本發(fā)明涉及鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鋰電池具有比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，日益廣泛地應(yīng)用于電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、軌道交通及航空航天等領(lǐng)域，但與此同時(shí)，其安全性問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。由鋰電池引發(fā)的安全事故主要是由于電池的熱失控引起的，當(dāng)熱量不能及時(shí)散出導(dǎo)致局部高溫，便會(huì)引發(fā)電池漏液、變形、著火、甚至爆炸。因此，鋰電池的安全性和熱管理問(wèn)題是制約其發(fā)展和應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。

相關(guān)技術(shù)中，通常是采用冷卻系統(tǒng)對(duì)鋰電池組進(jìn)行散熱的，其冷卻系統(tǒng)包括主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。主動(dòng)冷卻系統(tǒng)使用廉價(jià)空氣或冷卻液體在電池堆內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，額外的流體輸送裝置增加了系統(tǒng)的能耗，并且其冷卻效果容易受到環(huán)境溫度的制約。被動(dòng)冷卻系統(tǒng)主要采用相變材料、熱管技術(shù)等，其不足之處是電池單體可能被相變物質(zhì)污染導(dǎo)致不能順利充放電、出現(xiàn)故障時(shí)維修不便等。另外，主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻系統(tǒng)都無(wú)法避免地增加了系統(tǒng)的重量和體積，并且其散熱能力都存在上限，無(wú)法從根本上解決溫度過(guò)高和溫度分布不均勻的問(wèn)題，尤其是串行式主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，更是人為地增加了溫度分布的不均勻性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)。該鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)比基于散熱的冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)的主動(dòng)性和可靠性，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有引入額外的流體或能耗，并且能夠降低冷卻系統(tǒng)的要求和負(fù)擔(dān)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)，包括：鋰電池組、溫度檢測(cè)模塊、溫度計(jì)算模塊、溫度控制模塊、電流分配模塊和電流控制模塊，其中，所述鋰電池組由多個(gè)鋰電池堆并聯(lián)而成，每個(gè)鋰電池堆由多個(gè)鋰電池單元串聯(lián)而成；所述溫度檢測(cè)模塊，用于測(cè)量所述多個(gè)鋰電池單元的表面溫度；所述溫度計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述多個(gè)鋰電池單元的表面溫度計(jì)算所述鋰電池組內(nèi)的每個(gè)電池堆的平均溫度；所述溫度控制模塊，用于根據(jù)所述平均溫度和溫度控制目標(biāo)值得到每個(gè)電池堆的電流參考值；所述電流分配模塊，用于根據(jù)每個(gè)電池堆的電流參考值和需用電流值得到每個(gè)電池堆的電流分配目標(biāo)值；所述電流控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)各電池堆的電流分配目標(biāo)值，從而對(duì)所述鋰電池組進(jìn)行溫度均衡。

根據(jù)本發(fā)明的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)，通過(guò)溫度控制模塊得到每個(gè)鋰電池堆的電流參考值，從而限制和分配每個(gè)鋰電池堆的電流以實(shí)現(xiàn)鋰電池組的溫度均衡控制，即從產(chǎn)熱的源頭來(lái)避免局部高溫和熱失控，比基于散熱的冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)的主動(dòng)性和可靠性，另外，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，沒(méi)有引入額外的流體或能耗，并且能夠降低冷卻系統(tǒng)的要求和負(fù)擔(dān)。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，所述電流分配模塊包括電流分配算法及其硬件實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述電流分配算法具體包括：電池堆的電流參考值為負(fù)值時(shí)，將所述電池堆的電流參考值重置為零；所有電池堆的電流參考值之和大于需用電流值時(shí)，各個(gè)電池堆的電流分配目標(biāo)值按照電流參考值的權(quán)重分配，其中，分配后的所有電池堆的電流值之和等于需用電流值；所有電池堆的電流參考值之和小于等于需用電流值時(shí)，設(shè)置各個(gè)電池堆的電流分配目標(biāo)值等于所述電流參考值。

