混合動(dòng)力汽車鎳氫電池?zé)峁芾聿呗匝芯?/h1>
2020-09-15 01:33朱建新儲(chǔ)愛華喜冠南
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2020年9期
趙 亮 ，朱建新 ，儲(chǔ)愛華 ，喜冠南
（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201500）
1 引言
從節(jié)能與降低污染物排放的效果來(lái)講，新能源汽車要優(yōu)于傳統(tǒng)汽車，目前，由于電池技術(shù)的發(fā)展不完善，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程滿足不了用戶的需求，發(fā)展受到很大的限制，而燃料電池汽車市場(chǎng)化進(jìn)程緩慢，現(xiàn)階段的燃料電池汽車性能低、成本高、壽命短[1]；因此，現(xiàn)階段各國(guó)家把發(fā)展混合動(dòng)力汽車作為汽車發(fā)展的過渡期。作為混合動(dòng)力汽車常用電池之一，鎳氫電池具有高質(zhì)量比功率、循環(huán)次數(shù)多、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力汽車的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，在汽車行駛過程中，需要對(duì)電池頻繁地進(jìn)行大倍率充放電，會(huì)使電池組的溫度急劇上升。電池的溫度是影響電池性能的最主要因素之一，電池的溫度與電池組熱管理系統(tǒng)息息相關(guān)，因此對(duì)電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究對(duì)新能源汽車的發(fā)展具有重要的工程意義。
目前國(guó)內(nèi)外電池?zé)峁芾硌芯慷酁殡姵責(zé)崮Ｐ偷慕！㈦姵亟M冷卻方式的選擇、散熱器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[2-4]，而溫度控制算法的研究和電池?zé)峁芾聿呗缘难芯枯^少。其中，文獻(xiàn)[5]提出了一種多溫區(qū)熱管理策略，不同的溫度區(qū)間采用不同的冷卻或加熱方式，保證電池組的溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)且溫度一致性和均勻性良好；文獻(xiàn)[6]提出低溫充電加熱控制策略，通過控制充電器的輸出功率實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包邊充電變加熱，這種策略提高了低溫下電池組的安全性和壽命；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種可對(duì)電池組內(nèi)部電芯進(jìn)行選擇性冷卻或加熱的熱管理策略并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示，采用該種策略電池組的性能較采用其他普通熱管理策略的電池組提升了58.4%。提出一種PID控制算法用于熱管理系統(tǒng)中的空調(diào)與水泵的控制，確保電池組的最高溫度以及溫差都在合理的范圍內(nèi)，最后并對(duì)設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
2 電池組熱管理分析
2.1 電池組冷卻系統(tǒng)
由于電池在低溫下的性能良好，能夠滿足整車的需求，所以電池組熱管理只有冷卻功能與均熱功能，無(wú)加熱功能。電池組的冷卻方式采用液體冷卻，冷卻液為50%聚乙二醇+50%水的混合溶劑。電池組冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要包括兩條回路：電池組冷卻系統(tǒng)回路與空調(diào)冷卻系統(tǒng)回路。
圖1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Cooling System
基于電池組冷卻系統(tǒng)回路，把電池組的冷卻方式定義為兩種：散熱器冷卻與空調(diào)冷卻。散熱器冷卻是利用風(fēng)扇使冷卻液在散熱器處與空氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，再由散熱后的冷卻液對(duì)電池組進(jìn)行冷卻；空調(diào)冷卻是在散熱器冷卻的基礎(chǔ)上，利用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，再使用降溫后的冷卻液對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。當(dāng)電池有冷卻需求時(shí)，風(fēng)扇和水泵會(huì)一直開啟，風(fēng)扇只有一個(gè)檔位，只能控制其開關(guān)。
