CN108963379B - 一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***及控制方法，该***包括依次连接形成电池加热/冷却水循环回路的第一膨胀水壶、第一水泵、第一三通水阀、PTC水暖加热器、第一冷却水温度传感器、电池冷却板、第二冷却水温度传感器、电池冷却器、第二三通水阀、第一膨胀水壶，电池冷却板设于动力电池处，动力电池中设有分别与动力电池内部的各电芯连接的多个电池温度传感器，第一三通水阀和第二三通水阀之间还设有与第一水泵和第一膨胀水壶串联线路的两端并联的循环支路，循环支路上设有第二膨胀水壶和第二水泵。与现有技术相比，本发明通过切换水冷板进水口与出水口，保持新能源汽车动力电池电芯温度良好的一致性，延长了电池使用寿命。

Description

一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车整车热管理技术，尤其是涉及一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***及控制方法。

背景技术

电动汽车技术日新月异，动力电池作为电动汽车的动力来源，是电动汽车重要的核心部件，故动力电池的运行状态十分重要。众所周知，电池是电化学的产物，电池的温度控制的好坏直接影响电池的运行状态。若电池温度过低，电池的活性降低，工作效率降低；若电池温度过高，则可能影响电池寿命和行车安全；若电池内部电芯温度差异过大，则会影响电池的使用寿命。所以动力电池的温度控制比较敏感，低温时需要加热，高温时需要冷却。

目前市场上主流的电池温度控制***为液冷方式，动力电池的加热和冷却主要是靠高压水加热器和电池冷却器(电池散热器)，通过加热和冷却电池水冷板的液体，利用水泵使得液体循环流动来加热和冷却动力电池。常见电池温度控制回路如图1所示，常见电池冷却板方案如图2～4所示。

我们知道，动力电池是由很多个电芯集成的，在电动汽车运行过程中电芯由于充放电或者自身故障经常出现温度分布不一致的情况，在加上现有液冷方案电池水冷板的进水口和出水口在设计完成后即锁定，在后续长时间的电池加热和冷却过程中，要保证冷却液和电池的换热效率，水冷板的温度分布并不均匀，这样就会不同电池电芯的温度分布不均匀，尤其是靠近电池水冷板进水口和出水口处的电芯，若长时间存在较大温差则会对电池寿命和电芯一致性会产生不良影响。

目前主要的电池加热和冷却的控制方法为：监测电池电芯温度中的最大值Tmax高于电芯设定值T1时，电池冷却功能开启直到电芯温度中最大值Tmax低于电芯设定值T2时关闭。监测电池电芯温度中的最小值Tmin低于电芯设定值T3时，电池加热功能开启直到电芯温度中最大值Tmin高于电芯设定值T4时关闭。在电池冷却的过程中，忽视了电芯最低温度和电芯间的温差导致电芯一致性和寿命影响。同样的，在电池加热过程中忽视了电芯最高温度和电芯间温差导致电芯一致性和寿命影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，包括依次连接形成电池加热/冷却水循环回路的第一膨胀水壶、第一水泵、第一三通水阀、PTC水暖加热器、第一冷却水温度传感器、电池冷却板、第二冷却水温度传感器、电池冷却器、第二三通水阀、第一膨胀水壶，所述电池冷却板设于动力电池处，所述动力电池中设有分别与动力电池内部的各电芯连接的多个电池温度传感器，所述第一三通水阀和第二三通水阀之间还设有与第一水泵和第一膨胀水壶串联线路的两端并联的循环支路，所述循环支路上设有第二膨胀水壶和第二水泵，所述电池冷却器还接在制冷剂循环回路中；

所述电池温度传感器、第一水泵、第一三通水阀、第二水泵、第二三通水阀、电池冷却器、PTC水暖加热器、第一冷却水温度传感器、第二冷却水温度传感器都与控制器连接。

优选的，所述制冷剂循环回路包括依次连接形成循环回路的压缩机、压力传感器、电池散热组件、第一电磁膨胀阀、电池冷却器、压缩机，所述压缩机、压力传感器、冷凝器和电池散热组件都与控制器连接。

优选的，所述电池散热组件包括冷凝器和冷却风扇，所述冷凝器分别与压力传感器和第一电磁膨胀阀连接。

优选的，还包括乘客舱冷却组件，所述乘客舱冷却组件包括蒸发器、鼓风机和第二电磁膨胀阀，所述蒸发器的一端接在电池冷却器和压缩机之间的线路上，另一端与第二电磁膨胀阀的一端连接，所述第二电磁膨胀阀的另一端接在所述第一电磁膨胀阀与电池散热组件之间的线路上，所述鼓风机设于蒸发器处。

