一种混合动力汽车的电池冷却系统及其控制方法与流程

本发明属于混合动力汽车动力电池技术领域，特别涉及一种混合动力汽车的电池冷却系统及其控制方法。

背景技术：

随着世界各国环境保护的措施越来越严格，混合动力车辆由于其节能、低排放等特点成为汽车研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。

混合动力汽车使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和动力电池。动力电池是混合动力汽车的关键部件，同时也是决定混合动力汽车未来前景的核心。

动力电池是一个温度敏感性元件，高温环境下运行的动力电池，散热不好将会导致热失控，更严重的会导致电池爆炸，而在极低的温度下运行的电池，电池充放电困难，电池容量降低，循环寿命减少。

因此，将电池温度控制在电池安全工作温度范围内，对于提高电池的循环寿命，提高电池的工作性能都具有重要的意义。合理控制电池包的温度将显著提高整车的安全性、续驶里程。

目前电池的冷却方式，按照冷却介质的不同可以分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却。相对液体冷却和相变材料冷却方式相比，空气冷却方式具有结构简单，整体质量轻，空气源易于获得等优点。

但是目前空气冷却方式一般仅以电池包的最高表面温度或平均温度作为电池冷却系统的控制目标，并没有充分考虑到电池包温度不均衡的问题，往往会因为电池最高表面温度或平均温度过高过度冷却，而导致电池局部过冷。不但会导致能量损失，而且会使电池包内部温差增大，加剧电池内阻与容量的不一致性，导致电池受到损伤，影响电池寿命，甚至威胁车辆安全。

技术实现要素：

本发明提供了一种混合动力汽车的电池冷却系统，其能够提高电池包的温度均匀性。

本发明提供了一种混合动力汽车的电池冷却系统的控制方法，根据电池单元的表面温度、进风管道的进风温度、出风管道的出风温度和环境温度综合判断控制等级，并根据控制等级对进风管道的进风风速进行调整，能够进一步电池包温度的均匀性，并且提高能量的利用率。

本发明提供的技术方案为：

一种混合动力汽车的电池冷却系统，包括：

两组进风口，其分别对称开设在电池包的两侧；

两个进风管道，其与所述两组进风口一一对应设置，并且所述两个进风管道的进风方向相反；

其中，每组所述进风口包括多个进风口；所述进风管道的进风端选择性的与空调送风管或电池包外部环境连通，所述进风管道的出风端与其对应一组进风口连通，

两组出风口，其分别开设在所述电池包的两侧；

其中，所述出风口与所述进风口开设在所述电池包的不同侧面；

两个出风管道，其分别与所述两组出风口一一对应设置；

其中，每组所述出风口包括多个出风口，所述出风管道的进风端与其对应的一组出风口连通，所述出风管道的出风端选择性的与空调送风管或电池包外部环境连通。

优选的是，所述的混合动力汽车的电池冷却系统，还包括：

多个第一测温传感器，其分别用于测量所述电池包中每个电池单元的表面温度；

多个第二温度传感器，其分别设置在所述两个进风管道的进风端处，用于检测进风管道的进风温度；

多个第三温度传感器，其分别设置在所述两个出风管道的出风端处，用于检测出风管道的出风温度；

第四温度传感器，其用于检测检测电池包外的环境温度；

多个风速传感器，其分别设置在所述两个进风管道的进风端处，用于检测进风管道的进风风速。

一种混合动力汽车的电池冷却系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、获取每个电池单元的表面温度ti、进风管道的进风温度tfr、出风管道的出风温度tfc和环境温度th；

步骤二、根据当前电池单元的最高表面温度tmax、电池单元的最低表面温度tmin、进风管道的进风温度tfr、出风管道的出风温度tfc和环境温度th，确定电池冷却系统的控制等级；

步骤三、根据所述控制等级对所述进风管道的进风风速进行调整。

优选的是，在所述步骤二中，通过bp神经网络确定电池冷却系统的控制等级，包括如下步骤：

步骤1、将获取的参数进行规格化，确定三层bp神经网络的输入层神经元向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5}，其中，x1为电池单元的最高表面温度系数，x2为电池单元的最低表面温度系数，x3为进风管道的进风温度系数、x4为出风管道的出风温度系数、x5为环境温度系数；

