CN116722238A - 一种电池包热管理系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种由提供一种由第一换热板(1)、第二换热板(2)、电芯单体(3)、半导体热电器件(4)、供电母线(5)、泵(6)、膨胀水箱(7)、制冷器(8)、制热器(9)、三通阀(10)、母管(11)、第一支管(12)、第二支管(13)、温度传感器阵列(14)和控制器(15)构成的电池包热管理系统，用于提高电池包运行过程的温度一致性。本发明还提供一种应用于上述电池包热管理系统的控制方法：电池包运行过程每隔固定的时间间隔，通过控制器(15)获得各电芯单体(3)的温度序列T来判断每个温度值对应的电芯单体(3)所处状态；根据需要使制冷器(8)和制热器(9)二者之一工作来对电芯单体(3)进行散热或加热。本发明提供的电池包热管理系统简单紧凑、维护方便；电池包热管理方法逻辑简单、稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及电池储能领域，特别涉及一种电池包热管理系统及其控制方法。
背景技术
以锂离子电池为代表的电化学储能器件广泛应用于电动工具、电动汽车和储能电站等各个领域，并朝着高能量和功率密度、高安全、长寿命的方向不断发展。为了满足应用场合的能量和功率需要，通常将多个电芯单体串并联构成电池包工作，并在电池包上设计热管理系统以保证电池包工作过程处于合理的温度范围：若温度过低则进行加热，若温度过高则进行冷却散热。人们希望构成电池包的各电芯具有尽可能高的一致性：若电芯的一致性欠佳，则容易形成短板效应，使得电池包的工作性能下降，局部若干电芯加速老化并最终造成整个电池包早期失效，甚至还可能引发个别电芯热失控而带来严重的安全事故。但是，受限于原材料、制备工艺和服役条件等各方面因素影响，不可能使电池包中各个电芯完全一样，故需要在运行过程采取相关技术措施来保障电芯的一致性。
电池包中各电芯的一致性主要分为电性能一致性和温度一致性两个方面：前者主要是希望各电芯的容量内阻等尽可能一致，若出现明显不一致，可采取主动或被动均衡电路来予以改善，具体措施包括对部分电芯单独充电或放电，将高容量电芯的电量转移至低容量电芯等；后者主要是希望各电芯运行过程的温度差值尽可能小。当前公知的技术方案中，通过布置多路包含电子开关的电路等各种手段，能够较好地解决电芯的电性能不一致问题；但是对于温度不一致问题，除了前期尽可能地做好电池包设计外，尚且很难在电池包运行过程中像电性能一致性调控一样进行针对性的温度一致性调控。这是因为电池包的热管理主要依赖流道中流体的流动来进行，若要实现电芯单体层面精细化的温度调控，则必然需要对每个电芯单体布置单独的流道及其调控用阀门或电机等机械元件，这会造成整个热管理系统结构复杂、体积庞大、故障点巨多。
为了满足高能量和功率密度电池包高性能、高安全和长寿命运行需要，亟待汲取当前电芯电性能均衡技术的思路，发展新的电池包热管理技术来尽可能地提高其运行过程的温度一致性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、维护方便的电池包热管理系统，并提供一种逻辑简单、稳定可靠、运行高效、易于实现的电池包热管理方法，从而有效提高电池包运行过程各电芯的温度一致性。
根据本发明的一个方面，提供一种电池包热管理系统，其技术方案是，包括由多个电芯单体构成的电芯阵列、第一换热板、第二换热板和与电芯单体一一对应的半导体热电器件；所述半导体热电器件包括第一换热面和第二换热面；所述电芯单体的表面包括第一类表面和第二类表面；所有电芯单体的第一类表面和与之对应的半导体热电器件的第一换热面互相接触实现换热；所有电芯单体的第二类表面和第一换热板互相接触实现换热；所有半导体热电器件的第二换热面均与第二换热板互相接触实现换热。
上述电池包热管理系统，所述第一换热板和第二换热板内流通有换热用液体。
