CN105522932B - 车用动力电池组主动风冷散热系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车用动力电池组主动风冷散热系统，以便实现散热系统随动力电池不同状态的实时变化，大幅降低电池组温度过高的风险。包括乘员舱空调系统、动力电池组冷却管路、风道系统以及控制系统；动力电池组冷却管路包括依次连接在冷凝器出口与储液罐入口之间的二号电磁阀、二号电子膨胀阀、二号蒸发器、二号蒸发压力调节阀、二号单向阀，形成乘员舱空调系统外的冷却液循环；所述风道系统的入口分别连接二号蒸发器和车内乘员舱，风道系统的出口连接动力电池箱；所述控制系统包括通过CAN总线与整车控制器通信的电池管理系统、空调控制单元和散热系统控制单元。本发明还公开了一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种车用动力电池组主动风冷散热系统及其控制方法。
背景技术
据相关研究，充放电倍率、动力电池SOC状态以及环境温度对动力电池内阻均有不同程度的影响，进而影响温升速度，且在我国南方，夏季温度可达到零上35度甚至更高，在这种条件下电池散热能力较差，因此需要对电池进行快速散热，以便达到理想工作温度，避免由于电池组温度过热所导致的不良后果。所以根据动力电池工作状态的不同，需要采取不同的散热策略。而且当电池表面温度过高时，电池内部温度往往早已超过许可上限，因此容易因为电池温度过高导致电池寿命下降。电池升温主要是由于电池内阻增大，电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，由欧姆内阻与极化内阻组成。
目前，电动汽车所用动力电池的冷却方法主要分为液冷和风冷。液体冷却效率高，但结构复杂且维修不变。气体冷却多为自然风冷却和强制风冷却，后者冷却效果明显强于前者。强制风主要通过风扇从乘员舱或者外界环境吸风实现。
模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的关键。然而，对于复杂的系统或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。
电动汽车空调系统多采用电动压缩机，它利用动力电池的电能为汽车乘员舱制冷。空调中的蒸发器的出风温度调节是通过控制蒸发压力实现的，即调节低压压力表的压力值，操作中通过调节热力膨胀阀(或节流阀)的开度来调节低压压力的高低。膨胀阀开启度大，蒸发温度升高，低压压力也升高，制冷量就会增大；如果膨胀阀开启度小，蒸发温度降低，低压压力也降低，制冷量就会减少。
目前动力电池的散热系统只能实现固定的散热效果，无法根据动力电池的工作状态和物理状态实时变化，一旦动力电池温度出现发散趋势无法进行及时降温，因此散热效果较差。
发明内容
本发明目的就是为了提高车用动力电池组散热效率而提供的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，以便实现散热系统随动力电池不同状态的实时变化，大幅降低电池组温度过高的风险。
本发明的目的是通过以下方案实现的，结合附图：
本发明提供一种车用动力电池组主动风冷散热系统，包括乘员舱空调系统100，其包括冷凝器1、电动压缩机2、储液罐3、鼓风机4、一号蒸发器5、一号电子膨胀阀9、一号温度传感器10，冷凝器1的出口依次经一号电子膨胀阀9、一号蒸发器5、储液罐3、压缩机2后再进入冷凝器入口，形成乘员舱空调系统的冷却液循环；
所述车用动力电池组主动风冷散热系统还包括动力电池组冷却管路、风道系统以及控制系统；所述动力电池组冷却管路包括依次连接在所述冷凝器1出口与储液罐3入口之间的二号电磁阀11、二号电子膨胀阀12、二号蒸发器15、二号蒸发压力调节阀14、二号单向阀13，形成乘员舱空调系统外的冷却液循环；所述风道系统的入口分别连接二号蒸发器15和车内乘员舱16，风道系统的出口连接动力电池箱体31；所述控制系统包括通过CAN总线(控制器局域网络)与整车控制器33通信的电池管理系统32、空调控制单元34和散热系统控制单元35。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，其中，所述乘员舱空调系统100还包括一号单向阀6、一号蒸发压力调节阀7及一号电磁阀8，一号电磁阀8安装在所述冷凝器1出口及一号电子膨胀阀9入口之前，一号蒸发压力调节阀7入口连接一号蒸发器5，一号蒸发压力调节阀7出口连接一号单向阀6入口，一号单向阀6出口连接所述储液罐3入口。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，其中，所述风道系统包括一号风道17、二号风道18及三号风道23，二号风道18入口连接车内乘员舱16，一号风道17入口连接二号蒸发器15，一号风道17出口和二号风道18出口共同连接三号风道23入口，三号风道23末端连接动力电池箱31的进风口，动力电池箱31的进风口处设置有吸风风扇25，箱体的另一侧设置有出风口和排风风扇26。动力电池组被放置在动力电池箱体31内。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，其中，二号风道18的入口处设置有二号温度传感器27和二号风门20，二号风门20与二号步进电机22通过花键连接；一号风道17中设置有一号风门19，一号风门19和一号步进电机21通过花键连接；二号蒸发器15的出风处设置有三号温度传感器28，电池箱体的进风口处还设置有四号温度传感器29和风速传感器24。
