CN111786051A - 一种无人机用软包电池组的风冷散热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机用软包电池组的风冷散热系统及其控制方法，风冷散热系统包括有壳体，设置于壳体内的多个电芯单体、多个导热硅胶垫和温度传感器，设置于壳体外的进风风机和出风风机，以及控制器；温度传感器、进风风机、出风风机、电池组均与控制器连接。本发明风冷散热系统结构设计合理，散热效果好，且可根据电池组温度控制风机转速和电池组输出功率，实现电池组降温并处于一个温度适宜范围内的目的，保证无人机的正常飞行。

Description

一种无人机用软包电池组的风冷散热系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机用软包电池组技术领域，具体是一种无人机用软包电池组的风冷散热系统及其控制方法。

背景技术

软包电池组，相对于圆柱电池和方形电池而言，外壳质量较轻，活性物质质量占比高，因此更容易做到较高的能量密度。主要应用于一些对电池组的体积和重量要求很高的场合，例如无人机的电池组。

然而，现有的软包电池组，电芯之间一般是紧密接触，对电池的散热造成了不利影响。特别是高倍率放电的情形下，常常会出现温度过高的情况。

目前，软包电池组的散热方式一般有风冷、水冷、相变材料、半导体制冷等等。水冷和半导体制冷都需要较重的散热模块，不利于发挥软包电芯能量密度高的优势，不适用于对电池组重量要求较高的场合。相变材料是一种较好的散热方案，但是相变材料融化后就丧失了吸热能力，不适合长时间使用。如果使用风冷，则需要电芯之间形成风道，以增加风冷的散热效果。目前，使用风冷的软包电池组专利，大多是用框架结构限制软包电芯的位置，实现电芯之间留有一定间隙。但是这种框架结构依然会带来较多重量，不适合某些对重量要求较高的场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无人机用软包电池组的风冷散热系统及其控制方法，结构设计合理，散热效果好，且可根据电池组温度控制风机转速和电池组输出功率，避免电池组过热造成损坏，影响无人机的正常飞行。

本发明的技术方案为：

一种无人机用软包电池组的风冷散热系统，包括有壳体，设置于壳体内的多个电芯单体、多个导热硅胶垫和温度传感器，设置于壳体外的进风风机和出风风机，以及控制器；所述的多个电芯单体组成电池组，所述的电池组上设置有温度传感器；相邻两个电芯单体之间留有散热间隙，所述的散热间隙内设置有导热硅胶垫，所述的壳体相对两个侧板上均开设有一排竖直设置且为长条形结构的散热风孔，两个侧板上的散热风孔一一相对，且每个散热间隙均位于两个相对的散热风孔之间；所述的壳体其中一个设置有散热风孔的侧板其外侧设置有朝向侧板外壁上的进风风机，壳体另一个设置有散热风孔的侧板其外侧设置有朝向侧板外壁上的出风风机；所述的温度传感器、进风风机、出风风机、电池组均与控制器连接。

所述的相邻两个电芯单体之间的散热间隙内设置有两个导热硅胶垫，其中一个导热硅胶垫位于相邻两个电芯单体的顶部之间，另一个导热硅胶垫位于相邻两个电芯单体的底部之间。

所述的温度传感器选用NTC温度传感器。

所述的温度传感器设置于电池组电芯单体的表面，用于监控电池组表面的实时温度。

一种无人机用软包电池组的风冷散热控制方法，具体包括有以下步骤：

(1)、首先在控制器中设定温度阈值T₁、温度阈值T₂、温度阈值T₃、温度阈值T₄、风扇最大转速N_max、电池最大持续放电功率P_max和无人机姿态稳定需要的最低功率P_min，其中，温度阈值T₁＜温度阈值T₂＜温度阈值T₃＜温度阈值T₄；

(2)、温度传感器采集电池组表面的实时温度T，将将采集的实时温度T传输给控制器；

(3)、在电芯实时温度T<T₁时，控制器控制进风风机和出风风机均不启动；

(4)、在电芯实时温度T满足T₁<T<T2时，控制器控制进风风机和出风风机的转速N随温度而变化，在T₂温度点时转速达到最高转速N_max；此阶段中，进风风机和出风风机的转速随温度线性上升符合下式：N＝N_max*(T-T₁)/(T₂-T₁)；

