CN104999923A - 牵引电池空气热管理控制*** - Google Patents

Abstract

公开了一种牵引电池空气热管理控制***。车辆牵引电池***可包括电池包、被构造为引导空气流向电池包的风扇以及控制器。所述控制器可被配置为：响应于预测的电池包温度大于第一预定温度，指导风扇以预定的基本上恒定的转速运转直到所述预测的电池包温度降低至第二预定温度之下，所述预定的基本上恒定的转速不随车速或发动机开启/关闭状态而变化。还提供了一种用于冷却车辆牵引电池***的方法，所述方法基于预测的电池包温度和产热率。

Description

牵引电池空气热管理控制***

技术领域

本公开涉及在车辆中使用的用于推进电池的热管理***。

背景技术

诸如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、轻度混合动力电动车辆(MHEV)或全混合动力电动车辆(FHEV)的车辆包含牵引电池，例如，高压(HV)电池，以用作车辆的推进源。HV电池可包括用于辅助管理车辆性能和操作的组件和***。HV电池可包括电池单元端子之间相互电连接的一个或更多个电池单元阵列和互连器汇流条。HV电池和周围环境可包括用于辅助管理HV电池组件、***和各个电池单元的温度的热管理***。

具有一个或更多个HV电池的车辆可包括估算描述HV电池和/或电池单元的当前运行状况的值的电池管理***。HV电池和/或电池单元操作状况可包括(例如)电池SOC、功率衰减(power fade)、容量衰减和瞬时有效功率(instantaneous available power)。在HV电池的寿命当中，电池管理***可能能够估算电池单元特性随电池单元老化而变化期间的值。一些参数的精确的估算可改善性能和稳定性，并且最终可延长HV电池的使用寿命。

发明内容

一种用于冷却车辆的牵引电池***的方法，包括：响应于预测的电池包温度大于预定的阈值，根据电池包产热率通过控制器调节电池冷却风扇的转速，从而针对给定的电池包产热率，风扇转速随着车速变化和发动机的停止/启动状态变化而保持基本上恒定。响应于预测的电池包温度小于另一个预定的阈值，控制器可根据车速或发动机的停止/启动状态调节电池冷却风扇的转速。响应于预测的电池包温度小于另一个预定的阈值，控制器可根据电池包产热率、车速和发动机的停止/启动状态调节电池冷却风扇的转速。所述预定的阈值和所述另一预定的阈值可彼此相等。所述预定的阈值可以是预定的电池包温度，其中，电池包被配置为在达到所述预定的阈值时停止作业或减小功率输入/输出。所述产热率可基于传输至所述***的电能与从所述***移除的电能之差以及所述***的内部能量变化。电池冷却风扇的转速可被调节为使得电池包温度被保持在所述预定的阈值之下。

一种车辆，包括马达、被构造为向马达供应电力的牵引电池包、被构造为引导空气流向牵引电池包的风扇以及至少一个控制器。所述控制器被配置为：为了将牵引电池包温度保持在预定的电池包断电温度之下，(i)响应于预测的牵引电池包温度超过第一预定值，基于牵引电池包的产热率设定风扇转速，使得针对给定的产热率，风扇转速随着车速变化和发动机的开启/关闭状态变化而保持基本上恒定，(ii)响应于所述预测的温度降低至第二预定值之下，基于车速或发动机的开启/关闭状态设定风扇转速。

所述控制器还可被配置为：为了将牵引电池包温度保持在预定的电池包断电温度之下，(i)响应于预测的牵引电池包温度超过第一预定值，基于牵引电池包的产热率设定风扇转速，使得针对给定的产热率，风扇转速随着车速变化和发动机的开启/关闭状态变化而保持基本上恒定，(ii)响应于所述预测的温度降低至第二预定值之下，基于车速或马达的开启/关闭状态设定风扇转速。第一预定值可等于或小于预定的电池包断电温度。第一预定值和第二预定值可彼此相等。响应于所述预测的温度降低至第二预定值之下，还可基于牵引电池包的产热量设定风扇转速。产热率可以基于传输至牵引电池包的能与从牵引电池包移除的能之差、离开牵引电池包的热的量以及牵引电池包的内部能量变化。

