[發(fā)明專利]一種風(fēng)冷和液冷相結(jié)合的電池散熱裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010036031.8
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN111244569B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 栗歡歡;王毅潔;王亞平;竺玉強(qiáng);陳龍;江浩斌
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/613
• 分類號(hào): H01M10/613;H01M10/42;H01M10/625;H01M10/633;H01M10/635;H01M10/6551;H01M10/6557;H01M10/6563;H01M10/6568
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1.一種風(fēng)冷和液冷相結(jié)合的電池散熱裝置的散熱方法，基于一種風(fēng)冷和液冷相結(jié)合的電池散熱裝置，包括電池箱體(6)、散熱組件、電池模組以及BMS，其特征在于，所述散熱組件包括環(huán)繞包裹在電池模組內(nèi)的單體電池(5)外圍的雙向S型環(huán)繞液冷管，單體電池(5)側(cè)壁設(shè)置有溫度傳感器(3)；液冷管進(jìn)水口和出水口依次通過進(jìn)水管(10)、電子水泵、水箱(4)、出水管(11)連通；電池箱體(6)底部還設(shè)置有冷卻風(fēng)扇(7)；溫度傳感器(3)與BMS信號(hào)連接，冷卻風(fēng)扇(7)、電子水泵均由BMS控制；所述電池箱體(6)內(nèi)設(shè)有放置電池模組的基板(1)，基板(1)表面設(shè)有通孔；所述冷卻風(fēng)扇(7)設(shè)置在電池箱體(6)底部兩側(cè)，冷卻風(fēng)扇(7)上方均設(shè)有由導(dǎo)流片(12)組成的風(fēng)擺，導(dǎo)流片(12)通過兩端轉(zhuǎn)軸(17)固定在電池箱體(6)上，導(dǎo)流片(12)可轉(zhuǎn)動(dòng)；兩側(cè)導(dǎo)流片(12)之間設(shè)置有擋風(fēng)隔板(16)；所述雙向S型環(huán)繞液冷管管體由m個(gè)半圓柱形空心管體組成，m≥1且m為正整數(shù)，內(nèi)圓弧半徑與單體電池(5)半徑一致；所述雙向S型環(huán)繞液冷管包括環(huán)繞方向相反的上S型環(huán)繞液冷管(8)和下S型環(huán)繞液冷管(9)；所述上S型環(huán)繞液冷管(8)進(jìn)水口A(801)與下S型環(huán)繞液冷管(9)出水口A(902)設(shè)置在一側(cè)；上S型環(huán)繞液冷管(8)出水口B(802)與下S型環(huán)繞液冷管(9)進(jìn)水口B(901)設(shè)置在一側(cè)；所述電池箱體(6)頂部設(shè)置有排風(fēng)扇(2)；其特征在于，包括如下步驟：BMS采集溫度傳感器(3)傳遞的單體電池(5)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)判斷相應(yīng)的散熱方式，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電子水泵工作，對(duì)電池模組進(jìn)行相應(yīng)方式的散熱；所述散熱方式包括風(fēng)冷散熱、液冷散熱和風(fēng)冷液冷結(jié)合散熱；

所述風(fēng)冷液冷結(jié)合散熱方式中，BMS利用粒子群算法獲得最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)電流i_fbest和電子水泵目標(biāo)電流i_ebest，控制冷卻風(fēng)扇(7)的轉(zhuǎn)速和冷卻液進(jìn)水流量；過程如下：

步驟1：BMS采集溫度傳感器(3)傳遞的單體電池(5)溫度數(shù)據(jù)；

步驟2：BMS內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算獲取電池箱體的平均溫度T、最大溫差ΛT_max、溫升速率v_T；具體計(jì)算公式如下：

ΛT_max＝max(T_i)-min(T_i) (2)

其中，n表示單體電池個(gè)數(shù)；i表示第i個(gè)單體電池；T_i表示溫度傳感器檢測到的第i個(gè)單體電池的溫度；T(t+t₀)表示t+t₀時(shí)刻的電池箱體溫度；T(t)表示t時(shí)刻的電池箱體溫度；t₀是采樣時(shí)間；