一种上述新能源汽车动力电池温度控制***的控制方法，包括两种电池冷却水流通路径：

第一电池冷却水流通路径：第一膨胀水壶→第一水泵→第一三通水阀→PTC水暖加热器→第一冷却水温度传感器→电池冷却板→第二冷却水温度传感器→电池冷却器→第二三通水阀→第一膨胀水壶；

第二电池冷却水流通路径：第二膨胀水壶→第二水泵→第二三通水阀→电池冷却器→第二冷却水温度传感器→电池冷却板→第一冷却水温度传感器→PTC水暖加热器→第一三通水阀→第二膨胀水壶；

所述控制器根据电池温度传感器采集的温度信号开启电池加热或冷却功能，当电池加热或冷却功能开启时，电池冷却水按照所述第一电池冷却水流通路径运行，控制器根据设定温度和动力电池的实际温度进行功率调节；在电池加热或冷却功能开启及关闭的过程中，当采集的电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin的差值大于等于设定值时，控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值。

优选的，在电池加热或冷却功能开启的过程中，当采集的电芯的最高温度和最低温度的差值大于等于设定值时，所述控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值的过程具体包括：

a)若检测到ΔT＝Tmax-Tmin≥η，则电池冷却水流通路径切换到第二电池冷却水流通路径；b)持续X分钟后再次检测ΔT，若ΔT<η，则维持当前冷却水流通路径，否则，切换到另一条电池冷却水流通路径；c)重复步骤b)直至ΔT小于设定值；η为在电池加热或冷却功能开启的过程中根据电芯特性标定的各电芯间允许的最大温差。

优选的，在电池加热或冷却功能关闭的过程中，当采集的电芯的最高温度和最低温度的差值大于等于设定值时，所述控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值的过程具体包括：

a’)若检测到ΔT≥θ，则电池冷却水按照所述第一电池冷却水流通路径运行；b’)持续Y分钟后再次检测ΔT，若ΔT<θ，则关闭水泵，若ΔT≥θ且Tmax和Tmin所属的电芯位置有变化，则电池冷却水流通路径切换到另一条；c’)重复步骤b’)直至ΔT小于设定值；θ为在电池加热或冷却功能关闭的过程中根据电芯特性标定的各电芯间允许的最大温差。

与现有技术相比，本发明在常规电池加热和冷却功能的基础上，更加关注电芯最高温度和最低温度差值过大导致的电芯温度一致性较差问题，提供一种水冷板进出水口切换***方案和切换方法，在电芯内部出现温度不一致的情况时，通过切换水冷板进水口与出水口，平衡进出口水温温差，调整水冷板温度分布和水泵转速，避免水冷板进水口与出水口处电芯温度长时间温度分布不均匀，保持新能源汽车动力电池电芯温度良好的一致性，延长了电池使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中的一种电池温度控制回路示意图；

图2为现有技术中口琴管式电池冷却板示意图；

图3为现有技术中18650式电池冷却板示意图；

图4为现有技术中挤压板式电池冷却板示意图；

图5为本发明动力电池温度控制***结构示意图。

图中标注：1、动力电池，2、第二冷却水温度传感器，3、电池冷却器，4、第二三通水阀，5、第一膨胀水壶，6、第一水泵，7、第一三通水阀，8、PTC水暖加热器，9、第一冷却水温度传感器，10、电池温度传感器，11、第二膨胀水壶，12、第二水泵，13、压缩机，14、压力传感器，15、冷凝器，16、冷却风扇，17、第一电磁膨胀阀，18、第二电磁膨胀阀，19、蒸发器，20、鼓风机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图5所示，一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，包括依次连接形成电池加热/冷却水循环回路的第一膨胀水壶5、第一水泵6、第一三通水阀7、PTC水暖加热器8、第一冷却水温度传感器9、电池冷却板、第二冷却水温度传感器2、电池冷却器3、第二三通水阀4、第一膨胀水壶5。电池冷却板设于动力电池1处，动力电池1中设有分别与动力电池1内部的各电芯连接的多个电池温度传感器10。第一三通水阀7和第二三通水阀4之间还设有与第一水泵6和第一膨胀水壶5串联线路的两端并联的循环支路，循环支路上设有第二膨胀水壶11和第二水泵12。

