气作为冷却介质的一种常见热管理技术，使用空调和风机对储能电池模组进行降温冷却，结构简单。液体冷却简称液冷，是以水等液体介质的热管理技术，具有较高的热容量和换热系数。相变材料冷却是以自身材料相态转换作为电池散热手段，相变材料比热容越大、传热系数越高，冷却效果越好。热管冷却是利用介质在热管吸热端蒸发带走电池热量的一种热管理技术，可任意改变传热面积大小。半导体制冷主要是帕尔帖效应在制冷方面的应用，其主要优点是制冷迅速，操作简单，可靠性强，容易实现高精度的温度控制，无污染。
但现有的电池热管理系统对于锂电池温度的控制并不具有精确的时效性，本系统针对温度调整的延迟进行了一定程度的优化，以实时监控为基准，对电池运行过程中的各个时间点进行精确调控，监控过程伴随调整过程从电池工作开始到电池工作结束，通过系统的快速升温与降温，来实现对电池工作过程温度变化的实时精确控制，从而将温度管理细节化，让锂电池的工作效率最大化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的问题，提供一种适用于车载锂电池的智能温度控制系统，该系统具有监测、控制和为系统提供最佳温度范围的功能，结合自动控制和流固耦合传热进行研究设计，提高锂电池了单元的工作寿命，主要由电池模组、温度控制系统、TPU散热垫组成，其控制装置简单，系统结构紧凑。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种车载锂电池温控系统，设于载体上；所述系统包括：
电池模组，安装在所述载体上；
温度监控模块，其输入端连接于所述电池模组；所述温度监控模块用于采集电池模组及其所在环境的实时温度；
温度控制模块，其输入端连接于所述温度监控模块的输出端；所述温度控制模块至少包括：冷却模块和加热模块；当实时温度显示异常时，所述温度控制模块执行对应的温控指令在最短时间内将电池模组及其所在环境的实时温度控制在预设的温度范围内；所述温控指令至少包括：降温指令和升温指令。
在进一步的实施例中，所述温度监控模块至少包括：
控制板，固定在载体上；
若干个温度传感器，按照需求布设于电池模组内、以及电池模组外；所述若干个温度传感器的输出端连接于所述控制板。
在进一步的实施例中，所述冷却模块至少包括液冷单元、半导体冷却单元和空冷单元；
其中，所述液冷单元包括：液体源，连通于所述液体源的泵，以及与所述泵相通的多个热交换垫；所述热交换垫安装在电池模组之间；
所述半导体冷却单元包括：一侧连通于所述热交换垫的半导体制冷片；
所述空冷单元包括：与半导体制冷片的另一侧连通的散热翅片，以及设于所述散热翅片两旁的风扇一。
在进一步的实施例中，所述加热模块中设置有：
加热管路，其一端连通于液体源，另一端依次穿过陶瓷加热器、热交换垫返回至液体源；
所述陶瓷加热器的上方设置有风扇二。
在进一步的实施例中，所述热交换垫包括：
外壳，其内部为中空结构；所述外壳的两端面分别设置有进液口和出液口；
若干个折流板，沿进液口和出液口所在方向平行设于中空结构内；相邻折流板之间为交错连接形成连通且回折的液路；
若干个V型肋片，按照预定间隔排布于所述液路中；所述V型肋片的开口与液体流向为反向设置。
基于如上所述的车载锂电池温控系统的控制方法，至少包括以下步骤：
步骤一、按照需求在载体上布置电池模组、温度监控模块和温度控制模块；
步骤二、预先给定温度阈值区间
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；温度监控模块中的温度传感器实时获取所在位置的温度值/>
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；控制板读取并记录所述温度值/>
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，对同一时间点t的温度值/>
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进行加权处理得到温度加权值/>
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若
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，则执行步骤三；
若
