集成均热板和热电制冷的电池热管理系统及其控制方法

本发明涉及电动汽车锂电池热管理系统，特别是一种集成均热板和热电制冷的电池热管理系统及其控制方法。

背景技术：

1、电动汽车在减少温室气体排放和环境污染方面具有显著优势，在环境问题日益严峻的今天得到了快速发展。锂离子电池以其高能量密度和长寿命的特点，在电动汽车的成功应用中起着至关重要的作用，因为它是储能电池的主要选择。然而，锂离子电池的热行为显著影响其工作性能。在高倍率充放电过程中，电池会产生大量的热量。热量散失不充分会使其在电池组内部积聚，导致温度升高，温差增大。在极端温差或高温下运行会导致性能下降，加速电池老化，甚至发生热失控事件。

2、目前主流的电动汽车锂电池组热管理方式主要有风冷、液冷及使用相变材料冷却。风冷热管理系统主要依靠空气在锂电池箱内流动，从而将锂电池产生的热量散发到外界环境中。通常，风冷热管理系统造价低、易实现，现被各大汽车厂商所青睐。但风冷热管理系统所用工质为空气，其对流换热系数低,传热效果并不理想。已有文献研究表明尽管风冷热管理系统能满足并联式电池组的散热要求，但该系统却不适合串联排布和大尺寸的电池组。液冷热管理系统是使用液体来代替空气进行散热。很显然,该系统有更好的散热效果。

3、但由于将液体与电池组直接接触，会存在因液体泄露而造成电池短路的风险。同时，液冷热管理系统较空冷热管理系统复杂且设备笨重，造价也偏高。除此之外，相变冷却技术是目前已知的最高效的方法之一。与主动空气冷却或液体冷却等主动方式不同，它利用相变材料在相变过程中释放的潜热，为电池提供足够的冷却能量，同时保证了较高的温度均匀性。然而，相变冷却方式存在导热系数低的缺点，限制了其大规模商业化使用。与此同时，电池热管理系统面临的一个基本挑战是，热环境和冷环境提出了相反的要求：在高温下进行热传送以冷却电池，在低温下进行热隔离以保持电池内部产生的热量，从而不可避免地损伤热性能和冷性能。

技术实现思路

1、本发明解决了热失控以及高功率充放电下电池寿命损耗和充放电效率较低的难题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，包括电池壳体和安装于电池壳体内的电池组，电池组中单体电池的两侧均固定连接有均热板，均热板的顶部位于电池壳体外部，均热板顶部侧壁通过热电制冷片连接有液冷板，液冷板内部与冷却液供应系统连通，单体电池表面安装有温度传感器，且温度传感器与冷却液供应系统的控制单元信号连接。

3、优选的，所述热电制冷片包括上陶瓷导热板、下陶瓷导热板和中部的pn半导体连接部件，下陶瓷导热板固定连接在所述均热板上，上陶瓷导热板固定连接在所述液冷板上。

4、优选的，所述热电制冷片在第一块和最后一块所述均热板的侧壁上均匀分布两块，其余所述均热板上均均匀分布有四块所述热电制冷片。

5、优选的，所述冷却液供应系统包括通过管道依次连通的散热器和水泵，所述液冷板的出水口和进水口均连接在管道上，并形成冷却液循环管道，所述控制单元控制连接对水泵供电的电源。

6、优选的，相邻所述均热板之间的所述液冷板上设置有固定栓，并通过固定栓固定所述液冷板和热电制冷片。

7、优选的，所述液冷板内设置有s形的冷却液流道，所述进水口和出水口分别位于冷却液流道的两端。

8、优选的，所述电池组与电池壳体的接触面、电池组与均热板的接触面、均热板与电池壳体的接触面、均热板与热电制冷片的接触面以及热电制冷片与液冷板的接触面上均附有导热硅脂，且均匀涂布。

