CN102376995A - 用于电动车辆中蓄电池冷却***的优化设计和运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电动车辆中蓄电池冷却***的优化设计和运行的方法。一种用于控制电动车辆蓄电池组中的温度的方法和***，从而维持了蓄电池组的长寿命，同时最大化车辆行驶里程。控制器规定了蓄电池组中的最大允许温度，该温度是电荷状态的函数，反映了可允许锂离子蓄电池组的温度随着电荷状态的减少而增大且不会产生对蓄电池寿命有害的影响的根据。在车辆驾驶期间，允许蓄电池组温度随电荷状态的减少而提高，并且冷却***仅在必要时用以维持温度位于增加的最大数值以下。降低冷却***的使用减少了能量消耗并且增大了车辆行驶里程。在充电操作期间，冷却***必须从蓄电池组中移走足够多的热量以维持温度低于降低的最大值，但这对行驶里程没有影响。

Description

用于电动车辆中蓄电池冷却***的优化设计和运行的方法
技术领域
本发明总体涉及一种电动车辆蓄电池组的热量管理，以及，更加特别地，涉及一种用于管理电动车辆蓄电池组中的温度的方法和***，其允许蓄电池组中的最大温度随蓄电池组电荷状态下降而升高，从而减少了花费在冷却蓄电池组和最大化车辆行车里程的能量，同时还优化了蓄电池组寿命。
背景技术
在今天的车辆市场中电动车辆迅速流行起来。电动车辆提供了几个令人满意的特征，例如在消费者层级消除了排放和石油基燃料的使用，以及潜在地降低了运行成本。电动车辆的关键部件是蓄电池组，其可相当于大部分的车辆成本。在这些车辆中的蓄电池组通常由许多相互连接的单格电池组成，在相对高的电压下运行，并且按需传递大量功率。蓄电池组寿命最大化是电动车辆的设计和操作中的关键的必须考虑的问题。
为了最大化蓄电池组的寿命，在充电和放电期间必须控制蓄电池组中的温度以便其不会超过一定的数值。现有电动车辆的控制***通常不考虑电荷状态而规定在蓄电池组中的最大允许温度，并且使用车载热量管理***以防止蓄电池组温度上升超过规定的界限。然而，在驾驶操作期间使用热量管理***来提取热量会消耗能量，其减损了车辆的行车里程。现在已经观察到，当锂离子蓄电池组处于减少的电荷状态时，如果允许该蓄电池组的温度提升些许，锂离子蓄电池组的寿命不会显著降低。在较低的蓄电池组电荷状态下的较高的允许温度允许减少热量管理***的能量使用。
在此有机会采用蓄电池组冷却方法，其确保最优的蓄电池组寿命，而且还通过不消耗能量以从蓄电池组中移走热量(如果该热量对蓄电池组无害)来最大化车辆行车里程。此种方法可以通过使用更小的冷却***为电动车辆的制造商节约成本，并且通过增加车辆行车里程而提高用户满意度。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于控制电动车辆蓄电池组中的温度的方法和***，从而维持了蓄电池组的长寿命，同时最大化车辆行车里程。控制器规定蓄电池组中最大允许温度为蓄电池组的电荷状态的函数。这个控制策略反映了可允许锂离子蓄电池组的温度随电荷状态的减少而增大且不会对蓄电池组寿命有不利的影响的根据。在车辆驾驶操作期间，随着电荷状态的减少允许蓄电池组的温度升高，并且蓄电池组冷却***仅在必要时使用以维持蓄电池组温度在增加的最大数值之下。减少蓄电池组冷却***的使用减少了能力消耗并且增加了车辆行驶里程。在充电操作中，冷却***必须从蓄电池组移走足够的热量来维持温度低于最大值，所述最大值随电荷状态的增加而减少—但这不影响车辆行驶里程，因为蓄电池组冷却***在充电期间由电网供电。
结合附图，本发明的附加特征将通过下面的描述和附加权利要求而变得明显。
本申请也提供了下述方案：
方案1.用于蓄电池组热量管理的方法，所述方法包括：
定义蓄电池组中的最大允许温度，该温度是蓄电池组电荷状态的函数，其中定义的最大允许温度随着电荷状态的减少而增加；
在蓄电池组放电和蓄电池组充电期间测量蓄电池组中的温度和蓄电池组的电荷状态，其中最后测得的电荷状态被指定为当前电荷状态；和