上述电池包热管理系统，所述电池包热管理系统通过供电母线为所有半导体热电器件供电，所述供电母线包括正极供电母线和负极正极供电母线；所述半导体热电器件设有第一接线柱和第二接线柱，并可通过第一供电支路和第二供电支路中的任一支路从供电母线取电；所述第一供电支路上串联有第一电子开关对，第二供电支路上串联有第二电子开关对；其中，第一供电支路使第一接线柱通过与第一电子开关对中的一个电子开关与正极供电母线电性连接，且使第二接线柱通过与第一电子开关对中的另一个电子开关与负极正极供电母线电性连接；第二供电支路使第一接线柱通过与第二电子开关对中的一个电子开关与负极供电母线电性连接，且使第二接线柱通过与第二电子开关对中的另一个电子开关与正极供电母线电性连接。
上述电池包热管理系统，还包括泵、膨胀水箱、制冷器、制热器、三通阀、母管、第一支管、第二支管、第一换热板、第二换热板构成的流体管网：
所述膨胀水箱与母管相通，用于容纳液体的膨胀量，并起到定压作用和补液作用；
所述三通阀包括第一通路、第二通路和第三通路；
所述泵设有出口和入口；
所述母管包括出口母管和入口母管；
所述泵的出口通过出口母管依次与制冷器、制热器和三通阀的第一通路连通；
所述三通阀的第二通路通过第一支管依次与第一换热板和入口母管连通；
所述三通阀的第三通路通过第二支管依次与第二换热板和入口母管连通；
所述入口母管还与泵的入口连通。
上述电池包热管理系统，还包括温度传感器阵列和控制器，所述控制器与温度传感器阵列、制冷器、制热器、三通阀以及所有的第一电子开关对和第二电子开关对均电性连接。
上述电池包热管理系统，当第一电子开关对闭合且第二电子开关对断开时，半导体热电器件的第一换热面起到制冷作用；当第一电子开关对断开且第二电子开关对闭合时，半导体热电器件的第一换热面起到制热作用。
上述电池包热管理系统，所述三通阀的第一通路(101)和第二通路(102)为常开式，第三通路为常闭式。
根据本发明的另一个方面，提供一种应用于上述电池包热管理系统的控制方法，根据需要使制冷器和制热器二者之一工作以使流体管网中的流体降温或升温，从而起到电芯单体散热或加热的目的；电池包运行过程每隔固定的时间间隔，通过控制器获得各电芯单体的温度序列T＝[T1，T2，…，Ti，…，Tn]，其中n为电芯单体的总数目，Ti代表第i个电芯的温度值，计算该序列中各元素的平均值μ和标准差σ，并按照如下逻辑进行控制：
(a)、若温度序列T中所有元素值均大于μ-Kσ且小于μ+Kσ，则使三通阀的第一通路和第二通路为打开状态且第三通路为关闭状态，使所有第一电子开关对和第二电子开关对均为断开状态；
(b)、若温度序列T中存在小于或等于μ-Kσ的元素值，则判定这些元素值所对应的电芯单体处于过冷状态，使三通阀的第一通路、第二通路和第三通路均为打开状态，使上述处于过冷状态的电芯单体所对应的半导体热电器件的第一电子开关对断开且第二电子开关对闭合；
(c)、若温度序列T中存在大于或等于μ+Kσ的元素值，则判定这些元素值所对应的电芯单体处于过热状态，使三通阀的第一通路、第二通路和第三通路均为打开状态，使上述处于过热状态的电芯单体所对应的半导体热电器件的第一电子开关对闭合且第二电子开关对断开；
上述参数K的取值在2至5之间。
本发明利用了半导体热电器件(ThermoElectricCooler，简称TEC)的珀尔帖效应，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热、一端放热的现象。若将半导体热电器件的上述两端分别命名为第一换热面和第二换热面，则接电时半导体热电器件正接将实现第一换热面的吸热，起到制冷作用；接电时将其反接则将实现第一换热面的吸热，起到加热作用。
上述电池包热管理系统中，由包括第一换热板的主回路起到常规的电池包散热或加热作用，由包括第二换热板的次回路起到电芯单体的均温作用。应用统计学原理来判断电池包运行过程是否存在局部温度异常，若存在个别电芯温度异常，则第二换热板的次回路导通，并对温度异常的电芯采取额外的制冷或制热措施：若个别电芯单体的温度过高，则与之接触的半导体热电器件对其起到制冷作用，将其热量导至第二换热板；若个别电芯单体的温度过低，则与之接触的半导体热电器件对其起到加热作用，将第二换热板的热量导至该异常的电芯单体。第一换热板和第二换热板内的流体最终在母管汇合，并通过制冷器或制热器恢复至合适温度，由此循环运行。