第一预定值可比第二预定值大。

一种车辆牵引电池***，包括电池包、被构造为引导空气流向电池包的风扇以及至少一个控制器。所述控制器被配置为：响应于预测的电池包温度大于第一预定温度，指导风扇以预定的基本上恒定的转速运转直到预测的电池包温度降低至第二预定温度之下，所述预定的基本上恒定的转速不随车速或发动机开启/关闭状态而变化。预测的电池包温度可基于电池包的产热率。产热率可基于电池包的热容量和电池包温度随时间的变化。产热率可基于电池包电压、电池包开路电压、电池包电流、电池包热传递系数、电池包温度以及电池包风扇进气管道内的空气的温度。第一预定温度可以是在达到该温度时电池包被配置为停止作业的温度。第一预定温度可以是电池包被配置为减小功率输入/输出的温度。

附图说明

图1是电池电动车辆的示意图。

图2是用于图1中的车辆的牵引电池的热管理***的一部分的透视图。

图3A是示出在一段时间上电池包温度曲线变化的曲线图。

图3B是示出在一段时间上用于图3A的电池包的热管理***的风扇转速曲线变化的曲线图。

图3C是示出在一段时间上包括图3A的电池包的车辆的车速曲线变化的曲线图。

图4是示出具有空气热管理***的电池电动车辆的示例的框图。

图5是示出用于图4的车辆的热管理控制***的操作的算法的流程图。

图6A是示出两个热管理控制***的两条电池包温度曲线之间的比较的曲线图。

图6B是示出图6A的两个热管理控制***的两条风扇转速曲线之间的比较的曲线图。

图6C是示出由图6A的两个热管理控制***所使用的车速的曲线图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅为示例并且其它实施例可采用多种和替代的形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可期望用于特定应用或实施方式。

图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)的示意图。典型的插电式混合动力电动车辆12可包括机械地连接到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置16机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14能够提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动***中通常将作为热损失掉的能量而提供燃料经济效益。由于混合动力电动车辆12可在一定条件下按照电动模式运转，因此电机14还可减少污染物排放。

牵引电池或电池包(battery pack)24储存可以被电机14使用的能量。牵引电池24通常从牵引电池24中的一个或更多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆)提供高电压直流(DC)输出。电池单元阵列可包括一个或更多个电池单元。牵引电池24通过一个或更多个接触器(未示出)电连接到一个或更多个电力电子模块26。所述一个或更多个接触器在断开时使牵引电池24与其它组件隔离，并在闭合时将牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间提供双向传输电能的能力。例如，典型的牵引电池24可以提供DC电压，而电机14可能需要三相交流(AC)电压来运转。电力电子模块26可以将DC电压转换为电机14所需要的三相AC电压。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电压转换为牵引电池24所需要的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱并且发动机18会不存在。

牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气***的能量。典型的***可包括将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应的DC/DC转换器模块28。其它高电压负载(例如，压缩机和电加热器)可直接连接到高电压而不使用DC/DC转换器模块28。在典型的车辆中，低电压***电连接到辅助电池30(例如，12V电池)。

电池电控制模块(BECM)33可与牵引电池24通信。BECM 33可用作牵引电池24的控制器，并且还可包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监控***。牵引电池24可具有温度传感器31，例如，热敏电阻或其它温度表。温度传感器31可与BECM 33通信，以提供关于牵引电池24的温度数据。

例如，车辆12可以是牵引电池24可通过外部电源36进行再充电的电动车辆，例如，插电式混合动力车辆或电池电动车辆。外部电源36可以连接到电源插座。外部电源36可电连接到电动车辆充电设备(electric vehicle supplyequipment(EVSE))38。EVSE 38可提供电路和控制以调节并管理电源36与车辆12之间的电能的传输。外部电源36可向EVSE 38提供DC电或AC电。EVSE 38可具有用于***到车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE 38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38交互，以协调向车辆12的电力传递。EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应的凹入匹配的插脚。

所讨论的各种组件可具有控制并监视组件的运转的一个或更多个相关联的控制器。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散的导体进行通信。