(5)、温度阈值T₃为接近电池组运行过程中最高允许的温度值，当电芯实时温度T满足T₂<T<T₃时，控制器控制进风风机和出风风机的转速维持最高转速N_max；

(6)、温度阈值T₄为电池组运行过程中最高允许的温度，当电芯实时温度T满足T₃<T<T₄时，控制器将电池组的输出功率限制为不超过电池最大持续放电功率P_max，风扇维持最高转速N_max；温度传感器监控温度随时间的变化率dT/dt，当dT/dt>0，控制器则继续降低电池组的输出功率，且电池组的输出功率始终不低于无人机姿态稳定需要的最低功率P_min；当dT/dt<0时,控制器则提高电池组的输出功率，且电池组的输出功率始终不高于电池最大持续放电功率P_max；

(7)、当电芯实时温度T满足T>T4时，控制器控制进风风机和出风风机的转速维持最高转速N_max、电池组的输出功率保持无人机姿态稳定需要的最低功率P_min，同时控制器对电池保护板发出指令，发出电池过热的警报，并控制无人机降落。

本发明的优点：

(1)、本发明风冷散热系统的结构简单，维护方便，经济实用，通过风冷散热提升了锂离子电池使用的安全性，减少了环境因素对锂离子电池使用的不利影响；

(2)、本发明相比于其他软包电池的风冷散热系统，本发明通过导热胶垫将电芯单体间隔开，形成风道，避免了框架结构带来的多余重量，能够更好地发挥软包电芯能量密度高的优点，且壳体上设置有散热风孔，散热风孔与导热间隙相对应，以保证风道畅通；

(3)、本发明控制方法的目的并不是使软包电池组温度尽可能降低，而是使软包电池组温度保持在适宜工作范围内；且为了保证无人机处于空中正常工作时，本发明不像其他锂离子电池一样通过中断供电的方式来防止锂离子电池过热，而是通过风机转速和电池组输出功率的调控，实现电池组降温并处于一个温度适宜范围内的目的，保证无人机的正常飞行。

附图说明

图1是本发明风冷散热系统的结构示意图。

图2是本发明导热硅胶垫设置于电芯单体间的结构示意图。

图3是本发明壳体的结构示意图。

图4是本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1-图4，一种无人机用软包电池组的风冷散热系统，包括有壳体1，设置于壳体1内的多个电芯单体2、多个导热硅胶垫3和NTC温度传感器4，设置于壳体1外的进风风机5和出风风机6，以及控制器8；多个电芯单体2组成电池组，电池组电芯单体2的表面上设置有NTC温度传感器4，NTC温度传感器4用于监控电池组表面的实时温度；相邻两个电芯单体2之间留有散热间隙，相邻两个电芯单体2之间的散热间隙内设置有两个导热硅胶垫3，其中一个导热硅胶垫3位于相邻两个电芯单体2的顶部之间，另一个导热硅胶垫3位于相邻两个电芯单体2的底部之间，壳体1相对两个侧板上均开设有一排竖直设置且为长条形结构的散热风孔7，两个侧板上的散热风孔7一一相对，且每个散热间隙均位于两个相对的散热风孔7之间；壳体1其中一个设置有散热风孔7的侧板其外侧设置有朝向侧板外壁上的进风风机5，壳体1另一个设置有散热风孔7的侧板其外侧设置有朝向侧板外壁上的出风风机6；NTC温度传感器4、进风风机5、出风风机6、多个电芯单体2组成的电池组均与控制器8连接。

一种无人机用软包电池组的风冷散热控制方法，具体包括有以下步骤：

(1)、首先在控制器8中设定温度阈值T₁、温度阈值T₂、温度阈值T₃、温度阈值T₄、风扇最大转速N_max、电池最大持续放电功率P_max和无人机姿态稳定需要的最低功率P_min，其中，温度阈值T₁＜温度阈值T₂＜温度阈值T₃＜温度阈值T₄；

(2)、NTC温度传感器4采集电池组表面的实时温度T，将将采集的实时温度T传输给控制器8；

(3)、在电芯实时温度T<T₁时，控制器8控制进风风机5和出风风机6均不启动；

(4)、在电芯实时温度T满足T₁<T<T2时，控制器8控制进风风机5和出风风机6的转速N随温度而变化，在T₂温度点时转速达到最高转速N_max；此阶段中，进风风机5和出风风机6的转速随温度线性上升符合下式：N＝N_max*(T-T₁)/(T₂-T₁)；

(5)、温度阈值T₃为接近电池组运行过程中最高允许的温度值，当电芯实时温度T满足T₂<T<T₃时，控制器8控制进风风机5和出风风机6的转速维持最高转速N_max；

