本發(fā)明涉及一種電池溫度控制系統(tǒng)，屬于電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近幾年來，以電池為主要動力來源的純電動車和混合動力車被廣泛投入使用。這種新興交通工具以其低碳排放，節(jié)能輕便的特點受到人們的重視。然而現(xiàn)階段電動車的發(fā)展很大程度上受限于動力電池的穩(wěn)定性，安全性和使用壽命等因素，其中最為突出的是電池工作溫度的影響。為了保證電池不出現(xiàn)安全隱患同時最大限度提高其性能，在電動車運行過程中，電池溫度需要維持在一定范圍內(nèi)。電池局部過熱或者是整體溫度分布不一致都可能導(dǎo)致電極材料發(fā)生不可逆變化甚至解體，引發(fā)熱失控。因此，需要電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對電池的產(chǎn)熱及散熱進行實時監(jiān)測和控制，以保證電動車的正常運行。

目前對電動車電池的熱管理多數(shù)是通過溫度傳感器對電池表面溫度進行監(jiān)測從而控制冷卻系統(tǒng)開關(guān)的模式，由于材料的相變伴隨著大量的能力轉(zhuǎn)換，電池充放電過程中釋放的熱量可以被吸收并儲存在相變材料中，轉(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能，從而達到迅速降低電池溫度的目的。這種以溫度監(jiān)控為基礎(chǔ)的冷卻系統(tǒng)控制模式存在兩方面缺點：一是用于監(jiān)測的溫度傳感器無法覆蓋電池箱內(nèi)各個角落以及電池內(nèi)部，同時由于各組件封裝，多數(shù)情況下僅會放置于電池極柱位置，因此當(dāng)電池的其他地方出現(xiàn)局部過熱的情況時熱管理系統(tǒng)無法進行控制；二是溫度控制設(shè)備(如風(fēng)扇或加熱器)的啟動本身存在一定滯后性，當(dāng)出現(xiàn)劇烈的熱失控情況時，無法及時做出應(yīng)對。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種電池溫度控制系統(tǒng)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案一方面為一種電池溫度控制系統(tǒng)，包括溫度采集單元、溫度模擬單元、控制單元和溫度調(diào)節(jié)單元，其中，溫度模擬單元基于電池?zé)崮Ｐ洼敵鲭姵氐念A(yù)測溫度：溫度采集單元用于采集分布于電池的若干溫度測量點的現(xiàn)實溫度；控制單元獲取所述預(yù)測溫度和現(xiàn)實溫度，基于現(xiàn)實溫度與預(yù)測溫度的差值輸出溫度調(diào)節(jié)指令以驅(qū)動溫度調(diào)節(jié)單元。

優(yōu)選地，所述電池?zé)崮Ｐ突诠剑?/p>

溫度場控制方程式中C_p和ρ分別為平均熱容和平均密度，K為電池材料熱傳遞參數(shù)，Q為體積產(chǎn)熱速率，為溫度T與時間t的求導(dǎo)，為矢量微分算符；邊界條件式中n為電池表面的法向量，方向為指向電池外，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，T_∞為電池的環(huán)境溫度；

產(chǎn)熱速率式中I，E_oc和U分別表示電池的電流，開路電壓和端電壓，為熵變溫度系數(shù)；初始條件T(x，y，z，t)＝T₀，式中x、y、z為電池?zé)崮Ｐ偷淖鴺?biāo)系，t為時間，初始狀態(tài)下，t＝0，T₀為初始溫度；基于有限元分析法計算電池溫度場隨時間的變化數(shù)據(jù)，標(biāo)記為電池預(yù)測溫度。

優(yōu)選地，所述控制單元基于差值選擇現(xiàn)實溫度與預(yù)測溫度之間的高溫者，獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，如果其大于冷卻閾值則基于PI控制或PID控制溫度調(diào)節(jié)單元冷卻電池以保持電池溫度在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)；所述控制單元基于差值選擇現(xiàn)實溫度與預(yù)測溫度之間的低溫者，獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，如果其小于加熱閾值則基于PI或PID驅(qū)動溫度調(diào)節(jié)單元加熱電池以保持電池溫度在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)。

優(yōu)選地，所述閾值包括用于發(fā)出警告的提示閾值和用于觸發(fā)自動斷電的安全閾值，所述溫度調(diào)節(jié)單元獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，控制溫度調(diào)節(jié)裝置或繼電器以保持電池溫度在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)。

