一种周期性往复流动空冷电池热管理系统及控制方法

1.本发明属于电动汽车的电池热管理技术领域，涉及电池热管理系统的结构优化和控制策略，特别涉及一种周期性往复流动空冷电池热管理系统及控制方法。


背景技术：

2.现有电动汽车大多由锂电池组驱动，电池组在快速充放电过程中会产生大量的热，电池温度上升，而温度过高或分布不均匀会导致电池热失控，影响使用寿命并带来爆炸等安全隐患，因此对电池组进行电池热管理是非常重要的。在目前应用的各种冷却技术中，空气冷却技术由于其结构简单，便于安装，功耗低、成本低并且冷却流体无污染等优点应用最为广泛。传统空冷电池热管理系统中易产生空气进口与出口温差较大和局部温度过高的工况导致温度分布不均匀，这是动力锂电池组发生热失控的主要原因之一，严重影响了电池组的使用寿命和使用安全。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种周期性往复流动空冷电池热管理系统及控制方法，考虑局部热集中工况，在电池组壳体前后两侧设置电磁阀控制空气通道，并使左右侧空气周期性往复流动，在可倒转风扇一周期性倒转形成往复流动的同时，通过开启高温区域临近的前后侧空气通道电磁阀及可倒转风扇二使低温高速空气直接与高温区域对流换热以快速降低温度、恢复温度分布均匀性，在较小功耗提升的前提下，改变电池热管理系统中各个冷却通道的空气流速分布，解决局部热集中的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种周期性往复流动空冷电池热管理系统，若干电池构成电池组，相邻电池之间有冷却流道，电池组置于电池组壳体内，其特征在于，所述热管理系统包括左侧空气通道、右侧空气通道、前侧空气通道和后侧空气通道，各空气通道均由总管和支管组成，各支管分别连通至电池组壳体内，且每个支管与一个冷却流道对应，至少在前侧空气通道和后侧空气通道的每个支管上设置有电磁阀，至少在左侧空气通道或右侧空气通道的总管上设置可倒转风扇一，至少在前侧空气通道或后侧空气通道的总管上设置可倒转风扇二，所述可倒转风扇一周期性倒转，以实现空气往复流动。
6.优选地，所述若干电池以矩形阵列排布构成电池组，所述电池组壳体为长方体结构。
7.优选地，所述各支管正对电池间隙的冷却流道，各总管关于电池组壳体表面中线对称，以使空气直接流过电池间隙，减小流动阻力。
8.优选地，所述电池均设置有温度传感器，所述温度传感器与控制器连接，所述控制器与所述电磁阀、可倒转风扇一以及可倒转风扇二连接，在正常工况下，各电磁阀闭合，空气从左侧空气通道流入，从右侧空气通道流出，或从右侧空气通道流入，从左侧空气通道流出；在温度传感器监测到某电池温度过高时，打开与高温区域最近的冷却流道对应的前侧
空气通道和后侧空气通道的支管上的电磁阀，同时开启可倒转风扇二，根据高温区域决定可倒转风扇二的转向，使高速气流与高温区域直接进行对流换热，快速降温；恢复温度均匀性后关闭电磁阀及风扇可倒转风扇二。
9.优选地，若高温区域接近前侧，则可倒转风扇二正转；若高温区域接近后侧，则可倒转风扇二倒转；若检测到电池组前后侧同时有高温出现或居中一行有高温出现，则可倒转风扇二周期性倒转。
10.本发明还提供了所述周期性往复流动空冷电池热管理系统的控制方法，实时或者周期性监测各电池的温度：
11.若各电池温度处于正常范围内，且各电池温度均匀，则保持各电磁阀关闭，开启可倒转风扇一，使空气从左侧空气通道流入，从右侧空气通道流出，或从右侧空气通道流入，从左侧空气通道流出；
