动力电池温度控制系统的设计方法及相应的控制系统

摘要

本发明提供给了一种动力电池温度控制系统的设计方法，包括：(1)构建动力电池箱体热仿真计算的几何模型；(2)将动力电池箱体的不同工作模式下的循环工况作为输入，得到动力电池箱体的热仿真计算模型；(3)分析动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；(4)优化设计电池模组的结构设计和流场设计；(5)确定动力电池温度控制方式和保护方法；(6)增加满足电池低温加热需求的电池加热器的加热功率参数，再次进行分析计算；(7)判断是否满足动力电池箱的温度控制要求，若满足则完成设计，若不满足则转入第四步。该设计方法具有可靠性高，实用性强等特点。本发明还同时提供了一种动力电池温度控制系统。

权利要求

1.一种动力电池温度控制系统的设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)根据动力电池箱体的安装布置结构，以及动力电池箱体内部电池模组的布置方式，构建动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

其中，动力电池箱体热仿真计算的几何模型包括多个电池单体、冷却板、导热板和加热装置，冷却板设置在相邻的电池单体之间，导热板连接在冷却板的下部，并与加热装置连接在一起；

(2)在有限元软件环境下建立动力电池箱体的热仿真计算模型，方式是利用其他三维CAD软件建立步骤(1)描述的动力电池箱体热仿真计算的几何模型并导入到有限元软件，或者直接利用有限元软件的几何建模功能建立步骤(1)描述的动力电池箱体热仿真计算的几何模型；针对此动力电池箱体热仿真计算的几何模型，将动力电池的参数和材料，以及初始设置的动力电池连接方式代入动力电池箱体热仿真计算的几何模型，将动力电池箱体的不同工作模式下的循环工况作为输入，得到动力电池箱体的热仿真计算模型；

(3)由动力电池箱体的热仿真计算模型，计算不同工况下动力电池的发热量，分析得到动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；

(4)根据上一步分析得到的不同工况下动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性，以提高动力电池模组不同工作模式下的温度一致性为目标，优化设计电池模组的结构设计和流场设计，即优化设计动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

(5)根据上一步优化设计过的动力电池箱体热仿真计算的几何模型，确定动力电池温度控制方式和保护方法；

(6)将上一步确定的动力电池温度控制方式和保护方法，增加到步骤(2)动力电池箱的热仿真计算模型，即增加满足电池低温加热需求的电池加热器的加热功率参数，再次进行分析计算，得到不同工况下动力电池的发热量，分析得到动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；

(7)判断上一步的结果是否满足动力电池箱的温度控制要求，若满足则完成系统设计，若不满足则转入步骤(4)。

2.根据权利要求1所述的动力电池温度控制系统的设计方法，其特征在于，所述动力电池的发热量计算公式为： 其中Vw为高温冷却和低温加热情况下的冷却液的循环量；QW为需要冷却液带走的热量；Δtw为冷却液在冷却系统中循环时的容许温升，当冷却系统为强制循环冷却系统时，Δtw＝6～12℃；γw为冷却液的比重；Cw为冷却液的比热。

3.根据权利要求2所述的动力电池温度控制系统的设计方法，其特征在于，所述冷却液用空气代替。

4.根据权利要求3所述的动力电池温度控制系统的设计方法，其特征在于，所述空气的需要量Va计算公式为： 其中Qa为散热器的空气散热量，Δta为空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，γa为空气的重度；cp为空气定压比热。

5.根据权利要求4所述的动力电池温度控制系统的设计方法，其特征在于，所述散热器平均换热温差的计算方法为：其中，Δtmax和Δtmin分别代表按照逆流布置时的冷热流体的温差的最大值和最小值，ψ是小于1的修正系数。

6.根据权利要求1-5任一项所述的动力电池温度控制系统的设计方法设计的动力电池温度控制系统，其特征在于，包括用于提供加热电源的充电机、充电继电器、电池的充电电路、加热继电器、加热装置、冷却板、导热板和加热电路；冷却板设置在相邻的电池单体之间，导热板连接在冷却板的下部，并与加热装置连接在一起；所述加热继电器控制所述加热电路的通断；所述充电继电器控制所述充电电路的通断，充电状态时断开所述加热电路，加热状态时断开所述充电电路。

