牽引電池熱管理系統和方法與流程

本公開涉及用于操作混合動力車輛和電動車輛的車輛牽引電池的熱管理。

背景技術：

混合動力車輛和電動車輛通常需要來自高壓牽引電池的大量能量。能量可用于驅動馬達和電附件。牽引電池可包括大量互相連接的電池單元。將電池溫度保持在期望的操作范圍內可提升適合的電池功能并延長電池壽命。此外，限制各個單元間的溫度差異是有益的。熱管理裝置可用于調節電池溫度。例如，引導乘員艙空氣或外部空氣流過電池可以幫助調節溫度。此外，電加熱系統可用于在低溫狀況期間加熱電池。

技術實現要素：

根據本公開的多個方面，一種電池熱管理系統包括容納多個電池單元的內殼體和包圍內殼體的外殼體。流體通道被限定在內殼體的外表面與外殼體的內表面之間。電池熱管理系統還包括流體循環器，所述流體循環器與所述流體通道流體流動地連通，以選擇性地使第一熱流體和第二熱流體中的一種循環通過所述流體通道。

根據本公開的其它方面，一種熱管理電池的方法包括使第一流體循環通過電池殼體壁，以使殼體內部的腔與外部環境隔熱并保持腔內的熱。所述方法還包括將第一流體從電池殼體壁排出，并使第二流體循環通過電池殼體壁，以將殼體內由電池產生的熱散發到外部環境。

根據本發明的一個實施例，所述方法還包括當車輛關閉且外部環境溫度小于第三溫度閾值時，從電池殼體壁排空所有流體。

根據本發明的一個實施例，電池殼體壁包括在電池殼體壁內形成流體通道的內層和外層。

根據本發明的一個實施例，所述方法還包括對第一流體和第二流體中的一種進行預加熱，以及對第一流體和第二流體中的一種進行預冷卻。

根據本公開的其它方面，一種車輛電池殼體，所述電池殼體包括限定包圍多個電池單元的多個壁。車輛還包括與電池殼體的至少一個壁流體流動連通的流體循環器。車輛還包括被配置為選擇性地使第一流體和第二流體中的一種循環通過所述至少一個壁的控制器。第一流體被預調節成具有比第二流體低的溫度。

根據本發明的一個實施例，所述至少一個壁限定有隔開一定間隙的內層和外層，以接收來自流體循環器的流體。

根據本發明的一個實施例，所述車輛還包括將內層與外層隔開的間隔構件。

根據本發明的一個實施例，控制器被進一步配置為響應于電池單元溫度大于第一溫度閾值而循環第一流體。

根據本發明的一個實施例，所述車輛還包括與流體循環器流體流動連通的多個儲液器，所述多個儲液器被布置為儲存第一流體和第二流體。

根據本發明的一個實施例，所述車輛還包括與流體循環器流體流動連通的第一儲液器用以預加熱第一流體以及與流體循環器流體流動連通的第二儲液器用以預冷卻第二流體。

根據本發明的一個實施例，所述車輛還包括熱板，所述熱板設置在電池殼體內以接收第一流體和第二流體中的至少一種從而主動地影響多個電池單元的溫度。

附圖說明

圖1是混動動力電動車輛的示意圖。

圖2是牽引電池殼體的分解視圖。

圖3是牽引電池熱管理系統的示意圖。

圖4是熱調節牽引電池的方法的流程圖。

圖5是多儲液器熱管理系統的示意圖。

具體實施方式

根據需要，在此公開本發明的具體實施例；然而，應當理解的是，所公開的實施例僅是本發明的示例，這些實施例可按照各種可選的形式實施。附圖無需按比例繪制；可放大或縮小一些特征以顯示特定部件的細節。因此，在此公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅僅作為教導本領域技術人員以多種形式應用本發明的代表性基礎。