控制蓄电池组中的温度以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案2.根据方案1的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在放电期间允许蓄电池组中的温度随蓄电池组的电荷状态的下降而上升，并且仅在必要时从蓄电池组移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案3.根据方案1的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案4.根据方案3的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量直到蓄电池组中的温度低于满电荷状态状况时的最大允许温度。
方案5.根据方案3的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量直到蓄电池组中的温度低于比满电荷状态状况时的最大允许温度低的温度。
方案6.根据方案1的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括控制穿过蓄电池组以从该蓄电池组移走热量的冷却流体流。
方案7.根据方案1的方法，其中蓄电池组用在电动车辆中。
方案8.根据方案1的方法，其中蓄电池组是锂离子蓄电池组。
方案9.一种用于电动车辆中的锂离子蓄电池组的热量管理的方法，所述方法包括：
定义蓄电池组中的最大允许温度，该温度是蓄电池组的电荷状态的函数，其中定义的最大允许温度随电荷状态的减少而增加；
在蓄电池组放电和蓄电池组充电期间测量蓄电池组中的温度和蓄电池组的电荷状态，其中最后测得的电荷状态被指定为当前荷电状态；和
控制蓄电池组中的温度以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度，其中控制蓄电池组中的温度包括在放电期间允许蓄电池组中的温度随蓄电池组的电荷状态的下降而上升，并且仅在必要时从蓄电池组移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案10.根据方案9的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案11.根据方案10的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量直到蓄电池组中的温度低于满电荷状态状况时的最大允许温度。
方案12.根据方案10的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量直到蓄电池组中的温度低于比满电荷状态状况时的最大允许温度低的温度。
方案13.根据方案9的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括使用热量存储***，该热量存储***使用来自蓄电池组的热量根据需要来加热车辆的内部空间，并且将余热驱散至外界环境。
方案14.根据方案9的方法，其中控制蓄电池组中的温度包含控制穿过蓄电池组以从该蓄电池组移走热量的冷却流体流。
方案15.用于向设备提供电能的蓄电池组的热量管理***，所述热量管理***包括：
多个传感器，其用于测量蓄电池组的电荷状态和蓄电池组中的温度，其中最后测得的电荷状态被指定为当前电荷状态；
用于从蓄电池组中移走热量的冷却***和冷却管线；和
用于管理蓄电池组中的温度的控制器，其中控制器设置为根据蓄电池组的电荷状态控制蓄电池组的温度，从而最大允许温度随电荷状态的减少而增大，并且控制器使用冷却***和冷却管线来控制蓄电池组中的温度。
方案16.根据方案15的热量管理***，其中控制器设置为在放电期间允许蓄电池组中的温度随蓄电池组中的电荷状态的下降而升高，并且仅在必要时使用冷却***以从蓄电池组中移走热量从而防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案17.根据方案15的热量管理***，其中控制器设置为在充电期间使用冷却***从蓄电池组移走热量来防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
方案18.根据方案17的热量管理***，其中控制器设置为在充电期间使用冷却***从蓄电池组移走热量直到蓄电池组中的温度低于比满电荷状态状况时的最大允许温度低的温度。