说明书

动力电池温度控制系统的设计方法及相应的控制系统

技术领域

[0001] 本发明属于电动汽车领域，具体涉及一种动力电池温度控制系统的设计方法及相应的控制系统。

背景技术

[0002] 动力电池系统是电动汽车的核心部件之一，其性能直接影响电动汽车的性能和安全性。由于动力电池化学材料性能的限制，动力电池的温度只有在合适的温度范围内，才能够正常的使用。例如磷酸铁锂电池的正常放电温度范围是10℃-55℃，当低于0℃时，动力电池的可用容量衰减很快，当电池温度低于-20℃时，能够放出的容量已经非常少了。同样，磷酸铁锂电池的正常充电温度通常为0℃-45℃，当动力电池温度低于0℃时，基本上无法给动力电池进行充电，强行充电的情况下会造成动力电池的负极析锂，造成动力电池永久性损坏。

[0003] 目前，许多电动汽车电池都配有热管理系统来实现动力电池的低温加热。比如液冷方案采用加热电池冷却液的方式进行，通过被加热的冷却液在动力电池表面循环流动，实现动力电池的低温加热功能。类似的案例有通用的沃蓝达增程式混合动力电动汽车汽车。还有风冷方案的动力电池低温加热方法采用将暖风吹入动力电池箱内部的方式，实现动力电池的低温加热功能。类似的案例有丰田的普锐斯插电式混合动力电动汽车。也有自然冷却的动力电池，通过内置在电池箱内部的加热装置(电热丝)，来强制加热动力电池，类似的案例有北汽的迷迪纯电动汽车。

[0004] 自然冷却结构动力电池系统制造最简单，成本最低，制造难度相对较低，电池使用过程中的温度均匀性好，不需要温度控制系统。缺点是无法在高温和低温环境下正常使用。

[0005] 风冷结构的动力电池系统特点是制造成本较低，控制容易。缺点是电池冷却的均匀性不佳，冷却风扇噪音大，NVH性能不好，不能安装在电动汽车的外部位置，特别是动力电池箱体上必须留有进出风口，箱体无法做到完全密封，都影响到了风冷动力电池系统的使用。

[0006] 液冷结构的动力电池系统特点是电池冷却的均匀性好，冷却效果一致，电池箱体可以设计成完全密封式结构，不存在漏水风险，因此几乎可以安装在电动汽车的工作环境相对较差的位置(如地板下面)而不用担心漏水风险。缺点是设计制造成本较高，冷却系统制造难度高，一旦冷却液管道泄漏会造成严重的绝缘问题。

发明内容

[0007] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种动力电池温度控制系统的设计方法；采用该设计方法设计的动力电池温度控制系统可以在较短的时间内将低温下的动力电池加热到正常工作的温度，而且加热能量来源非常灵活。同时，本发明还提供了一种动力电池温度控制系统。

[0008] 本发明是通过如下技术方案实现的：

[0009] 一种动力电池温度控制系统的设计方法，具体包括以下步骤：

[0010] (1)根据动力电池箱体的安装布置结构，以及动力电池箱体内部电池模组的布置方式，构建动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

[0011] 其中，动力电池箱体热仿真计算的几何模型包括多个电池单体、冷却板、导热板和加热装置，冷却板设置在相邻的电池单体之间，导热板连接在冷却板的下部，并与加热装置连接在一起；

[0012] (2)在有限元软件环境下建立动力电池箱体的热仿真计算模型，方式可以是利用其他三维CAD软件建立第一步描述的动力电池箱体热仿真计算的几何模型并导入到有限元软件，或者直接利用有限元软件的几何建模功能建立第一步描述的动力电池箱体热仿真计算的几何模型；针对此动力电池箱体热仿真计算的几何模型，将动力电池的参数和材料，以及初始设置的动力电池连接方式代入动力电池箱体热仿真计算的几何模型，将动力电池箱体的不同工作模式下的循环工况作为输入，得到动力电池箱体的热仿真计算模型；

[0013] (3)由动力电池箱体的热仿真计算模型，计算不同工况下动力电池的发热量，分析得到动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；

[0014] (4)根据上一步分析得到的不同工况下动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性，以提高动力电池模组不同工作模式下的温度一致性为目标，优化设计电池模组的结构设计和流场设计，即优化设计动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

[0015] (5)根据上一步优化设计过的动力电池箱体热仿真计算的几何模型，确定动力电池温度控制方式和保护方法；

[0016] (6)将上一步确定的动力电池温度控制方式和保护方法，增加到第二步动力电池箱的热仿真计算模型，即增加满足电池低温加热需求的电池加热器的加热功率参数，再次进行分析计算，得到不同工况下动力电池的发热量，分析得到动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；

