一種動力電池水冷機組系統及其溫差智能控制方法與流程
2023-05-10 01:28:56 1
本發明涉及的是新能源汽車動力電池技術的應用領域，更具體地說是一種動力電池水冷機組系統及其溫差智能控制方法。
背景技術：
在電動汽車行駛過程中，動力電池在充放電中發生複雜的化學反應，容易在電池內部積累大量的熱量，導致電池溫度上升，造成轉換效率、循環壽命等電池性能指標下降，而傳統動力電池冷卻系統採用自然風冷和水冷，而大功率動力電池均採用水冷方案。
在傳統動力電池水冷機組控制中，一般採用開關法控制，將設定溫度與電池溫度比較，當電池溫度高於設定製冷溫度時，水冷機組開始製冷，壓縮機、電子水泵和冷凝風扇以固定轉速運轉；當電池溫度低於設定製冷溫度，壓縮機、電子水泵和冷凝風扇停止工作，如此循環控制電池溫度的變化。這種控制方法簡單，但往往存在以下缺點：
一、壓縮機、電子水泵和冷凝風扇頻繁啟動與停止，極易導致電池內部溫差較大，溫度均衡性較差，而且沒有充分發揮壓縮機的變頻作用，導致產品使用壽命降低，整車百公裡耗電量增加，從而影響整車使用性能。
二、水冷機組停止工作後，水泵立即停止工作，造成冷卻管路溫度過低，無法得到循環冷卻，導致製冷器件容易損壞。
技術實現要素：
本發明公開的是一種動力電池水冷機組系統及其溫差智能控制方法，其主要目的在於克服現有技術存在的上述不足和缺點，提供一種電池水冷機組系統的溫差智能控制方法，它不僅有效提高動力電池水冷機組控制的自動化程度，而且該控制系統可以根據判斷電池平均溫度與水冷機組出水溫度的差值，通過智能控制算法，實時自適應調整壓縮機、電子水泵和冷凝風扇工作轉速，從而間接控制動力電池工作在最佳溫度範圍和溫差範圍內，並且通過安時積分提前預知電池溫度走勢，增加修正因子可以有效解決溫度採集的遲滯性，更加有效控制動力電池的溫度均衡性，延長動力電池使用壽命，而且有效減小水冷機組運行功耗。
本發明採用的技術方案如下：
一種動力電池水冷機組系統，所述水冷機組和水冷機組控制器，所述水冷機組包括壓縮機、壓力開關、冷凝器、冷凝風扇、儲液乾燥罐、膨脹閥、板式交換器、ptc加熱器、三通閥、進水溫度傳感器、動力電池箱體、出水溫度傳感器、水箱、電子水泵，所述壓縮機、壓力開關、冷凝器、冷凝風扇、儲液乾燥罐、膨脹閥、板式交換器串聯接設置；所述ptc加熱器、三通閥、進水溫度傳感器、動力電池箱體、出水溫度傳感器、水箱、電子水泵串聯接設置，並通過所述三通閥與所述板式交換器相併聯接設置，所述水冷機組控制器通過can總線與所述水冷機組建立數據通信連接，該水冷機組控制器設有一定時器，定時周期為w，該水冷機組設有四個工作模式，分別為等待模式、循環模式、製冷模式和制熱模式；
所述的動力電池水冷機組系統的溫差智能控制方法，包括以下具體步驟：
步驟一：所述水冷機組低壓上電後，系統自檢無故障進入等待模式，所述壓縮機、電子水泵和冷凝風扇停止工作；
步驟二：所述水冷機組控制器接收所述動力電池箱體中電池單體最低溫度t1、電池單體最高溫度t2和每個電池模組的溫度，並計算整套電池平均溫度t3，同時該水冷機組控制器分別採集所述出水溫度傳感器的出水溫度t4和進水溫度傳感器的進水溫度t5，計算電池平均溫度t3與水冷機組出水溫度t4的系統溫差為t6，設定系統溫差範圍[t7，t8]，並劃分為四級溫差階躍，分別為[t7,（3t7+t8）/4)、[（3t7+t8）/4，（t7+t8）/2)、[（t7+t8）/2,(t7+4t8)/4)、[（3t7+t8）/4,t8]；設置目標製冷開啟溫度t9、極限制冷溫度t10、目標加熱開啟溫度t11、極限制熱溫度t12；
步驟三：當滿足動力電池平均溫度t3高於目標製冷開啟溫度t9或低於目標加熱開啟溫度t11或電池單體溫差超過設定值，所述水冷機組進入循環模式，控制系統開啟電子水泵，運行轉速為初始設定轉速n10，控制動力電池冷卻介質的流量；
步驟四：進入循環模式後，當滿足電池平均溫度t3高於目標製冷開啟溫度t9時，由循環模式切入到製冷模式；