(6)、温度阈值T₄为电池组运行过程中最高允许的温度，当电芯实时温度T满足T₃<T<T₄时，控制器8将电池组的输出功率限制为不超过电池最大持续放电功率P_max，风扇维持最高转速N_max；NTC温度传感器4监控温度随时间的变化率dT/dt，当dT/dt>0，控制器8则继续降低电池组的输出功率，且电池组的输出功率始终不低于无人机姿态稳定需要的最低功率P_min；当dT/dt<0时,控制器8则提高电池组的输出功率，且电池组的输出功率始终不高于电池最大持续放电功率P_max；

(7)、当电芯实时温度T满足T>T4时，控制器8控制进风风机5和出风风机6的转速维持最高转速N_max、电池组的输出功率保持无人机姿态稳定需要的最低功率P_min，同时控制器8对电池保护板发出指令，发出电池过热的警报，并控制无人机降落。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种无人机用软包电池组的风冷散热系统，其特征在于：包括有壳体，设置于壳体内的多个电芯单体、多个导热硅胶垫和温度传感器，设置于壳体外的进风风机和出风风机，以及控制器；所述的多个电芯单体组成电池组，所述的电池组上设置有温度传感器；相邻两个电芯单体之间留有散热间隙，所述的散热间隙内设置有导热硅胶垫，所述的壳体相对两个侧板上均开设有一排竖直设置且为长条形结构的散热风孔，两个侧板上的散热风孔一一相对，且每个散热间隙均位于两个相对的散热风孔之间；所述的壳体其中一个设置有散热风孔的侧板其外侧设置有朝向侧板外壁上的进风风机，壳体另一个设置有散热风孔的侧板其外侧设置有朝向侧板外壁上的出风风机；所述的温度传感器、进风风机、出风风机、电池组均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的风冷散热系统，其特征在于：所述的相邻两个电芯单体之间的散热间隙内设置有两个导热硅胶垫，其中一个导热硅胶垫位于相邻两个电芯单体的顶部之间，另一个导热硅胶垫位于相邻两个电芯单体的底部之间。

3.根据权利要求1所述的风冷散热系统，其特征在于：所述的温度传感器选用NTC温度传感器。

4.根据权利要求1所述的风冷散热系统，其特征在于：所述的温度传感器设置于电池组电芯单体的表面，用于监控电池组表面的实时温度。

5.根据权利要求1所述的风冷散热系统的控制方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：

(1)、首先在控制器中设定温度阈值T₁、温度阈值T₂、温度阈值T₃、温度阈值T₄、风扇最大转速N_max、电池最大持续放电功率P_max和无人机姿态稳定需要的最低功率P_min，其中，温度阈值T₁＜温度阈值T₂＜温度阈值T₃＜温度阈值T₄；

(2)、温度传感器采集电池组表面的实时温度T，将将采集的实时温度T传输给控制器；

(3)、在电芯实时温度T<T₁时，控制器控制进风风机和出风风机均不启动；

(4)、在电芯实时温度T满足T₁<T<T2时，控制器控制进风风机和出风风机的转速N随温度而变化，在T₂温度点时转速达到最高转速N_max；此阶段中，进风风机和出风风机的转速随温度线性上升符合下式：N＝N_max*(T-T₁)/(T₂-T₁)；

(5)、温度阈值T₃为接近电池组运行过程中最高允许的温度值，当电芯实时温度T满足T₂<T<T₃时，控制器控制进风风机和出风风机的转速维持最高转速N_max；

(6)、温度阈值T₄为电池组运行过程中最高允许的温度，当电芯实时温度T满足T₃<T<T₄时，控制器将电池组的输出功率限制为不超过电池最大持续放电功率P_max，风扇维持最高转速N_max；温度传感器监控温度随时间的变化率dT/dt，当dT/dt>0，控制器则继续降低电池组的输出功率，且电池组的输出功率始终不低于无人机姿态稳定需要的最低功率P_min；当dT/dt<0时,控制器则提高电池组的输出功率，且电池组的输出功率始终不高于电池最大持续放电功率P_max；

(7)、当电芯实时温度T满足T>T4时，控制器控制进风风机和出风风机的转速维持最高转速N_max、电池组的输出功率保持无人机姿态稳定需要的最低功率P_min，同时控制器对电池保护板发出指令，发出电池过热的警报，并控制无人机降落。

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