步驟3：BMS內(nèi)部對(duì)冷卻方式進(jìn)行判斷，并控制裝置進(jìn)行不同形式的散熱：當(dāng)T≤k₁且v_T≤p₁時(shí)，只進(jìn)行風(fēng)冷散熱，風(fēng)冷散熱過程為：BMS控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)冷卻風(fēng)扇(7)工作，對(duì)電池模組進(jìn)行風(fēng)冷散熱；當(dāng)k₁＜T＜k₂或p₁＜v_T＜p₂時(shí)，只進(jìn)行液冷散熱，液冷散熱過程為：BMS控制電子水泵將水箱(4)中的冷卻水通過進(jìn)水管(10)分別送入上S型環(huán)繞液冷管(8)的進(jìn)水口A(801)和下S型環(huán)繞液冷管(9)的進(jìn)水口B(901)，對(duì)電池模組進(jìn)行液冷散熱，之后冷卻液再從出水管(11)流回到水箱(4)中；當(dāng)T≥k₂或v_T≥p₂時(shí)，進(jìn)行液冷和風(fēng)冷結(jié)合散熱；其中，k₁、k₂為溫度判斷閾值，p₁、p₂為溫升速率判斷閾值；

步驟3.1：只進(jìn)行風(fēng)冷散熱時(shí)，BMS向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送高低電平脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，從而帶動(dòng)導(dǎo)流片(12)運(yùn)動(dòng)，保證擋風(fēng)隔板(16)兩側(cè)的導(dǎo)流片(12)分別在電池箱體左側(cè)、右側(cè)固定1s后擺動(dòng)，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后立即回?cái)[，如此循環(huán)擺動(dòng)，提高電池箱體左右兩側(cè)的散熱效果，防止箱體內(nèi)局部溫度過高；同時(shí)BMS輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)電流i_f，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)單體電池溫度對(duì)冷卻風(fēng)扇(7)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制；目標(biāo)電流i_f的獲取過程為：在當(dāng)前的風(fēng)冷散熱工作狀態(tài)下，BMS不斷改變輸入給冷卻風(fēng)扇(7)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值，采集電池箱體的溫升速率和當(dāng)前溫度，并擬合成如下所示的函數(shù)關(guān)系，其中，v_T0為目標(biāo)溫升速率：

v_T＝f₁(T,i_f)＝v_T0 (4)

則驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)電流i_f為：

i_f＝f₁^-1(T,v_T0) (5)

步驟3.2：只進(jìn)行液冷散熱時(shí)，BMS控制電子水泵將水箱(4)中的冷卻水輸送到液冷管中對(duì)電池箱體進(jìn)行散熱，同時(shí)BMS輸出電子水泵目標(biāo)電流i_e，對(duì)液冷管進(jìn)水口的進(jìn)水流量進(jìn)行控制，目標(biāo)電流i_e的獲取過程為：在當(dāng)前的液冷散熱工作狀態(tài)下，BMS不斷改變輸入給電子水泵的電流值，采集電池箱體的溫升速率和當(dāng)前溫度，并擬合成如下所示的函數(shù)關(guān)系：

v_T＝f₂(T,i_e)＝v_T0 (6)

則電子水泵目標(biāo)電流i_e為：

i_e＝f₂^-1(T,v_T0) (7)

步驟3.3：進(jìn)行風(fēng)冷和液冷結(jié)合散熱時(shí)，BMS利用粒子群算法PSO計(jì)算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)電流i_f和電子水泵目標(biāo)電流i_e，同時(shí)對(duì)冷卻風(fēng)扇(7)的轉(zhuǎn)速和冷卻液進(jìn)水流量進(jìn)行相應(yīng)的控制，具體計(jì)算方法如下：

步驟3.3.1：以冷卻風(fēng)扇(7)驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)電流i_f和電子水泵目標(biāo)電流i_e為尋優(yōu)對(duì)象；初始化粒子群，包括隨機(jī)位置X_k和速度V_k；將第k個(gè)粒子位置表示為X_k＝(X_kf,X_ke)，速度表示為V_k＝(V_kf,V_ke)；