步驟五：進入循環模式後，當滿足電池平均溫度t3低於目標加熱開啟溫度t11時，由循環模式切入到制熱模式；
步驟六：進入循環模式後，當滿足進水溫度傳感器的進水溫度t5和出水溫度傳感器的出水溫度t4達到設定溫度，或動力電池箱體中電池單體溫差範圍超過設定溫度，由循環模式切入到所述電子水泵和冷凝風扇全部高速運轉；
步驟七：進入循環模式後，當滿足動力電池箱體中電池剩餘電量低於30%或整車高壓下電時，水冷機組跳出循環模式並停止工作。
更進一步，所述步驟四的製冷模式包括以下具體步驟：
（1）進入製冷模式後，關閉三通閥，然後先後開啟所述冷凝風扇和壓縮機，該冷凝風扇與壓縮機的初始運行轉速分別為n20和n30；
（2）當系統溫差ｔ6滿足溫差階躍[t7,（3t7+t8）/4)條件，所述壓縮機每隔10個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為200r/min，直至達到最高工作轉速運行，而冷凝風扇和電子水泵分別工作在中等轉速工況；
（3）當系統溫差ｔ6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4，（t7+t8）/2)條件，壓縮機每隔10個定時周期w增加壓縮機轉速，每次轉速遞增量為100r/min，直至達到最高工作轉速運行，而冷凝風扇和電子水泵每隔20個定時周期w增大轉速，每次轉速遞增量為50r/min，直至達到各部件最高工作轉速運行；
（4）當系統溫差t6滿足溫差階躍[（t7+t8）/2,(t7+4t8)/4)條件，壓縮機每隔10個定時周期w減小轉速，每次轉速遞減量為100r/min，直至降到初始運行轉速，而冷凝風扇和電子水泵每隔10個定時周期w增大轉速，每次轉速遞增量為50r/min，直至達到各部件最高工作轉速運行；
（5）當系統溫差t6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4,t8]條件，壓縮機每隔5個定時周期w減小轉速，每次轉速遞減量為200r/min，直至降到各部件初始運行轉速，而冷凝風扇和電子水泵每隔10個定時周期w增大轉速，每次轉速遞增量為100r/min，直至達到各部件最高工作轉速運行；
（6）當進水溫度傳感器的進水溫度t5低於極限制冷溫度t10時，系統退出製冷模式，所述壓縮機和冷凝風扇運行初始轉速分別為n30和n20持續20個定時周期後停止工作，系統回到循環模式。
更進一步，所述步驟五的制熱模式包括以下具體步驟：
（1）進入制熱模式後，打開三通閥，然後開啟ptc加熱器，水冷機組利用ptc陶瓷加熱技術，根據電池熱管理系統方案，系統設計四個加熱功率分別為p1、p2、p3和p4，並滿足p1＞p2＞p3>p4＞0；
（2）若系統溫差t6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4,t8]條件，ptc加熱功率為p1，電子水泵工作在中等轉速工況；
（3）若系統溫差t6滿足溫差階躍[（t7+t8）/2,(t7+4t8)/4)條件，ptc加熱功率為p2，電子水泵每隔20個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為50r/min，直至達到最高工作轉速運行；
（4）若系統溫差t6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4，（t7+t8）/2)條件，ptc加熱功率為p3，電子水泵每隔10個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為100r/min，直至達到最高工作轉速運行；
（5）若系統溫差t6滿足溫差階躍[t7,（3t7+t8）/4)條件，ptc加熱功率為p4，且電子水泵每隔5個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為200r/min，直至達到最高工作轉速運行；
