TW201622231A - 電動車電池恆溫系統及其恆溫方法 - Google Patents

Abstract

一種電動車電池恆溫系統及其恆溫方法，其系統包含電池單元、整車控制單元、溫度感測模組、熱電致冷晶片、開關單元及強制對流散熱模組；電池單元提供電動車電能，其包含一殼體；整車控制單元連接電池單元，其包含一溫度控制模組；溫度感測模組連接整車控制單元，其包含一環境溫度傳感器和一電池溫度傳感器；熱電致冷晶片具有第一工作面及第二工作面，第一工作面貼合於殼體外表面；開關單元連接於電池單元與整車控制單元之間，並接受溫度調整訊號而接通熱電致冷晶片之電源，以調節電池單元的溫度。

Description

電動車電池恆溫系統及其恆溫方法

本發明係有關於一種電動車電池恆溫系統及其恆溫方法，特別是有關於一種應用熱電致冷晶片及強制對流散熱技術保持電動車電池恆溫的系統及方法。

隨著社會的發展，新能源車特別是電動車作為一種代步工具，正慢慢地進入每一個家庭。電動自行車是目前使用最為廣泛的一種電動車，其因具有方便快捷、綠色環保等優點而受到人們的青睞。電動車有時需要在複雜的路況和環境條件下行駛，作為電動車電源的車載電池需要適應這些複雜的狀況，尤其當電動車在寒冷的冬天處於低溫環境中時，使動力電池的性能下降，無論是在放電能力上，還是在電池容量上都會有所下降，甚至不能使用，因此更需要車載電池具有優異的低溫充放電性能和較高的輸入輸出功率性能。

一般而言，在低溫條件下會導致車載電池的阻抗增大，極化增強，由此導致車載電池的容量下降。為了保持車載電池在低溫條件下的容量，電池加熱在電動汽車領域中已經是一種非常重要的技術。電池加熱策略的好壞，電池加熱器性能的優劣直接影響到電動車的行程、操作穩定性和安全性。

一般的電池恆溫系統係採用液體加熱或冷卻的方式來達到電池箱體溫度控制之效。因此結構較為複雜，且成本提高。再者液體於電池箱體循環亦有遺漏之疑慮。因此安全性令人質疑。此外透過冷卻或加熱後的液體進行電池箱體溫度控制其溫度控制範圍較小。於環境溫度較為嚴苛之環境時將無法達到恆溫之功效。

如圖1所示，中國專利CN 101962000 B揭露了一種純電動車的動力電池加熱系統，包括安裝於電池包10內的電池加熱裝置11，該電池加熱裝置11設置有中空的散熱片12，該散熱片12設置有進水口和出水口，另以一輔助加熱器13與燃料供給裝置相連，其內置有熱交換器14，熱交換器14的進水口通過水泵及水管與膨脹水箱的出水口相通，熱交換器14的出水口通過電控閥與散熱片的進水口相通，散熱片12的出水口與膨脹水箱的進水口相通，上述電控閥、輔助加熱器、水泵與整車控制器15連接並受整車控制器15所控制。惟此種以液態加熱的方式對電池行加熱，需透過電池底板特殊管線配置，方可對電池整體進行散熱，且液態加熱的方式因受到空間、體積的限制，不利輕量化，且增溫及降溫響應速度慢。

本發明的目的在於提供一種應用熱電致冷晶片及熱對流散熱組保持電動車電池溫度在一溫度範圍區間的電池恆溫系統。

本發明的再一目的在於提供一種應用熱電致冷晶片及熱對流散熱組作為調整電動車電池溫度，再根據電池溫度、環境溫度，使電動車電池保持在一標準溫度的範圍區間的電池恆溫系統。

為達成上述系統的目地，本發明的技術手段在於提供一種電動車電池恆溫系統，包含電池單元、整車控制單元、溫度感測模組、熱電致冷晶片、開關單元及強制對流散熱模組。電池單元提供整車電源，其包含一殼體；整車控制單元連接電池單元，並包含一溫度控制模組，其可用以發出一溫度調整訊號及一強制對流訊號；溫度感測模組連接整車控制單元，其包含一環境溫度傳感器及電池溫度傳感器，環境溫度傳感器檢測殼體外部空間的環境溫度，電池溫度傳感器檢測該電池單元溫度，電池溫度傳感器係設置於殼體；熱電致冷晶片具有第一工作面及第二工作面，第一工作面貼合於殼體外表面；一開關單元 連接於電池單元與整車控制單元之間，並透過驅動電路接受溫度調整訊號而接通熱電致冷晶片之電源；強制對流散熱模組設置在殼體，並連接溫度控制模組，透過驅動電路接受強制對流訊號而對殼體內部進行空氣對流。