本发明同时提供一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，车用动力电池组主动风冷散热系统包括乘员舱空调系统100、动力电池组冷却管路、风道系统以及控制系统，所述动力电池组冷却管路连接在所述乘员舱空调系统100的冷凝器1出口与储液罐3入口之间，其包括二号蒸发器15，所述风道系统包括一号风道17、二号风道18及三号风道23，二号风道18入口连接车内乘员舱16，一号风道17入口连接二号蒸发器15，一号风道17出口和二号风道18出口共同连接三号风道23入口，三号风道23末端连接动力电池箱31的进风口，电池箱体的进风口处设置有吸风风扇25，电池箱体的另一侧设置有排风风扇26；
该控制方法包括以下步骤：
步骤一、利用模糊控制法和系数修正法相结合，获得系统温控系数R并判断温控系数R是否为零；
步骤二、当温控系数R为零时，表明动力电池组温度过低且无散热需求，此时需停用动力电池组冷却管路并根据乘员舱来风温度与电池高效工作温度下限值的大小选择是否需要乘员舱送风对动力电池组进行加热；
步骤三、若温控系数R不为零，表明动力电池组有散热需求，此时需要解析电池箱所需的进风温度T进风，并根据电池箱所需的进风温度选择散热模式对动力电池组进行散热。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其中，所述步骤一利用模糊控制法和系数修正法相结合，获得系统温控系数R，具体包括以下过程：
1)首先根据模糊控制方法确定反映动力电池组散热需求的复合影响系数Q：
1.1)确定模糊控制器的输入量和输出量：输入量为当前动力电池组充放电电流值和当前电池表面温度值，输出量为复合影响系数Q；
1.2)确定模糊控制器的输入量、输出量的取值和论域范围；
1.3)对模糊控制器的输入量和输出量进行模糊化，确定充放电电流、电池表面温度以及复合影响系数Q的量化因子，分别为Ki＝2/C，Kt＝1/10和Kc＝1。C为当前充放电倍率。实际值乘以量化因子即为论域值；确定隶属度函数，即函数中σ分别为0.15，3和0.3；c为正态分布中间值，取值范围为上述模糊控制器的变量实际取值，x取值为系统输入值，即为充放电倍率和电池表面温度；
1.4)确定模糊推理规则，基于模糊推理规则制定模糊矩阵表；
2)利用系数修正法将经过上述步骤1)模糊控制方法确定的符合影响系数Q依次经过三次修正，获得系统温控系数R。
R＝W×u1×u2＝Q×Ksoc×u1×u2
其中，
Q为复合影响系数；
Ksoc为SOC修正系数；
W为温升预测系数，取值范围由Q和Ksoc决定；
u1为电池箱内部温度修正系数；
u2为电池表面温度变化率修正系数。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其中，所述步骤二当温控系数R为零时，表明动力电池组温度过低且无散热需求时的控制过程为：
1)停用所述动力电池组冷却管路，二号蒸发器15不制冷且关闭一号风道17；
2)判断车内乘员舱16来风温度是否高于预设的电池高效工作温度下限值(定值3)；
3)若车内乘员舱16来风温度高于电池高效工作温度下限值(定值3)，则启用二号风道18使车内乘员舱16来风，并调节吸风风扇25和排风风扇26的转速预热电池组；若车内乘员舱16来风温度低于电池高效工作温度下限值(定值3)，则关闭二号风道18且关停吸风风扇25和排风风扇26。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其中，所述步骤三若温控系数R不为零，表明动力电池组有散热需求时的控制过程为：
1)根据系统温控系数R解析电池箱所需的进风温度T进风，解析公式如下：
其中，Nc为温控系数R的范围，
和取0到2之间的定值；
Qmax＝8，Qmin＝0；
Qmax为预设的进风温度最大值，单位：℃；
Tmin为预设的进风温度最小值，单位：℃；
T进风为电池箱所需进风温度，单位：℃。
2)若经上述步骤1)解析出的电池箱所需进风温度T进风高于当前二号风道18的温度T2，则二号蒸发器15仍不工作，并完全关闭一号风门19，维持此时吸风风扇25和排风风扇26的转速；