（6）若進水溫度傳感器的進水溫度t5高於極限制熱溫度t12時，系統退出制熱模式，關閉ptc加熱器，關閉三通閥，系統回到循環模式。
更進一步，所述水冷機組採集can總線上電池工作電流，並採用安時積分方法計算電池當前的熱量交換能力，提前預知電池溫度走勢。
通過上述對本發明的描述可知，和現有技術相比，本發明的優點在於：
本發明不僅能有效地提高動力電池水冷機組控制的自動化程度，而且該控制系統可自適應調整壓縮機、電子水泵和冷凝風扇工作轉速，維持動力電池工作在最佳溫度範圍和溫差範圍內，並且通過安時積分提前預知電池溫度走勢，增加修正因子可以有效解決溫度採集的遲滯性，更加有效控制動力電池的溫度均衡性，延長動力電池使用壽命，而且有效減小水冷機組運行功耗。
附圖說明
圖1是發明中動力電池水冷機組的系統架構圖。
圖2為水冷機組控制方法原理圖。
圖3為本發明製冷模式控制方法原理圖。
圖4為本發明制熱模式控制方法原理圖。
具體實施方式
下面參照附圖說明來進一步地說明本發明的具體實施方式。
如圖1至圖4所示，一種動力電池水冷機組系統，所述水冷機組和水冷機組控制器，所述水冷機組包括壓縮機1、壓力開關2、冷凝器3、冷凝風扇4、儲液乾燥罐5、膨脹閥6、板式交換器7、ptc加熱器8、三通閥9、進水溫度傳感器10、動力電池箱體11、出水溫度傳感器12、水箱13、電子水泵14，所述壓縮機1、壓力開關2、冷凝器3、冷凝風扇4、儲液乾燥罐5、膨脹閥6、板式交換器7串聯接設置；所述ptc加熱器8、三通閥9、進水溫度傳感器10、動力電池箱體11、出水溫度傳感器12、水箱13、電子水泵14串聯接設置，並通過所述三通閥9與所述板式交換器7相併聯接設置，所述水冷機組控制器通過can總線與所述水冷機組建立數據通信連接，該水冷機組控制器設有一定時器，定時周期為w，該水冷機組設有四個工作模式，分別為等待模式、循環模式、製冷模式和制熱模式；
所述的動力電池水冷機組系統的溫差智能控制方法，包括以下具體步驟：
步驟一：所述水冷機組低壓上電後，系統自檢無故障進入等待模式，所述壓縮機、電子水泵和冷凝風扇停止工作；
步驟二：所述水冷機組控制器接收所述動力電池箱體中電池單體最低溫度t1、電池單體最高溫度t2和每個電池模組的溫度，並計算整套電池平均溫度t3，同時該水冷機組控制器分別採集所述出水溫度傳感器的出水溫度t4和進水溫度傳感器的進水溫度t5，計算電池平均溫度t3與水冷機組出水溫度t4的系統溫差為t6，設定系統溫差範圍[t7，t8]，並劃分為四級溫差階躍，分別為[t7,（3t7+t8）/4)、[（3t7+t8）/4，（t7+t8）/2)、[（t7+t8）/2,(t7+4t8)/4)、[（3t7+t8）/4,t8]；設置目標製冷開啟溫度t9、極限制冷溫度t10、目標加熱開啟溫度t11、極限制熱溫度t12；
步驟三：當滿足動力電池平均溫度t3高於目標製冷開啟溫度t9或低於目標加熱開啟溫度t11或電池單體溫差超過設定值，所述水冷機組進入循環模式，控制系統開啟電子水泵，運行轉速為初始設定轉速n10，控制動力電池冷卻介質的流量；
步驟四：進入循環模式後，當滿足電池平均溫度t3高於目標製冷開啟溫度t9時，由循環模式切入到製冷模式；
步驟五：進入循環模式後，當滿足電池平均溫度t3低於目標加熱開啟溫度t11時，由循環模式切入到制熱模式；
步驟六：進入循環模式後，當滿足進水溫度傳感器的進水溫度t5和出水溫度傳感器的出水溫度t4達到設定溫度，或動力電池箱體中電池單體溫差範圍超過設定溫度，由循環模式切入到所述電子水泵和冷凝風扇全部高速運轉；
步驟七：進入循環模式後，當滿足動力電池箱體中電池剩餘電量低於30%或整車高壓下電時，水冷機組跳出循環模式並停止工作。
更進一步，所述步驟四的製冷模式包括以下具體步驟：
（1）進入製冷模式後，關閉三通閥，然後先後開啟所述冷凝風扇和壓縮機，該冷凝風扇與壓縮機的初始運行轉速分別為n20和n30；