***通过PTC水暖加热器8加热水冷板中液体使电池加热，通过电池冷却器3冷却水冷板中液体使电池冷却。电池温度传感器10、第一水泵6、第一三通水阀7、第二水泵12、第二三通水阀4、电池冷却器3、PTC水暖加热器8、第一冷却水温度传感器9、第二冷却水温度传感器2都与控制器连接。其中第一水泵6和第二水泵12的转速可调。控制器根据电池温度传感器10采集的温度信号开启电池加热或冷却功能：监测到电池电芯温度中的最大值Tmax高于电芯设定值T1时，电池冷却功能开启直到电芯温度中最大值Tmax低于电芯设定值T2时关闭；监测到电池电芯温度中的最小值Tmin低于电芯设定值T3时，电池加热功能开启直到电芯温度中最大值Tmin高于电芯设定值T4时关闭。

电池冷却器3还接在制冷剂循环回路中，本实施例中，制冷剂循环回路包括依次连接形成循环回路的压缩机13、压力传感器14、电池散热组件、第一电磁膨胀阀17、电池冷却器3、压缩机13，压缩机13、压力传感器14、冷凝器15和电池散热组件都与控制器连接。电池散热组件包括冷凝器15和冷却风扇16，冷凝器15分别与压力传感器14和第一电磁膨胀阀17连接，冷却风扇16设在冷凝器15处。

本实施例中，***还包括乘客舱冷却组件，乘客舱冷却组件包括蒸发器19、鼓风机20和第二电磁膨胀阀18，蒸发器19的一端接在电池冷却器3和压缩机13之间的线路上，另一端与第二电磁膨胀阀18的一端连接，第二电磁膨胀阀18的另一端接在第一电磁膨胀阀17与电池散热组件之间的线路上，鼓风机20设于蒸发器19处。打开第二电磁膨胀阀18可实现乘客舱的冷却。

一种上述新能源汽车动力电池温度控制***的控制方法，制定了两种电池冷却水的流通路径，通过合理的切换控制方法控制水泵和阀的开启与关闭，达到电池冷却板温度分布良好的一致性。两种电池冷却水流通路径如下：

第一电池冷却水流通路径，起始第一水泵6运行，第二水泵12不工作，第一三通水阀7通向PTC水暖加热器8方向，第二三通水阀4通向第一膨胀水壶5方向，行成冷却水流通回路如下：第一膨胀水壶5→第一水泵6→第一三通水阀7→PTC水暖加热器8→第一冷却水温度传感器9→电池冷却板→第二冷却水温度传感器2→电池冷却器3→第二三通水阀4→第一膨胀水壶5。

第二电池冷却水流通路径，起始第二水泵12运行，第一水泵6不工作，第二三通水阀4通向第二膨胀水壶11方向，第二三通水阀4通向电池冷却器3方向，行成冷却水流通回路如下：第二膨胀水壶11→第二水泵12→第二三通水阀4→电池冷却器3→第二冷却水温度传感器2→电池冷却板→第一冷却水温度传感器9→PTC水暖加热器8→第一三通水阀7→第二膨胀水壶11。

当电池加热或冷却功能开启时，电池冷却水按照第一电池冷却水流通路径运行，控制器根据设定温度和动力电池1的实际温度对压缩机13或PTC水暖加热器8进行功率调节；在电池加热或冷却功能开启及关闭的过程中，当采集的电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin的差值大于等于设定值时，控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值。

在电池加热或冷却功能开启的过程中，第一和第二电池冷却水流通路径切换的方法具体包括：

a)若检测到ΔT＝Tmax-Tmin≥η，说明动力电池1的电芯间温度差异较大，则电池冷却水流通路径切换到第二电池冷却水流通路径，并调整第二水泵12转速大小；b)持续X分钟后再次检测ΔT，若ΔT<η，则维持当前冷却水流通路径，否则，切换到另一条电池冷却水流通路径；c)重复步骤b)直至ΔT小于设定值。

在电池没有加热和冷却需求时，动力电池1的电芯间也会存在由于充放电不均匀等原因造成的温度偏差，在电池加热或冷却功能关闭的过程中，第一和第二电池冷却水流通路径切换的方法包括：

a’)若检测到ΔT≥θ，则开启第一水泵6，电池冷却水按照第一电池冷却水流通路径运行，并调整第一水泵6的转速大小；b’)持续Y分钟后再次检测ΔT，若ΔT<θ，则关闭水泵，若ΔT≥θ且Tmax和Tmin所属的电芯位置有变化，则电池冷却水流通路径切换到另一条；c’)重复步骤b’)直至ΔT小于设定值。θ为在电池加热或冷却功能关闭的过程中根据电芯特性标定的各电芯间允许的最大温差。