方案19.根据方案15的热量管理***，其中蓄电池组是锂离子蓄电池组并且所述设备是电动车辆。
方案20.根据方案19的热量管理***，其中冷却***是热量存储***，所述热量存储***使用来自蓄电池组的热量来根据需要加热车辆的内部空间，并且将余热驱散至外界环境。
附图说明
图1是电动车辆蓄电池组热量管理***的示意图；
图2是按照本发明的作为电荷状态的函数的蓄电池组中最大允许温度的曲线图；和
图3是用于在驾驶操作和充电操作期间管理蓄电池组中的温度的过程的流程图。
具体实施方式
本发明的致力于一种用于电动车辆中蓄电池组冷却***的优化设计和运行的方法的实施例的下述讨论本质上只是示例性的，并且决不是意在限制发明或其应用或使用。例如，本发明具有针对电动车辆的蓄电池组的具体应用，但还可同等地应用于汽油/电动混合动力车辆的蓄电池组，多用途车辆的蓄电池组，诸如铲车，和非基于车辆的蓄电池组。
在电动车辆的设计中蓄电池组的长寿命和车辆行驶里程是两个关键考虑因素。本领域中众所周知高温对蓄电池组有害，并且几乎所有类型的蓄电池组在车辆驾驶操作期间被放电时会产生热量。因此，电动车辆通常包含车载冷却***，或热量管理***，以维持蓄电池组的温度低于一定的数值，其被认为可能会延长蓄电池组的寿命。在现有电动车辆中的热量管理***规定了蓄电池组中单一的最大允许温度，并且必要时启动冷却***以维持蓄电池组温度位于这个固定界限之下。然而，蓄电池组冷却***的运行耗费能量，其减损了车辆的行驶里程。
最近的测试已经揭示锂离子蓄电池组的寿命是蓄电池组的温度和蓄电池组的电荷状态的函数，其中当蓄电池组处于高电荷状态时如果经历某一温度就可能有害于蓄电池组寿命，但当蓄电池组处于低电荷状态时如果经历同样的温度则根本不会损害蓄电池组的寿命。本发明将这个现象运用于被设计的热量管理***以维持蓄电池组的长寿命，也通过审慎地使用冷却***和在行驶期间允许蓄电池组中的温度随电荷状态的降低而些许升高来最大化电动车辆行驶里程。
图1是电动车辆蓄电池组热量管理***10的原理图。车辆12使用电动马达(未示出)作为推进，由蓄电池组14为马达提供的电能。蓄电池组14配备了多个传感器16，包含监测蓄电池组14的温度和电荷状态的装置。其它参数也可通过传感器16监测，并且温度和电荷状态可通过传感器16在遍及蓄电池组14的多个位置处来测量。如下所述，冷却***18用于必要时从蓄电池组14移走热量以维持蓄电池组14中的温度位于或低于随电荷状态而变化的规定的数值。冷却***18通过冷却剂管线20连接至蓄电池组14，冷却剂管线20将已冷却的冷却剂传递至蓄电池组14并且将较热的冷却剂返回至冷却***18。冷却***18可以是适合于此处所述目的的任何类型，包括传统的基于制冷剂的***，通过冷却剂管线20传递辅助流体的二级***，热量存储***，该热量存储***将来自蓄电池组14的热量存储于流体中并且要么通过散热器将热量驱散至外界环境要么利用该热量加热车辆12内部，以及其它类型。
控制器22用于基于由传感器16监测的蓄电池组14内的状况来控制冷却***18。控制器22与传感器16和冷却***18经由有线或无线连接来通讯。根据下述讨论，控制器22设置为必要时启动冷却***18以从蓄电池组14中移走热量以便于维持蓄电池组14内的温度位于或低于规定的数值，其中规定的最大温度取决于蓄电池组14的电荷状态。
图2是展示了作为电荷状态的函数的蓄电池组14中的最大允许温度的曲线图40。曲线图40在水平轴42上绘制了蓄电池组14的电荷状态，并且在垂直轴44上绘制了蓄电池组14中的最大允许温度。曲线46展示了在任意特定的电荷状态下可由热量管理***10中的控制器22所允许的蓄电池组14中的最大温度。可以看见在点48处的最大允许温度是最低的，该处蓄电池组14是完全充满电的。当电荷状态较低时，在点50处，最大允许温度比在点48处高。以及在点52处，此处蓄电池组14几乎是完全被放电的，最大允许温度最高。
曲线46的形状，展示了作为电荷状态的函数的最大允许蓄电池组温度，是由两个函数关系推导出的。第一个关系是作为温度和电荷状态的函数的蓄电池组的退化速率。已有数据示出了如果电荷状态越高则在特定温度下退化速率越高。该数据可由测试、工程分析或仿真、或其它源头获得。第二个关系是典型用户的预期电荷状态驻留分布；换言之，典型用户的蓄电池组14在接近完全充电的情况下维持多长时间，接近半充电的情况下维持多长时间，几乎完全放电的情况下维持多长时间，等等。这个数据可由实地试验、实际用户车辆使用、或其它源头获得。曲线46的最佳形状将允许较高的最大蓄电池组温度，这样将最小化热量管理的付出同时仍然维持蓄电池组寿命，并且也产生所有用户的均匀退化速率。
