一种动力锂离子电池组冷热控制系统及控制方法
【专利摘要】一种动力锂离子电池组冷热控制系统及控制方法，涉及一种针对串联电池组所处环境的控制的系统及控制方法。本发明解决了低温环境下锂离子电池性能急剧衰退，无法正常充电，而且放电性能较差的问题。本发明的每个电池模块与卡具之间设有一块电加热膜，电池箱体的内表面均匀铺设有绝缘隔热层，每个电池模块内设有一个温度传感器，电池箱体的侧面开有三个通风口，一号风扇固定中间的通风口内侧，每个温度传感器的温度信号输出端连接微处理器的一个信号温度信号输入端，微处理器通过温度传感器采集电池组内的温度数据，并根据温度数据控制加热膜或风扇工作，实现对动力锂离子电池组所处环境的温度的控制。本发明适用于控制电池组所处环境的温度。
【专利说明】一种动力锂离子电池组冷热控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对串联电池组所处环境的控制的系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]串联锂离子电池组作为储能单元和动力来源已经大规模应用于电动汽车和储能系统，其工作性能的稳定性至关重要。锂离子电池特性受温度影响很大，在低温条件下，特别是低于-20度时，电池无法充电，放电容量也较室温下大大缩减，同时锂离子电池寿命也会受到影响；而在高温条件下，锂离子电池在工作时如果热量不能尽快散失，热累积将使电池组的温度上升，会加速电池老化，极端情况下电池可能出现热失控，影响整车安全性。
[0003]因此，有必要针对电池组单独设计热管理系统，使电池组始终工作在适宜的温度范围内，减小单体电池之间的温度差异，改善低温环境下电池能量无法释放的现状，减小由于高温引起的电池加速老化所带来的影响，提高电池组的稳定性和安全性。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决锂离子电池在低温环境下性能急剧衰退、无法正常充电而且放电性能差，高温环境下由于工作生热引起的电池过热、加速老化的问题，提出了一种动力锂离子电池组冷热控制系统及控制方法。
[0005]本发明所述一种动力锂离子电池组冷热控制系统，该系统用于控制动力锂离子电池组所处环境的温度，所述动力锂离子电池组包括N+2个电池模块，每个电池模块均由电池单体串联或并联获得；
[0006]它还包括绝缘隔热层、电池箱体、N个温度传感器、电加热膜、一号风扇、微处理器、一号直流变换器、二号直流变换器、N+1个继电器KA、一号开关阵列K1、二号开关阵列K2、三号开关阵列K3、一号交流变换器和二号交流变换器；其中，N为正整数；
[0007]N+2个电池模块均通过卡具固定在电池箱体内，其中N个电池模块构成主电池组，其余两个电池模块的电池单体采用低温特性电池实现构成辅助电池组；
[0008]每个电池模块与卡具之间设有一块电加热膜，所述电加热膜用于为电池模块加热，电池箱体的内表面均匀铺设有绝缘隔热层，每个电池模块内设有一个温度传感器，电池箱体的侧面开有三个通风口，且三个通风口等间隔排列，一号风扇固定中间的通风口内侧，用于向电池箱体内吹风，每块电加热膜的电源信号输入端均串联有一个继电器KA, —号风扇的电源信号输入端串联有一个继电器KA,每个继电器KA的驱动信号输入端连接微处理器的一个驱动信号输入端，每个温度传感器的温度信号输出端连接微处理器的一个信号温度信号输入端，微处理器的第一控制信号输出端连接一号开关阵列Kl的驱动信号输入端，微处理器的第二控制信号输出端连接二号开关阵列K2的驱动信号输入端，微处理器的第三控制信号输出端连接三号开关阵列K3的驱动信号输入端，一号开关阵列Kl的固定端连接二号开关阵列K2的固定端，一号开关阵列Kl的活动端连接一号直流变换器信号输入端，二号开关阵列K2的活动端连接主电池组的电源信号输入输出端，一号直流变换器的信号输出端同时连接低温辅助电池组的电源信号输入输出端和三号开关阵列K3的固定端，三号开关阵列Κ3的活动端连接二号直流变换器的信号输入端，二号交流变换器的信号输出端同时连接Ν+1个继电器KA的电源信号输入端。