9、集成均热板和热电制冷的电池热管理系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

10、s1、根据温度传感器检测的温度t，对比t和tx与 tmax，若t＜tx，电池热管理系统启动加热模式，若tx≤t≤tmax，电池热管理系统工作在正常模式，若t≥tmax，电池热管理系统启动制冷模式；

11、s2、在正常模式下，电池组处于适宜的工作状态，热电制冷片和水泵均处于断电装置；

12、s3、在制冷模式下，控制单元控制水泵工作，且控制单元通入正向电流至热电制冷片，热电制冷片下端制冷，上端制热，热电制冷片上端的热量由散热回路散失，在散热回路和热电制冷片的共同作用下，将电池单体温度降低；

13、s4、在制热模式下，控制单元控制水泵处于断电状态，同时，控制单元（12）通入反向电流至热电制冷片，热电制冷片下段制热，上端制冷，在热电制冷片和均热板的共同作用下提高电池单体的温度。

14、优选的，在所述控制单元接收所有所述温度传感器的温度信号时，若第i个所述电池单体的温度为ti，其相邻的所述电池单体的温度为ti+1；若ti>ti+1，则控制第i块均热板右侧的两个热电制冷片的输入电流大于第i+2块均热板左侧的两个热电制冷片的输入电流；若ti<ti+1，则控制第i块均热板右侧的两个热电制冷片的输入电流小于控制第i+2块均热板左侧的两个热电制冷片的输入电流；若ti = ti+1，则无需改变第i块和第i+2块均热板上的四个热电制冷片的输入电流。

15、本发明提供一种集成均热板和热电制冷的锂电池热管理系统极其控制方法。

16、1、由温度传感器将监测到的温度信息传递给控制单元，再由控制单元对电源进行控制，电源再对热电制冷片和水泵施加相应的输入电流，可以对各种工况下的电池包进行有效的加热和冷却，从而控制电池温度，使锂电池工作在安全的工作范围内，解决了热失控以及高功率充放电下电池寿命损耗和充放电效率较低的难题。

17、2、本发明在电池组与电池壳体的接触面、均热板与电池壳体的接触面、电池组与均热板的接触面、均热板和热电制冷片的接触面以及热电制冷片与液冷板的接触面附有导热硅脂，以消除空隙。

18、3、本发明所采用的温度传感器位于每一个电池的表面，其个数等于电池单体个数，且第i个温度传感器监测第i个电池单体的温度，温度传感器将温度信息传递至控制单元，控制单元根据各电池单体的温度t实施相应地控制策略。假设第i（i = 1，2，3，…）个电池的温度为ti，其相邻的电池的温度分别为ti+1；若ti>ti+1，则控制第i块均热板右侧的两个热电制冷片的输入电流大于控制第i+2块均热板左侧的两个热电制冷片的输入电流；若ti<ti+1，则控制第i块均热板右侧的两个热电制冷片的输入电流小于控制第i+2块均热板左侧的两个热电制冷片的输入电流；若ti = ti+1，则无需改变第i块和第i+2块均热板上的四个热电制冷片的输入电流，以此保证电池单体的温度统一。

19、4、本发明采用的控制单元对热管理系统整体进行精准控制，控制单元判断t的大小，若t<tx（tx = 15oc），热管理系统工作在加热模式；若tx（tx = 15oc） ≤ t ≤ tmax（tmax = 35oc），热管理系统工作正常模式；若t ≥ tmax（tmax = 35oc），热管理系统工作在制冷模式。

技术特征：

1.集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：包括电池壳体（1）和安装于电池壳体（1）内的电池组（3），电池组（3）中单体电池的两侧均固定连接有均热板（2），均热板（2）的顶部位于电池壳体（1）外部，均热板（2）顶部侧壁通过热电制冷片（5）连接有液冷板（6），液冷板（6）内部与冷却液供应系统连通，单体电池表面安装有温度传感器（4），且温度传感器（4）与冷却液供应系统的控制单元（12）信号连接。

2.如权利要求1所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：所述热电制冷片（5）包括上陶瓷导热板、下陶瓷导热板和中部的pn半导体连接部件，下陶瓷导热板固定连接在所述均热板（2）上，上陶瓷导热板固定连接在所述液冷板（6）上。