步驟3.3.2：計(jì)算散熱裝置整體功率損耗P＝P_f+P_e，其中P_f、P_e分別為風(fēng)冷散熱時(shí)的功率損耗和液冷散熱時(shí)的功率損耗：

P_f＝Ui_fECU+i_f²R_m (8)

其中，i_fECU為驅(qū)動(dòng)電機(jī)ECU待機(jī)工作電流；R_m為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈等效內(nèi)阻；U為驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電壓；

P_e＝P_J+P_v+P_h (9)

其中，P_J為節(jié)流孔的功率損耗：P_v為轉(zhuǎn)閥損耗：P_h為電子水泵電損耗：P_h＝i_e²R_n+i_eECUR_el²；

其中，ρ為水密度；Q_s為電子水泵輸出流量；k_ie為電子水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；i_e為電子水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電流；d為液壓缸直徑；K_e為流量補(bǔ)償系數(shù)；q_p為水泵排量；N為流量安全系數(shù)；k₁₀為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)；C_d為節(jié)流孔孔的流量系數(shù)；A_J為節(jié)流孔的流通面積；p為水壓；A為閥口的開口面積；R_n為電子水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)線圈等效內(nèi)阻；i_eECU為電子水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)ECU待機(jī)工作電流；R_el為ECU本身的電阻；

步驟3.3.3：在當(dāng)前的電池箱風(fēng)冷液冷共存散熱工作狀態(tài)下，不斷改變輸入到電子水泵的電流值和輸入到冷卻風(fēng)扇(7)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值，采集電池的溫升速率和當(dāng)前溫度，并擬合成如下所示的函數(shù)關(guān)系：

v_T＝f₃(i_f,i_e,T) (10)

v_T0＝f₃(i_f,i_e,T) (11)

步驟3.3.4：將步驟3.3.2所得的散熱裝置整體功率損耗p作為PSO的適應(yīng)度函數(shù)，將步驟3.3.3中的式(11)作為PSO的約束條件，計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值P_k；儲(chǔ)存t₁時(shí)刻粒子群體所發(fā)現(xiàn)的最佳位置X_best、每個(gè)粒子所經(jīng)過的最好位置X_kbest和最佳適應(yīng)度函數(shù)值P_kbest；

利用X_k(t+1)＝X_k(t)+V_k(t)和V_k(t+1)＝V_k(t)+c₁r₁[X_kbest-X_k(t)]+c₂r₂[X_best-X_k(t)]分別對(duì)每個(gè)粒子的位置和速度進(jìn)行更新，并保證每個(gè)粒子速度均滿足：V_ke∈(i_eqs-i_emax,i_emax-i_eqs)，V_ky∈(i_yqs-i_ymax,i_ymax-i_yqs)；其中c₁、c₂為正的學(xué)習(xí)因子；r₁、r₂為0-1之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)；V_ke為i_e的粒子速度；V_ky為i_y的粒子速度；i_eqs、i_yqs為初始電流值，i_emax、i_ymax為最大電流值；

步驟3.3.5：將更新后t₁+1時(shí)刻每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值與t₁時(shí)刻每個(gè)粒子所經(jīng)歷過的最好位置X_kbest對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值作比較，如果適應(yīng)度函數(shù)值更小，則將當(dāng)前位置作為該粒子的最好位置X_kbest；

將更新后t₁+1時(shí)刻每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值與群體粒子t₁時(shí)刻所發(fā)現(xiàn)的最佳位置X_best對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值進(jìn)行比較，如果適應(yīng)度函數(shù)值更小，則將當(dāng)前位置作為粒子群體所發(fā)現(xiàn)的最好位置X_best；

設(shè)置更新次數(shù)為b，經(jīng)過b次更新后輸出X_best，則根據(jù)X_i＝(X_if,X_ie)可以得出最終的優(yōu)化目標(biāo)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)目標(biāo)電流i_fbest和電子水泵目標(biāo)電流i_ebest。