在一實施例中，前述的熱電致冷晶片包含了設置在殼體上的一第一熱電致冷晶片與一第二熱電致冷晶片，係分別具有一第一工作面及背對該第一工作面的一第二工作面。

為達成上述方法的目地，本發明的技術手段在於提供一種電動車電池恆溫的方法，包含下列步驟：提供前述的電動車電池恆溫系統；透過該溫度感測模組取得該電池單元溫度與該環境溫度；當電池單元溫度偏離一預設標準值時，溫度控制模組發出溫度調整訊號，控制該熱電致冷晶片或該第一熱電致冷晶片及/或該第二熱電致冷晶片對該電池單元吸熱或加熱，使電池單元溫度回復預設標準值。

本發明的特點在於：本發明利用熱電致冷器作為加熱、冷熱的溫度控制源，空間限制甚微且可靠性高。本發明採用的熱電致冷晶片具輕量化效益、無噪音、無震動問題且致冷效率很高，永遠大於1。本發明無致冷劑汙染等環境問題(例如冷媒)。本發明在一實施方式中透過雙面架設的熱電致冷器與強制對流的散熱模組的設計架構可確保恆溫控制之穩定性。本發明採用的溫度控制技術可快速增溫、降溫響應速度快(<30sec)，致熱效率很高且其溫度控制的工作溫度相較其體積之下，可用範圍較傳統組合為大(-150℃~150℃)。

10‧‧‧電池包

11‧‧‧電池加熱裝置

12‧‧‧散熱片

13‧‧‧輔助加熱器

14‧‧‧熱交換器

15‧‧‧整車控制器

20‧‧‧電動車

21‧‧‧電池恆溫系統

22,22’‧‧‧電池單元

221‧‧‧電池組

222‧‧‧殼體

2221‧‧‧進風口

2222‧‧‧出風口

23‧‧‧整車控制單元

231‧‧‧溫度控制模組

2311‧‧‧溫度調整訊號

2312‧‧‧強制對流訊號

24‧‧‧溫度感測模組

241‧‧‧環境溫度傳感器

242‧‧‧電池溫度傳感器

25‧‧‧熱電致冷晶片

251‧‧‧第一工作面

252‧‧‧第二工作面

253‧‧‧金屬鰭片

26‧‧‧開關單元

261‧‧‧驅動電路

27‧‧‧強制對流散熱模組

271‧‧‧驅動電路

272‧‧‧進氣風扇

273‧‧‧排氣風扇

28‧‧‧第一熱電致冷晶片

281‧‧‧第一工作面

282‧‧‧第二工作面

283‧‧‧金屬鰭片

29‧‧‧第二熱電致冷晶片

291‧‧‧第一工作面

292‧‧‧第二工作面

293‧‧‧金屬鰭片

步驟S10~S12‧‧‧電池恆溫的控制方法

圖1繪示先前技術之純電動車的動力電池加熱系統；圖2繪示本發明之電動車電池恆溫系統之電池單元與第一熱電致冷晶片之前視配置示意圖； 圖3繪示；本發明之電動車電池恆溫系統一實施例的系統方塊圖；圖4繪示本發明之電動車電池恆溫系統之電池單元、第一熱電致冷晶片及強制對流散熱模組的前視配置示意圖；圖5繪示本發明之電動車電池恆溫系統之電池單元、第一熱電致冷晶片、第二熱電致冷晶片、及強制對流散熱模組的前視配置示意圖；圖6繪示本發明之本發明之電動車電池恆溫系統之電池單元及強制對流散熱模組的俯視配置示意圖；圖7繪示本發明之本發明之電動車電池恆溫方法之一實施例的步驟流程圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