優(yōu)選地，所述控制單元還用于基于差值輸出模型更新指令以調(diào)整電池?zé)崮Ｐ?，其步驟包括：記錄差值次數(shù)和差值數(shù)據(jù)，當(dāng)差值數(shù)據(jù)在設(shè)定的差值次數(shù)內(nèi)持續(xù)為正或負時，以現(xiàn)實溫度和其對應(yīng)的測量點所處的溫度場位置為基礎(chǔ)，更新溫度場控制方程。

本發(fā)明的有益效果為提供一個熱模型和現(xiàn)實中測量的溫度結(jié)合的控制系統(tǒng)，通過模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的比較選擇，能夠及時控制冷卻裝置/加熱裝置對電池進行溫度調(diào)節(jié)，同時基于實測數(shù)據(jù)對熱模型進行逆向修正以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于對電池進行有效的溫度管理。

附圖說明

圖1所示為基于本發(fā)明實施例的一種電池溫度控制系統(tǒng)示意圖；

圖2所示為基于本發(fā)明實施例的三維模型示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行說明。

基于發(fā)明的實施例，如圖1所示一種電池溫度控制系統(tǒng)，包括溫度采集單元、溫度模擬單元、控制單元和溫度調(diào)節(jié)單元，其中，溫度模擬單元基于電池?zé)崮Ｐ洼敵鲭姵氐念A(yù)測溫度：溫度采集單元用于采集分布于電池的若干溫度測量點的現(xiàn)實溫度；控制單元獲取所述預(yù)測溫度和現(xiàn)實溫度，基于現(xiàn)實溫度與預(yù)測溫度的差值輸出溫度調(diào)節(jié)指令以驅(qū)動溫度調(diào)節(jié)單元。

將正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)貼附于電池正負極極柱位置，通過實時采集電池工作狀態(tài)下各PTC探頭的阻值變化并按照分度表轉(zhuǎn)換為溫度值，將各電池單體的溫度信息記錄并傳輸給溫度模擬單元和控制單元。

所述電池?zé)崮Ｐ突诠剑?/p>

溫度場控制方程式中C_p和ρ分別為平均熱容和平均密度，K為電池材料熱傳遞參數(shù)，Q為體積產(chǎn)熱速率，為溫度T與時間t的求導(dǎo)，為矢量微分算符；邊界條件式中n為電池表面的法向量，方向為指向電池外，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，T_∞為電池的環(huán)境溫度；

將電池單體分割成若干個小微元(即控制體積)，微元為最小可計算單元，擁有均勻統(tǒng)一的溫度分布；之后通過邊界條件定義計算位于幾何模型邊界處微元溫度，再根據(jù)能量守恒定律對相鄰的每個系統(tǒng)微元分別進行溫度場建模，并對微元內(nèi)部的產(chǎn)熱速率，微元與微元之間的熱傳導(dǎo)速率以及處于電池表面微元與外界環(huán)境通過對流的熱交換速率進行計算，逐步計算出整個電池組各個位置處的溫度分布，形成連續(xù)的溫度場；對于整個微元體，其內(nèi)部遵循能量守恒公式dQ_a＝dQ+dQ_g (2)，其中Q_a為微元體溫度升高所吸收的熱量，Q為傳入微元體內(nèi)的凈熱量，Q_g為微元體內(nèi)熱源產(chǎn)生的總熱量；如圖2所示三維模型，在x方向上的熱量經(jīng)輸入：

由公式dQ_x＝q_xdydzdt (4)，

dQ_x+dx＝q_x+dxdydzdt (5)，

結(jié)合公式(4)(5)(3)得到在y與z方向上同理，將三個方向上的能量守恒方程合并，可以得到：

根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，在x方向上在y和z方向上同理，將三個方向上的傳導(dǎo)速率方程代入式(7)，得到傳入微元體的凈熱量：

在微元體內(nèi)溫度升高所需熱量為結(jié)合公式(1)(8)(9)得到

基于邊界條件，初始條件T(x，y，z，0)＝T₀，其中Cp和ρ分別為電池內(nèi)部各組成區(qū)域的平均熱容和平均密度，經(jīng)實驗測定，其值分別為993.93J/(kg·K)和1960.5kg/m3；K是電池內(nèi)部材料的熱傳遞參數(shù)，包含沿圓柱型電池軸向上的Kz其值約70.29W/(m·K)和沿電池徑向上的Kx，Ky其值約為1.31W/(m·K)，T0為電池內(nèi)部的初始溫度，通過實際測試各種數(shù)值可以建立一個溫度場模型。