[0017] (7)判断上一步的结果是否满足动力电池箱的温度控制要求，若满足则完成系统设计，若不满足则转入第四步。

[0018] 进一步的，所述动力电池的发热量计算公式为： 其中Vw为高温冷却和低温加热情况下的冷却液的循环量；QW为需要冷却液带走的热量；Δtw为冷却液在冷却系统中循环时的容许温升，对强制循环冷却系统，Δtw＝6～12℃；γw为冷却液的比重；
Cw为冷却液的比热。

[0019] 进一步的，所述冷却液为空气。

[0020] 进一步的，所述冷却液的需要量Va计算公式为： 其中Qa为散热器的空气散热量，Δta为空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，γa为空气的重度；cp为空气定压比热。

[0021] 进一步的，所述散热器平均换热温差的计算方法为：

[0022] 其中，Δtmax和Δtmin分别代表按照逆流布置时的冷热流体的温差的最大值和最小值，ψ是小于1的修正系数。

[0023] 本发明还同时提供了一种根据动力电池温度控制系统的设计方法设计的动力电池温度控制系统，包括用于提供加热电源的充电机、充电继电器、电池的充电电路、加热继电器、加热装置、冷却板、导热板和加热电路；冷却板设置在相邻的电池单体之间，导热板连接在冷却板的下部，并与加热装置连接在一起；所述加热继电器控制所述加热电路的通断；所述充电继电器控制所述充电电路的通断，充电状态时断开所述加热电路，加热状态时断开所述充电电路。

[0024] 本发明具有如下有益效果：

[0025] 1、本发明所提供的动力电池温度控制系统的设计方法通过动力电池箱体的热仿真计算模型，计算不同工况下动力电池的发热量，以及分析动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；以提高动力电池模组不同工作模式下的温度一致性为目标，不断优化设计电池模组的结构设计和流场设计，从而获得了最优的温度控制系统方案。该设计方法具有可靠性高，实用性强等特点，可广泛应用于动力电池温度控制系统的设计。

[0026] 2、本发明提供的动力电池温度控制系统的加热能量来源非常灵活，可以来自于车载充电机提供的充电功率，也可以来自于直流充电桩提供的充电功率，甚至在动力电池存储的能量较多的情况下，利用动力电池本身的能量为电池加热器提供加热功率，动力电池在为电池加热器提供加热功率的同时，温度也在迅速升高,可以在更短的时间内完成动力电池从低温加热到合适的工作温度。

[0027] 3、本发明提供的动力电池温度控制系统可以使得电动汽车在低温环境下正常充电和使用，大大拓宽了电动汽车的使用环境，使得电动汽车可以在低温环境下有近似常温环境的动力性能。

[0028] 4、本发明提供的动力电池温度控制系统充分考虑了动力电池的加热需求，性能安全可靠，而且能保证整个加热过程不会失控，不会引起可能的危险，比如动力电池的爆炸，起火等事故等。

附图说明

[0029] 图1为动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

[0030] 图2是本发明的动力电池温度控制系统的原理图；

[0031] 图3是对动力电池进行温度控制的较佳实施例流程图；

[0032] 图4是图3中中间继电器检测控制流程图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0034] 本发明提供了一种动力电池温度控制系统的设计方法，具体包括以下步骤：

[0035] (1)根据动力电池箱体的安装布置结构，以及动力电池箱体内部电池模组的布置方式，构建动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

[0036] 其中，动力电池箱体热仿真计算的几何模型如图1所示，包括多个电池单体1、冷却板2、导热板3和加热装置4，冷却板2设置在相邻的电池单体1之间，导热板3连接在冷却板2的下部，并与加热装置4连接在一起。

[0037] 当电池单体1温度过高时，加热装置4不工作，冷却板2将电池单体1表面的热量通过导热板3传到电池单体1的外部，实现冷却；

[0038] 当电池单体1温度过低无法正常工作时，通过加热装置4加热导热板3，导热板3反过来将热量通过冷却板2传递到低温的电池单体1的表面，来实现对低温电池的加热。

[0039] 导热板3通常采用铝制，贴近电池单体1一侧，铝制的导热板3不能影响电池的散热，同时还要尽量避免带来电池的绝缘问题。

[0040] 在加热装置4不工作的情况下，导热板3有利于动力电池的辐射散热。目前可以用来对于动力电池进行加热的加热装置4主要有PTC加热器和加热膜加热器两种。

[0041] (2)在有限元软件环境下建立动力电池箱体的热仿真计算模型，方式可以是利用其他三维CAD软件建立第一步描述的动力电池箱体热仿真计算的几何模型并导入到有限元软件，或者直接利用有限元软件的几何建模功能建立第一步描述的动力电池箱体热仿真计算的几何模型；针对此动力电池箱体热仿真计算的几何模型，将动力电池的参数和材料，以及初始设置的动力电池连接方式代入动力电池箱体热仿真计算的几何模型，将动力电池箱体的不同工作模式下的循环工况作为输入(例如电动汽车在NEDC工况下动力电池的需求功率)，得到动力电池箱体的热仿真计算模型；