首先圖2、圖3及圖4所示。本實施例中，應用於電動車20上的電池恆溫系統21，包含電池單元22、整車控制單元23、溫度感測模組24、熱電致冷晶片25、開關單元26以及強制對流散熱模組27；本發明之該電池單元22可以是指動力電池，但不以此為限，該電池單元22用來提供該電動車20所需的電能，其包含電池組221和一容置該電池組221的殼體222；整車控制單元23連接該電池單元22以獲取電力，其包含一溫度控制模組231，該溫度控制模組231可用以發出一溫度調整訊號2311及一強制對流訊號2312。溫度感測模組24，係連接該整車控制單元23，該溫度感測模組24包含一檢測該殼體222外部空間(或電動車外部)的環境溫度的環境溫度傳感器241和一檢測該電池單元22溫度的電池溫度傳感器242，該電池溫度傳感器242係設置於該殼體222(在一實施例中，該殼體222 上具有一進風口2221、一出風口2222，該電池溫度傳感器242同時也設置於該進風口2221及出風口2222，以供後續的溫度判斷之用，另外，該進風口2221及該出風口2222位於該殼體222的同一側為較佳的空氣對流配置，但不以此為限)。熱電致冷晶片25，係具有一第一工作面251及背對該第一工作面251的一第二工作面252，該第一工作面251貼合於該殼體222的外表面，該第二工作面252貼附一金屬鰭片253，當該第二工作面252進行散熱時可將熱傳遞致該金屬鰭片253，並利用車外空氣散熱。開關單元26(可為一繼電器之類的自動開關)係連接於該電池單元22與該整車控制單元23之間，並透過一驅動電路261接受該溫度調整訊號2311而接通該熱電致冷晶片25的電源，以使該熱電致冷晶片25進行加熱或冷熱的動作；強制對流散熱模組27，係設置於該電池單元22的該殼體222，並連接該溫度控制模組231，透過一驅動電路271接受一強制對流訊號2312而對該殼體222內部進行空氣對流。

請參照圖3及圖5。在一實施例中，該電池單元22’係包含一第一熱電致冷晶片28以及一第二熱電致冷晶片29，該第一熱電致冷晶片28，係具有一第一工作面281及背對該第一工作面281的一第二工作面282，該第一工作面281貼合於該殼體222的外表面，該第二工作面282貼附一金屬鰭片283；該第二熱電致冷晶片29具有一第一工作面291及背對該第一工作面291的一第二工作面292，該第一工作面291貼合於該殼體222的外表面，該第二工作面282貼附一金屬鰭片293。

在一實施例中，第一熱電致冷晶片28係設置於電池單元22’的底面(所述底面是指在正常安裝電池單元的狀態下，相對於電動車的底面座標方向)、第二熱電致冷晶片29係設置在電池單元22’的頂面(所述頂面是指在正常安裝電池單元的狀態下，相對於電動車的頂面座標方向)。上述將第一熱電致冷晶片28係設置於電池單元22’的底面時，該金屬鰭片283即位於車體的最下端， 其不僅可透過行車過程中，氣流對金屬鰭片283散熱之用，亦可阻擋碎石直接擊中底盤之電池單元22’，增加底盤異物撞擊之安全強度保護。

請參照圖5所示。在一實施例中，強制對流散熱模組27為對應設置於該殼體222上之進風口2221、出風口2222上的一進氣風扇272及一排氣風扇273，該電池溫度傳感器242係分別設置於該殼體222、該進風口2221及該出風口2222)。

再請參照圖7並對照圖3所示。在本發明的方法實施例中所謂電池單元溫度，即反映出殼體222內部溫度，亦可更精準地將殼體222溫度、進風口2221溫度以及出風口2222溫度統合計算出較可靠的整體電池單元(22,22’)的溫度。圖7的實施例與圖8的實施例的差別在於熱電致冷晶片為一只或二只的差別：圖7的方法實施例中的電動車電池恆溫的方法包含下列步驟：步驟S10，提供前述電動車電池恆溫系統21。

步驟S11，該整車控制單元23透過該溫度感測模組24取得該電池單元(22,22’)溫度與該電池單元(22,22’)外部(或車外)環境溫度。

步驟S12，當該電池單元(22,22’)溫度偏離一預設標準值時，該溫度控制模組231發出該溫度調整訊號2311，以控制該熱電致冷晶片25(或是第一熱電致冷晶片28與第二熱電致冷晶片29的兩者或其中之一)對該電池單元(22,22’)吸熱或加熱，使該電池單元(22,22’)溫度回復該預設標準值。