根据以上原理不难发现本发明的如下有益效果：
1、本发明电池包热管理系统，在常规设计基础上不额外增加过多的流体管路元件，不需要对每个电芯单体设置相应的流体管路和机械调节机构，而是依托电子开关、导线、半导体热电器件等电气元件来实现电芯单体层面精细化的热管理均温功能，故结构简单紧凑、维护方便。对众多的均温用元器件，若出现相关故障也只需要更换电气元件，不影响流体管网的密封性。
2、本发明电池包热管理系统的控制方法，只需要对每次温度采样结果进行计算分析和逻辑判断并实时做出调控决策，故计算量少，逻辑清晰简单、稳定可靠、易于实现，具有实时高效的调节特点；且只有存在温度异常的电芯单体时才导通第二换热板所处流体回路并闭合相应的电子开关使与异常电芯单体相对应的半导体热电器件工作，故具有高效节能的特点。
附图说明
图1为本发明实施例中电池包热管理系统的构成示意图，图中1为第一换热板，2为第二换热板，3为电芯单体，4为半导体热电器件，6为泵，7为膨胀水箱，8为制冷器，9为制热器，10为三通阀，11为母管，12为第一支管，13为第二支管，14为温度传感器阵列，31为第一类表面，32为第二类表面，33为电芯单体3的极柱，41为第一换热面，42为第二换热面，61为出口，62为入口，101为第一通路，102为第二通路，103为第三通路，111为出口母管，112为入口母管。
图2为本发明实施例中电芯单体的结构示意图，图中3为电芯单体，31为第一类表面，32为第二类表面，33为电芯单体3的极柱。
图3为本发明实施例中供电母线与半导体热电器件之间电性连接的电路图，图中4为半导体热电器件，5为供电母线，43为第一接线柱，44为第二接线柱，45为第一供电支路，46为第二供电支路，47为第一电子开关对，48为第二电子开关对，51为正极供电母线，52为负极正极供电母线。
图4为本发明实施例中控制器与相关元器件的电性连接示意图，图中4为半导体热电器件，8为制冷器，9为制热器，10为三通阀，13为第二支管，14为温度传感器阵列，47为第一电子开关对，48为第二电子开关对。
图5为半导体热电器件的结构示意图，图中41为第一换热面，42为第二换热面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1至图4所示，一种电池包热管理系统，包括由多个电芯单体3构成的电芯阵列、第一换热板1、第二换热板2和与电芯单体3一一对应的半导体热电器件4；所述半导体热电器件4包括第一换热面41和第二换热面42；所述电芯单体3的表面包括第一类表面31和第二类表面32；所有电芯单体3的第一类表面31和与之对应的半导体热电器件4的第一换热面41互相接触实现换热；所有电芯单体3的第二类表面32和第一换热板1互相接触实现换热；所有半导体热电器件4的第二换热面42均与第二换热板2互相接触实现换热。
上述电池包热管理系统，所述第一换热板1和第二换热板2内流通有换热用液体。
上述电池包热管理系统，所述电池包热管理系统通过供电母线5为所有半导体热电器件4供电，所述供电母线5包括正极供电母线51和负极正极供电母线52；所述半导体热电器件4设有第一接线柱43和第二接线柱44，并可通过第一供电支路45和第二供电支路46中的任一支路从供电母线5取电；所述第一供电支路45上串联有第一电子开关对47，第二供电支路46上串联有第二电子开关对48；其中，第一供电支路45使第一接线柱43通过与第一电子开关对47中的一个电子开关与正极供电母线51电性连接，且使第二接线柱44通过与第一电子开关对47中的另一个电子开关与负极正极供电母线52电性连接；第二供电支路46使第一接线柱43通过与第二电子开关对48中的一个电子开关与负极供电母线52电性连接，且使第二接线柱44通过与第二电子开关对48中的另一个电子开关与正极供电母线51电性连接。