3)若当前二号风道18的进风温度T2与经上述步骤1)推算出的进风温度T进风相差小于10％时，即(T2-T进风)/T进风<10％，仍不使二号蒸发器15工作，增大吸风风扇25和排风风扇26的转速，提高空气流量以弥补进风温度的不足；
4)若当前二号风道18的进风温度T2与经上述步骤1)推算出的进风温度相差大于10％时，即(T2-T进风)/T进风>10％，则开启强制散热模式，并保证散热系统在进风温度调节过程中的进风量不变；
5)最后将判定电池表面温度是否在事先设定的范围内，若超出范围则对系统温控系数R进行修正，重新计算散热需求。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其中，所述步骤三种步骤4)开启强制散热模式，并保证散热系统在进风温度调节过程中的进风量不变的控制过程为：
步骤401、二号蒸发器15开始制冷，并调节一号风道17和二号风道18的进风量，保证电池箱所需的进风温度T进风：打开一号风道17使其处于最大进风状态且使二号蒸发器15开始制冷，同时调节二号风道18进风量；
步骤402、在完成所述步骤401控制电池箱所需的进风温度T进风后，调节吸风风扇25和排风风扇26的转速，以保证电池箱的进风量不变；
步骤403、判断进风温度是否符合设定范围，若进风温度不符合设定范围，则重新对一号风道17和二号风道18的进风量及二号蒸发器15进行控制；
步骤404、判断进风量是否符合设定范围，若进风量不符合设定范围，则重新对吸风风扇25以及排风风扇26实施控制。
所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其中，所述步骤401中电池箱所需的进风温度T进风的调节过程中，首先设定一号风道17的气体温度，然后根据所需进风温度调节二号风道18内设置的二号风门20的开度，此时一号风道17内设置的一号风门19保持全开状态，形成所需的风量比例；
由理想气体状态方程可得公式如下：
V1T1＋V2T2＝(V1＋V2)T进风，
其中，Vi＝vi×Ai,i＝1,2，Vi是风道空气流量，V1是一号风道17的空气流量，V2是二号风道18的空气流量，单位：m3/s；A1是一号风道17的截面积，A2是二号风道18的截面积，单位：m2；v1是一号风道17的风速，v2是二号风道18的风速，单位：m/s，且v1＝v2；T1是一号风道17的气体温度，T2是二号风道18的气体温度，单位：℃；A3是三号风道截面积，且A1max+A2max＝A3，单位：m2。
与现有技术相比，本发明的优点为：
当前市面上所有的动力电池风冷散热工况均较为单一，当动力电池状态发生变化时，难免散热效果较差。通过以上技术方案，本发明可以根据动力电池当前的物理状态和充放电工况等因素实时调节动力电池散热系统，实现在尽量降低能量消耗的前提下，改善动力电池散热效果，进而提高动力电池使用寿命。而且本发明提供的控制方法可以在动力电池温升到达电池表面(被温度传感器探测到)之前，对电池温升进行抑制，具有一定的温升预测效应，进而大幅降低由于温度过高而导致动力电池内部化学成分发生不可逆变化的概率。本发明可以实现乘员舱制冷和动力电池组冷却管路互不干涉，且当乘员舱温度较低时，充分利用乘员舱的空气冷却动力电池组，尽量减少二号蒸发器和风扇在电池组散热方面的消耗功率，因此本发明可以在保证散热效果的前提下尽量节约电能。
附图说明
图1为车用动力电池组主动风冷散热系统结构示意图
图2为本发明的控制流程图
图3为温控系数推算流程图
图4为强制散热模式逻辑流程图
图中：
1、冷凝器2、电动压缩机3、储液罐4、鼓风机5、一号蒸发器6、一号单向阀7、一号蒸发压力调节阀8、一号电磁阀9、一号电子膨胀阀10、一号温度传感器11、二号电磁阀12、二号电子膨胀阀13、二号单向阀14、二号蒸发压力调节阀15、二号蒸发器16、乘员舱17、一号风道18、二号风道19、一号风门20、二号风门21、一号步进电机22、二号步进电机23、三号风道24、风速传感器25、吸风风扇26、排风风扇27、二号温度传感器28、三号温度传感器29、四号温度传感器30、五号温度传感器31、动力电池箱32、电池管理系统(BMS)33、整车控制器(VCU)34、空调控制单元35、散热系统控制单元100、乘员舱空调系统
具体实施方式
本发明目的就是为了提高电动汽车动力电池组散热效率，而提供的一种基于模糊控制的动力电池组主动风冷散热系统，以便实现散热系统随动力电池不同状态的实时变化。
下面结合附图对本发明的技术方案进行描述，附图所描述的仅仅是发明的一部分而不是全部的实施例。