如下，运用了在曲线46中所见现象的控制策略可提高车辆12的行驶里程，同时防止蓄电池组14的过度退化。考虑这种情形：蓄电池组14处于满电并且温度与曲线图40上的点48所描绘的一致，这种情形可能在当车辆12在白天期间被停在停车场且***电插座进行充电时出现。在驾驶员驾驶车辆12时，热量在蓄电池组14中产生，因此升高了温度。传统的电动车辆热量管理***将不允许蓄电池组14的温度升高至超过点48所展示的温度，并且因此将立即启动冷却***18来防止温度升高。
然而，本发明的控制器22将监视蓄电池组14的温度和电荷状态。控制器22将允许蓄电池组14的温度随电荷状态的下降而升高，从而最大温度决不会超过由曲线46所确定的数值。例如，当蓄电池组14大约放电一半时，可能的情况是蓄电池组14中的实际温度达到曲线46的点50处。在那时，冷却***18将被启动并且蓄电池组14的温度将在行驶和放电操作持续期间被维持在曲线46处或低于曲线46。控制器22采用的控制策略不仅延迟了冷却***18的启动，也允许冷却***18在比传统电动车辆热量控制***所要求的更轻的工作循环上运行。减少冷却***18的使用的结果是节省能量，这将直接并且显著地提高车辆12的行驶里程。此外，减少冷却能力要求允许车辆12的制造商使用比传统电动车辆中的热量控制***所要求的更小，更轻，和成本更少的冷却***18。
当蓄电池组14需要再充电时，其可能处于如曲线图40上的点52所展示的高温和低电荷状态的状况。尽管不如放电所产生的热量多，但对蓄电池组14再充电也会产生热量。因此，当蓄电池组14再充电时，冷却***18必须运行以便于蓄电池组14中的温度随电荷状态的增加而持续降低。这可要求冷却***18的持续运行，但在充电操作期间这不是问题，因为车辆12***到了插座中并且经由电网为蓄电池组14充电和冷却***18运行两者提供电力。
图3是控制器22可使用的管理冷却***18的运行从而最大化车辆行驶里程同时保护蓄电池组14长寿命的过程的流程图80。在方框82处定义曲线46，其规定蓄电池组14中的最大允许温度，所述温度是电荷状态(SoC)的函数。虽然曲线46在曲线图40上示出为没有温度或电荷状态的给定值的一般形状，但在实际应用中曲线46可被具体地定义，从而可找出任意给出的从0％至100％的电荷状态对应的最大允许温度(例如，摄氏度)。
在判断菱形框84处，过程出现分支，这取决于车辆12是否在被驾驶或被充电。在驾驶操作期间，在方框86处，蓄电池组(BP)14的温度和电荷状态由控制器22持续地监测。在方框88处，只要蓄电池组14中的温度保持低于曲线46，则在驾驶操作期间就允许蓄电池组的温度随电荷状态的下降而升高。可能存在包含断续的驾驶或低环境温度的情况，其中蓄电池组14中的温度从未达到曲线46并且从不需要使用冷却***18。在方框90处，如果蓄电池组温度达到了曲线46，则在必要时启动并且运行冷却***18以维持由曲线46规定的温度，该温度会随着蓄电池组的电荷状态的下降将连续升高。
充电操作期间，在方框92处，蓄电池组14的温度和电荷状态由控制器22连续地监测。在方框94处，必要时启动并运行冷却***18以维持蓄电池组14的温度随电荷状态的升高而位于或低于曲线46。冷却控制策略的变化是可能的，包括一种方法，其中在充电期间仅在必要时运行冷却***以保持蓄电池组温度低于曲线46直到蓄电池组14在点48处完全充满电。另一种方法可以是以降低蓄电池组温度使其显著低于点48为目的，在充电期间连续地运行冷却***18。这个预冷却蓄电池组14的方法将允许更多随后的驾驶而不使用冷却***18，并且在高环境温度的环境中可能是一个好的策略。另一方面，在整个充电期间有可能根本不需要运行冷却***18。这在低环境温度的情况下有可能发生，尤其是在车辆12在驾驶后再充电开始前被凉透时。无论如何，在充电期间冷却策略是积极的还是保守的，充电和冷却都是由电网提供电力。