圖1描繪了插電式混合動力電動車輛100的示例。混合動力電動動力傳動系統102可包括機械地連接到混合動力傳動裝置106的一個或更多個電機或一個或更多個電動馬達104。此外，混合動力傳動裝置106機械地連接到發動機108。混合動力傳動裝置106還可機械地連接到驅動車輪112的驅動軸110。電動馬達104可在發動機108開啟時以及在發動機108關閉時推進車輛。電動馬達104還可通過在驅動軸上施加阻力矩而提供車輛減速。電動馬達104還可被配置為發電機并可通過回收在摩擦制動系統中通常作為熱損失掉的能量而提供燃料經濟性效益。由于混合動力電動車輛100可在某些情況下以電機動力傳動系統模式運轉，所以電動馬達104還可降低污染物排放。

牽引電池或電池組114儲存能夠對電動馬達104供電的能量。車輛電池組114能夠提供高電壓直流(dc)輸出。電池組114電連接到電力電子模塊116。電力電子模塊116電連接到電動馬達104，并在電池組114與電動馬達104之間提供雙向傳輸能量的能力。例如，電池組114可提供dc電壓而電動馬達104可能需要三相交流(ac)電來運轉。在這種情況下，電力電子模塊116將dc電壓轉換為三相ac電流供電動馬達104接收。在再生模式下，電力電子模塊116將來自用作發電機的電動馬達104的三相ac電流轉換為由電池組114所需的dc電壓。在此描述的方法同樣適用于純電動車輛或任何使用電池組的其它裝置。

電池組114除了提供用于推進的電池能量之外，還可提供用于其它車輛電系統的能量。dc/dc轉換器模塊118能夠將電池組114的高壓dc輸出轉換為與低壓車輛負載兼容的低壓dc供應。其它高壓負載(諸如壓縮機和電加熱器)可從電池組114處直接連接到高壓總線。低壓系統還可電連接到12v電池120。純電動車輛可具有類似的配置，但不具有發動機108。

電池組114可通過外部電源126再充電。外部電源126可通過經由充電端口124的電連接而將ac或dc電力提供到車輛100。充電端口124可以是被配置為將電力從外部電源126傳輸至車輛100的任何類型的端口。充電端口124可電連接到電力轉換模塊122。電力轉換模塊可調節來自外部電源126的電力以將適當的電壓水平和電流水平提供至電池組114。在一些應用中，外部電源126可被配置為提供適當的電壓水平和電流水平至電池組114，從而電力轉換模塊122可能不是必須的。例如，電力轉換模塊122的功能可被包含在外部電源126中。包括發動機、變速器、電動馬達、發電機和電力電子器件的車輛動力傳動系統可以由動力傳動系統控制模塊(pcm)128控制。

電池能量控制模塊(becm)130可與牽引電池114通信。becm130可作為用于牽引電池114的控制器并且還可包括管理每個電池單元的溫度和荷電狀態的電子監測系統。牽引電池114可具有諸如熱敏電阻或其它溫度儀的溫度傳感器132。溫度傳感器132可與becm130通信，以提供關于牽引電池114的溫度數據。盡管在圖1的示意圖中描繪了單個溫度傳感器，但可采用多個傳感器以單獨地監測牽引電池114內的單獨的單元和/或單元陣列。

除了示出插電式混合動力車輛以外，如果移除發動機108，則圖1可以表示純電動車輛(bev)。同樣，如果移除與插入式充電相關的部件122、124和126，則圖1可表示傳統混合動力電動車輛(hev)或動力分流式混合動力電動車輛。

電池單元(諸如棱柱形、圓柱形或袋狀單元)可包括將存儲的化學能轉換為電能的電化學單元。電池單元還可包括殼體、正極(陰極)和負極(陽極)。電解質可以允許離子在放電期間在陽極與陰極之間移動，然后在再充電期間返回。端子可以允許電流從電池單元流出以被車輛使用。當多個電池單元按照陣列定位時，每個電池單元的端子可以與彼此相鄰的相對端子(正和負)對準，并且匯流條可以協助促進多個電池單元之間的電串聯連接。電池單元還可并聯布置，使得相似的端子(正極和正極或者負極和負極)彼此相鄰。