[0042] (3)由动力电池箱体的热仿真计算模型，计算不同工况下动力电池的发热量，分析得到动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；

[0043] 具体分析方法为：将初始设置的动力电池低温加热功率和负载输入动力电池箱体的热仿真计算模型，仿真分析动力电池低温加热模式下的电池温升情况，从而分析温度分布的不一致性情况。

[0044] 所述动力电池的发热量计算公式为

[0045]

[0046] 其中Vw为高温冷却和低温加热情况下的冷却液的循环量；所述冷却液为空气；QW为需要冷却液带走的热量；Δtw为冷却液在冷却系统中循环时的容许温升，对强制循环冷却系统，Δtw＝6～12℃；γw为冷却液的比重；Cw为冷却液的比热。

[0047] 所述冷却液的需要量Va计算公式为： 其中Qa为散热器的空气散热量，Δta为空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，γa为空气的重度；cp为空气定压比热。

[0048] 所述散热器平均换热温差的计算方法为：

[0049]

[0050] 其中，Δtmax和Δtmin分别代表按照逆流布置时的冷热流体的温差的最大值和最小值，ψ是小于1的修正系数。

[0051] 与换热器结构形式、材料和制造质量有关，也和换热的冷热流体的物性及流动状态有关，一般较难得到精确的计算结果，需要结合实验确定。

[0052] 热面积的设计计算：

[0053] 据冷却空气量Va计算散热芯的正面积： 式中：Va——散热器正面的空气流速(米/秒)。

[0054] 热器芯部厚度计算：根据上文计算得到的传热面积，计算芯部厚度：

[0055]

[0056] 低温充电需要获取动力电池的温度，加热器的温度，环境温度，冷却液的入口温度，冷却液的出口温度，冷却液的循环量等参数。动力电池低温加热控制系统根据动力电池的温度和加热器温度的差值，控制加热器的加热功率；用瞬态传导方程建立动力电池的加热模型进行仿真计算。

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061] 式中，ρ为材料密度，cp为质量定压热容，λ为热导率，T为温度，q为单位体积生热率。q(t)为电池加热时的热流密度，ΔT为电池表面温度和环境温度的差值。h为电池表面与空气的对流换热系数。

[0062] (4)根据上一步分析得到的不同工况下动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性，以提高动力电池模组不同工作模式下的温度一致性为目标，优化设计电池模组的结构设计和流场设计，即优化设计动力电池箱体热仿真计算的几何模型；

[0063] 其中，优化设计方法为：根据动力电池的热量不均匀性和电池模组之间的热量不均匀控制目标要求、动力电池箱体的NVH性能控制目标(来自于整车NVH控制目标分解，通常要求＜50dBA)，更改或增加动力电池箱体热仿真计算的几何模型中的冷却板和导热板几何尺寸、材质及填充材料；例如，以风冷结构电池箱为例，在满足动力电池热量控制目标的前提下，为了满足动力电池箱的噪声(NVH目标)，需要严格控制散热风扇的转速和噪声(按照散热风扇的规格书，不同的转速下对应不同的噪声值)，可以在电池箱体内部或进风道和出风道采用增加吸音棉或者隔声材料等方法。选用导热性能更好的导热材料、导热效果更均匀的导热板结构，就可以极大的降低电池加热器的功率，提高电池加热效率。在电池箱内部增加保温材料和其他多种隔热装置，也可以有效的减少低温环境下，动力电池加热能量的散失。

[0064] (5)根据上一步优化设计过的动力电池箱体热仿真计算的几何模型，确定动力电池温度控制方式和保护方法；例如，在根据动力电池可以正常工作的温度阀值(＜55℃)，根据电池冷却板和电池表面材料的导热率，确定加热板的最高加热温度，防止将动力电池加热到危险的温度范围。在发现电池的加热板有过温的趋势，则通过控制器切断加热电路的方式保护动力电池，或者选用耐干烧能力较强的电池加热器，即使在电池加热器干烧的情况下，电池加热器的温度也会被限制在一个温度范围内，不会发生热失控引发电池过温危险。