通过使用上述控制策略，可以实现显著改进电动车辆行驶里程，因为在行驶时没有不必要地消耗能量以从蓄电池组14移走热量。同时，通过使用减少了必须从蓄电池组14移走热量的速率的控制策略，冷却***18可被做成更小的，更轻的，更安静的，和更少成本——所有这些都对制造商和电动车辆的用户有好处。
本发明的一个另外的好处是在大范围的电动车辆用户和使用模式上蓄电池组14的寿命可更加一致并且可预测。减少的蓄电池组寿命的可变性源于曲线46遵循维持蓄电池组14位于低的并且相当一致的退化速率的模式的事实，而传统电动车辆蓄电池组热量管理***允许非常宽的退化速率变化，从而其大多数时间都以接近完全充电的状态度过的蓄电池组14比其大量时间都以较低电荷状态度过的蓄电池组具有短得多的寿命。通过本发明所展现的减少的蓄电池组寿命可变性允许电动车辆制造商提供蓄电池组租赁或更换方案，其既适用于制造商也适用于用户。
前述的讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将容易地从这些时论和相应的附图和权利要求中意识到在不背离本发明的实质和范围的情况下，可进行如下面的权利要求所定义的各种变化，修改和变形。

Claims (10)

1.用于蓄电池组热量管理的方法，所述方法包括：
定义蓄电池组中的最大允许温度，该温度是蓄电池组电荷状态的函数，其中定义的最大允许温度随着电荷状态的减少而增加；
在蓄电池组放电和蓄电池组充电期间测量蓄电池组中的温度和蓄电池组的电荷状态，其中最后测得的电荷状态被指定为当前电荷状态；和
控制蓄电池组中的温度以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
2.根据权利要求1的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在放电期间允许蓄电池组中的温度随蓄电池组的电荷状态的下降而上升，并且仅在必要时从蓄电池组移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
3.根据权利要求1的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
4.根据权利要求3的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量直到蓄电池组中的温度低于满电荷状态状况时的最大允许温度。
5.根据权利要求3的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括在充电期间从蓄电池组中移走热量直到蓄电池组中的温度低于比满电荷状态状况时的最大允许温度低的温度。
6.根据权利要求1的方法，其中控制蓄电池组中的温度包括控制穿过蓄电池组以从该蓄电池组移走热量的冷却流体流。
7.根据权利要求1的方法，其中蓄电池组用在电动车辆中。
8.根据权利要求1的方法，其中蓄电池组是锂离子蓄电池组。
9.一种用于电动车辆中的锂离子蓄电池组的热量管理的方法，所述方法包括：
定义蓄电池组中的最大允许温度，该温度是蓄电池组的电荷状态的函数，其中定义的最大允许温度随电荷状态的减少而增加；
在蓄电池组放电和蓄电池组充电期间测量蓄电池组中的温度和蓄电池组的电荷状态，其中最后测得的电荷状态被指定为当前荷电状态；和
控制蓄电池组中的温度以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度，其中控制蓄电池组中的温度包括在放电期间允许蓄电池组中的温度随蓄电池组的电荷状态的下降而上升，并且仅在必要时从蓄电池组移走热量以防止蓄电池组中的温度超过当前电荷状态的最大允许温度。
10.用于向设备提供电能的蓄电池组的热量管理***，所述热量管理***包括：
多个传感器，其用于测量蓄电池组的电荷状态和蓄电池组中的温度，其中最后测得的电荷状态被指定为当前电荷状态；
用于从蓄电池组中移走热量的冷却***和冷却管线；和
用于管理蓄电池组中的温度的控制器，其中控制器设置为根据蓄电池组的电荷状态控制蓄电池组的温度，从而最大允许温度随电荷状态的减少而增大，并且控制器使用冷却***和冷却管线来控制蓄电池组中的温度。
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