電池單元和/或電池電子器件可在電力消耗和/或再充電期間產生熱。由于期望將電池單元保持在目標溫度范圍內，因此牽引電池的熱管理可能在某些環境狀況下更加困難。進一步期望使每個單個電池單元內和電池串間的溫度差最小化。可使用熱管理系統對電池單元進行熱調節，以幫助管理電池的整體溫度。

參照圖2，根據本公開的一方面描繪了電池殼體200。電池殼體包括外殼體部分202和內殼體部分204。第一端蓋板206和第二端蓋板208被固定到外殼體部分202和內殼體部分204的相對端，以建立流體密封。內殼體部分204作為內容器運轉，以在通過端蓋板206和208而被密封時容納多個電池單元。

外殼體部分包圍內殼體部分并相對于彼此隔開。殼體部分均提供電池殼體壁的內層和外層。殼體在外殼體202的內表面與內殼體204的外表面之間限定流體通道。外殼體部分202與內殼體部分204之間的空間或流體通道210使流體能夠被選擇性地引導通過電池殼體200的壁。這樣，可根據電池單元的熱需求來調節電池殼體200的壁的熱導率。

第一入口212與循環通道210流體流動連通，以與循環通道210交換第一流體。如在下面更詳細地討論的，流體循環裝置可連接到第一入口212，以將第一流體提供到流體循環通道210，以及從流體循環通道210抽出第一流體。根據本公開的一方面，第一入口可連接到與儲液器流體連通的泵。諸如冷卻劑的流體可具有相對高的熱導率，以將電池殼體200的內部熱連接到外部環境。更具體地，含有乙二醇(具有約0.25瓦特/米·開爾文的熱導率)的液體填充循環通道，以促進電池單元與外部環境之間的熱傳遞。這樣，可通過在“導熱”模式中選擇性地增加電池殼體的熱傳導而使由電池單元產生的熱散發到外部環境。

第二入口214也可與循環通道210流體流動連通以交換第二流體。不同的流體循環裝置可連接到第二入口214，以將第二流體提供到循環通道210，以及從循環通道210抽出第二流體。根據本公開的一方面，第二入口214可連接到空氣壓縮機以與循環通道210交換空氣。空氣具有相對低的熱導率，以將電池殼體200的內部與外部環境熱隔離。具有約0.024瓦特/米·開爾文的熱導率的空氣填充循環通道，以禁止電池單元與外部環境之間的熱傳遞。這樣，電池單元可通過在“絕熱”模式中選擇性地減小電池殼體的熱傳導而與外部環境隔熱從而保溫。

第一流體和第二流體可具有不同的密度。因此，相應的入口的位置可影響對循環通道填充流體和/或從循環通道排出流體的能力。根據本公開的一方面，被構造為對循環通道填充空氣和從循環通道排出空氣的第二入口可位于電池殼體200的最上部的附近。這樣，隨著液體從第一入口注入，空氣壓縮機可以從循環腔的頂部排空空氣。上部位置還有助于去除在填充循環通道時由于湍流或其它原因所產生的任何氣泡。

可以改變電池殼體的熱傳導，以根據需要通過選擇性地更換壁內的流體而促進電池單元的冷卻或加熱。在導熱模式中，泵被用于將諸如乙二醇混合物的流體注入到循環通道中，以在電池殼體壁的內層與外層之間建立熱傳遞路徑。在一個示例中，一旦系統被填充并且閥關閉以密封系統，則不需要流體連續流動。例如，在車輛點火開關斷開期間系統可保持在該狀態，以有效地排出在延長的驅動時間段期間積累的熱并在停車期間降低儲存器(storage)的溫度。在絕熱模式中，流體從循環通道流出并被空氣或真空(兩者都具有極低的熱導率)取代。如果車輛在低的環境溫度下停車持續延長的時間段，則可以使用該模式以防止熱散失到周圍環境而將電池溫度降低到使電力輸送性能下降的水平。可以通過更換通道內的流體來將系統的熱阻改變一個數量級。

