一种电池温度控制系统的制作方法

本发明涉及一种电池温度控制系统，属于电池领域。

背景技术：

近几年来，以电池为主要动力来源的纯电动车和混合动力车被广泛投入使用。这种新兴交通工具以其低碳排放，节能轻便的特点受到人们的重视。然而现阶段电动车的发展很大程度上受限于动力电池的稳定性，安全性和使用寿命等因素，其中最为突出的是电池工作温度的影响。为了保证电池不出现安全隐患同时最大限度提高其性能，在电动车运行过程中，电池温度需要维持在一定范围内。电池局部过热或者是整体温度分布不一致都可能导致电极材料发生不可逆变化甚至解体，引发热失控。因此，需要电池热管理系统对电池的产热及散热进行实时监测和控制，以保证电动车的正常运行。

目前对电动车电池的热管理多数是通过温度传感器对电池表面温度进行监测从而控制冷却系统开关的模式，由于材料的相变伴随着大量的能力转换，电池充放电过程中释放的热量可以被吸收并储存在相变材料中，转化为材料的内能，从而达到迅速降低电池温度的目的。这种以温度监控为基础的冷却系统控制模式存在两方面缺点：一是用于监测的温度传感器无法覆盖电池箱内各个角落以及电池内部，同时由于各组件封装，多数情况下仅会放置于电池极柱位置，因此当电池的其他地方出现局部过热的情况时热管理系统无法进行控制；二是温度控制设备(如风扇或加热器)的启动本身存在一定滞后性，当出现剧烈的热失控情况时，无法及时做出应对。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种电池温度控制系统。

本发明采用的技术方案一方面为一种电池温度控制系统，包括温度采集单元、温度模拟单元、控制单元和温度调节单元，其中，温度模拟单元基于电池热模型输出电池的预测温度：温度采集单元用于采集分布于电池的若干温度测量点的现实温度；控制单元获取所述预测温度和现实温度，基于现实温度与预测温度的差值输出温度调节指令以驱动温度调节单元。

优选地，所述电池热模型基于公式：

温度场控制方程式中C_p和ρ分别为平均热容和平均密度，K为电池材料热传递参数，Q为体积产热速率，为温度T与时间t的求导，为矢量微分算符；边界条件式中n为电池表面的法向量，方向为指向电池外，h为表面传热系数，T_∞为电池的环境温度；

产热速率式中I，E_oc和U分别表示电池的电流，开路电压和端电压，为熵变温度系数；初始条件T(x，y，z，t)＝T₀，式中x、y、z为电池热模型的坐标系，t为时间，初始状态下，t＝0，T₀为初始温度；基于有限元分析法计算电池温度场随时间的变化数据，标记为电池预测温度。

优选地，所述控制单元基于差值选择现实温度与预测温度之间的高温者，获取对应的温度变化数据，如果其大于冷却阈值则基于PI控制或PID控制温度调节单元冷却电池以保持电池温度在预设的阈值内；所述控制单元基于差值选择现实温度与预测温度之间的低温者，获取对应的温度变化数据，如果其小于加热阈值则基于PI或PID驱动温度调节单元加热电池以保持电池温度在预设的阈值内。

优选地，所述阈值包括用于发出警告的提示阈值和用于触发自动断电的安全阈值，所述温度调节单元获取对应的温度变化数据，控制温度调节装置或继电器以保持电池温度在预设的阈值内。

优选地，所述控制单元还用于基于差值输出模型更新指令以调整电池热模型，其步骤包括：记录差值次数和差值数据，当差值数据在设定的差值次数内持续为正或负时，以现实温度和其对应的测量点所处的温度场位置为基础，更新温度场控制方程。

本发明的有益效果为提供一个热模型和现实中测量的温度结合的控制系统，通过模拟数据与实测数据的比较选择，能够及时控制冷却装置/加热装置对电池进行温度调节，同时基于实测数据对热模型进行逆向修正以提高系统的稳定性，有利于对电池进行有效的温度管理。

附图说明

图1所示为基于本发明实施例的一种电池温度控制系统示意图；

图2所示为基于本发明实施例的三维模型示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行说明。

基于发明的实施例，如图1所示一种电池温度控制系统，包括温度采集单元、温度模拟单元、控制单元和温度调节单元，其中，温度模拟单元基于电池热模型输出电池的预测温度：温度采集单元用于采集分布于电池的若干温度测量点的现实温度；控制单元获取所述预测温度和现实温度，基于现实温度与预测温度的差值输出温度调节指令以驱动温度调节单元。

将正温度系数热敏电阻器(PTC)贴附于电池正负极极柱位置，通过实时采集电池工作状态下各PTC探头的阻值变化并按照分度表转换为温度值，将各电池单体的温度信息记录并传输给温度模拟单元和控制单元。