12.若某一个或者几个电池温度超出预设值，则开启与该一个或者几个电池相邻的冷却流道对应的前侧空气通道和后侧空气通道的支管上的电磁阀，同时开启可倒转风扇二，使高速气流与高温区域直接进行对流换热，快速降温，直至各电池温度处于正常范围内，且各电池温度均匀。
13.与现有技术相比，本发明通过在可倒转风扇一周期性倒转行程往复流动的同时开启高温区域临近的前后侧空气通道电磁阀及可倒转风扇二，在功耗提升较小的前提下，降低了整个电池热管理系统中单个电池的最高温度以及电池温差，提升了电池组的温度均匀性。
附图说明
14.图1为本发明电池热管理系统的立体结构示意图。
15.图2为本发明电池热管理系统的俯视图。
16.图3为本发明实施例中具体参数设置的电池模型示意图。
17.图4为本发明实施例的控制流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。显然，所述的实施例仅为发明的其中一个较佳的实施例，而不是全部的实施例，本发明实施例不限于此。
19.如图1和图2所示，本发明为一种周期性往复流动空冷电池热管理系统，由若干电池构成电池组5，相邻电池之间则有冷却流道6，电池组5置于电池组壳体7内。本发明的热管理系统包括左侧空气通道1、右侧空气通道2、前侧空气通道3和后侧空气通道4，各空气通道均由总管和支管组成，各支管分别连通至电池组壳体7内，且每个支管与一个冷却流道6对应。本发明至少在前侧空气通道3和后侧空气通道4的每个支管上设置有电磁阀10，至少在左侧空气通道1或右侧空气通道2的总管上设置可倒转风扇一8，至少在前侧空气通道3或后侧空气通道4的总管上设置可倒转风扇二9。通过可倒转风扇一8的周期性倒转，实现空气往复流动。并在出现局部热集中时开启高温区域附近的前侧空气通道3和后侧空气通道4的电磁阀10及可倒转风扇二9以快速降温。
20.本发明中，当可倒转风扇一8设置于左侧空气通道1，其正转，使得空气从左侧空气
通道1进入电池组壳体7，从右侧空气通道2流出电池组壳体7。其反转，得空气从右侧空气通道2进入电池组壳体7，从左侧空气通道1流出电池组壳体7。
21.本发明中，当可倒转风扇二9设置于前侧空气通道3，其正转，使得空气从前侧空气通道3进入电池组壳体7，从后侧空气通道4流出电池组壳体7。其反转，得空气从后侧空气通道4进入电池组壳体7，从前侧空气通道3流出电池组壳体7。
22.以下以可倒转风扇一8设置于左侧空气通道1，可倒转风扇二9设置于前侧空气通道3为例，对其工作方式进行详细描述。
23.恒定温度的空气以恒定流速通过左侧空气通道1进入两两相邻电池之间的冷却流道6，与电池组5进行对流换热，在没有往复流动和前后侧空气通道的情况下，靠近左侧空气进口的电池温度较低而远离进口的电池温度较高，温度均匀性不好，单个电池的最高温度也较高。通过使可倒转风扇一8周期性倒转，即使左侧空气通道1和右侧空气通道2交替成为空气进口，通过调节倒转周期改善温度均匀性，左右侧空气通道附近的电池单体温度相近。
24.即便如此，在没有前后侧空气通道的情况下，电池组5仍可能会由于单个电池自身物理性质之间的细微差异而导致发热率相差极大，进而导致温度分布不均，出现局部热集中，可能导致电池组热失控，降低电池寿命，引发安全事故。在前后侧空气通道加设电磁阀10和可倒转风扇二9后，在出现局部高温的工况下即开启与高温部位最近的前后侧空气通道对应的电磁阀10，并开启可倒转风扇二9，根据具体的温度调节风速，根据具体的高温位置决定风扇转向，使低温高速气流直接与高温部位进行强烈的对流换热，快速带走热量，降低温度，待温度均匀性恢复可接受阈值内后关闭电磁阀及可倒转风扇二，提高温度均匀性，减少安全隐患，延长电池寿命。