步骤2、所述输入层向量映射到隐藏层，隐藏层向量y＝{y1,y2,…,ym}，m为隐藏层节点个数；

步骤3、得到输出层神经元向量o＝{o1,o2,o3}；其中，o1为设定的第1控制等级，o2为设定的第2控制等级，o3为设定的第3控制等级；所述输出层神经元值为k为输出层神经元序列号，k＝{1,2,3}，i为设定的第i个控制等级，i＝{1,2,3}，当ok为1时，电池冷却系统处于ok对应的控制等级。

优选的是，当电池冷却系统处于第1控制等级时，控制进风管道的进风端与电池包外部环境连通，并且将进风管道的进风端处的风速调整为：

其中，κ1为经验参数，v1-0为第1控制等级对应的初始进风风速；tmax为电池单元的最高表面温度，tmin为电池单元的最低表面温度，tfr为进风管道的进风温度，tfc出风管道的出风温度，th为环境温度，表示电池包最大温差的基准值。

优选的是，当电池冷却系统处于第2控制等级时，控制进风管道的进风端与空调送风管连通，并且将进风管道的进风端处的风速调整为：

其中，κ2为经验参数，v2-0为第2控制等级对应的初始进风风速；tmax为电池单元的最高表面温度，tmin为电池单元的最低表面温度，tfr为进风管道的进风温度，tfc出风管道的出风温度，th为环境温度，表示电池包最大温差的基准值。

优选的是，当电池冷却系统处于第3控制等级时，控制进风管道的进风端与空调送风管连通，并且将进风管道的进风端处的风速调整为：

其中，κ3为经验参数，v3-0为第3控制等级对应的初始进风风速；tmax为电池单元的最高表面温度，tmin为电池单元的最低表面温度，tfr为进风管道的进风温度，tfc出风管道的出风温度，th为环境温度，表示电池包最大温差的基准值。

优选的是，所述的混合动力汽车的电池冷却系统的控制方法，还包括：当tfc≤tfr+δt时，控制出风管道的出风端与空调送风管连通；

其中，δt表示循环风温差阈值。

本发明的有益效果是：

本发明提供的混合动力汽车的电池冷却系统，能够提高电池包的温度均匀性。

本发明提供的混合动力汽车的电池冷却系统的控制方法，根据电池单元的表面温度、进风管道的进风温度、出风管道的出风温度和环境温度综合判断控制等级，并根据控制等级对进风管道的进风温度进行调整，能够进一步电池包温度的均匀性，并且提高能量的利用率。

附图说明

图1为本发明所述的混合动力汽车的电池冷却系统结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种混合动力汽车的电池冷却系统，主要包括：两组进风口，其分别对称开设在电池包100的两侧；其中，一组进风口包括多个进风口110，另一组进风口包括多个进风口120；并且在每个进风口110分别设置有控制阀111，在每个进风口120分别设置有控制阀121；通过控制阀111和121能够分别控制每个进风口110和120分别开启或关闭。两个进风管道130和140，其分别与所述两组进风口一一对应设置，并且进风管道130和进风管道140的的进风方向相反。其中，进风管道130和进风管道140的进风端分别通过三通阀与空调送风管和自然风进风管连接(图中未示出)；从而实现进风管道130和进风管道140的进风端选择性的与空调送风管或电池包外部环境连通；进风管道130的出风端与多个进风口110分别连通，进风管道140的出风端与多个进风口120分别连通。其中，自然风进风管连接鼓风机，通过鼓风机将自然风送入进风管道中。两组出风口，其分别开设在电池包100的两侧；其中，两组出风口与两组进风口分别开设在电池包100的不同侧面；一组出风口包括多个出风口150，另一组出风口包括多个出风口160，并且在每个出风口150分别设置有控制阀151，在每个出风口160分别设置有控制阀161；通过控制阀151和161能够分别控制每个进风口150和160分别开启或关闭。两个出风管道170和180，其分别与所述两组出风口一一对应设置；出风管道170的进风端与多个出风口150分别连通，出风管道180的进风端与多个出风口160分别连通；出风管道170和180的出风端分别通过三通阀与空调送风管和外部环境出风管连接(图中未示出)；从而实现出风管道170和出风管道180的出风端选择性的与空调送风管或电池包外部环境连通。