如附图1所示，为本发明提供的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，其中包括乘员舱空调系统100(包括冷凝器1、电动压缩机2、储液罐3、鼓风机4、一号蒸发器5、一号单向阀6、一号蒸发压力调节阀7、一号电磁阀8、一号电子膨胀阀9、一号温度传感器10，其中一号单向阀6、一号蒸发压力调节阀7、一号电磁阀8属于在传统乘员舱空调系统基础上新增部件)，在此基础上加装动力电池组冷却管路，包括二号电磁阀11、二号电子膨胀阀12、二号单向阀13、二号蒸发压力调节阀14、二号蒸发器15。此外所述系统还包括风道系统和控制系统，风道系统包括一号风道17、二号风道18、三号风道23、一号步进电机21、二号步进电机22、二号温度传感器27、三号温度传感器28、四号温度传感器29、五号温度传感器30、风速传感器24、一号风门19、二号风门20、吸风风扇25和排风风扇26，控制系统包括电池管理系统(BMS)32、空调控制单元34、散热系统控制单元35，电池管理系统(BMS)32，空调控制单元34，散热系统控制单元35均通过CAN总线与整车控制器(VCU)33通信。
本发明所提供系统中，具体实施如下，在传统电动空调基础上，车外冷凝器1的出口处，冷却液流向分为两条，一条为传统的乘员舱制冷，即冷凝器1连接一号电磁阀8的入口、一号电磁阀8的出口连接一号电子膨胀阀9入口，一号电子膨胀阀9出口连接一号蒸发器5；另一条为动力电池组提供冷却风，即冷凝器1出口连接二号电磁阀11入口、二号电磁阀11的出口连接二号电子膨胀阀12入口，二号膨胀阀12出口连接二号蒸发器15。每一条制冷管路，经过蒸发器后分别连接一号蒸发压力调节阀7和二号蒸发压力调节阀14，这是由于两个蒸发器的蒸发温度不同，需要分别调节管路压力再返回同一条管路。在返回储液罐前，两条管路分别需要接一号单向阀6和二号单向阀13，防止当一条管路工作时，冷却液回流到另一条管路。最后两条管路统一连接储液罐3的入口，经过压缩机2压缩、冷凝器1冷凝进入下一个制冷循环。
动力电池组采用强制风冷形式，冷却风来源有两条。其一为乘员舱16来风，即二号风道18；其二为二号蒸发器15来风，即一号风道17；然后在三号风道23中形成混合风，吸风风扇25将混合风送入动力电池箱31，为放置在箱体内部的动力电池组提供冷却。为了便于冷却风排出动力电池箱31，在箱体排风口设置有排风风扇26。
三号风道23，即为将一号风道17和二号风道18的来风混合。其中二号风道18连接车内乘员舱16，在二号风道18的入口处设置有二号温度传感器27和二号风门20，分别用于监测来风温度和控制二号风道18开度，二号风门20与二号步进电机22通过花键连接，二号步进电机22驱动二号风门20旋转；一号风道17的入口连接二号蒸发器15，二号蒸发器15的出风处设置有三号温度传感器28，目的是采集二号蒸发器的出风温度，此外一号风道17中也设置有一号风门19，用于控制一号风道17的开度，一号风门19和一号步进电机21也通过花键连接，一号步进电机21驱动一号风门19旋转。三号风道23末端连接动力电池箱31的进风口，动力电池箱31的进风口处设置有吸风风扇25、四号温度传感器29和风速传感器24，分别用于将冷却混合风送入箱体内、监测电池箱进风温度和监测进风量。出于描述方便的目的，后续所述动力电池箱进风温度均简称为进风温度。动力电池箱31的另一侧设置有出风口和排风风扇26，便于冷却风顺利排出，此外箱体内部设置有五号温度传感器30，用于采集电池箱环境温度。
所述风冷散热系统中，一号电磁阀8、二号电磁阀11、一号电子膨胀阀9、二号电子膨胀阀12、一号蒸发器5、二号蒸发器15、鼓风机4、一号温度传感器10、三号温度传感器28等均属于空调系统部件，因此以上所述部件均由空调控制单元34控制；二号温度传感器27、四号温度传感器29、一号风步进电机21、二号步进电机22、风速传感器24均由散热系统控制单元33控制；五号温度传感器30的数据采集以及电池表面温度的采集均由电池管理系统(BMS)32完成。
本发明所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一、获得系统温控系数R并判断温控系数R是否为零，如图3所示。
温控系数R由电池内阻的大小和电池箱体内部自然换热情况两者决定，进而反应电池强制散热需求大小，散热需求由进风温度体现，例如当温控系数R值较大时，表明当前状态下电池内阻较大，电池散热需求较高，因此所需进风温度较低，反之亦然。利用模糊控制法和系数修正法相结合，获得温控系数R，它可以主动反应出当前动力电池组的散热需求和电池温升趋势，而非传统的根据电池表面温度反馈散热需求。具体过程如下：
1)首先根据模糊控制方法确定复合影响系数Q，复合影响系数Q也是反应动力电池组散热需求的量。
1.1)确定模糊控制器的输入量和输出量，输入量为当前动力电池组充放电电流值和当前电池表面温度值。其中电池表面温度利用附着在电池单体表面的传感器测量，最终输入值为当前测得的所有单体温度最高值，电池组充放电电流值从电池管理系统(BMS)32获取，利用充放电倍率表示电流值大小。输出量为复合影响系数Q。