上述电池包热管理系统，还包括泵6、膨胀水箱7、制冷器8、制热器9、三通阀10、母管11、第一支管12、第二支管13、第一换热板1、第二换热板2构成的流体管网：
所述膨胀水箱7与母管11相通，用于容纳液体的膨胀量，并起到定压作用和补液作用；
所述三通阀10包括第一通路101、第二通路102和第三通路103；
所述泵6设有出口61和入口62；
所述母管11包括出口母管111和入口母管112；
所述泵6的出口61通过出口母管111依次与制冷器8、制热器9和三通阀10的第一通路101连通；
所述三通阀10的第二通路102通过第一支管12依次与第一换热板1和入口母管112连通；
所述三通阀10的第三通路103通过第二支管13依次与第二换热板2和入口母管112连通；
所述入口母管112还与泵6的入口62连通。
上述电池包热管理系统，还包括温度传感器阵列14和控制器15，所述控制器15与温度传感器阵列14、制冷器8、制热器9、三通阀10以及所有的第一电子开关对47和第二电子开关对48均电性连接。
上述电池包热管理系统，当第一电子开关对47闭合且第二电子开关对48断开时，半导体热电器件4的第一换热面41起到制冷作用；当第一电子开关对47断开且第二电子开关对48闭合时，半导体热电器件4的第一换热面41起到制热作用。
上述电池包热管理系统，所述三通阀10的第一通路101和第二通路102为常开式，第三通路103为常闭式。
应用于上述电池包热管理系统的控制方法，根据需要使制冷器8和制热器9二者之一工作以使流体管网中的流体降温或升温，从而起到电芯单体3散热或加热的目的；电池包运行过程每隔固定的时间间隔，通过控制器15获得各电芯单体3的温度序列T＝[T1，T2，…，Ti，…，Tn]，其中n为电芯单体3的总数目，Ti代表第i个电芯的温度值，计算该序列中各元素的平均值μ和标准差σ，并按照如下逻辑进行控制：
(a)、若温度序列T中所有元素值均大于μ-Kσ且小于μ+Kσ，则使三通阀10的第一通路101和第二通路102为打开状态且第三通路103为关闭状态，使所有第一电子开关对47和第二电子开关对48均为断开状态；
(b)、若温度序列T中存在小于或等于μ-Kσ的元素值，则判定这些元素值所对应的电芯单体3处于过冷状态，使三通阀10的第一通路101、第二通路102和第三通路103均为打开状态，使上述处于过冷状态的电芯单体3所对应的半导体热电器件4的第一电子开关对47断开且第二电子开关对48闭合；
(c)、若温度序列T中存在大于或等于μ+Kσ的元素值，则判定这些元素值所对应的电芯单体3处于过热状态，使三通阀10的第一通路101、第二通路102和第三通路103均为打开状态，使上述处于过热状态的电芯单体3所对应的半导体热电器件4的第一电子开关对47闭合且第二电子开关对48断开；
上述参数K的取值在2至5之间。
为了表达方便，考虑到所有半导体热电器件4均为并联关系，图3和图4中只绘制了一个半导体热电器件4的情形，并使用省略号“…”代表剩余其他半导体热电器件4。
实施例
请参照图1至图4，某电动工具用电池包由40只方形铝壳磷酸铁锂电池串联而成，电池包热管理系统管网内的流体为乙二醇溶液。为了显示方便，图1中作为示例只绘制了4只电芯单体3的情形，并用省略号“…”代表剩余其他电芯单体3。
电芯单体3的顶面为第一换热面31，底面为第二换热面32，第一换热面31上还有极柱33，第一换热面31通过半导体热电器件4与第二换热板2间接接触，第二换热面32与第一换热板1。制冷器8表面设有翅片和风机81，并通过风机81对翅片强制吹风的方式实现其内流经流体的降温；制热器9内设有产热电阻91以实现其内流经流体的加热。本实施例中参数K取值为2.5，所有耗电的元器件通过DC/DC变压后从电池包取电。