仍然參照圖2，在外殼體部分202與內殼體部分204之間固定有多個間隔構件216。間隔構件216設定電池殼體200的壁的內層與外層之間的間隙。間隔構件可由相對于外殼體部分202和內殼體部分204具有低導熱性的絕熱材料形成。此外，間隔構件216在外殼體部分202與內殼體部分204之間具有相對小的接觸面積，以有效地限制通過間隔構件自身的傳導傳熱。然而，在導熱流體被注入到如上所述的循環通道中時，熱傳遞連接顯著地增大。根據本公開的一方面，間隔構件由聚丙烯材料形成并以規律的間隔定位，以允許流體在相鄰的構件之間通過。

參照圖3，描繪了電池熱管理系統300的系統圖。電池殼體302包含多個電池單元304以將電力提供至電機從而推進車輛。電池殼體302還包括如上文討論的位于殼體壁內部的流體通道。流體循環通道與空氣壓縮機306流體流動連通。閥308被設置為選擇性地關閉電池殼體302與壓縮機306之間的流體連接。空氣壓縮機被配置為對電池殼體302的循環通道填充空氣和排出循環通道中的空氣。具體地講，空氣壓縮機306能夠在液體被注入時從循環通道抽出空氣或可替代地在通道內形成真空。

泵310也與電池殼體302的循環通道流體流動連通，以將流體注入到循環通道中。閥312被設置為選擇性地關閉電池殼體302與泵310之間的流體連接。泵310還與被布置為儲存不在循環通道中的流體的儲液器314流體連接。

控制器316被配置為控制泵310和壓縮機306的選擇性操作。控制器316可監測電池殼體302內的溫度和電池殼體的外部環境的溫度。控制器可集成到牽引電池組件、熱管理系統或者可以是調節電池的外部車輛控制器的一部分。電池溫度傳感器318將指示電池殼體302內的溫度的信號提供到控制器316。類似地，環境溫度傳感器320將指示電池殼體302外部的溫度的信號提供到控制器316。

控制器316根據電池殼體302的期望的熱模式發出操作泵310、壓縮機306以及閥308和閥312的命令。控制器316確定使電池殼體302進入導熱模式還是絕熱模式。根據本發明的一方面，在控制器316發出使閥308打開和使壓縮機306迫使空氣遍及電池殼體302的循環通道的命令時進入絕熱模式，以對電池殼體熱隔離。更具體地講，空氣被用于填充循環通道，以作為電池單元與電池殼體的外部環境之間的絕熱體(thermalinsulator)。如果在進入絕熱模式時循環通道內存在液體，則控制器發出打開流體閥312并使泵310反向運轉的命令，以隨著空氣的注入而主動地從循環通道抽出流體。流體泵310將流體引導至儲液器314儲存。

根據本公開的另一方面，在控制器316發出命令用于打開流體閥312和空氣閥308并使泵310運轉以使用儲存在儲液器314中的流體填充電池殼體302的循環通道時，進入導熱模式。如在下面更詳細地討論的，流體可在儲液器314內時被預冷卻或預加熱，以加速通過電池殼體的熱傳遞。

參照圖4，方法400表示可被實施為對電池進行熱管理的示例性算法。該熱管理算法可在任何時候進行，從而即使在車輛關閉時也將電池單元保持在最佳的溫度范圍內。例如，在快速充電期間，更大量的能量被施加到電池以減少充電時間。在車輛停車和充電時，更高的能量輸入可使電池溫度升高，從而需要冷卻。在可替代的實施例中，在車輛未運轉時，電池殼體熱模式切換算法可被停用以節約電力，從而在車輛未被致動時保持電池殼體的當前狀態。