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，则执行步骤四；
步骤三、冷却模块被触发进行降温处理，直至当前温度均值
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，并持续预定时间段后关闭所述冷却模块；其中，/>
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表示降温至温度阈值区间所需的时长；
步骤四、加热模块被触发进行升温处理，直至当前温度均值
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表示升温至温度阈值区间所需的时长。
在进一步的实施例中，所述温度加权值
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得到计算公式如下：
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；式中，m为安装在电池模组内的温度传感器的数量，n为安装在电池模组外的温度传感器的数量，m+n=i；/>
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为电池模组内的温度权重值，/>
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为电池模组外的温度权重值，且同时满足以下关系：/>
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在进一步的实施例中，所述降温至温度阈值区间所需的时长k的确定流程如下：
基于所述冷却模块，将液体流动速度作为第一类边界条件、半导体冷却与液体传热作为第二类边界条件、液体与电池模组的热交换为第三类边界条件：
电池模组冷却所需释放的热量
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为液体和电池模组的对流换热系数；
采用以下公式计算得到降温至温度阈值区间所需的时长k：
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为液体与电池模组的接触面面积。
在进一步的实施例中，所述升温至温度阈值区间所需的时长
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液体源中的液体在泵的作用下，经过管道流经热交换垫，通过热交换垫的出液口流出至半导体制冷片，再流向散热翅片，并借助风扇一加快散热。
本发明的有益效果：本发明设置了多组温度传感器，用于实时获取电池模组内、外的温度，并基于实时获取的温度判断是否需要温控处理，如需要则基于当前平均温度和给定的温度阈值区间进行分析输出对应温控指令。且本发明所提供的冷却模块和加热模块反应迅速，可较快的使电池模组的工作温度持续保持在适当的温度范围内。温度控制模块的内部结构紧凑，可满足工程实用性的需求。
附图说明
图1为实施例1的车载锂电池温控系统的俯视图。
图2为实施例1的车载锂电池温控系统的正视图。
图3为实施例1的车载锂电池温控系统中的热交换垫的剖视图。
图4为实施例2的车载锂电池温控系统的控制方法的流程图。
图1至图3中的各标注为：电池模组1、控制板2、温度传感器3、泵4、热交换垫5、散热翅片6、风扇一7、陶瓷加热器8、风扇二9、载体10、外壳501、折流板502、进液口503、出液口504、V型肋片505。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步的说明。本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
实施例1
如图1所示，一种车载锂电池温控系统，设于载体10上。载体10则是安装在汽车的指定位置处。在本实施例中，载体10上设置有电池模组1、温度监控模块和温度控制模块。需要说明的是，温度监控模块用于实时采集电池模组1及其工作环境的温度，当实时温度显示异常时，所述温度控制模块执行对应的温控指令在最短时间内将电池模组1的实时温度控制在预设的温度范围内。