某次该电动工具在室温下高负荷工作，控制器15使风机81转动从而实现流经制冷器8中的流体降温，而产热电阻91不工作，制热器9仅起到简单地流体通路作用。缺省的正常情况下，使三通阀10的第一通路101和第二通路102为打开状态且第三通路103为关闭状态，使所有的第一电子开关对47和第二电子开关对48均为断开状态。电池包运行过程每隔10s进行温度数据采集和逻辑判断与控制。某时刻，通过控制器15获得各电芯单体3的温度序列并计算得到该序列中各元素的平均值μ＝38.3℃，标准差σ＝1.2℃，故电芯单体3的正常温度范围应该为35.3℃～41.3℃，而该时刻第12个电芯的温度测量值为41.5℃，超过了41.3℃，故控制器15使三通阀10的第一通路101、第二通路102和第三通路103均为打开状态，使第12个电芯单体3所对应的半导体热电器件4的第一电子开关对47闭合且第二电子开关对48断开，将第12个电芯的热量导至第二换热板2从而起到该电芯的强化散热降温作用。
运行2分钟后，各电芯单体3的温度序列中各元素的平均值μ＝38.0℃，标准差σ＝1.1℃，故电芯单体3的正常温度范围应该为35.25℃～40.75℃，而此时所有电芯单体3的温度均处于该正常温度范围内，故控制器15使三通阀10的第一通路101和第二通路102为打开状态且第三通路103为关闭状态，使所有第一电子开关对47和第二电子开关对48均为断开状态，电池包热管理系统的运行回归正常。
本发明实施例中的电池包热管理系统，在常规设计基础上不额外增加过多的流体管路元件，不需要对每个电芯单体设置相应的流体管路和机械调节机构，而是依托电子开关、导线、半导体热电器件等电气元件来实现电芯单体层面精细化的热管理均温功能，故结构简单紧凑、维护方便。对众多的均温用元器件，若出现相关故障也只需要更换电气元件，不影响流体管网的密封性。
本发明实施例中电池包热管理系统的控制方法，只需要对每次温度采样结果进行计算分析和逻辑判断并实时作出调控决策，故计算量少，逻辑清晰简单、稳定可靠、易于实现，具有实时高效的调节特点；且只有存在温度异常的电芯单体时才导通第二换热板2所处流体回路并闭合相应的电子开关使与异常电芯单体相对应的半导体热电器件工作，故具有高效节能的特点。
Claims (8)
1.一种电池包热管理系统，其特征在于，包括由多个电芯单体(3)构成的电芯阵列、第一换热板(1)、第二换热板(2)和与电芯单体(3)一一对应的半导体热电器件(4)；所述半导体热电器件(4)包括第一换热面(41)和第二换热面(42)；所述电芯单体(3)的表面包括第一类表面(31)和第二类表面(32)；所有电芯单体(3)的第一类表面(31)和与之对应的半导体热电器件(4)的第一换热面(41)互相接触实现换热；所有电芯单体(3)的第二类表面(32)和第一换热板(1)互相接触实现换热；所有半导体热电器件(4)的第二换热面(42)均与第二换热板(2)互相接触实现换热。
2.权利要求1所述的电池包热管理系统，其特征在于，所述第一换热板(1)和第二换热板(2)内流通有换热用液体。
3.权利要求1所述的电池包热管理系统，其特征在于，所述电池包热管理系统通过供电母线(5)为所有半导体热电器件(4)供电，所述供电母线(5)包括正极供电母线(51)和负极正极供电母线(52)；所述半导体热电器件(4)设有第一接线柱(43)和第二接线柱(44)，并可通过第一供电支路(45)和第二供电支路(46)中的任一支路从供电母线(5)取电；所述第一供电支路(45)上串联有第一电子开关对(47)，第二供电支路(46)上串联有第二电子开关对(48)；其中，第一供电支路(45)使第一接线柱(43)通过与第一电子开关对(47)中的一个电子开关与正极供电母线(51)电性连接，且使第二接线柱(44)通过与第一电子开关对(47)中的另一个电子开关与负极正极供电母线(52)电性连接；第二供电支路(46)使第一接线柱(43)通过与第二电子开关对(48)中的一个电子开关与负极供电母线(52)电性连接，且使第二接线柱(44)通过与第二电子开关对(48)中的另一个电子开关与正极供电母线(51)电性连接。
4.权利要求1所述的电池包热管理系统，其特征在于，还包括泵(6)、膨胀水箱(7)、制冷器(8)、制热器(9)、三通阀(10)、母管(11)、第一支管(12)、第二支管(13)、第一换热板(1)、第二换热板(2)构成的流体管网：
所述膨胀水箱(7)与母管(11)相通，用于容纳液体的膨胀量，并起到定压作用和补液作用；