25.本发明采用的电池一般宜理解为锂电池，其形状宜为圆柱形，但其它形状的电池也可适用，电池的个数可根据电动汽车的电池容量等具体情况改变。当采用圆柱形时，各电池竖向放置，呈矩形阵列排布，冷却流道6则呈纵横交错排布，电池组壳体7则适应性地采用长方体结构。电池组外壳7的材料包括但不限于绝热材料。
26.在本发明的实施例中，各支管正对电池间隙的冷却流道6，各总管关于电池组壳体7表面中线对称，以使空气直接流过电池间隙，减小流动阻力。
27.在本发明的实施例中，各电池均设置有温度传感器，以监测电池温度，示例地，监测可以是实时的，也可以是周期性的。各温度传感器的输出端接控制器的输出端，控制器则与电磁阀10、可倒转风扇一8以及可倒转风扇二9连接，控制各电磁阀10的启闭，风扇的启闭以及正反转。
28.示例地，若各电池温度处于正常范围内，且各电池温度均匀，则说明电池组5处于正常工况。此时，保持各电磁阀10关闭，开启可倒转风扇一8，使空气从左侧空气通道1流入，从右侧空气通道2流出，或从右侧空气通道2流入，从左侧空气通道1流出。并通过可倒转风扇一8的周期性倒转，实现空气往复流动。
29.若某一个或者几个电池温度超出预设值，即温度过高时，则开启与该一个或者几个电池相邻的冷却流道6对应的前侧空气通道3和后侧空气通道4的支管上的电磁阀10，同时开启可倒转风扇二9，并根据温度加大空气流速，使高速气流与高温区域直接进行对流换热，快速降温，直至各电池温度处于正常范围内，且各电池温度均匀。关闭电磁阀10及可倒转风扇二9，以节省泵功。
30.示例地，若高温区域接近前侧，则可倒转风扇二9正转；若高温区域接近后侧，则可倒转风扇二9倒转；若检测到电池组前后侧同时有高温出现或居中的一行有高温出现，则可倒转风扇二9周期性倒转。
31.若左侧空气通道1和右侧空气通道2的总管上均设置可倒转风扇一8，则两个可倒转风扇一8可协同工作，一个控制送入气流，一个控制快速排出气流。同样地，若前侧空气通道3和后侧空气通道4的总管上均设置可倒转风扇二9，两个可倒转风扇可倒转风扇二9亦可协同工作，分别送入和排出气流。
32.本发明左侧空气通道1、右侧空气通道2、前侧空气通道3和后侧空气通道4的形状、个数和几何参数可变，可根据电动汽车的安装情况来确定。使电磁阀10和可倒转风扇二9开启的局部高温的定义温度可变，可倒转风扇二9的最高空气流速可变，可倒转风扇一8的倒转周期可变，可根据具体应用场景设置。
33.示例地，本发明还可设置报警指示灯，报警指示灯与控制器连接，当检测到最高温度超过此型号电池工作温度最大值时，报警指示灯亮。
34.在加入可倒转风扇二9及多个电磁阀10的条件下泵功有所上升，但考虑到电池组5的使用寿命和安全问题，方案仍有很大的实用意义。
35.在可倒转风扇一8与可倒转风扇二9同时开启的情况下，会产生旋涡、回流等问题增大了压力损失；但同时整体流场也被扰乱，有利于电池组散热，最高温度降低，温度均匀性提高。可通过多参数优化仿真得出最佳方案。
36.以18650电池为例，图1和图2给出了一种电池组壳体7的具体参数，电池组壳体7的高度为80mm，长度为148mm，宽度为56mm，电池组壳体7壁面为绝热壁面，在数值模拟过程中忽略其厚度，其中电池组壳体7中安装由18个圆柱形电池构成的电池组5，相邻两个电池的间距为5mm，左右两侧电池与电池组壳体7的外壳壁面间距也为5mm，空气通道内壁直径为5mm。