此外，所述的电池冷却系统还包括：多个测温传感器210，其分别用于测量电池包100中每个电池单元101的表面温度；温度传感器220和230，其分别设置在两个进风管道130和140的进风端处，分别用于检测进风管道的130和140进风温度；温度传感器250和260，其分别设置在两个出风管道170和180的出风端处，分别用于检测出风管道170和180的出风温度；环境温度传感器(图中未示出)，其用于检测检测电池包外的环境温度；以及风速传感器270和280，其分别设置在两个进风管道130和140的进风端处，分别用于检测两个进风管道130和140的进风风速。

所述的电池冷却系统还包括：数据采集模块，其与上述多个温度传感器和风速传感器分别电联，用于采集上述传感器采集的信息；数据接收与存储模块，其接收所述数据采集模块发送的信息；以及控制器，其接收所述数据接收与存储模块发送的信息，根据接收到的数据对电池冷却系统中的三通阀、控制阀、空调和鼓风机进行控制。

本发明还提供了一种混合动力汽车的电池冷却系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、在电池冷却系统运行中，按照采样周期分别获取每个电池单元的表面温度ti、两个进风管道的进风温度tfr1和tfr2、两个出风管道的出风温度tfc1和tfc2以及环境温度th；

步骤二、根据当前电池单元的最高表面温度tmax、电池单元的最低表面温度tmin、进风管道的进风温度tfr、出风管道的出风温度tfc和环境温度th，确定电池冷却系统的控制等级；

其中，tmax即为当前检测到ti的最大值、tmin即为当前检测到ti的最小值；进风管道的进风温度出风管道的出风温度

步骤三、根据所述控制等级对所述进风管道的进风风速进行调整。

在另一实施例中，在所述步骤二中，通过bp神经网络确定电池冷却系统的控制等级，包括如下步骤：

步骤1、建立bp神经网络模型。

bp模型上各层次的神经元之间形成全互连连接，各层次内的神经元之间没有连接，输入层神经元的输出与输入相同，即oi＝xi。中间隐藏层和输出层的神经元的操作特性为：

opj＝fj(netpj)

其中，p表示当前的输入样本，ωji为从神经元i到神经元j的连接权值，opi为神经元j的当前输入，opj为其输出；fj为非线性可微非递减函数，取为s型函数，即fj(x)＝1/(1+e^-x)。

本发明采用的bp网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出；第二层为隐藏层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定；第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入向量：x＝(x1,x2,...,xn)^t

中间层向量：y＝(y1,y2,...,ym)^t

输出向量：o＝(o1,o2,...,op)^t

本发明中，输入层节点数为n＝5，输出层节点数为p＝3，隐藏层节点数m由下式估算得出：

输入层5个参数分别表示为：x1为电池单元的最高表面温度系数，x2为电池单元的最低表面温度系数，x3为进风管道的进风温度系数、x4为出风管道的出风温度系数、x5为环境温度系数；

在数据输入人工神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

归一化的公式为其中，xj为输入层向量中的参数，xj分别为参数tmax、tmin、tfr、tfc和th，j＝1,2,3,4,5。

具体而言，电池单元的最高表面温度系数为：

电池单元的最低表面温度系数为：

进风管道的进风温度系数为：

出风管道的出风温度系数为：

环境温度系数为：

输出层3个参数分别表示为：其中，o1为设定的第1控制等级，o2为设定的第2控制等级，o3为设定的第3控制等级；所述输出层神经元值为k为输出层神经元序列号，k＝{1,2,3}，i为设定的第i个控制等级，i＝{1,2,3}，当ok为1时，电池冷却系统处于ok对应的控制等级。

步骤2、进行bp神经网络的训练。

建立好bp神经网络节点模型后，即可进行bp神经网络的训练。根据历史经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐藏层节点j之间的连接权值，隐藏层节点j和输出层节点k之间的连接权值。