進(jìn)一步地，所述溫度控制模塊包括控制算法。

進(jìn)一步地，所述控制算法包括PID控制方法和自抗擾控制方法。

進(jìn)一步地，所述自抗擾控制算法包括PID控制器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、模型參數(shù)和擾動(dòng)補(bǔ)償算法，其觀測(cè)和補(bǔ)償?shù)膹V義擾動(dòng)包括電池模型內(nèi)部不確定性和外部熱源擾動(dòng)作用。

進(jìn)一步地，所述模型參數(shù)包括電池內(nèi)阻，獲取方式包括通過(guò)內(nèi)阻測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量、通過(guò)數(shù)值模擬方法近似計(jì)算。

進(jìn)一步地，所述電流控制模塊采用PID控制方法。

進(jìn)一步地，所述溫度檢測(cè)模塊包括多個(gè)溫度傳感器。

進(jìn)一步地，所述鋰電池組與鋰電池組冷卻系統(tǒng)相連。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；以及

圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)100，包括：鋰電池組110、溫度檢測(cè)模塊120、溫度計(jì)算模塊130、溫度控制模塊140、電流分配模塊150和電流控制模塊160。

其中，鋰電池組110由多個(gè)鋰電池堆并聯(lián)而成，每個(gè)鋰電池堆由多個(gè)鋰電池單元串聯(lián)而成。溫度檢測(cè)模塊120用于測(cè)量多個(gè)鋰電池單元的表面溫度。溫度計(jì)算模塊130用于根據(jù)多個(gè)鋰電池單元的表面溫度計(jì)算鋰電池組內(nèi)的每個(gè)電池堆的平均溫度。溫度控制模塊140用于根據(jù)平均溫度和溫度控制目標(biāo)值得到每個(gè)電池堆的電流參考值。電流分配模塊150用于根據(jù)每個(gè)電池堆的電流參考值和需用電流值得到每個(gè)電池堆的電流分配目標(biāo)值。電流控制模塊160用于實(shí)現(xiàn)各電池堆的電流分配目標(biāo)值，從而對(duì)鋰電池組進(jìn)行溫度均衡。

根據(jù)本發(fā)明的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)，通過(guò)溫度控制模塊得到每個(gè)鋰電池堆的電流參考值，從而限制和分配每個(gè)鋰電池堆的電流以實(shí)現(xiàn)鋰電池組的溫度均衡控制，即從產(chǎn)熱的源頭來(lái)避免局部高溫和熱失控，比基于散熱的冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)的主動(dòng)性和可靠性，另外，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，沒(méi)有引入額外的流體或能耗，并且能夠降低冷卻系統(tǒng)的要求和負(fù)擔(dān)。

在一些實(shí)施例中，電流分配模塊150包括電流分配算法及其硬件實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，電流分配算法具體分為三種情況，包括：電池堆的電流參考值為負(fù)值時(shí)，將電池堆的電流參考值重置為零，其中，電池堆的電流參考值為負(fù)值即對(duì)應(yīng)電池堆的溫度高于控制目標(biāo)值。所有電池堆的電流參考值之和大于需用電流值時(shí)，各個(gè)電池堆的電流分配目標(biāo)值按照電流參考值的權(quán)重分配，其中，分配后的所有電池堆的電流值之和等于需用電流值。所有電池堆的電流參考值之和小于等于需用電流值時(shí)，設(shè)置各個(gè)電池堆的電流分配目標(biāo)值等于所述電流參考值。

在一些實(shí)施例中，溫度控制模塊140包括控制算法。進(jìn)一步地，控制算法包括PID控制方法和自抗擾控制方法。其中，自抗擾控制算法包括PID控制器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、模型參數(shù)和擾動(dòng)補(bǔ)償算法，其觀測(cè)和補(bǔ)償?shù)膹V義擾動(dòng)包括電池模型內(nèi)部不確定性和外部熱源擾動(dòng)作用。模型參數(shù)包括電池內(nèi)阻，獲取方式包括通過(guò)內(nèi)阻測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量、通過(guò)數(shù)值模擬方法近似計(jì)算。這種采用自抗擾控制技術(shù)簡(jiǎn)化了面向控制的建模過(guò)程，并且在電池內(nèi)部不確定性和外部熱源擾動(dòng)作用下系統(tǒng)具有強(qiáng)魯捧性。