37.在该实施例中，电池组5中的电池从前至后一共三行，从左至右一共六列，第一行中，从第一列至第六列的电池编号为[1,1]、[1,2]、[1,3]、[1,4]、[1,5]、[1,6]；第二行中，从第一列至第六列的电池编号为[2,1]、[2,2]、[2,3]、[2,4]、[2,5]、[2,6]；第三行中，从第一列至第六列的电池编号为[3,1]、[3,2]、[3,3]、[3,4]、[3,5]、[3,6]；前侧空气通道3从左向右各支管上分别设置电磁阀10-1、电磁阀10-2、电磁阀10-3、电磁阀10-4、电磁阀10-5；后侧空气通道4从左向右各支管上分别设置电磁阀10-6、电磁阀10-7、电磁阀10-8、电磁阀10-9、电磁阀10-10。可倒转风扇一8设置于左侧空气通道1，可倒转风扇二9设置于前侧空气通道3。
[0038]
图3给出了一种电池组5的具体参数，电池的几何尺寸为：直径18mm，高65mm，电池组5每个电池的密度为2523kg/m3，电池的比热容为1145j/kg
·
k，电池的热导率为各向异性的，沿径向为1.2w/m
·
k，沿轴向为34.4w/m
·
k，数值模拟中假定电池为恒定热源，热生产量为221000w/m3。
[0039]
图4给出了上述实施例中电池组5的温度控制流程。可倒转风扇一8改变转向即新的循环开始，在运行一段时间后，若传感器检测到局部温度达到电磁阀工作温度阈值上限，先根据高温区域的位置来判断可倒转风扇二9转向：若只位于第三行，则可倒转风扇二9倒转；若只位于第一行，则可倒转风扇二9正转；若同时在第一行、第三行出现或位于中间一
行，则可倒转风扇二9周期性倒转。接下来根据每个高温区域的具体位置决定开启的前后侧电磁阀编号(由于相邻的两个电池单体总是温度相近，所以将每行的每两个电池单元组成一个区域进行判断)，以第一行为例：若高温区域位于[1,1],[1,2]则开启电磁阀10-1、10-6；若高温区域位于[1,2],[1,3]则开启电磁阀10-2、10-7；高温区域位于[1,3],[1,4]则开启电磁阀10-3、10-8；高温区域位于[1,4],[1,5]则开启电磁阀10-4、10-9；高温区域位于[1,5],[1,6]则开启电磁阀10-5、10-10。第二行和第三行同理。重复检测直至系统最高温度降至电磁阀工作温度阈值下限，则改变可倒转风扇一8的转向，进入下一循环，循环初期最高温度低于电磁阀工作温度阈值上限，则电磁阀10关闭，可倒转风扇二9停转，减少能耗。每个循环结束时检测系统最高温度是否超过此型号电池工作最高温度，超过则报警指示灯亮；若并没有超过最高温度则继续进行控制策略循环。
[0040]
设电磁阀工作温度阈值为314k-324k，采用二维简化模型进行仿真计算，进行正常工作一段时间后温度分布不均匀并引入控制策略的模拟。当空气流速为3.5m/s且初始温度为300k时，正常工作时系统稳态温度为326k，且最大温差为11k。使可倒转风扇一8以400s为周期倒转，在达到稳定状态后每个周期内最高温度先下降至320k后上升至321k，比初始时降低1.5％，最大温差降为3.2k；在每个周期内最高温度上升至321k时打开高温区域前后侧一组电磁阀并以5m/s的空气流速进行冷却，在600s后温度稳定在317k，比初始时降低2.7％，温差降为2.7k；随着电磁阀打开高温区域发生转移，再打开第二组高温区域对应的前后侧电磁阀，在400s后最高温度降为314k，比初始时降低3.7％，最大温差为1.4k。说明控制策略可以明显的降低系统最高温度并提高温度均匀性，保障系统安全工作。
[0041]