所述三通阀(10)包括第一通路(101)、第二通路(102)和第三通路(103)；
所述泵(6)设有出口(61)和入口(62)；
所述母管(11)包括出口母管(111)和入口母管(112)；
所述泵(6)的出口(61)通过出口母管(111)依次与制冷器(8)、制热器(9)和三通阀(10)的第一通路(101)连通；
所述三通阀(10)的第二通路(102)通过第一支管(12)依次与第一换热板(1)和入口母管(112)连通；
所述三通阀(10)的第三通路(103)通过第二支管(13)依次与第二换热板(2)和入口母管(112)连通；
所述入口母管(112)还与泵(6)的入口(62)连通。
5.权利要求1所述的电池包热管理系统，其特征在于，还包括温度传感器阵列(14)和控制器(15)，所述控制器(15)与温度传感器阵列(14)、制冷器(8)、制热器(9)、三通阀(10)以及所有的第一电子开关对(47)和第二电子开关对(48)均电性连接。
6.权利要求3所述的电池包热管理系统，其特征在于，当第一电子开关对(47)闭合且第二电子开关对(48)断开时，半导体热电器件(4)的第一换热面(41)起到制冷作用；当第一电子开关对(47)断开且第二电子开关对(48)闭合时，半导体热电器件(4)的第一换热面(41)起到制热作用。
7.权利要求4所述的电池包热管理系统，其特征在于，所述三通阀(10)的第一通路(101)和第二通路(102)为常开式，第三通路(103)为常闭式。
8.应用于权利要求1-7任意一项所述电池包热管理系统的控制方法，其特征在于，根据需要使制冷器(8)和制热器(9)二者之一工作以使流体管网中的流体降温或升温，从而起到电芯单体(3)散热或加热的目的；电池包运行过程每隔固定的时间间隔，通过控制器(15)获得各电芯单体(3)的温度序列T＝[T1，T2，…，Ti，…，Tn]，其中n为电芯单体(3)的总数目，Ti代表第i个电芯的温度值，计算该序列中各元素的平均值μ和标准差σ，并按照如下逻辑进行控制：
(a)、若温度序列T中所有元素值均大于μ-Kσ且小于μ+Kσ，则使三通阀(10)的第一通路(101)和第二通路(102)为打开状态且第三通路(103)为关闭状态，使所有第一电子开关对(47)和第二电子开关对(48)均为断开状态；
(b)、若温度序列T中存在小于或等于μ-Kσ的元素值，则判定这些元素值所对应的电芯单体(3)处于过冷状态，使三通阀(10)的第一通路(101)、第二通路(102)和第三通路(103)均为打开状态，使上述处于过冷状态的电芯单体(3)所对应的半导体热电器件(4)的第一电子开关对(47)断开且第二电子开关对(48)闭合；
(c)、若温度序列T中存在大于或等于μ+Kσ的元素值，则判定这些元素值所对应的电芯单体(3)处于过热状态，使三通阀(10)的第一通路(101)、第二通路(102)和第三通路(103)均为打开状态，使上述处于过热状态的电芯单体(3)所对应的半导体热电器件(4)的第一电子开关对(47)闭合且第二电子开关对(48)断开；
上述参数K的取值在2至5之间。
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| CN202310704097.3A CN116722238A (zh) | 2023-06-14 | 2023-06-14 | 一种电池包热管理系统及其控制方法 |
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2023
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117352913B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-04-19 | 承德神奥新能源科技有限公司 | 一种电池包的管理方法及系统 |
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