1.2)确定模糊控制器的输入量、输出量的取值和论域范围。充放电电流值范围、电池表面温度范围以及复合影响系数Q范围，取值分别为{VL，SL，LO，NM，HI，SH，VH}，{NM，NS，ZE，PS，PM，PB，PVB，PEB}，{ZE，SM，MD，BG，VB，VVB，EB，VEB，EEB}，具体实际值为{0，0.5C，1C，1.5C，2C，2.5C，3C}，{-20，-10，0，10，20，30，40，50}和{0，1，2，3，4，5，6，7，8}，其中C为充放电倍率，例如1C放电即为一小时把电池容量放完的理论电流，单位为安培(A)；电池表面温度单位为摄氏度(℃)；复合影响系数Q无单位。进而确定论域取值分别为{0，1，2，3，4，5，6}、{-2，-1，0，1，2，3，4，5}和[0，1，2，3，4，5，6，7，8]。
1.3)对模糊控制器的输入量和输出量进行模糊化，确定充放电电流、电池表面温度以及复合影响系数Q的量化因子，分别为Ki＝2/C，Kt＝1/10和Kc＝1。实际值乘以量化因子即为论域值；确定隶属度函数，本发明中充放电电流、电池表面温度和复合影响系数Q这三个变量采用正态分布型(高斯基函数)隶属函数，即函数中σ分别为0.15，3和0.3，无单位；c为正态分布中间值，取值范围为上述模糊控制器的变量实际取值，单位同上，x取值为系统输入值，即为充放电倍率和电池表面温度，取值范围和单位同上所述。
1.4)确定模糊推理规则，当电池表面温度处于-20到20度范围内时，认为随温度上升电池内阻逐渐减小，故散热需求逐渐减小；当电池表面温度处于20到40度时，认为电池温度适宜；当电池表面温度高于40度时，认为温度较高需进行散热。对于充放电电流而言，认为充放电倍率越高，则电池内阻越大，因此散热需求越高，即复合影响系数Q越大。然后基于以上规则制定模糊矩阵表。规则矩阵表如下：
1.5)重心法解模糊化输出复合影响系数Q。
2)由于复合影响系数Q仍不能较好的反应当前电池的散热需求以及电池的温升趋势，因此将对这一系数进行修正。修正分为三次：
2.1)第一次修正：第一次根据电池当前荷电状态(SOC状态)进行修正，主要考虑SOC状态对电池内阻的影响，即根据SOC状态对电池内阻状态分为六个阶段，即放电工况以及充电工况下，电池组SOC分以下三种状态：高于定值1，或低于定值2，或高于定值2且低于定值1(上述定值2小于定值1)，电池内阻在电池SOC处于上述三种不同状态下时是不同的，因此直接影响温升趋势。例如当电池处于放电工况，且SOC处于定值2和定值1之间时，此时认为，电池内阻最小，因此修正系数Ksoc2取最小值；当电池处于充电工况，且SOC低于定值2时，此时认为电池内阻最大，因此修正系数Ksoc4取最大值，其余的Ksoc取值以此类推，本发明中Ksoc取值范围是0到2，无单位，具体需通过不同种类的动力电池的实验获得内阻规律进而确定Ksoc的六种取值。复合影响系数和Ksoc相乘得到温升预测系数W，此系数依然为推算温控系数R过程中的中间值。
2.2)第二次修正：此时修正是依据电池箱内部的环境温度T，规则是若电池箱温度较低时具有抑制电池温升的效果，即电池自然散热效果较好，因此对于散热系统的散热需求较少，反之亦然。电池箱内部环境温度对散热需求的修正系数设置为u1。T的范围是-20℃到40℃，当T值为-20到0℃时，u1设为0。当T值从0℃到40℃时，每增加1℃对应u1值从0增加0.05，u1取值范围是0到2，u1是修正系数，因此无单位。
2.3)第三次修正：此时修正是依据电池表面温度变化率Δt，规则是若温度变化率为正且较大，说明散热效果较差，需增大散热需求；若温度变化率为负且绝对值较大，说明散热过量，出于防止电池温度过低以及出于节能的目的，此时将降低对散热系统的散热需求。电池表面温度变化率对散热需求的修正系数设置为u2。变化率Δt从-1℃/s到1℃/s时，每增加0.1℃/s，u2从零相应增加0.1，u2的取值范围是0到2，u2是修正系数，因此无单位。
2、经过上述步骤即可获得系统的温控系数R并判断获得的温控系数R是否为零。温控系数R的计算式如下：
R＝W×u1×u2＝Q×ksoc×u1×u2
Q为复合影响系数，取值范围是0到8；
Ksoc为SOC修正系数，取值为六种不同的定值；
W为温升预测系数，取值范围由Q和Ksoc决定；
u1为电池箱内部温度修正系数，取值范围是0到2；
u2为电池表面温度变化率修正系数，取值范围是0到2。
步骤二、当温控系数R为零时，表明动力电池组温度过低且无散热需求，此时需停用动力电池组冷却管路并根据乘员舱来风温度与电池高效工作温度下限值的大小选择是否需要乘员舱送风对动力电池组进行加热。
1)停用动力电池组冷却管路，即将二号电磁阀11关闭，一号风门19关闭，二号蒸发器15不制冷且关闭一号风道17。
2)根据二号温度传感器27的数值判断乘员舱16来风温度是否高于预设的高于电池高效工作温度下限值(定值3)。
