一种基于改进PID智能控制的锂电池热平衡系统装置与方法

本发明属于新能源电池，尤其涉及一种基于改进pid智能控制的锂电池热平衡系统装置与方法。

背景技术：

1、近年来，环境污染问题和能源枯竭问题日益严重，备受到人们及国家的关注，随着新型高能二次电池技术尤其是锂离子动力电池技术的不断进步，以电动自行车、电动汽车为代表的电动车辆技术的开发和推广应用日益受到重视。

2、新能源电动车辆中使用的动力锂离子电池，无论是磷酸铁锂、锰酸锂还是三元锂电池，在高温情况下的安全性能都不好，锂离子电池在常温充、放电的过程中由于欧姆内阻的存在会产生热量，如果电池产生的热量不能及时的释放，就会存在热失控，导致电池燃烧或鼓包等安全事故，锂离子电池在高温使用时，更加容易造成热量的累积造成安全事故。

3、并且，不同工况环境对温度要求也不一样，比如在高原地带所用叉车、机车需要精准的控制温度环境，因此在常温和高温环境中使用时，需要采用散热系统；而在低温时充电不仅效率低而且会影响电池寿命，需要采用加热系统。

技术实现思路

1、根据以上现有技术中的不足，本发明提供了一种可以实现锂电池模组的精准控温，从而有效的保证了锂电池模组的安全，且可以发挥锂电池模组的最佳性能的基于改进pid智能控制的锂电池热平衡系统装置与方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于改进pid智能控制的锂电池热平衡系统装置，包括箱体，箱体为三层结构，底层为配重腔，中层为电池腔，上层为电控腔，其中：

4、电池腔内设置有多个锂电池模组，锂电池模组周边设置有铝制散热片，电池腔中设有液体循环管道，液体循环管道通过模组泵进行液体循环，对箱体整体和锂电池模组进行控温，电池腔内、电控腔内、每个锂电池模组处及相邻的锂电池模组之间均设置有温度传感器，每个锂电池模组处均设置有电流传感器，电池腔内还设有压力传感器；

5、电控腔中设置有电池管理系统、电子开关箱、plc控制器和输出模块，plc控制器与电池管理系统和模组泵电性连接，电池管理系统分别与各个锂电池模组、电子开关箱、输出模块、压力传感器和各个温度传感器、电流传感器电性连接。

6、为了更好的采集锂电池模组的温度信息，每个锂电池模组处设置的温度传感器，通过信号采集线直接与对应模组内的电芯相连。铝制散热片可以在散热时增加散热热量，更好实现各个电池的温度一致性。

7、电池管理系统可以采用公知的管理系统，也可以单独设置，例如：电池管理系统中包含了通讯模块，用以实现热平衡过程中的通信。电池管理系统通过线束和插件连接锂电池模组，通过通讯模块和锂电池模组的安全保护电路连接，还可以通过采集线束与电池的正负极相连，检测模组的电压，以及通过采集线束与锂电池模组的电路传感器相连，获取每个模组内电芯的状态参数信息，可以经过plc控制器运算后通过锂电池模组内部的通讯总线输出均衡、温度、电压、s0c等信息。

8、电子开关箱主要应用于短路阶段，可以直接切断电源避免后续更多安全问题。

9、电流传感器主要监测锂电池模组的电流情况，为电池管理系统的电源管理提供数据基础，可以进行动态监测。

10、输出模块用于显示箱体温度、锂电池模组温度等信息，可以为设置在箱体顶部的带有显示屏的控制面板，也可以通过数据输出接头与叉车、机车等电动车辆的车载系统相连，在驾驶舱仪表盘进行显示。

11、所述的配重腔通过填充阻燃材料进行配重。底层设计主要是用来增加重量，叉车、机车等需要进行配重。

12、所述的液体循环管道的进液口和出液口均位于电池腔一侧，液体循环管道设置在电池腔内壁中，并延伸出盘管经过每个锂电池模组的两侧。进一步的，可以通过设置控制阀，对每个盘管进行单独的控制，以便更好的进行控温。

13、所述的模组泵为外置水泵或设置在电池腔内的微型水泵。液体循环管道的液体源可以为设置在电动车辆上的水箱，可以为热水箱和冷水箱，或带有温控功能的水箱。

14、所述的相邻的锂电池模组之间还设有阻燃气囊和静电隔离贴，电池腔内设置有灭火装置。阻燃气囊可以控制热失控，可使得锂电池模组在任何环境温度中使用。

15、一种采用上述的基于改进pid智能控制的锂电池热平衡系统装置的热平衡方法，方法为：

16、在锂电池模组正常工作时，通过温度传感器对电池箱体内的温度及每个锂电池模组温度进行实时监测，将监测到的温度数据通过电池管理系统反馈至plc控制器，plc控制器进行温控判断，并基于自适应粒子群算法进行pid控制，在输入初始温度后，通过不断的迭代搜寻得出最优的结果，plc控制器通过该结果控制模组泵接入的液体种类，以及模组泵的循环流量和流速，经由液体循环管道对箱体整体和锂电池模组进行控温，其中液体种类为冷源或热源。冷源或热源即为相对于需要进行的加热或散热操作而采用的能起到相应作用的一定温度的液体，一般为水，进一步的，可以在模组泵处设置温控模组或者直接采用带有温控功能的水箱。

17、所述的plc控制器进行温控判断的具体过程为：

18、a、当箱体温度不高于5℃时，启动加热，在液体循环管道中通入热源，当箱体温度到达20℃时停止加热；

19、b、当有单个锂电池模组的温度不高于40℃时，启动加热，在液体循环管道中通入热源，同时进行实时温度的一致性判断，当所有锂电池模组满足温度一致性时结束加热；

20、c、当有单个锂电池模组的温度高于40℃时，启动散热，在液体循环管道中通入冷源，同时进行实时温度的一致性判断，当所有锂电池模组满足温度一致性时结束散热；

21、d、当箱体温度高于50℃时，启动散热，在液体循环管道中通入冷源，当箱体温度低于35℃时停止散热。

22、所述的温度一致性判断为，通过plc控制器基于自适应粒子群算法进行pid控制，保持每个锂电池模组的热平衡一致性，使锂电池模组的使用时间和状态达到最佳。

23、所述的自适应粒子群算法步骤为：

24、s1、将温度初始数据导入；

25、s2、粒子群进行初始化，得到初始位置和速度；

26、s3、计算每个粒子的适应度值；

27、s4、通过对比计算得到个体适应度值和全局的群体适应度值，选择最优的适应值，即为个体极值和群体极值；

28、s5、对粒子的速度和位置进行不断地迭代更新，并再次计算每个粒子的适应度值，直至满足终止条件，得到最优的结果并输出。

29、本发明所具有的有益效果是：

30、本发明通过设置了三层结构的箱体，并且在箱体内设置了锂电池模组、液体循环管道、温度传感器、电池管理系统和plc控制器等，可以对电池箱体内的温度及每个锂电池模组温度进行实时监测，将监测到的温度数据通过电池管理系统反馈至plc控制器，plc控制器进行温控判断，并基于自适应粒子群算法进行pid控制，控制模组泵接入的液体种类，以及模组泵的循环流量和流速，经由液体循环管道对箱体整体和锂电池模组进行控温，实现了锂电池模组内部温度场均衡、温差最小化、使得锂电池模组能够工作在最佳温度范围内；且降低了锂电池模组高温热失控风险和低温损坏的概率，增加了锂电池模组的使用效率，延长了实际使用寿命；基于自适应粒子群优化的pid智能控制更加精确，效果更加明确，可以实现锂电池模组的精准控温。