控制器評估電池狀況以確定電池殼體的適當的熱模式。在步驟402處，如果電池溫度足夠高(即，電池溫度大于溫度閾值temp_1)，則其指示需要從電池散發熱。然而，如果環境溫度大于電池溫度，則其可影響哪種熱模式是最適合的。在步驟404處，如果環境溫度小于電池溫度，則電池殼體進入導熱模式以散發電池的熱。在步驟406處，控制器發出打開空氣閥的命令，從而允許空氣從循環通道排出。在步驟408處，打開流體閥以允許液體被注入到循環通道中。隨后在步驟410處，使泵運轉以從儲液器抽出導熱流體以填充循環通道。一旦循環通道被導熱流體填滿(也稱為被完全填充)，那么隨后在步驟412處關閉流體閥和空氣閥這兩者。根據本公開的一方面，響應于電池溫度大于第一溫度閾值而循環熱流體。

在步驟404處如果環境溫度大于電池溫度，則電池殼體進入絕熱模式，以避免電池遭受到額外的熱。在絕熱模式中，可使其它冷卻機構與電池殼體連接。在步驟414處，控制器發出打開空氣閥的命令。在步驟416處，控制器使空氣壓縮機運轉以對循環通道填充空氣。應該理解，如果通道在之前填滿流體，則在空氣被強制進入通道時將流體排出。在步驟418處，一旦填滿空氣，則控制器發出關閉空氣閥的命令。

在步驟402處，如果電池溫度小于溫度閾值temp_1，則控制器可評估電池是否足夠冷而指示需要保持電池單元的熱從而將電池保持在期望的操作溫度范圍中。在步驟420處，如果電池溫度小于溫度閾值temp_2，則控制器可調用保持電池的熱的步驟。在步驟422處，如果環境溫度大于電池溫度，則使用導熱模式以使電池單元溫度升高。在步驟424處，打開空氣閥以允許空氣從循環通道排出。在步驟426處，打開流體閥以允許液體注入到循環通道中。隨后在步驟428處，使泵運轉以從儲液器抽出導熱流體以填充循環通道。一旦循環通道充滿導熱流體，隨后在步驟430處關閉流體閥和空氣閥兩者。

在步驟422處，如果環境溫度小于電池溫度，控制器可調用絕熱模式以保持電池單元處的熱。在步驟432處，打開空氣閥。在步驟434處，使空氣壓縮機運轉，以強制使空氣進入循環通道。如上文所討論的，如果如在上文描述的導熱模式中那樣在循環通道中原先就存有流體，則可額外地打開流體閥以從循環通道抽出流體。一旦循環通道基本上充滿空氣，則在步驟436處關閉空氣閥。

在步驟420處，如果電池溫度大于溫度閾值temp_2，則控制器可評估電池殼體外部環境的溫度作為即將到來的電池溫度的指示。具體地講，如果環境溫度小于溫度閾值temp_3，則其指示需要絕熱以助于防止電池溫度進一步下降。換句話說，在外部溫度足夠冷時，即使電池溫度是適度暖的，也可能不期望處于導熱模式。在步驟438處，如果外部環境的溫度小于temp_3，則控制器可使電池殼體進入絕熱模式，并在步驟432處打開空氣閥，以如上文所述地對循環通道填充空氣。

在步驟438處，如果電池殼體外部環境的溫度大于溫度閾值temp_3，則不需要對電池溫度進行主動熱調節。在步驟440處，控制器可允許電池的當前狀態保持有效而不調用狀態改變。控制器隨后返回到方法400的開始，從而以熱管理的閉環形式持續地監測電池的溫度。

參照圖5，示意性地描繪了多儲液器式電池熱管理系統500。與先前的實施例類似，電池殼體502包圍多個電池單元504。熱管理系統500還包括熱板506以主動地影響電池單元504的溫度。熱板506被設置在電池單元504下方并包括內循環通道508以使來自多個儲液器的流體循環，從而影響電池溫度。