在本实施例中，电池模组1为车用锂电池。所述电池模组1安装在载体10的指定位置处，温度监控模块的输入端连接于所述电池模组1。通过温度监控模块采集电池模组1的实时温度。因此为了获取较为精准的实时温度，故在本实施例中，温度监控模块包括：固定在载体10上的控制板2，以及安装需求布设在电池模组1内、以及电池模组1外的多个温度传感器3，若干个温度传感器3的输出端连接于所述控制板2。即通过若干个温度传感器3获取电池模组1的自身温度和电池模组1所处的环境温度（即电池模组1的外部温度），并将采集到的温度数据发送给控制板2。本发明的温度传感器3采用K型热电偶传感器，控制板2采用Arduino控制板2。控制板2在接收到同一时间点的温度数据时进行数据加权处理得到关于系统的平均温度。
举例说明，定义当前有i个温度传感器，其中有m个安装在电池模组内，还有n个安装在电池模组外，即载体上处电池模组的其他位置处，则加权处理公式如下：
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在进一步的实施例中，所述温度控制模块至少包括：冷却模块和加热模块；冷却模块用于当系统的平均温度过高时，对系统迅速降温，举例：当电池模组1使用时间过长或者电池模组1在炎热的夏天工作。相对应的，加热模块则是用于当系统的平均温度过低时，对系统迅速升温，保证电池模组1在正常的温度环境中工作。例如，在我国北方能起到重要作用，保障电池模组1的正常工作，提高工作效率。
为了增加冷却速度，本实施例中的冷却模块囊括了液冷单元、半导体冷却单元和空冷单元。即将多种冷却形式进行有效的糅合，以在最短的时间内完成降温。进一步的，液冷单元包括：液体源，连通于所述液体源的泵4，以及与所述泵4相通的多个热交换垫5；所述热交换垫5安装在电池模组1之间；半导体冷却单元包括：一侧连通于所述热交换垫5的半导体制冷片；空冷单元包括：与半导体制冷片的另一侧连通的散热翅片6，以及设于所述散热翅片6两旁的风扇一7。其工作原理如下：液体源中的液体在泵4的作用下，经过管道流经热交换垫5，通过热交换垫5的出液口504流出至半导体制冷片，再流向散热翅片6，并借助风扇一7加快散热。需要说明的是，液冷单元是与电池模组1有直接的接触面，是为了与电池模组1充分接触进行换热。半导体冷却具有快速冷却作用，能对经过电池模组1的液体起到良好的冷却作用；同时可以对电池模组1外的环境起到冷却的效果。空冷单元不用额外添加硬件，成本较低，可大规模使用。
为了进一步增加降温速度，提高热交换系数，在进一步的实施例中，热交换垫5包括：
外壳501，其内部为中空结构；所述外壳501的两端面分别设置有进液口503和出液口504；外壳501的内部设置有若干个折流板502，沿进液口503和出液口504所在方向平行设于中空结构内；相邻折流板502之间为交错连接形成连通且回折的液路，通过内部折流设计增大对流接触面积、TPU材料加工性能好使其极薄却很耐磨的性质和紧密贴合电池的形状大大增加了冷却液与储能电池系统之间的热交换系数。其中，热交换垫5为3D打印的TPU热交换垫5，如图3所示，TPU材料具有耐磨性高，强度高，耐油，耐老化、耐气候等特性，且该热交换垫5非常薄，并且采用折流设计，紧密贴合电池，能够大幅增加冷却液和电池模组1之间的热交换系数。
液路中设置有按照预定间隔排布的多个V型肋片505，V型肋片505的开口与液体流向为反向设置，且V型肋片505的开口与液体流向为反向设置。即液体在液路中流动时会与V型肋片505的开口与发生冲击产生一定的液体流动，通过流动速度和接触面进一步增加了冷却液与储能电池系统之间的热交换系数。
对应的，为了增加升温的速度，本实施例中的加热模块中设置有：与液体源另一端连通的加热管路，加热管路穿过陶瓷加热器8、热交换垫5返回至液体源。且陶瓷加热器8的上方设置有风扇二9，通过风扇二9实现陶瓷加热器8周边热气的扩散，加快升温。
基于上述描述，本实施例中的温控指令至少包括：降温指令和升温指令。
本系统创新地将半导体制冷元件与车载锂电池温度控制系统相结合。半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，同时具有重量低，噪音小，安装/维护容易，寿命长。同时，由于半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制。加热模块主要由电加热器组成，接受控制模块传出的信号进行工作。
实施例2