[0009]采用上述一种动力锂离子电池组冷热控制系统控制电池组所处环境温度的方法，该方法的具体步骤为:
[0010]步骤一、利用N个温度传感器采集每个电池模块内的温度，并将采集到的温度数据发送至微处理器；
[0011]步骤二、微处理器判断自身是否接收到N个温度数据，若是则分别判断N个温度数据是否大于45摄氏度，若N个温度数据中任意一个温度数据大于45摄氏度，则执行步骤三，否则执行步骤四；
[0012]步骤三、微处理器驱动一号风扇所串联的继电器KA闭合，一号风扇开始工作；分别判断N个温度数据是否大于45摄氏度，若N个温度数据中没有大于45摄氏度的，则执行步骤三一，否则执行步骤三二 ；
[0013]步骤三一、微处理器控制与一号风扇所串联的继电器KA断电，一号风扇停止工作；返回执行步骤二 ；
[0014]步骤三二、返回执行步骤三的判断过程；
[0015]步骤四、分别判断N个温度数据是否在零下9摄氏度与45摄氏度之间，若N个温度数据均在零下9摄氏度与45摄氏度之间，则返回执行步骤一；否则执行步骤五；
[0016]步骤五、微处理器驱动温度小于零下9摄氏度的电池模块中电加热膜所串联的继电器KA闭合，与该继电器KA串联的电加热膜进行加热；
[0017]步骤六、分别判断N个电池模块内采集到的温度数据是否大于零下9摄氏度，若N个电池模块中的任意一个模块中的温度数据大于零下9摄氏度时，微处理器驱动该电池模块中的电加热膜所串联的继电器KA闭合，停止该电池模块中的电加热膜加热，实现对动力锂离子电池组所处环境的温度的控制，否则返回执行步骤五。
[0018]本发明所提出的串联锂离子电池组冷热管理系统主要是为了解决在低温环境下锂离子电池性能急剧衰退，无法正常充电，而且放电性能也较差的问题。在电池组使用前利用外部充电设备或低温特性较好的辅助供电设备给加热装置供电，预热电池组，当电池组达到能够充电的温度或者达到功率需求即停止加热。当环境温度较高时则通过电池箱内风扇带走电池充放电过程中所生成的热量。本发明可以实现在高温和低温环境下尽可能的减小温度对串联锂离子电池组的性能影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明所述一种动力锂离子电池组冷热控制系统的结构示意图；
[0020]图2为本发明所述一种动力锂离子电池组冷热控制系统的电气结构示意图；
[0021]图3为所述风扇安装位置示意图；
[0022]图4为一种动力锂离子电池组冷热控制系统内部空气流动方向示意图。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一、结合图1、图2和图3说明本实施方式,本实施方式所述一种动力锂离子电池组冷热控制系统，该系统用于控制动力锂离子电池组所处环境的温度，所述动力锂离子电池组包括N+2个电池模块，每个电池模块均由电池单体I串联或并联获得；
[0024]它还包括绝缘隔热层2、电池箱体3、N个温度传感器4、电加热膜5、一号风扇9、微处理器12、一号直流变换器15、二号直流变换器16、N+1个继电器KA、一号开关阵列K1、二号开关阵列K2、三号开关阵列K3、一号直流变换器15和二号直流变换器16 ;其中，N为正整数；
[0025]N+2个电池模块均通过卡具固定在电池箱体3内，其中N个电池模块构成主电池组13，其余两个电池模块的电池单体I采用低温特性电池实现构成辅助电池组14 ；