3)若乘员舱16来风温度高于电池高效工作温度下限值(定值3)，则二号风门20全开，启用二号风道18使车内乘员舱来风，并调节吸风风扇25和排风风扇26的转速预热电池组；若乘员舱16来风温度低于电池高效工作温度下限值(定值3)，则关闭二号风门20且关停吸风风扇25和排风风扇26。
步骤三、若温控系数R不为零，表明动力电池组有散热需求，此时需要解析电池箱所需的进风温度T进风，并根据电池箱所需的进风温度选择散热模式对动力电池组进行散热。
1)根据温控系数R解析电池箱所需的进风温度T进风。解析公式如下：
Nc为温控系数R的范围，
无单位；
其中，和是需通过实验得到的0到2之间的定值，无单位；
Qmax＝8，Qmin＝0；
Tmax为进风温度最大值(定值4)，可设为30，单位为摄氏度(℃)；
Tmin为进风温度最小值(定值5)，可设为10，单位为摄氏度(℃)；
T进风为动力电池箱所需进风温度，单位为摄氏度(℃)。
2)若经推算出的电池箱所需进风温度T进风高于当前二号风道18的温度T2，此时，二号蒸发器15仍不工作，并完全关闭一号风门19，且维持此时吸风风扇25和排风风扇26的转速。
3)出于节能的目的，若当前二号风道18的进风温度T2与经温控系数R推算出的进风温度T进风相差小于10％时，此时将不使二号蒸发器15工作，适当增大吸风风扇25和排风风扇26的转速，提高空气流量以弥补进风温度的不足。
4)若当前二号风道18的进风温度T2与经温控系数R推算出的进风温度T进风相差大于10％时，将开启强制散热模式，如图4所示，使进风温度调节过程中，散热系统进风量始终保持不变：
步骤401、二号蒸发器15开始制冷，并调节一号风道17和二号风道18的进风量，保证动力电池箱31所需的进风温度T进风：打开一号风道17使其处于最大进风状态(一号风门19开度最大)且使二号蒸发器15开始制冷，同时调节二号风道18进风量(调节二号风门20的开度)，此时二号蒸发器15的出风温度为T1(即一号风道17的气体温度)，二号风道18的气体温度为T2，为了混合成所需的进风温度，将风道中空气均看作理想状态气体，气体密度视为相等且气体混合前后体积不变，由理想气体状态方程可得公式如下：
V1T1＋V2T2＝（V1＋V2)T进风，
其中Vi＝vi×Ai,i＝1,2，Vi是风道空气流量，V1是一号风道17的空气流量，V2是二号风道18的空气流量，单位是m3/s；A1是一号风道17的截面积，A2是二号风道18的截面积，单位是m2；v1是一号风道17的风速，v2是二号风道18的风速，单位是m/s。T1是一号风道17的气体温度，T2是二号风道18的气体温度，单位为摄氏度(℃)。由于两条风道采用同一个风扇，所以风速相等，即v1＝v2。一号风道17和二号风道18的最大截面积之和等于三号风道23的截面积，即A1max＋A2max＝A3，A3是三号风道截面积，单位是m2。
因此电池箱所需的进风温度T进风的调节过程中，首先设定二号蒸发器15的出风温度T1(即一号风道17的气体温度)，然后根据所需进风温度调节二号风门20的开度，此时一号风门19保持全开状态，形成所需的风量比例。例如，所需进风温度为20度，即T进风＝20，此时通过二号膨胀阀12调节二号蒸发器15的出风温度为15度，即T1＝15，若此时二号风道18的空气温度T2＝30度，那么根据将以上数据带入上文所述公式可得：
V1×15＋V2×30＝(V1＋V2)×20
V1＝v1×A1
V2＝v2×A2
可得此时若一号风道17和二号风道18的最大截面积相等，因此在一号风门19全开时，二号风门20开度为50％，才能满足进风温度需求。二号蒸发器15的出风温度范围是5℃到15℃，因此对于不同的进风温度需求，风门开度大小可以有多种变化，但出于节能的考虑，当需求进风温度高于15℃时，二号蒸发器15的出风温度均为15℃；当需求进风温度低于15℃时，二号蒸发器15的出风温度与需求进风温度相等，此时二号风道18处于关闭状态，即二号风门20的开度为零。其中一号风门19和二号风门20分别由一号步进电机21和二号步进电机22控制，风门绕中间轴旋转方向可以为纵向也可以为横向。
步骤402、在完成步骤401控制电池箱所需的进风温度T进风后，调节吸风风扇25和排风风扇26的转速，以保证电池箱的进风量不变：当一号风道17和二号风道18全开时，风扇转速为定值8，此时进风量等于风速与三号风道23的截面积的乘积(定值9)。为了满足进风温度的需求，风门需开始动作，即一号风道17和二号风道18的截面积发生变化，电池箱体的进风面积(A1＋A2)也就相应减小，为了保证电池箱体进风量仍为定值9，就需要增大风扇转速，此时风速传感器24感知风速的变化进而实时控制风扇的转速。散热系统控制单元35控制变频器实现风扇调速。
步骤403、判断进风温度是否符合设定范围，若进风温度不符合设定范围，则重新对一号风门19和二号风门20的开度及二号蒸发器15的蒸发温度进行控制；