基于本发明中的所有能涉及到的实施例，本领域的或者熟悉本技术的普通技术人员在没有做出创新型劳动下、在本发明所公开的范围内，根据本发明构思加以替换或者改变，所获得提出的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种周期性往复流动空冷电池热管理系统，若干电池构成电池组(5)，相邻电池之间有冷却流道(6)，电池组(5)置于电池组壳体(7)内，其特征在于，所述热管理系统包括左侧空气通道(1)、右侧空气通道(2)、前侧空气通道(3)和后侧空气通道(4)，各空气通道均由总管和支管组成，各支管分别连通至电池组壳体(7)内，且每个支管与一个冷却流道(6)对应，至少在前侧空气通道(3)和后侧空气通道(4)的每个支管上设置有电磁阀(10)，至少在左侧空气通道(1)或右侧空气通道(2)的总管上设置可倒转风扇一(8)，至少在前侧空气通道(3)或后侧空气通道(4)的总管上设置可倒转风扇二(9)，所述可倒转风扇一(8)周期性倒转，以实现空气往复流动。2.根据权利要求1所述周期性往复流动空冷电池热管理系统，其特征在于，所述若干电池以矩形阵列排布构成电池组(5)，所述电池组壳体(7)为长方体结构。3.根据权利要求1所述周期性往复流动空冷电池热管理系统，其特征在于，所述各支管正对电池间隙的冷却流道(6)，各总管关于电池组壳体(7)表面中线对称，以使空气直接流过电池间隙，减小流动阻力。4.根据权利要求1所述周期性往复流动空冷电池热管理系统，其特征在于，所述电池均设置有温度传感器，所述温度传感器与控制器连接，所述控制器与所述电磁阀(10)、可倒转风扇一(8)以及可倒转风扇二(9)连接，在正常工况下，各电磁阀(10)闭合，空气从左侧空气通道(1)流入，从右侧空气通道(2)流出，或从右侧空气通道(2)流入，从左侧空气通道(1)流出；在温度传感器监测到某电池温度过高时，打开与高温区域最近的冷却流道(6)对应的前侧空气通道(3)和后侧空气通道(4)的支管上的电磁阀(10)，同时开启可倒转风扇二(9)，根据高温区域决定可倒转风扇二(9)的转向，使高速气流与高温区域直接进行对流换热，快速降温；恢复温度均匀性后关闭电磁阀(10)及风扇可倒转风扇二(9)。5.根据权利要求4所述周期性往复流动空冷电池热管理系统，其特征在于，若高温区域接近前侧，则可倒转风扇二(9)正转；若高温区域接近后侧，则可倒转风扇二(9)倒转；若检测到电池组(5)前后侧均有高温出现或电池组(5)居中一行有高温出现，则可倒转风扇二(9)周期性倒转。6.权利要求1所述周期性往复流动空冷电池热管理系统的控制方法，其特征在于，实时或者周期性监测各电池的温度：若各电池温度处于正常范围内，且各电池温度均匀，则保持各电磁阀(10)关闭，开启可倒转风扇一(8)并始终保持其周期性倒转，使空气从左侧空气通道(1)流入，从右侧空气通道(2)流出，或从右侧空气通道(2)流入，从左侧空气通道(1)流出；若某一个或者几个电池温度超出预设值，则开启与该一个或者几个电池相邻的冷却流道(6)对应的前侧空气通道(3)和后侧空气通道(4)的支管上的电磁阀(10)，同时开启可倒转风扇二(9)，使高速气流与高温区域直接进行对流换热，快速降温，直至各电池温度处于正常范围内，且各电池温度均匀。

技术总结
一种周期性往复流动空冷电池热管理系统，通过控制分布在壳体周围的电磁阀的通断及风扇转向，实现对电池组局部过热工况的针对性的温度负反馈调节。本发明电池热管理系统中，在电池模块壳体前后和左右两侧都设有电磁阀控制的空气通道，通过对电池温度的实时监测，发现局部温度过高的工况时，打开前后侧与高温部位相近的电磁阀并可加大空气流速，改变流场直至温度分布恢复均匀；同时左右侧、前后侧的风扇可实现倒转，改变流场方向，在电池热管理系统功耗增加较小的情况下，解决了电池组空气进口侧与出口侧温差较大和因局部热集中导致热失控的问题，提升整个系统的温度均匀性，延长电池寿命，保证了电池安全高效工作。保证了电池安全高效工作。保证了电池安全高效工作。


技术研发人员：席奂 王淳
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8