產(chǎn)熱速率式中I，E_oc和U分別表示電池的電流，開路電壓和端電壓，為熵變溫度系數(shù)；初始條件T(x，y，z，t)＝T₀，式中x、y、z為電池?zé)崮Ｐ偷淖鴺?biāo)系，t為時間，初始狀態(tài)下，t＝0，T₀為初始溫度；基于有限元分析法計算電池溫度場隨時間的變化數(shù)據(jù)，標(biāo)記為電池預(yù)測溫度。

環(huán)境溫度T_∞恒定為20℃，熵變溫度系數(shù)約為0.5mV/K。其中電池的開路電壓和端電壓是荷電狀態(tài)即SOC的函數(shù)，可以實際測試得到或者基于安時法求出，同時根據(jù)實際測試的數(shù)據(jù)求出電池內(nèi)部各個部分隨充放電時間變化而變化的溫度。

所述控制單元基于差值選擇現(xiàn)實溫度與預(yù)測溫度之間的高溫者，獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，如果其大于冷卻閾值則基于PI控制或PID控制溫度調(diào)節(jié)單元冷卻電池以保持電池溫度在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)；所述控制單元基于差值選擇現(xiàn)實溫度與預(yù)測溫度之間的低溫者，獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，如果其小于加熱閾值則基于PI或PID驅(qū)動溫度調(diào)節(jié)單元加熱電池以保持電池溫度在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)。

獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)之后，對比對應(yīng)的冷卻閾值(即高于某個溫度，需要冷卻)和加熱閾值(即低于某個溫度，需要加熱)，進行對應(yīng)處理，或者先判斷現(xiàn)實溫度/預(yù)測溫度高于冷卻閾值(選擇其溫度高者)，判斷現(xiàn)實溫度/預(yù)測溫度低于加熱閾值(選擇其溫度低者)。

獲取預(yù)測溫度與現(xiàn)實溫度的變化趨勢和數(shù)值，基于PID控制方式對電池溫度進行負反饋控制。

所述閾值包括用于發(fā)出警告的提示閾值和用于觸發(fā)自動斷電的安全閾值，所述溫度調(diào)節(jié)單元獲取對應(yīng)的溫度變化數(shù)據(jù)，控制溫度調(diào)節(jié)裝置或繼電器以保持電池溫度在預(yù)設(shè)的閾值內(nèi)。

當(dāng)電池溫度最高值(或者有這個趨向時，這樣是PID控制的目標(biāo))超過高溫度閾值時，向用戶發(fā)出高溫告警并打開風(fēng)扇開關(guān)；當(dāng)電池溫度最高值超過溫度高限閾值時，切斷繼電器強制斷電；當(dāng)電池溫度最低值低于低溫度閾值時，向用戶發(fā)出低溫告警并打開加熱器；當(dāng)電池溫度最低值低于溫度低限閾值時，切斷繼電器強制斷電。

所述控制單元還用于基于差值輸出模型更新指令以調(diào)整電池?zé)崮Ｐ停洳襟E包括：記錄差值次數(shù)和差值數(shù)據(jù)，當(dāng)差值數(shù)據(jù)在設(shè)定的差值次數(shù)內(nèi)持續(xù)為正或負時，以現(xiàn)實溫度和其對應(yīng)的測量點所處的溫度場位置為基礎(chǔ)，更新溫度場控制方程。

隨著電池使用時間，電池內(nèi)部的會發(fā)生性質(zhì)的變化，這個時候，原先建立的溫度模型的精度會降低，這個時候，要根據(jù)現(xiàn)有現(xiàn)實溫度來修正模型，當(dāng)溫度差長期處于同一變化趨勢時，例如連續(xù)100次都是現(xiàn)實溫度高，同時差值變化不大，則說明模型需要更新，根據(jù)現(xiàn)實溫度和其對應(yīng)的傳感器的位置，結(jié)合模型反向修改熱傳遞參數(shù)等參數(shù)以修正溫度模型的這種公式。

以上所述，只是本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，只要其以相同的手段達到本發(fā)明的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)其技術(shù)方案和/或?qū)嵤┓绞娇梢杂懈鞣N不同的修改和變化。