基于实施例1所述的车载锂电池温控系统，本实施例公开了一种车载锂电池温控系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、按照需求在载体上布置电池模组、温度监控模块和温度控制模块；如图1至图3所示。
步骤二、预先给定温度阈值区间
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基于加热模块，将液体流动速度作为第一类边界条件、陶瓷加热器与液体传热作为第二类边界条件、液体与电池模组的热交换为第三类边界条件：
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Figure SMS_120
为液体与电池模组的接触面面积。
总而言之，温度传感器持续采样与控制模块设置的上限和下限进行比较。如果电池模组平均温度大于设置的上限，冷却模块将被触发，直到电池模组的平均温度小于上限，冷却模块关闭；如果电池模组平均温度小于设置的上限，加热模块将被触发，直到电池模组的平均温度大于上限，加热模块关闭；如果电池模组平均温度在设置温度的范围内，判断冷却/加热模块是否均为关闭状态，若有模块为开启状态，将模块关闭，若均为关闭状态，系统将保持现状；从上述实施例可知，本发明具有监测、控制和为系统提供最佳温度范围的功能，并结合自动控制和流固耦合传热进行设计，有效地提高了锂电池单元的工作寿命。

Claims (10)

1.一种车载锂电池温控系统，设于载体上；其特征在于，所述系统包括：
电池模组，安装在所述载体上；
温度监控模块，其输入端连接于所述电池模组；所述温度监控模块用于采集电池模组及其所在环境的实时温度；
温度控制模块，其输入端连接于所述温度监控模块的输出端；所述温度控制模块至少包括：冷却模块和加热模块；当实时温度显示异常时，所述温度控制模块执行对应的温控指令将电池模组及其所在环境的实时温度控制在预设的温度范围内；所述温控指令至少包括：降温指令和升温指令。
2.根据权利要求1所述的一种车载锂电池温控系统，其特征在于，所述温度监控模块至少包括：
控制板，固定在载体上；
若干个温度传感器，按照需求布设于电池模组内、以及电池模组外；所述若干个温度传感器的输出端连接于所述控制板。
3.根据权利要求1所述的一种车载锂电池温控系统，其特征在于，所述冷却模块至少包括液冷单元、半导体冷却单元和空冷单元；
其中，所述液冷单元包括：液体源，连通于所述液体源的泵，以及与所述泵相通的多个热交换垫；所述热交换垫安装在电池模组之间；
所述半导体冷却单元包括：一侧连通于所述热交换垫的半导体制冷片；
所述空冷单元包括：与半导体制冷片的另一侧连通的散热翅片，以及设于所述散热翅片两旁的风扇一。
4.根据权利要求3所述的一种车载锂电池温控系统，其特征在于，所述加热模块中设置有：
加热管路，其一端连通于液体源，另一端依次穿过陶瓷加热器、热交换垫返回至液体源；
所述陶瓷加热器的上方设置有风扇二。
5.根据权利要求3所述的一种车载锂电池温控系统，其特征在于，所述热交换垫包括：
外壳，其内部为中空结构；所述外壳的两端面分别设置有进液口和出液口；
若干个折流板，沿进液口和出液口所在方向平行设于中空结构内；相邻折流板之间为交错连接形成连通且回折的液路；
若干个V型肋片，按照预定间隔排布于所述液路中；所述V型肋片的开口与液体流向为反向设置。
6.基于权利要求1至5中任意一项所述的车载锂电池温控系统的控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤一、按照需求在载体上布置电池模组、温度监控模块和温度控制模块；
步骤二、预先给定温度阈值区间
Figure QLYQS_1
；温度监控模块中的温度传感器实时获取所在位置的温度值/>
Figure QLYQS_2
；控制板读取并记录所述温度值/>
Figure QLYQS_3
，对同一时间点t的温度值/>
Figure QLYQS_4
进行加权处理得到温度加权值/>
Figure QLYQS_5
：
若
Figure QLYQS_6
，则执行步骤三；/>
若
Figure QLYQS_7
，则执行步骤四；
步骤三、冷却模块被触发进行降温处理，直至当前温度均值
Figure QLYQS_8
，并持续预定时间段后关闭所述冷却模块；其中，/>
Figure QLYQS_9
表示降温至温度阈值区间所需的时长；