（2）當系統溫差ｔ6滿足溫差階躍[t7,（3t7+t8）/4)條件，所述壓縮機每隔10個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為200r/min，直至達到最高工作轉速運行，而冷凝風扇和電子水泵分別工作在中等轉速工況；
（3）當系統溫差ｔ6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4，（t7+t8）/2)條件，壓縮機每隔10個定時周期w增加壓縮機轉速，每次轉速遞增量為100r/min，直至達到最高工作轉速運行，而冷凝風扇和電子水泵每隔20個定時周期w增大轉速，每次轉速遞增量為50r/min，直至達到各部件最高工作轉速運行；
（4）當系統溫差t6滿足溫差階躍[（t7+t8）/2,(t7+4t8)/4)條件，壓縮機每隔10個定時周期w減小轉速，每次轉速遞減量為100r/min，直至降到初始運行轉速，而冷凝風扇和電子水泵每隔10個定時周期w增大轉速，每次轉速遞增量為50r/min，直至達到各部件最高工作轉速運行；
（5）當系統溫差t6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4,t8]條件，壓縮機每隔5個定時周期w減小轉速，每次轉速遞減量為200r/min，直至降到各部件初始運行轉速，而冷凝風扇和電子水泵每隔10個定時周期w增大轉速，每次轉速遞增量為100r/min，直至達到各部件最高工作轉速運行；
（6）當進水溫度傳感器的進水溫度t5低於極限制冷溫度t10時，系統退出製冷模式，所述壓縮機和冷凝風扇運行初始轉速分別為n30和n20持續20個定時周期後停止工作，系統回到循環模式。
更進一步，所述步驟五的制熱模式包括以下具體步驟：
（1）進入制熱模式後，打開三通閥，然後開啟ptc加熱器，水冷機組利用ptc陶瓷加熱技術，根據電池熱管理系統方案，系統設計四個加熱功率分別為p1、p2、p3和p4，並滿足p1＞p2＞p3>p4＞0；
（2）若系統溫差t6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4,t8]條件，ptc加熱功率為p1，電子水泵工作在中等轉速工況；
（3）若系統溫差t6滿足溫差階躍[（t7+t8）/2,(t7+4t8)/4)條件，ptc加熱功率為p2，電子水泵每隔20個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為50r/min，直至達到最高工作轉速運行；
（4）若系統溫差t6滿足溫差階躍[（3t7+t8）/4，（t7+t8）/2)條件，ptc加熱功率為p3，電子水泵每隔10個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為100r/min，直至達到最高工作轉速運行；
（5）若系統溫差t6滿足溫差階躍[t7,（3t7+t8）/4)條件，ptc加熱功率為p4，且電子水泵每隔5個定時周期w增加轉速，每次轉速遞增量為200r/min，直至達到最高工作轉速運行；
（6）若進水溫度傳感器的進水溫度t5高於極限制熱溫度t12時，系統退出制熱模式，關閉ptc加熱器，關閉三通閥，系統回到循環模式。
更進一步，所述水冷機組採集can總線上電池工作電流，並採用安時積分方法計算電池當前的熱量交換能力，提前預知電池溫度走勢。
本發明不僅能有效地提高動力電池水冷機組控制的自動化程度，而且該控制系統可自適應調整壓縮機、電子水泵和冷凝風扇工作轉速，維持動力電池工作在最佳溫度範圍和溫差範圍內，並且通過安時積分提前預知電池溫度走勢，增加修正因子可以有效解決溫度採集的遲滯性，更加有效控制動力電池的溫度均衡性，延長動力電池使用壽命，而且有效減小水冷機組運行功耗。
上述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的設計構思並不僅局限於此，凡是利用此構思對本發明進行非實質性地改進，均應該屬於侵犯本發明保護範圍的行為。