3.如权利要求2所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：所述热电制冷片（5）在第一块和最后一块所述均热板（2）的侧壁上均匀分布两块，其余所述均热板（2）上均均匀分布有四块所述热电制冷片（5）。

4.如权利要求1所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：所述冷却液供应系统包括通过管道（8）依次连通的散热器（9）和水泵（10），所述液冷板（6）的出水口和进水口均连接在管道（8）上，并形成冷却液循环管道，所述控制单元（12）控制连接对水泵（10）供电的电源（11）。

5.如权利要求4所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：相邻所述均热板（2）之间的所述液冷板（6）上设置有固定栓（7），并通过固定栓（7）固定所述液冷板（6）和热电制冷片（5）。

6.如权利要求5所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：所述液冷板（6）内设置有s形的冷却液流道，所述进水口和出水口分别位于冷却液流道的两端。

7.如权利要求1所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统，其特征在于：所述电池组（3）与电池壳体（1）的接触面、电池组（3）与均热板（2）的接触面、均热板（2）与电池壳体（1）的接触面、均热板（3）与热电制冷片（5）的接触面以及热电制冷片（5）与液冷板（6）的接触面上均附有导热硅脂，且均匀涂布。

8.如权利要求1所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、根据温度传感器（4）检测的温度t，对比t和tx与 tmax，若t＜tx，电池热管理系统启动加热模式，若tx≤t≤tmax，电池热管理系统工作在正常模式，若t≥tmax，电池热管理系统启动制冷模式；s2、在正常模式下，电池组（3）处于适宜的工作状态，热电制冷片（5）和水泵（10）均处于断电装置；s3、在制冷模式下，控制单元（12）控制水泵（10）工作，且控制单元（12）通入正向电流至热电制冷片（5），热电制冷片（5）下端制冷，上端制热，热电制冷片（5）上端的热量由散热回路散失，在散热回路和热电制冷片（5）的共同作用下，将电池单体温度降低；s4、在制热模式下，控制单元（12）控制水泵（9）处于断电状态，同时，控制单元（12）通入反向电流至热电制冷片（5），热电制冷片（5）下段制热，上端制冷，在热电制冷片（5）和均热板（2）的共同作用下提高电池单体的温度。

9.如权利要求8所述集成均热板和热电制冷的电池热管理系统的控制方法，其特征在于：在所述控制单元（12）接收所有所述温度传感器（4）的温度信号时，若第i个所述电池单体的温度为ti，其相邻的所述电池单体的温度为ti+1；若ti > ti+1，则控制第i块均热板（2）右侧的两个热电制冷片（5）的输入电流大于第i+2块均热板左侧的两个热电制冷片（5）的输入电流；若ti < ti+1，则控制第i块均热板右侧的两个热电制冷片（5）的输入电流小于控制第i+2块均热板（2）左侧的两个热电制冷片（5）的输入电流；若ti = ti+1，则无需改变第i块和第i+2块均热板（2）上的四个热电制冷片（5）的输入电流。

技术总结
本发明涉及电池领域，具体公开一种集成均热板和热电制冷的电池热管理系统及控制方法，解决了电池热管理系统高功率充放电下温度均匀性差的问题，同时也可以在寒冷条件下对电池包进行加热。该系统包括：电池壳体、电池组、均热板、温度传感器、热电制冷片、液冷板、固定栓、管道、散热器、水泵、电源和控制单元。本发明通过均热板与热电制冷片的耦合，由温度传感器将监测到的温度信息传递给控制单元，再由控制单元对热电制冷片和水泵进行相应的控制，可以对各种工况下的电池包进行有效的加热和冷却，从而控制电池温度，使锂电池工作在安全的工作范围内，解决热失控以及高功率放电下电池寿命损耗和充放电效率较低的难题。

技术研发人员：罗丁,吴海锋,杨学林,张露露
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17