[0026]每个电池模块与卡具之间设有一块电加热膜5，所述电加热膜5用于为电池模块加热，电池箱体3的内表面均匀铺设有绝缘隔热层2，每个电池模块内设有一个温度传感器4，电池箱体3的侧面开有三个通风口，且三个通风口等间隔排列，一号风扇9固定中间的通风口内侧，用于向电池箱体3内吹风,每块电加热膜5的电源信号输入端均串联有一个继电器KA, —号风扇9的电源信号输入端串联有一个继电器KA,每个继电器KA的驱动信号输入端连接微处理器12的一个驱动信号输入端，每个温度传感器4的温度信号输出端连接微处理器12的一个信号温度信号输入端,微处理器12的第一控制信号输出端连接一号开关阵列Kl的驱动信号输入端，微处理器12的第二控制信号输出端连接二号开关阵列K2的驱动信号输入端，微处理器12的第三控制信号输出端连接三号开关阵列K3的驱动信号输入端，一号开关阵列Kl的固定端连接二号开关阵列K2的固定端，一号开关阵列Kl的活动端连接一号直流变换器15信号输入端,二号开关阵列K2的活动端连接主电池组13的电源信号输入输出端，一号直流变换器15的信号输出端同时连接低温辅助电池组14的电源信号输入输出端和三号开关阵列K3的固定端，三号开关阵列K3的活动端连接二号直流变换器16的信号输入端，二号直流变换器16的信号输出端同时连接N+1个继电器KA的电源信号输入端。
[0027]采用本发明所述系统当车辆运行时，无外接充电设备的情况下。通过本发明检测在到电池箱内平均温度在正常温度范围内，最大温差小于5度时，辅助供电电池组如果电量不足，可以由控制信号接通Kl，K2，关闭K3，利用一号直流变换器给辅助供电电池组充电，当辅助供电电池组充满时切断kl和k2。
[0028]在附近没有充电桩的情况下，而且环境温度极低，主电池组无法提供足够的能量输出，根据电池热管理系统中预先储存的历史电池低温特性信息以及采集到的电池箱内各点温度信息，确定需要进行加热的电池模块位置和需求功率，关闭Kl，K2，接通K3，利用直流变换器为加热/散热系统供电。同时通过调节PWM控制各加热膜的输出功率。电池模块内的温度传感器采集电池温度信息并进行实时调控，如果模块温度超过平均温度则降低PWM信号占空比降低5%，如模块温度低于平均温度则增加PWM信号占空比5%。
[0029]【具体实施方式】二、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统的进一步说明，它还包括二号风扇10、三号风扇11和两个继电器KA ;所述二号风扇10和三号风扇11分别固定在电池箱体3的侧面开设的两个通风口内，且二号风扇10电源信号输入端和三号风扇11电源信号输入端均串联有一个继电器KA,且该两个继电器KA的驱动信号输入端连接微处理器12的两个驱动信号输入端。
[0030]【具体实施方式】三、本实施方式是对【具体实施方式】二所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统的进一步说明，一号风扇9米用向内吹风的风扇，二号风扇10和三号风扇11均采用向外吸风的风扇。
[0031]采用本实施方式所述风扇，可实现加快电池组内部的空气流通，实现降温的作用，且电池组内部空气流动方向由图4可知。
[0032]【具体实施方式】四、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统的进一步说明，所述直流充电设备的电源信号输出端同时连接一号开关阵列Kl的固定端和二号开关阵列K2的固定端。
[0033]当有外接直流充电设备接入充电时，热管理系统通过检测电池箱内各点温度，判断当前温度是否适合充电。当电池温度符合充电温度限制时，可以通过控制信号2将开关K2导通，此时充电设备给车辆运行主电池组充电，与此同时如果检测到辅助供电电池组电量较低时还可以通过控制信号I接通K1，利用一号直流变换器将电压等级匹配到第二类电池电压等级，为辅助供电电池组充电，当辅助电池组充满时切断Kl。
[0034]【具体实施方式】五、本实施方式是采用【具体实施方式】一所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统控制电池组所处环境的温度控制电池组所处环境温度的方法，该方法的具体步骤为:
[0035]步骤一、利用N个温度传感器4采集每个电池模块内的温度，并将采集到的温度数据发送至微处理器12 ；
[0036]步骤二、微处理器12判断自身是否接受到N个温度数据，若是则分别判断N个温度数据是否大于45摄氏度，若N个温度数据中任意一个温度数据大于45摄氏度，则执行步骤三，否则执行步骤四；
[0037]步骤三、微处理器12驱动一号风扇所串联的继电器KA闭合，一号风扇开始工作；分别判断N个温度数据是否大于45摄氏度，若N个温度数据中没有大于45摄氏度的，则执行步骤三一，否则执行步骤三二 ；
[0038]步骤三一、微处理器12控制与一号风扇所串联的继电器KA断电，一号风扇停止工作；返回执行步骤二 ；
[0039]步骤三二、返回执行步骤三的判断过程；
[0040]步骤四、分别判断N个温度数据是否在零下9摄氏度与45摄氏度之间，若N个温度数据均在零下9摄氏度与45摄氏度之间，则返回执行步骤一；否则执行步骤五；
[0041]步骤五、微处理器12驱动温度小于零下9摄氏度的电池模块中电加热膜5所串联的继电器KA闭合，与该继电器KA串联的电加热膜5进行加热；
[0042]步骤六、分别判断N个电池模块内采集到的温度数据是否大于零下9摄氏度，若N个电池模块中的任意一个模块中的温度数据大于零下9摄氏度时，微处理器12驱动该电池模块中的电加热膜5所串联的继电器KA闭合，停止该电池模块中的电加热膜5加热，实现对动力锂离子电池组所处环境的温度的控制，否则返回执行步骤五。
[0043]本发明所提出的动力锂离子电池组冷热控制系统及控制方法主要是为了解决在低温环境下锂离子电池性能急剧衰退，无法正常充电，而且放电性能也较差的问题。在电池组使用前利用外部充电设备或低温特性较好的辅助供电设备给加热装置供电，预热电池组，当电池组达到能够充电的温度或者达到功率需求即停止加热。当环境温度较高时则通过电池箱内风扇带走电池充放电过程中所生成的热量。本发明可以实现在高温和低温环境下尽可能的减小温度对串联锂离子电池组的性能影响。
[0044]电池热管理系统根据图中采集到的N个电池温度传感信息判断电池箱内温度分布，通过驱动信号控制N个电加热膜对各电池模块进行加热，驱动3台散热风扇对电池组进行散热。当检测到的模块温度高于45度时启动风扇进行散热，当模块温度低于-9度时则对相应电池模块进行加热，使其符合电池正常工作温度范围。电加热膜还可以置于电池阵列底部，继电器控制相应的电加热膜工作，继电器由电池管理系统控制。每个电加热膜的供电功率可由控制器PWM信号占空比实时调节。
【权利要求】
1.一种动力锂离子电池组冷热控制系统，该系统用于控制动力锂离子电池组所处环境的温度，所述动力锂离子电池组包括N+2个电池模块，每个电池模块均由电池单体(I)串联或并联获得； 其特征在于，它还包括绝缘隔热层(2)、电池箱体(3)、N个温度传感器(4)、电加热膜(5)、一号风扇(9)、微处理器(12)、一号直流变换器(15)、二号直流变换器(16)、N+1个继电器((KA))、一号开关阵列K1、二号开关阵列K2、三号开关阵列K3、一号直流变换器(15)和二号直流变换器(16);其中，N为正整数； N+2个电池模块均通过卡具固定在电池箱体(3)内，其中N个电池模块构成主电池组(13)，其余两个电池模块的电池单体⑴采用低温特性电池实现构成辅助电池组(14)； 