步骤404、判断进风量是否符合设定范围，若进风量不符合设定范围，则重新对吸风风扇25以及排风风扇26实施控制。
5)最后将判定电池表面温度是否在事先设定的定值6和定值7之间的范围，所述定值7小于定值6，若超出范围则对温控系数R进行修正，重新计算散热需求。
以上所述模糊推理温控系数R以及根据温控系数R推算进风温度均在BMS中进行。得出进风温度后传递给空调控制单元和散热控制单元，空调控制单元根据进风温度需求根据控制规则控制蒸发器温度，散热控制单元根据当前进风温度需求、蒸发器温度和乘员舱来风温度控制风门开度和风扇转速。此外动力电池箱最低进风温度(定值5)、各个风道的截面积以及风扇最大转速等参数均需要利用流体动力学仿真进行设定，即根据动力电池极限工作条件下的最大散热需求设定。
Claims (9)
1.一种车用动力电池组主动风冷散热系统，包括乘员舱空调系统(100)，其包括冷凝器(1)、电动压缩机(2)、储液罐(3)、鼓风机(4)、一号蒸发器(5)、一号电子膨胀阀(9)、一号温度传感器(10)，冷凝器出口依次经一号电子膨胀阀(9)、一号蒸发器(5)、储液罐(3)、压缩机2后再进入冷凝器入口，形成乘员舱空调系统的冷却液循环；
其特征在于，所述车用动力电池组主动风冷散热系统还包括动力电池组冷却管路、风道系统以及控制系统；所述动力电池组冷却管路包括依次连接在所述冷凝器(1)出口与储液罐(3)入口之间的二号电磁阀(11)、二号电子膨胀阀(12)、二号蒸发器(15)、二号蒸发压力调节阀(14)、二号单向阀(13)，形成乘员舱空调系统外的冷却液循环；所述风道系统包括一号风道(17)、二号风道(18)及三号风道(23)，二号风道(18)入口连接车内乘员舱(16)，一号风道(17)入口连接二号蒸发器(15)，一号风道(17)出口和二号风道(18)出口共同连接三号风道(23)入口，三号风道(23)末端连接动力电池箱(31)的进风口，电池箱体的进风口处设置有吸风风扇(25)，箱体的另一侧设置有出风口和排风风扇(26)；所述控制系统包括通过CAN总线与整车控制器(33)通信的电池管理系统(32)、空调控制单元(34)和散热系统控制单元(35)。
2.如权利要求1所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，其特征在于，所述乘员舱空调系统(100)还包括一号单向阀(6)、一号蒸发压力调节阀(7)及一号电磁阀(8)，一号电磁阀(8)安装在所述冷凝器(1)出口及一号电子膨胀阀(9)入口之前，一号蒸发压力调节阀(7)入口连接一号蒸发器(5)，一号蒸发压力调节阀(7)出口连接一号单向阀(6)入口，一号单向阀(6)出口连接所述储液罐(3)入口。
3.如权利要求1所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统，其特征在于，二号风道(18)的入口处设置有二号温度传感器(27)和二号风门(20)，二号风门(20)与二号步进电机(22)通过花键连接；一号风道(17)中设置有一号风门(19)，一号风门(19)和一号步进电机(21)通过花键连接；二号蒸发器(15)的出风处设置有三号温度传感器(28)，动力电池箱(31)的进风口处还设置有四号温度传感器(29)和风速传感器(24)。
4.如权利要求1所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用模糊控制法和系数修正法相结合，获得系统温控系数R并判断温控系数R是否为零；
步骤二、当温控系数R为零时，表明动力电池组温度过低且无散热需求，此时需停用动力电池组冷却管路并根据乘员舱来风温度与电池高效工作温度下限值的大小选择是否需要乘员舱送风对动力电池组进行加热；
步骤三、若温控系数R不为零，表明动力电池组有散热需求，此时需要解析电池箱所需的进风温度T进风，并根据电池箱所需的进风温度选择散热模式对动力电池组进行散热。
5.如权利要求4所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其特征在于，所述步骤一利用模糊控制法和系数修正法相结合，获得系统温控系数R，具体包括以下过程：
1)首先根据模糊控制方法确定反映动力电池组散热需求的复合影响系数Q：
1.1)确定模糊控制器的输入量和输出量：输入量为当前动力电池组充放电电流值和当前电池表面温度值，输出量为复合影响系数Q；
1.2)确定模糊控制器的输入量、输出量的取值和论域范围；
1.3)对模糊控制器的输入量和输出量进行模糊化，确定充放电电流、电池表面温度以及复合影响系数Q的量化因子，分别为Ki＝2/C，Kt＝1/10和Kc＝1；其中，C为充放电倍率；实际值乘以量化因子即为论域值；确定隶属度函数，即 函数中σ分别为0.15，3和0.3；c为正态分布中间值，取值范围为上述模糊控制器的变量实际取值，x取值为系统输入值，即为充放电倍率和电池表面温度；