冷卻儲液器510被設置為儲存熱流體并對熱流體進行冷卻。冷卻裝置512與冷卻儲液器熱連接，以降低熱流體的溫度。泵514與冷卻儲液器510流體連通，以將預冷卻的流體循環到熱板506中。雖然被稱作單獨的泵，但應該理解的是，可在514處使用閥或其它流動控制機構來控制流體流到冷卻儲液器510或從冷卻儲液器510流出。類似地，加熱儲液器516被設置為對熱流體進行加熱。加熱裝置518與加熱儲液器516熱連接，以使熱流體的溫度升高。泵520與加熱儲液器流體連通，以將預加熱的流體循環到熱板506中。類似地，在加熱側，可在520處采用泵、閥和/或其它流動控制機構的組合來調節流體流到加熱儲液器和從加熱儲液器流出。

由于一種流體被預調節而具有比另一流體更低的溫度，所以預加熱的流體和預冷卻的流體可循環到熱板506中以達到期望的流體溫度，從而影響電池單元的溫度。可替代地，可以提前混合冷卻的流體和加熱的流體，以在循環通過熱板506之前達到期望的流體溫度。混合儲液器522可被設置為允許對加熱的流體和冷卻的流體進行預混合，以在循環通過熱板之前獲得最佳的流體溫度。可替代地，可省略外部混合儲液器，預加熱的流體和預冷卻的流體在熱板內直接混合以達到期望的流體溫度。

多儲液器式熱管理系統500可與如上文討論的電池殼體的導熱模式和絕熱模式共同使用。例如，當期望通過使加熱后的流體循環流過熱板而升高電池單元的溫度時，還可期望調用電池殼體的絕熱模式以保持施加到電池殼體內部的熱。同樣地，當期望通過使冷卻后的流體循環流過熱板而降低電池單元溫度時，還可期望調用導熱模式以協助從電池殼體排出熱。

本公開提供可使用一個或更多個處理策略(諸如事件驅動、中斷驅動、多任務、多線程等)實施的代表性的控制策略和/或邏輯。因此，可以按示出的順序、并行地或在某些情況下省略地執行在此所示出的各個步驟或功能。盡管不總是明確地示出，但本領域的普通技術人員應認識到，根據使用的特定的處理策略可重復地執行一個或更多個示出的步驟或功能。類似地，并不一定需要該處理的順序來實現在此描述的特征和優點，提供它為便于說明和描述。

控制邏輯可主要在由基于微處理器的車輛或電池控制器執行的軟件中實施。當然，根據具體應用，控制邏輯可在一個或更多個控制器中的軟件、硬件或軟件和硬件的組合中實施。當在軟件中實施時，可在一個或更多個計算機可讀的存儲裝置或介質(具有由計算機執行的存儲數據再現代碼或指令)中提供控制邏輯，以控制車輛或車輛的子系統。計算機可讀存儲裝置或介質可包括若干公知的物理裝置中的一個或更多個，該物理裝置利用電、磁和/或光學存儲器來保持可執行的指令和相關的校準信息、操作變量等。可替代地，可全部地或部分地使用合適的諸如專用集成電路(asic)、現場可編程門陣列(fpga)、狀態機、控制器或其它硬件組件或裝置的硬件組件或者硬件、軟件和固件組件的組合來實現所述處理、方法或算法。

盡管上面描述了示例，但不意味著這些實施例描述了權利要求所涵蓋的所有可能形式。說明書中使用的詞語為描述性詞語而非限定性，并且應理解，在不脫離本公開的精神和范圍的情況下可以作出各種改變。如之前描述的，可以組合各個實施例的特征以形成未被明確描述或說明的本發明的其它實施例。盡管各個實施例可能已被描述為提供優點或者在一個或更多個期望的特性方面優于其它實施例或現有技術的實施方式，但是本領域普通技術人員應該認識到，一個或更多個特征或特性可被折衷，以實現取決于具體的應用和實施方式的期望的整體系統屬性。這些屬性可包括但不限于成本、強度、耐久性、生命周期成本、可銷售性、外觀、包裝、尺寸、可維修性、重量、可制造性、裝配容易性等。這樣，被描述為在一個或更多個特性方面不如其它實施例或現有技術的實施方式合意的實施例并不在本公開的范圍之外，并且可期望用于特定的應用。