前述步驟12中，當該電池單元(22,22’)溫度低於該標準值時，該溫度控制模組231發出該溫度調整訊號2311，用以控制該熱電致冷晶片25的該第一工作面251(或該第一熱電致冷晶片28、第二熱電致冷晶片29的至少一第一工作面(281,291))釋放熱量，以加熱該電池單元(22,22’)，直到該電池單元(22,22’)溫度符合該標準值後，停止該熱電致冷晶片28或該第一、第二熱電致冷晶片(28,29)的供電，以停止加熱該電池單元(22,22’)。

前述步驟12中，當該電池單元(22,22’)溫度高於該標準值時，該溫度控制模組231發出該溫度調整訊號2311，用以控制該熱電致冷晶片25的該第一工作面251(或該第一熱電致冷晶片28、第二熱電致冷晶片29的至少一第一工作面(281,291))吸收熱量，以降低該電池單元(22,22’)溫度，直到該電池單元(22,22’)溫度符合該標準值後，停止該熱電致冷晶片25或該第一、第二熱電致冷晶片(28,29)的供電，以停止冷卻該電池單元(22,22’)。

值得一提的是，本發明實施例中，該整車控制單元23是持續監控該電池單元(22,22’)溫度，當該電池單元(22,22’)溫度符合該標準值時，則該整車控制單元23不動作。

上述的方法實施例中，該溫度控制模組231發出該溫度調整訊號2311控制該熱電致冷晶片25、該第一熱電致冷晶片28及該第二熱電致冷晶片29作動時，同時發出該強制對流訊號2312控制該強制對流散熱模組27對該殼體222內部進行空氣對流，該溫度控制模組231停止該熱電致冷晶片25、該第一熱電致冷晶片28及該第二熱電致冷晶片29作動時，同時停止該強制對流散熱模組27作動。

另外，為了更能節省電能，在本發明一實施例中，該溫度控制模組231係根據該電池單元(22,22’)溫度，透過一脈波寬度調變信號控制該強制對流散熱模組27推動空氣對流的速度，換言之，當該強制對流散熱模組27係以直流風扇推動空氣對流時，即可應用該脈波寬度調變信號，將該直流風扇的轉速配合當時該電池單元(22,22’)溫度的高低呈正比而改變。

此外，該標準值為一範圍區間(假設該範圍區間為A~B)，當該環境溫度(環境溫度偵測值為E)高於該標準值的最高值時(E>B)，應用該些熱電致冷晶片(25,28,29)控制該電池單元(22,22’)溫度回復到該標準值的該範圍區間最低值(即為E=A值)時，始停止該些熱電致冷晶片(25,28,29) 的供電而停止冷卻該電池單元(22,22’)；當該環境溫度低於該標準值的最低值時(E<A)，應用該些熱電致冷晶片(25,28,29)控制該電池單元(22,22’)溫度回復到該標準值的該範圍區間最高值(即為E=B值)時，始停止該些熱電致冷晶片(25,28,29)的供電而停止加熱該電池單元(22,22’)。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

21‧‧‧電池恆溫系統

22,22’‧‧‧電池單元

23‧‧‧整車控制單元

231‧‧‧溫度控制模組

2311‧‧‧溫度調整訊號

2312‧‧‧強制對流訊號

24‧‧‧溫度感測模組

241‧‧‧環境溫度傳感器

242‧‧‧電池溫度傳感器

25‧‧‧熱電致冷晶片

26‧‧‧開關單元

261‧‧‧驅動電路

27‧‧‧強制對流散熱模組

271‧‧‧驅動電路

28‧‧‧第一熱電致冷晶片

29‧‧‧第二熱電致冷晶片

Claims (14)