1.4)确定模糊推理规则，基于模糊推理规则制定模糊矩阵表；
2)利用系数修正法将经过上述步骤1)模糊控制方法确定的符合影响系数Q依次经过三次修正，获得系统温控系数R:
R＝W×u1×u2＝Q×Ksoc×u1×u2
其中，
Q为复合影响系数；
Ksoc为SOC修正系数；
W为温升预测系数，取值范围由Q和Ksoc决定；
u1为电池箱内部温度修正系数；
u2为电池表面温度变化率修正系数。
6.如权利要求4所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二当温控系数R为零时，动力电池组温度过低且无散热需求时的控制过程为：
1)停用所述动力电池组冷却管路，二号蒸发器(15)不制冷且关闭一号风道(17)；
2)判断车内乘员舱(16)来风温度是否高于预设的电池高效工作温度下限值；
3)若车内乘员舱(16)来风温度高于电池高效工作温度下限值，则启用二号风道(18)使车内乘员舱(16)来风，并调节吸风风扇(25)和排风风扇(26)的转速预热电池组；若车内乘员舱(16)来风温度低于电池高效工作温度下限值，则关闭二号风道(18)且关停吸风风扇(25)和排风风扇(26)。
7.如权利要求4所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其特征在于，所述步骤三若温控系数R不为零，动力电池组有散热需求时的控制过程为：
1)根据系统温控系数R解析电池箱所需的进风温度T进风，解析公式如下：
其中，Nc为温控系数R的范围，
和取0到2之间的定值；
Qmax＝8，Qmin＝0；
Tmax为预设的进风温度最大值，单位：℃；
Tmin为预设的进风温度最小值，单位：℃；
T进风为电池箱所需进风温度，单位：℃；
2)若经上述步骤1)解析出的电池箱所需进风温度T进风高于当前二号风道(18)的温度T2，则二号蒸发器(15)仍不工作，并完全关闭一号风门(19)，维持此时吸风风扇(25)和排风风扇(26)的转速；
3)若当前二号风道(18)的进风温度T2与经上述步骤1)推算出的进风温度T进风相差小于10％时，即(T2-T进风)/T进风<10％，仍不使二号蒸发器(15)工作，增大吸风风扇(25)和排风风扇(26)的转速，提高空气流量以弥补进风温度的不足；
4)若当前二号风道(18)的进风温度T2与经上述步骤1)推算出的进风温度相差大于10％时，即(T2-T进风)/T进风>10％，则开启强制散热模式，并保证散热系统在进风温度调节过程中的进风量不变；
5)最后将判定电池表面温度是否在事先设定的范围内，若超出范围则对系统温控系数R进行修正，重新计算散热需求。
8.如权利要求7所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其特征在于，所述步骤三中步骤4)开启强制散热模式，并保证散热系统在进风温度调节过程中的进风量不变的控制过程为：
步骤401、二号蒸发器(15)开始制冷，并调节一号风道(17)和二号风道(18)的进风量，保证电池箱所需的进风温度T进风：打开一号风道(17)使其处于最大进风状态且使二号蒸发器(15)开始制冷，同时调节二号风道(18)进风量；
步骤402、在完成所述步骤401控制电池箱所需的进风温度T进风后，调节吸风风扇(25)和排风风扇(26)的转速，以保证电池箱的进风量不变；
步骤403、判断进风温度是否符合设定范围，若进风温度不符合设定范围，则重新对一号风道(17)和二号风道(18)的进风量及二号蒸发器(15)的蒸发温度进行控制；
步骤404、判断进风量是否符合设定范围，若进风量不符合设定范围，则重新对吸风风扇(25)以及排风风扇(26)实施控制。
9.如权利要求8所述的一种车用动力电池组主动风冷散热系统的控制方法，其特征在于，所述步骤401中电池箱所需的进风温度T进风的调节过程中，首先设定一号风道(17)的气体温度，然后根据所需进风温度调节二号风道(18)内设置的二号风门(20)的开度，此时一号风道(17)内设置的一号风门(19)保持全开状态，形成所需的风量比例；
由理想气体状态方程可得公式如下：
V1T1+V2T2＝(V1+V2)T进风，
其中，Vi＝vi×Ai,i＝1,2，Vi是风道空气流量，V1是一号风道(17)的空气流量，V2是二号风道(18)的空气流量，单位：m3/s；A1是一号风道(17)的截面积，A2是二号风道(18)的截面积，单位：m2；v1是一号风道(17)的风速，v2是二号风道(18)的风速，且v1＝v2，单位：m/s；T1是一号风道(17)的气体温度，T2是二号风道(18)的气体温度，单位：℃；A3是三号风道截面积，且A1max+A2max＝A3，单位：m2。
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