以鋰電池組溫度控制目標(biāo)值為60℃為例，根據(jù)平均溫度與控制目標(biāo)值60℃之間的誤差，通過(guò)控制算法實(shí)時(shí)計(jì)算出每個(gè)鋰電池堆的電流參考值。采用自抗擾控制算法，電池內(nèi)阻近似認(rèn)為是電池荷電狀態(tài)(SOC)的函數(shù)，通過(guò)估計(jì)SOC可以近似計(jì)算得到?；蛘?，電池內(nèi)阻還可以通過(guò)內(nèi)阻測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)量得到。

在一些實(shí)施例中，電流控制模塊160采用PID控制方法。變流電路裝置采用已有的均衡控制裝置(例如電壓或SOC均衡控制DC/DC轉(zhuǎn)換裝置)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制每個(gè)電池堆的電流。例如可以設(shè)定一個(gè)溫度閥值，變流電路裝置在電池組平均溫度低于溫度閥值時(shí)用于電壓或SOC均衡控制，在電池組平均溫度高于溫度閥值時(shí)用于溫度均衡控制。當(dāng)然，也可以采用其他的變流電路裝置，例如外接電阻等。

在一些實(shí)施例中，溫度檢測(cè)模塊120包括多個(gè)溫度傳感器。多個(gè)溫度傳感器可以置于多個(gè)鋰電池單元的表面用于測(cè)量電池單元的表面溫度，測(cè)量結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)傳輸給溫度計(jì)算模塊130。其中，鋰電池單元的個(gè)數(shù)可以小于、等于或大于溫度傳感器的個(gè)數(shù)。

在一些實(shí)施例中，溫度計(jì)算模塊130可以采用較為復(fù)雜的計(jì)算方法，甚至可以計(jì)算溫度分布情況，以增加每個(gè)鋰電池堆平均溫度近似結(jié)果的準(zhǔn)確度。

結(jié)合圖2所示，鋰電池組110與鋰電池組冷卻系統(tǒng)200相連。即，鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)100與鋰電池組冷卻系統(tǒng)可以結(jié)合應(yīng)用。例如，設(shè)定空氣冷卻系統(tǒng)200的溫度的控制目標(biāo)值例如為40℃，空氣冷卻系統(tǒng)200的啟動(dòng)條件為整個(gè)鋰電池組的平均溫度大于控制目標(biāo)值40℃，各電池堆的溫度將均勻地控制在40℃至60℃之間。當(dāng)各電池堆的溫度趨近于60℃而需用電流值仍在持續(xù)增加時(shí)，空氣冷卻系統(tǒng)200的散熱量達(dá)到上限，各電池堆的實(shí)際電流等于其電流參考值、其和小于等于需用電流值，此時(shí)鋰電池組的實(shí)際產(chǎn)熱量與冷卻系統(tǒng)的最大散熱量相平衡，從而實(shí)現(xiàn)限制溫度、保證電池組的安全性的目的。在一些示例中，鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)100還可以與其他類型的冷卻系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，例如冷卻液系統(tǒng)、相變材料、熱管技術(shù)等。

根據(jù)本發(fā)明的鋰電池組溫度均衡控制系統(tǒng)，通過(guò)溫度控制模塊得到每個(gè)鋰電池堆的電流參考值，從而限制和分配每個(gè)鋰電池堆的電流以實(shí)現(xiàn)鋰電池組的溫度均衡控制，即從產(chǎn)熱的源頭來(lái)避免局部高溫和熱失控，比基于散熱的冷卻系統(tǒng)具有更強(qiáng)的主動(dòng)性和可靠性，另外，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，沒(méi)有引入額外的流體或能耗，并且能夠降低冷卻系統(tǒng)的要求和負(fù)擔(dān)。

另外，文中所描述的“PID控制方法”應(yīng)理解為包括比例、微分、積分控制及其各種組合形式。

本發(fā)明實(shí)施例所描述的過(guò)程或方法可以不按所討論的順序，包括根據(jù)所涉及的功能按基本同時(shí)的方式或按相反的順序來(lái)執(zhí)行功能；各功能單元可以集成在一個(gè)或多個(gè)模塊中，也可以單獨(dú)存在；可以具體實(shí)現(xiàn)在任何計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，可以用硬件、軟件、固件或它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。