1. 一種電動車電池恆溫系統，包含：一電池單元，係用以提供該電動車的電能，其包含一外覆的殼體；一整車控制單元，係連接該電池單元以獲取電力，其包含一用以發出一溫度調整訊號及一強制對流訊號的溫度控制模組；一溫度感測模組，係連接該整車控制單元，該溫度感測模組包含一檢測該殼體外部空間的環境溫度的環境溫度傳感器和一檢測該電池單元溫度的電池溫度傳感器，該電池溫度傳感器係設置於該殼體；至少一熱電致冷晶片，係具有一第一工作面及背對該第一工作面的一第二工作面，該第一工作面貼合於該殼體的外表面，用以對該電池單元進行吸熱或加熱；一開關單元，係連接於該電池單元與該整車控制單元之間，並透過一驅動電路接受該溫度調整訊號而接通該第一熱電致冷晶片之電源；以及一強制對流散熱模組，係設置於該電池單元之該殼體，並連接該溫度控制模組，透過一驅動電路接受一強制對流訊號而對該殼體內部進行空氣對流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電動車電池恆溫系統，其中，該第二工作面設有一金屬鰭片。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電動車電池恆溫系統，其中，該熱電致冷晶片包含一第一熱電致冷晶片及一第二熱電致冷晶片，且該第一熱電致冷晶片及該第二熱電致冷晶片的至少一第二工作面設有一金屬鰭片。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電動車電池恆溫系統，其中，該第一熱電致冷晶片係設置於該殼體的底面、該第二熱電致冷晶片係設置於該殼體的頂面，且該金屬鰭片設於該第一熱電致冷晶片的該第二工作面。
5. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之電動車電池恆溫系統，其中，該開關單元為一繼電器。
6. 如申請專利範圍第1項或第3項所述之電動車電池恆溫系統，其中，該強制對流散熱模組為對應設置於該殼體上之一進風口、一出風口上的一進氣風扇及一排氣風扇，該電池溫度傳感器係分別設置於該殼體、該進風口及該出風口。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電動車電池恆溫系統，其中，該進風口及該出風口位於該殼體的同一側。
8. 一種電動車電池恆溫的方法，係包含下列步驟；提供如申請專利範圍第1項至第7項之任一項的電動車電池恆溫系統；該整車控制單元透過該溫度感測模組取得該電池單元溫度與該環境溫度；當該電池單元溫度偏離一預設標準值時，該溫度控制模組發出該溫度調整訊號，以控制該熱電致冷晶片或該第一熱電致冷晶片及/或該第二熱電致冷晶片對該電池單元吸熱或加熱，使該電池單元溫度回復該預設標準值。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電動車電池恆溫的方法，其中，當該電池單元溫度低於該標準值時，該溫度控制模組發出該溫度調整訊號，用以控制該熱電致冷晶片的該第一工作面或該第一、第二熱電致冷晶片的至少一第一工作面釋放熱量，以加熱該電池單元，直到該電池單元溫度符合該標準值。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電動車電池恆溫的方法，其中，當該電池單元溫度高於該預設的標準值時，該溫度控制模組發出該溫度調整訊號，用以控制該熱電致冷晶片的該第一工作面，或該第一、二熱電致冷晶片的至少一第一工作面吸收熱量，以降低該電池單元溫度，直到該電池單元溫度符合該標準值。
11. 如申請專利範圍第8項所述之電動車電池恆溫的方法，其中，該溫度控制模組發出該溫度調整訊號控制該熱電致冷晶片、第一熱電致冷晶片或第二熱電致冷晶片的作動時，同時發出該強制對流訊號控制該強制對流散熱模組對該殼體內部進行空氣對流，該溫度控制模組停止該熱電致冷晶片、該第一熱電致冷晶片或第二熱電致冷晶片的作動時，同時停止該強制對流散熱模組作動。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電動車電池恆溫的方法，其中，該溫度控制模組係根據該電池單元溫度，透過一脈波寬度調變信號控制該強制對流散熱模組推動空氣對流的速度。
13. 如申請專利範圍第8項所述之電動車電池恆溫的方法，其中，該標準值為一範圍區間，當該環境溫度高於該標準值的最高值時，控制該熱電致冷晶片對該電池單元吸熱，直到該電池單元溫度回復到該標準值的該範圍區間最低值。
14. 如申請專利範圍第8項所述之電動車電池恆溫的方法，其中，當該環境溫度低於該標準值的最低值時，控制該熱電致冷晶片對該電池單元加熱，直到該電池單元溫度回復到該標準值的該範圍區間最高值。