(1)训练方法

bp神经网络的子网采用单独训练的方法；训练时，首先提供一组训练样本，每一个样本由输入样本和理想输出值组成，当网络的所有实际输出值与其理想输出值一致时，训练结束；否则，通过修正权值，使网络的理想输出值与实际输出值一致；各子网训练时的输出样本如表1所示。

表1bp神经网络子网训练输出样本

(2)训练算法

bp网络采用误差反向传播(backwardpropagation)算法进行训练。

第三步：输入新的样本或新一周期样本，直到网络收敛，在训练时各周期中样本的输入顺序要重新随机排序。

bp算法采用levenberg-marquardt优化算法求非线性函数极值，levenberg-marquardt优化算法能够使得网络学习时间更短，能有效地抑制网络陷于局部极小。其权值调整率选为：

δω＝(j^tj+μi)^-1j^te

其中，j为误差对权值微分的雅可比(jacobian)矩阵，i为输入向量，e为误差向量，变量μ是一个自适应调整的标量，用来确定学习是根据牛顿法还是梯度法来完成。

在系统设计时，系统模型是一个仅经过初始化的网络，权值需要根据在使用过程中获得的数据样本进行学习调整，为此设计了系统的自学习功能。在指定了学习样本及数量的情况下，系统可以进行自学习，以不断完善网络性能。

步骤3、控制器得到电池冷却系统的控制等级，其中，第1控制等级表示当前电池需要冷却的程度低，自然风即可满足冷却要求；第2控制等级表示当前电池需要冷却的程度为中等，自然风无法满足冷却要求；所述第3控制等级表示当前电池需要冷却的程度高，自然风无法满足冷却要求。为保证冷却系统运行的稳定性，控制空调的制冷温度始终保持在一定温度区间，在制冷系统的控制过程中，无需对空调的制冷温度进行反复调节；仅通过调节风速来减少不同电池单元之间的温度差，提高电池包温度的均匀性。

根据所述控制等级对所述进风管道的进风风速进行调整，包括：

(1)在当电池冷却系统处于第1控制等级时，控制进风管道的进风端与电池包外部环境连通，通过鼓风机引入自然风对电池进行冷却，并且通过调节鼓风机的转速将进风管道的进风端处的风速调整为：

其中，κ1为经验参数，v1-0为第1控制等级对应的初始进风风速，单位：m/s；tmax为电池单元的最高表面温度，单位：℃；tmin为电池单元的最低表面温度，单位：℃；tfr为进风管道的进风温度，单位：℃；tfc出风管道的出风温度，单位：℃；th为环境温度，单位：℃；表示电池包最大温差的基准值，单位：℃。根据经验，设定κ1＝0.80～0.85；v1-0＝2～8m/s；

(2)当电池冷却系统处于第2控制等级时，控制进风管道的进风端与空调送风管连通，并且通过控制空调将进风管道的进风端处的风速调整为：

其中，κ2为经验参数，v2-0为第2控制等级对应的初始进风风速，单位：m/s；tmax为电池单元的最高表面温度，单位：℃；tmin为电池单元的最低表面温度，单位：℃；tfr为进风管道的进风温度，单位：℃；tfc出风管道的出风温度，单位：℃；th为环境温度，单位：℃；表示电池包最大温差的基准值，单位：℃。根据经验，设定κ2＝0.70～0.75；v2-0＝1～4m/s。

(3)当电池冷却系统处于第3控制等级时，控制进风管道的进风端与空调送风管连通，并且通过控制空调将进风管道的进风端处的风速调整为：

其中，κ3为经验参数，v3-0为第3控制等级对应的初始进风风速；tmax为电池单元的最高表面温度，tmin为电池单元的最低表面温度，tfr为进风管道的进风温度，tfc出风管道的出风温度，th为环境温度，表示电池包最大温差的基准值。根据经验，设定κ2＝0.75～0.80；v3-0＝3～8m/s。

在另一实施例中，还包括当tfc≤tfr+δt时，控制出风管道的出风端与空调送风管连通，将电池包出风重新引入电池冷却循环系统进行二次循环，以降低能源消耗。其中，δt表示循环风温差阈值，δt<5℃，δt的具体取值可根据经验设定。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求和等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。