所述电池热模型基于公式：

温度场控制方程式中C_p和ρ分别为平均热容和平均密度，K为电池材料热传递参数，Q为体积产热速率，为温度T与时间t的求导，为矢量微分算符；边界条件式中n为电池表面的法向量，方向为指向电池外，h为表面传热系数，T_∞为电池的环境温度；

将电池单体分割成若干个小微元(即控制体积)，微元为最小可计算单元，拥有均匀统一的温度分布；之后通过边界条件定义计算位于几何模型边界处微元温度，再根据能量守恒定律对相邻的每个系统微元分别进行温度场建模，并对微元内部的产热速率，微元与微元之间的热传导速率以及处于电池表面微元与外界环境通过对流的热交换速率进行计算，逐步计算出整个电池组各个位置处的温度分布，形成连续的温度场；对于整个微元体，其内部遵循能量守恒公式dQ_a＝dQ+dQ_g (2)，其中Q_a为微元体温度升高所吸收的热量，Q为传入微元体内的净热量，Q_g为微元体内热源产生的总热量；如图2所示三维模型，在x方向上的热量经输入：

由公式dQ_x＝q_xdydzdt (4)，

dQ_x+dx＝q_x+dxdydzdt (5)，

结合公式(4)(5)(3)得到在y与z方向上同理，将三个方向上的能量守恒方程合并，可以得到：

根据傅里叶热传导定律，在x方向上在y和z方向上同理，将三个方向上的传导速率方程代入式(7)，得到传入微元体的净热量：

在微元体内温度升高所需热量为结合公式(1)(8)(9)得到

基于边界条件，初始条件T(x，y，z，0)＝T₀，其中Cp和ρ分别为电池内部各组成区域的平均热容和平均密度，经实验测定，其值分别为993.93J/(kg·K)和1960.5kg/m3；K是电池内部材料的热传递参数，包含沿圆柱型电池轴向上的Kz其值约70.29W/(m·K)和沿电池径向上的Kx，Ky其值约为1.31W/(m·K)，T0为电池内部的初始温度，通过实际测试各种数值可以建立一个温度场模型。

产热速率式中I，E_oc和U分别表示电池的电流，开路电压和端电压，为熵变温度系数；初始条件T(x，y，z，t)＝T₀，式中x、y、z为电池热模型的坐标系，t为时间，初始状态下，t＝0，T₀为初始温度；基于有限元分析法计算电池温度场随时间的变化数据，标记为电池预测温度。

环境温度T_∞恒定为20℃，熵变温度系数约为0.5mV/K。其中电池的开路电压和端电压是荷电状态即SOC的函数，可以实际测试得到或者基于安时法求出，同时根据实际测试的数据求出电池内部各个部分随充放电时间变化而变化的温度。

所述控制单元基于差值选择现实温度与预测温度之间的高温者，获取对应的温度变化数据，如果其大于冷却阈值则基于PI控制或PID控制温度调节单元冷却电池以保持电池温度在预设的阈值内；所述控制单元基于差值选择现实温度与预测温度之间的低温者，获取对应的温度变化数据，如果其小于加热阈值则基于PI或PID驱动温度调节单元加热电池以保持电池温度在预设的阈值内。

获取对应的温度变化数据之后，对比对应的冷却阈值(即高于某个温度，需要冷却)和加热阈值(即低于某个温度，需要加热)，进行对应处理，或者先判断现实温度/预测温度高于冷却阈值(选择其温度高者)，判断现实温度/预测温度低于加热阈值(选择其温度低者)。

获取预测温度与现实温度的变化趋势和数值，基于PID控制方式对电池温度进行负反馈控制。

所述阈值包括用于发出警告的提示阈值和用于触发自动断电的安全阈值，所述温度调节单元获取对应的温度变化数据，控制温度调节装置或继电器以保持电池温度在预设的阈值内。

当电池温度最高值(或者有这个趋向时，这样是PID控制的目标)超过高温度阈值时，向用户发出高温告警并打开风扇开关；当电池温度最高值超过温度高限阈值时，切断继电器强制断电；当电池温度最低值低于低温度阈值时，向用户发出低温告警并打开加热器；当电池温度最低值低于温度低限阈值时，切断继电器强制断电。

所述控制单元还用于基于差值输出模型更新指令以调整电池热模型，其步骤包括：记录差值次数和差值数据，当差值数据在设定的差值次数内持续为正或负时，以现实温度和其对应的测量点所处的温度场位置为基础，更新温度场控制方程。

随着电池使用时间，电池内部的会发生性质的变化，这个时候，原先建立的温度模型的精度会降低，这个时候，要根据现有现实温度来修正模型，当温度差长期处于同一变化趋势时，例如连续100次都是现实温度高，同时差值变化不大，则说明模型需要更新，根据现实温度和其对应的传感器的位置，结合模型反向修改热传递参数等参数以修正温度模型的这种公式。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。