本实施例中，根据计算机辅助工程(CAE)软件对水冷板温度场的仿真结果和实际的温度分布测试，成功仿真了电池冷却板进水口和出水口的切换过程。

切换时间间隔X和Y以及各水泵的转速大小都通过水冷板温度场的仿真结果和实际的温度分布测试进行标定和计算。

Claims (6)

1.一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，其特征在于，包括依次连接形成电池加热/冷却水循环回路的第一膨胀水壶、第一水泵、第一三通水阀、PTC水暖加热器、第一冷却水温度传感器、电池冷却板、第二冷却水温度传感器、电池冷却器、第二三通水阀，所述电池冷却板设于动力电池处，所述动力电池中设有分别与动力电池内部的各电芯连接的多个电池温度传感器，所述第一三通水阀和第二三通水阀之间还设有与第一水泵和第一膨胀水壶串联线路的两端并联的循环支路，所述循环支路上设有第二膨胀水壶和第二水泵，所述电池冷却器还接在制冷剂循环回路中；

所述电池温度传感器、第一水泵、第一三通水阀、第二水泵、第二三通水阀、电池冷却器、PTC水暖加热器、第一冷却水温度传感器、第二冷却水温度传感器都与控制器连接；

所述***的控制方法包括两种电池冷却水流通路径：

第一电池冷却水流通路径：第一膨胀水壶→第一水泵→第一三通水阀→PTC水暖加热器→第一冷却水温度传感器→电池冷却板→第二冷却水温度传感器→电池冷却器→第二三通水阀→第一膨胀水壶；

第二电池冷却水流通路径：第二膨胀水壶→第二水泵→第二三通水阀→电池冷却器→第二冷却水温度传感器→电池冷却板→第一冷却水温度传感器→PTC水暖加热器→第一三通水阀→第二膨胀水壶；

所述控制器根据电池温度传感器采集的温度信号开启电池加热或冷却功能，当电池加热或冷却功能开启时，电池冷却水按照所述第一电池冷却水流通路径运行，控制器根据设定温度和动力电池的实际温度进行功率调节；在电池加热或冷却功能开启及关闭的过程中，当采集的电芯的最高温度Tmax和最低温度Tmin的差值大于等于设定值时，控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值。

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，其特征在于，所述制冷剂循环回路包括依次连接形成循环回路的压缩机、压力传感器、电池散热组件、第一电磁膨胀阀、电池冷却器，所述压缩机、压力传感器、电池散热组件都与控制器连接。

3.根据权利要求2所 述的一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，其特征在于，所述电池散热组件包括冷凝器和冷却风扇，所述冷凝器分别与压力传感器和第一电磁膨胀阀连接，所述冷凝器与控制器连接。

4.根据权利要求2所 述的一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，其特征在于，还包括乘客舱冷却组件，所述乘客舱冷却组件包括蒸发器、鼓风机和第二电磁膨胀阀，所述蒸发器的一端接在电池冷却器和压缩机之间的线路上，另一端与第二电磁膨胀阀的一端连接，所述第二电磁膨胀阀的另一端接在所述第一电磁膨胀阀与电池散热组件之间的线路上，所述鼓风机设于蒸发器处。

5.根据权利要求1所述的一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，其特征在于，在电池加热或冷却功能开启的过程中，当采集的电芯的最高温度和最低温度的差值大于等于设定值时，所述控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值的过程具体包括：

a)若检测到ΔT＝Tmax-Tmin≥η，则电池冷却水流通路径切换到第二电池冷却水流通路径；b)持续X分钟后再次检测ΔT，若ΔT<η，则维持当前冷却水流通路径，否则，切换到另一条电池冷却水流通路径；c)重复步骤b)直至ΔT小于设定值；η为在电池加热或冷却功能开启的过程中根据电芯特性标定的各电芯间允许的最大温差。

6.根据权利要求1所述的一种新能源汽车动力电池温度一致性控制***，其特征在于，在电池加热或冷却功能关闭的过程中，当采集的电芯的最高温度和最低温度的差值大于等于设定值时，所述控制器不断切换第一电池冷却水流通路径和第二电池冷却水流通路径，直至电芯的最高温度和最低温度的差值小于设定值的过程具体包括：

a’)若检测到ΔT≥θ，则电池冷却水按照所述第一电池冷却水流通路径运行；b’)持续Y分钟后再次检测ΔT，若ΔT<θ，则关闭水泵，若ΔT≥θ且Tmax和Tmin所属的电芯位置有变化，则电池冷却水流通路径切换到另一条；c’)重复步骤b’)直至ΔT小于设定值；θ为在电池加热或冷却功能关闭的过程中根据电芯特性标定的各电芯间允许的最大温差。