[0065] 如果动力电池在加热过程中温度超过控制阀值，需要冷却，动力电池低温加热系统则停止工作，切换到动力电池冷却控制系统工作状态，启动循环冷却系统进行动力电池温度冷却，在规定的时间内，将动力电池的温度降到控制的温度范围内；采取有效的措施防止动力电池低温加热过程中温度失控现象发生，必要时紧急切断低温加热电路。

[0066] (6)将上一步确定的动力电池温度控制方式和保护方法，增加到第二步动力电池箱的热仿真计算模型，即增加满足电池低温加热需求的电池加热器的加热功率参数，再次进行分析计算，得到不同工况下动力电池的发热量，分析得到动力电池模组之间温度分布的不一致性情况和动力电池表面流量不均匀性；

[0067] (7)判断上一步的结果是否满足动力电池箱的温度控制要求，若满足则完成系统设计，若不满足则转入第四步。其中，动力电池箱的温度控制要求是不同环境温度下，动力电池在工作时的温度始终维持在正常工作温度范围内，即10℃-40℃。

[0068] 本发明同时还提供了一种动力电池温度控制系统，如图2所示，包括用于提供加热电源的充电机、充电继电器K1、电池的充电电路、加热继电器K2、加热装置4、冷却板、导热板和加热电路R；其中，冷却板设置在相邻的电池单体之间，导热板连接在冷却板的下部，并与加热装置4连接在一起；所述加热继电器K2控制所述加热电路R的通断；所述充电继电器K1控制所述充电电路的通断，充电状态时断开所述加热电路R，加热状态时断开所述充电电路。

[0069] 采用上述动力电池温度控制系统对动力电池进行温度控制的较佳应用实施例流程图如图3所示，包括步骤：车载充电机连接，系统判定是否自检通过，如果否，则结束；如果是，则唤醒动力电池管理系统。唤醒动力电池管理系统后，判断动力电池温度是否低于充电允许温度，如果是，则连通加热电路并加热动力电池；如果否，连通充电电路。连通加热电路并加热动力电池后，判断动力电池温度是否超过阀值Tthre1，如果否，则继续进入连通加热电路并加热动力电池流程；如果是，则切断加热电路，流程结束。连通充电电路后，进入充电流程，判断电池是否充满且判断电池温度是否超过阀值Tmax1，如果电池未充满且电池温度未超过阀值Tmax1，则进入充电流程；如果电池是否充满，则进入保温状态；如果电池温度超过阀值Tmax1，则切断充电电路。进入保温状态后，判断电池温度是否低于阀值Tthre2，如果是，则连通加热电路并加热动力电池；如果否，则进入保温状态。总结以上流程，则分为以下几个步骤：

[0070] (1)通过温度传感器获得动力电池和环境的温度，以确定是否需要启动加热电路；

[0071] (2)如果动力电池温度低于正常充电温度值Tmin，则在连接上车载充电机后，先启动加热电路，在动力电池温度上升到可以充电的阀值Tthre1后，切断加热电路，接通充电电路，在动力电池充电过程中，动力电池的温度会缓慢上升；

[0072] (3)如果动力电池在充电过程中，电池温度上升较快，则采取减少充电电流的方法，降低动力电池的发热量，减少动力电池的温升；

[0073] (4)如果动力电池在充满电后，则切断充电电路，进入保温模式；

[0074] (5)在保温过程中，如果持续了一段时间后，动力电池的温度低于正常使用的阀值Tthre2，则闭合加热电路，给动力电池加热；

[0075] (6)如果加热过程中，动力电池的温度升高到允许的加热温度上限值Tmax1，则立即切断加热电路，停止加热。(NVH设计目标值宜≤45dBA；如果动力电池的为NCM(混合三元型)，则Tmin＝0℃；Tthre1＝10℃；Tthre2＝5℃；Tmax1＝50℃；)

[0076] 如图4所示的为图3中中间继电器检测控制流程图。中间继电器状态自检，自检内容为继电器的触点状态、中间继电器的控制电压、钥匙信号、HVIL(High  Voltage Interlock)回路状态等。中间继电器状态自检后，进行信号比对错误，如果信号比对错误，则在＜T的时间内，反复检验＞N次；如果信号比对正确，则继续进行中间继电器状态自检。在＜T的时间内反复检验＞N次后，确认信号比对错误，则进行高压下电流程，断开主正继电器；在＜T的时间内反复检验＞N次后，否认信号比对错误，则继续进行中间继电器状态自检。高压下电流程，断开主正继电器后，判断主正继电器是否断开，如果是，则高压下电，中间继电器断开，流程结束；如果否，则中间继电器断开，上报故障，流程结束(可以设置T≤
1000ms，N≥20)。

[0077] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。