电池单元(例如，棱柱形的电池单元)可包括将储存的化学能转换为电能的电化学电池单元。棱柱形的电池单元可包括壳体、正极(阴极)和负极(阳极)。电解质可允许离子在放电期间在阳极和阴极之间运动，然后在再充电期间返回。端子可允许电流从电池单元流出以被车辆使用。当多个电池单元按照阵列定位时，每个电池单元的端子可与彼此相邻的相对的端子(正和负)对齐，汇流条可辅助便于多个电池单元之间串联连接。电池单元还可并联布置，从而类似的端子(正和正或者负和负)彼此相邻。例如，两个电池单元可被布置为正极端子彼此相邻，紧挨着的两个电池单元可被布置为负极端子彼此相邻。在该示例中，汇流条可接触所有的四个电池单元的端子。

可使用空气热管理***或本领域中所知的其它方法来加热和/或冷却牵引电池24。图2示出了空气热管理***的一部分的一个示例。电池包壳体90(为了说明的目的以虚线示出)可包含牵引电池24(在本视图中未示出)以及靠近其的其它车辆组件，例如，DC/DC转换器模块28(在本视图中未示出)和BECM 33(在本视图中未示出)。空气热管理***可包括鼓风机单元92、第一管道***94、第二管道***96以及一个或更多个通风口98。鼓风机单元92的其它示例可包括风扇单元和/或气泵。电池包壳体进气口100和102可开向第一管道***94和第二管道***96，以便于与牵引电池24流体连通。通风口98可作为通向第一管道***94和第二管道***96的进气口。这样，通风口98可辅助促进车厢气候***与第一管道***94以及第二管道***96之间的流体连通。第二管道***96还可经由DC/DC转换器进气口104与DC/DC转换器模块28流体连通。

鼓风机单元92可被布置在牵引电池24和DC/DC转换器模块28的下游。此外，鼓风机单元92可被布置为靠近电池包壳体出气口106和DC/DC转换器模块出气口108，从而当沿第一方向启动鼓风机单元92时，抽吸牵引电池24、DC/DC转换器模块28上的空气并将空气从鼓风机出气口和/或排气口110排出。预期鼓风机单元92还可被布置在牵引电池24和DC/DC转换器模块28的上游。这里出气口还可被称作排气口。由于排气口110与鼓风机单元92流体连通，所以排气口110还可用作用于冷却电池包壳体90内的组件的空气的排气口。虚线和参考箭头112示出气流经由通风口98从车厢进入管道***、流经管道***和电池包壳体90并流经鼓风机单元92，然后从鼓风机排气口110排出的示例。线和参考箭头112是气流的非限制性示例。

不同的电池包构造可适用于解决各个车辆变量，车辆变量包括封装约束和功率需求。牵引电池24可设置在多个不同的位置，这些位置包括(例如)前座的下面、后座的下面或车辆后座的后面。然而，预期牵引电池24可设置在车辆12中的任何适合的位置处。

牵引电池24的温度是可影响车辆性能、电池单元寿命以及牵引电池24的允许充电和放电的参数。在使用空气热管理***的某些FHEV和MHEV中，鼓风机单元92可响应于诸如牵引电池24温度、车速和/或发动机开启/关闭状况的状况而运转。例如，鼓风机单元92的转速可响应于车速阈值而增大和/或减小。然而，在某些运转条件下(诸如当车辆12在制动、减速期间以较低的速度运转时以及发动机开启和关闭两种状况时)，增大的鼓风机单元92转速还可产生不期望的对噪声、振动和粗糙度(“NVH”)的关注。

图3A至图3B是示出热管理控制***响应于车速随时间(如由x-轴所表示的)变化而指导风扇输出的操作的情形的示例的曲线图。在图3A中，y-轴表示电池包温度。在该情形中，最大温度150表示用于触发切断电池包的电力的预定的电池包温度，使得电池包停止操作或降低电池包的电力电平输出。电池包温度152表示在车辆运转期间测得的实际的电池包温度。在图3B中，y-轴表示风扇转速。风扇转速154表示在车辆运转期间测得的实际的风扇转速。在图3C中，y-轴表示车速。在车辆运转期间测得实际的车速156。