步骤四、加热模块被触发进行升温处理，直至当前温度均值
Figure QLYQS_10
，并持续预定时间段后关闭所述加热模块；式中，/>
Figure QLYQS_11
表示升温至温度阈值区间所需的时长。
7.根据权利要求6所述的车载锂电池温控系统的控制方法，其特征在于，所述温度加权值
Figure QLYQS_12
得到计算公式如下：
Figure QLYQS_13
；式中，m为安装在电池模组内的温度传感器的数量，n为安装在电池模组外的温度传感器的数量，m+n=i；/>
Figure QLYQS_14
为电池模组内的温度权重值，/>
Figure QLYQS_15
为电池模组外的温度权重值，且同时满足以下关系：/>
Figure QLYQS_16
，/>
Figure QLYQS_17
。
8.根据权利要求6所述的车载锂电池温控系统的控制方法，其特征在于，所述降温至温度阈值区间所需的时长k的确定流程如下：
基于所述冷却模块，将液体流动速度作为第一类边界条件、半导体冷却与液体传热作为第二类边界条件、液体与电池模组的热交换为第三类边界条件：
电池模组冷却所需释放的热量
Figure QLYQS_18
：/>
Figure QLYQS_19
；式中，/>
Figure QLYQS_20
为电池模组的比热容，M为电池模组的质量，/>
Figure QLYQS_21
为时间点t的温度加权值也是冷却电池模组的初始温度值，/>
Figure QLYQS_22
为冷却后的电池模组的期望温度值，/>
Figure QLYQS_23
；
液体向电池模组传热的热流密度
Figure QLYQS_24
：/>
Figure QLYQS_25
；式中，/>
Figure QLYQS_26
为半导体制冷片的输出热流密度，为定值；/>
Figure QLYQS_27
为半导体制冷片与液体的接触面面积，/>
Figure QLYQS_28
为液体比热容，m为液体总质量，/>
Figure QLYQS_29
为液体初始温度，/>
Figure QLYQS_30
为液体和电池模组的对流换热系数；
采用以下公式计算得到降温至温度阈值区间所需的时长k：
Figure QLYQS_31
；式中，/>
Figure QLYQS_32
为液体与电池模组的接触面面积。
9.根据权利要求6所述的车载锂电池温控系统的控制方法，其特征在于，所述升温至温度阈值区间所需的时长
Figure QLYQS_33
的计算过程如下：
基于加热模块，将液体流动速度作为第一类边界条件、陶瓷加热器与液体传热作为第二类边界条件、液体与电池模组的热交换为第三类边界条件：
电池模组加热所需吸收的热量
Figure QLYQS_34
：/>
Figure QLYQS_35
；式中，/>
Figure QLYQS_36
为电池模组的比热容，M为电池模组的质量，/>
Figure QLYQS_37
为时间点t的温度加权值也是加热电池模组的初始温度值，/>
Figure QLYQS_38
为加热后的电池模组的期望温度值，/>
Figure QLYQS_39
；
液体向电池模组传热的热流密度
Figure QLYQS_40
：/>
Figure QLYQS_41
；式中，/>
Figure QLYQS_42
为陶瓷加热器的输出热流密度，为定值；/>
Figure QLYQS_43
为陶瓷加热器与液体的接触面面积，/>
Figure QLYQS_44
为液体比热容，m为液体总质量，/>
Figure QLYQS_45
为液体初始温度，/>
Figure QLYQS_46
为液体和电池模组的对流换热系数；/>
采用以下公式计算得到升温至温度阈值区间所需的时长
Figure QLYQS_47
：/>
Figure QLYQS_48
；式中，/>
Figure QLYQS_49
为液体与电池模组的接触面面积。
10.根据权利要求6所述的车载锂电池温控系统的控制方法，其特征在于，执行步骤二至步骤四时，还包括：
若
Figure QLYQS_50
，控制冷却模块和加热模块均为关闭状态；其中，/>
Figure QLYQS_51
的取值为/>
Figure QLYQS_52
、/>
Figure QLYQS_53
、或/>
Figure QLYQS_54
。/>
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