每个电池模块与卡具之间设有一块电加热膜(5)，所述电加热膜(5)用于为电池模块加热，电池箱体(3)的内表面均匀铺设有绝缘隔热层(2)，每个电池模块内设有一个温度传感器⑷，电池箱体⑶的侧面开有三个通风口，且三个通风口等间隔排列，一号风扇(9)固定中间的通风口内侧，用于向电池箱体⑶内吹风，每块电加热膜(5)的电源信号输入端均串联有一个继电器(KA), —号风扇(9)的电源信号输入端串联有一个继电器(KA),每个继电器(KA)的驱动信号输入端连接微处理器(12)的一个驱动信号输入端,每个温度传感器(4)的温度信号输出端连接微处理器(12)的一个信号温度信号输入端，微处理器(12)的第一控制信号输出端连接一号开关阵列Kl的驱动信号输入端，微处理器(12)的第二控制信号输出端连接二号开关阵列K2的驱动信号输入端，微处理器(12)的第三控制信号输出端连接三号开关阵列K3的驱动信号输入端，一号开关阵列Kl的固定端连接二号开关阵列K2的固定端，一号开关阵列Kl的活动端连接一号直流变换器(15)信号输入端，二号开关阵列K2的活动端连接主电池组(13)的电源信号输入输出端,一号直流变换器(15)的信号输出端同时连接低温辅助电池组(14)的电源信号输入输出端和三号开关阵列K3的固定端，三号开关阵列K3的活动端连接二号直流变换器(16)的信号输入端，二号直流变换器(16)的信号输出端同时连接N+1个继电器((KA))的电源信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统，其特征在于，它还包括二号风扇(10)、三号风扇(11)和两个继电器(KA);所述二号风扇(10)和三号风扇(11)分别固定在电池箱体(3)的侧面开设的两个通风口内，且二号风扇(10)电源信号输入端和三号风扇(11)电源信号输入端均串联有一个继电器(KA),且该两个继电器(KA)的驱动信号输入端连接微处理器(12)的两个驱动信号输入端。
3.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统，其特征在于，一号风扇(9)采用向内吹风的风扇，二号风扇(10)和三号风扇(11)均采用向外吸风的风扇。
4.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统，其特征在于，它还包括直流充电设备，所述直流充电设备的电源信号输出端同时连接一号开关阵列Kl的固定端和二号开关阵列K2的固定端。
5.采用权利要求1所述的一种动力锂离子电池组冷热控制系统控制电池组所处环境温度的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为: 步骤一、利用N个温度传感器(4)采集每个电池模块内的温度，并将采集到的温度数据发送至微处理器(12)； 步骤二、微处理器(12)判断自身是否接受到N个温度数据，若是则分别判断N个温度数据是否大于45摄氏度，若N个温度数据中任意一个温度数据大于45摄氏度，则执行步骤三，否则执行步骤四； 步骤三、微处理器(12)驱动一号风扇所串联的继电器(KA)闭合，一号风扇开始工作；分别判断N个温度数据是否大于45摄氏度，若N个温度数据中没有大于45摄氏度的，则执行步骤三一，否则执行步骤三二 ； 步骤三一、微处理器(12)控制与一号风扇所串联的继电器(KA)断电,一号风扇停止工作；返回执行步骤二 ； 步骤三二、返回执行步骤三的判断过程； 步骤四、分别判断N个温度数据是否在零下9摄氏度与45摄氏度之间，若N个温度数据均在零下9摄氏度与45摄氏度之间，则返回执行步骤一；否则执行步骤五； 步骤五、微处理器(12)驱动温度小于零下9摄氏度的电池模块中电加热膜(5)所串联的继电器(KA)闭合，与该继电器(KA)串联的电加热膜(5)进行加热； 步骤六、分别判断N个电池模块内采集到的温度数据是否大于零下9摄氏度，若N个电池模块中的任意一个模块中的温度数据大于零下9摄氏度时，微处理器(12)驱动该电池模块中的电加热膜(5)所串联的继电器(KA)闭合，停止该电池模块中的电加热膜(5)加热，实现对动力锂离子电池组所处环境的温度的控制，否则返回执行步骤五。
【文档编号】H01M10/635GK104347911SQ201410452839
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】朱春波, 孙金磊, 杨鹏, 魏国, 逯仁贵, 宋凯 申请人:哈尔滨工业大学