现在参照1880秒至1900秒之间的时间段，电池包温度152正在增大并接近最大温度150。然而，示出车速156正在减小，这可能是在(例如)响应于制动***的应用。因为风扇转速154正在响应于车速156而运转，所以风扇转速154相应地减小，导致以下的结果：从风扇得到的针对电池包温度152的任何冷却益处都减少，并且电池包温度152继续增大并超过最大温度150。达到和/或超过最大温度150可触发电池包关闭，这可能影响车辆性能。至少两个因素可导致这种情形：(i)风扇转速的运转控制取决于如由实时温度传感器报告的电池包温度，并不考虑预期的和/或预测的电池包温度，这可导致对电池包温度变化的反应延迟；(ii)由于考虑到风扇NVH，因此风扇转速与车速相关联并不考虑最大温度150电池包的关闭。然而，可通过将控制***策略调整为包括基于电池包产热率的预期的和/或预测的电池包温度来克服这些因素。

例如，图4示出可包括用于电池包202的热管理***的车辆200。热管理***可以是使用风扇204引导空气流向电池包202以辅助管理电池包202的热状况的空气***。温度传感器206可与电池包202通信以测量电池包实际的温度。车辆计算机处理单元(“CPU”)208可与多个车辆组件210通信，使得车辆CPU 208可接收关于车辆组件210的信息并还指导车辆组件210的操作。车辆组件210的示例可包括发动机、马达、传动装置、电机和用于确定车速的传感器。控制器212可与车辆CPU 208和温度传感器206通信，以接收关于车辆组件210的信息和电池包202的温度。控制器212还可与风扇204通信以指导其运转。

可通过检查电池包202的被滤波的电池包温度的变化率和/或通过计算电池包202的电池包产热率而计算电池包202的预测的电池包温度。当测量电池包温度时，温度传感器206还会暴露于来自(例如)可能位于温度传感器206附近的车辆组件210的高频噪声。这样，来自温度传感器206的信号可通过低通滤波器而被滤波以分离高频噪声，因此获得被滤波的电池包温度，所述被滤波的电池包温度可用于计算预测的电池包温度。因为电池包温度的变化与电池包内的电池包热能变化成比例，所以预测的电池包温度变化可通过检查在电池包202的当前时间滑窗(present time sliding window)内电池包内部累积的电池产热量来评估。例如，基于电池包202的热管理***的能量平衡，电池包内保持的电池包产热量可取决于电池包202内的电池单元的电能输入与电能输出之差、内部电能变化以及电池包的输入热与输出热之差。计算式可表示为：

电池包产热量＝(输入电能–输出电能)–(内部电能变化)+(输入热–输出热)

这里，电池包产热量被定义为由于电离子流动阻力和化学反应而在电池包内部产生的电池包热量，所述电池包热量可以是导致电池包温度变化的能。

由电池包202的操作所产生的总的热量可表示为：

在这个表达式中，V等于电池包电压，OCV等于电池包开路电压，I等于电池包电流，t等于时间。

由电池包202的操作所产生和传递的总的热量还可表示为：

(输出热-输入热)+电池包热能变化

电池包202的输出热与输入热之差可表示为：

在这个表达式中，h等于电池包热传递系数，T_cell等于电池包温度，T_fan inlet等于电池包202的进气管道内的空气的温度，t等于时间。

电池包产热量可指电池包内部的电池包产热量，所述电池包内部的电池包产热量是电池包202的电池包热能变化，电池包热能变化可表达为：

电池包热能变化＝αΔT

在这个表达式中，α等于电池包热容量，T是电池包温度。因此，给定的时间段Δt的电池包温度变化可表示为：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{d}{\∫}_t^{t+\mathrm{\Δt}}\{(V-\mathrm{OCV})I-h(T_{\mathrm{cell}}-T_{\mathrm{faninlet}})\}\mathrm{dt}$

图5示出了用于热管理控制***的算法的示例。该算法总体上由标号250指示。控制器212可包括关于预定的高***温度阈值(high bang temperaturethreshold)和预定的低***温度阈值的指令。例如，响应于电池包202温度和/或预测的电池包202温度超过高***阈值温度和/或降低至低***阈值温度之下，所述指令可触发一个或更多个热管理控制***操作。操作252可包括计算预测的电池包202温度变化率，电池包202温度变化率可表示为：

$\frac{1}{\mathrm{\α}}(V-\mathrm{OCV})I-h(T_{\mathrm{cell}}-T_{\mathrm{faninlet}})$

控制器212可接收关于电池包202电压(V)、电池包开路电压(OCV)、电池包202电流(I)、电池包202温度(T_cell)和风扇204处的空气的温度(T_{fan inlet})的信息。然后，控制器212可计算预测的电池包202温度在给定的时间段上变化的曲线。如果预测的电池包202温度预测比预定的高***阈值大，则在操作254中控制器212可基于产热率设定风扇204转速。例如，风扇204转速可设定为最大等级，使得风扇204可向电池包202提供增多的气流，以辅助防止电池包202温度达到高***阈值。

可选择地，在关于预测的电池包202温度的计算期间控制器212还可执行加权函数。加权函数是在(例如)执行加法、积分或平均值算法时所使用的数学方法，以给一些元素赋与比同一组中的其它元素更大的“权重(weight)”或使一些元素比其他元素相比对结果有更大的影响。例如，控制器212可基于从包括I、OCV、V、T_cell和T_fan inlet的数据计算的产热率的发生时间来估算电池包202的温度。更新的数据可比旧的数据更相关，因此，控制器212在积分计算预测的电池包202温度和电池包202的产热率时向更加新的数据分派不同的值。

在操作256中，控制器212可确定预测的电池包202温度是否低于低***阈值。如果预测的电池包202温度低于低***阈值，则在操作258中控制器212可基于产热量和/或其它状况(例如，车速、发动机或马达的开启/关闭状态以及电池包202温度)而设定风扇204转速。如果在操作256中预测的电池包202温度不低于低***阈值，则在操作260中控制器212可确定当前风扇204转速是否基于电池包202的产热率，然后，基于所述确定相应地返回到操作254或操作258。这样，电池包202的热管理控制***可响应于预测的电池包202温度大于预定的高***阈值而根据电池包202产热率调节风扇转速，从而针对给定的电池包202产热率，风扇204转速随着车辆200的速度变化而保持基本上恒定。此外，电池包202的热管理控制***可响应于预测的电池包202温度降低至预定的高***阈值之下而基于产热量和/或电池包202温度以及其它状况(例如，车速和发动机开启/关闭状态)设定风扇204转速。

图6A至图6C是示出利用具有风扇的空气冷却***的两种热管理控制***策略之间的对比在给定的一段时间(如由x-轴所表示的)上的变化的曲线图。第一控制***300基于车速指导风扇转速的运转。第二控制***302基于电池包产热率和预测的电池包温度而指导风扇转速的运转(如上面所描述的以及如图4和图5所示)。在图6A中，y-轴表示电池包温度，预定的高***阈值可由线303表示。在图6B中，y-轴表示风扇转速。在图6C中，y-轴表示控制***300和控制***302两者共用的车速。在图6B中，现在参照开始于1500秒并向前移动的时间段，示出控制***302将风扇转速设定为不根据如图6C所示的车速而变化的恒定转速。这样，控制***302可管理电池包温度，从而将电池包温度保持在预定的高***阈值之下，同时示出控制***300的电池包温度超过预定的高***阈值，这可导致触发电池包的断电。

虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前面所描述的，可以对各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或说明的进一步的实施例。虽然关于一个或更多个期望的特性，各个实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员意识到，根据具体应用和实施方式，可以折衷一个或更多个特点或特性，以实现期望的整体***属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、维修保养方便性、重量、可制造性、易组装性等。这样，关于一个或更多个特性，被描述为不如其它实施例或现有技术的实施方式合意的实施例不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定的应用。

Claims (7)

1.一种用于冷却车辆的牵引电池***的方法，包括：

响应于预测的电池包温度大于预定的阈值，根据电池包产热率通过控制器调节电池冷却风扇的转速，从而针对给定的电池包产热率，风扇转速随着车速变化和发动机的停止/启动状态变化而保持基本上恒定。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于预测的电池包温度小于另一个预定的阈值，根据车速或发动机的停止/启动状态调节电池冷却风扇的转速。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预定的阈值和所述另一预定的阈值彼此相等。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于预测的电池包温度小于另一个预定的阈值，根据电池包产热率、车速和发动机的停止/启动状态调节电池冷却风扇的转速。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定的阈值是预定的电池包温度，其中，电池包被配置为在达到所述预定的阈值时停止作业或减小功率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，电池包产热率基于传输至牵引电池***的电能与从牵引电池***移除的电能之差和牵引电池***的内部电能变化。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，电池冷却风扇的转速被调节为使得电池包温度被保持在所述预定的阈值之下。