2.2 電池?zé)峁芾砟繕?biāo)
組成電池組的電池是標(biāo)稱容量為6Ah的鎳氫電池，其單體額定電壓為1.2V，電池組共有240個(gè)單體組成。鎳氫電池的工作溫度為（-20～50）℃，若電池最高溫度長(zhǎng)期50℃以上，電池的工作性能以及壽命將會(huì)受到很大的影響，為了使電池的工作性能與壽命最大化，電池的工作溫度應(yīng)保持（25～40）℃之間；而電池組內(nèi)部電芯單體之間的溫差長(zhǎng)時(shí)間大5℃會(huì)導(dǎo)致電芯內(nèi)阻、容量差異擴(kuò)大，最終引發(fā)各電芯電量的不一致性[8-9]。因此電池組熱管理策略目標(biāo)設(shè)定為：①保證電池組最高溫度小于50℃，使電池組溫度保持在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)；②保證電池組各電芯單體之間的溫差小于5℃。
2.3 影響電池組溫度因素的分析
對(duì)于電池?zé)峁芾淼哪繕?biāo)①，由于電池發(fā)熱特性與電池本身的物理特性以及電池充放電電流的大小有關(guān)[10-11]，為了保證混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能，只有在極端情況下會(huì)對(duì)電流采取限制行為，因此若要保證電池的最高溫度在合理的范圍內(nèi)，需要有充足的散熱量。當(dāng)冷卻液流經(jīng)電池組時(shí)，冷卻液與電池間會(huì)發(fā)生對(duì)流傳熱[12]：
式中：Q—電池傳遞給冷卻液的熱量；h—液冷板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；tf—液冷板的表面溫度；tw—入水口冷卻液的溫度；A—冷卻液與液冷板的接觸面積。
由式（1）可得，通過降低冷卻液溫度能增加電池傳遞給冷卻液的熱量Q。
電池傳遞給冷卻液的熱量中一部分會(huì)使冷卻液的溫度上升：
式中：ΔT—冷卻液升高的溫度；Qw—冷卻液升溫所吸收的熱量；Cp—冷卻液的比熱容；M—流經(jīng)液冷板冷卻液的質(zhì)量。
為了保證電池組溫度的均勻性，在設(shè)計(jì)電池組結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)保證ΔT的在2℃以內(nèi)，因此可以通過增大冷卻液質(zhì)量即增加冷卻液的流量來(lái)增加Qw。
對(duì)于電池?zé)峁芾淼闹笜?biāo)②，考慮到液體冷卻在均熱能力上較為突出[13]，而且由于目前電池制造工藝與技術(shù)的完善，可以認(rèn)為電池單體的發(fā)熱是均勻的，為了控制溫差在合理的范圍內(nèi)，只要保證電池單體與冷卻介質(zhì)的換熱量均勻即可，即可以通過冷卻液流量的控制來(lái)達(dá)到均熱的效果。
3 電池組熱管理策略
3.1 基于PID算法的溫度控制算法設(shè)計(jì)
由分析結(jié)果可得，電池組均熱可以通過控制冷卻液的流量就可以達(dá)到，不需要設(shè)置復(fù)雜的控制算法，而電池組最高溫度的控制相對(duì)要復(fù)雜的多，它既與電池組的生熱量有關(guān)也和電池組冷卻系統(tǒng)的散熱量有關(guān)。電池組溫度變化具有非線性和滯后性的特點(diǎn)[14]，較難獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此可使用模糊PID算法對(duì)冷卻液溫度和流量進(jìn)行模糊控制。散熱器冷卻時(shí)無(wú)法控制冷卻液的溫度，而空調(diào)冷卻時(shí)即能控制冷卻液的溫度也能控制冷卻液的流量。根據(jù)電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)目標(biāo)，將模糊控制器最優(yōu)目標(biāo)溫度設(shè)置為40℃。
電池組溫度控制系統(tǒng)原理，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用了模糊PID控制。模糊控制的輸入變量為：電池組最高溫度Tmax與目標(biāo)溫度的差值e℃；電池組最高溫度Tmax與目標(biāo)溫度的差值的變化速率ec℃/min。輸出變量為：冷卻液流量Flow L/min，冷卻液溫度T℃。控制實(shí)現(xiàn)過程如下：模糊控制器根據(jù)電池最高溫度與最優(yōu)目標(biāo)溫度的差值及差值變化速率控制水泵與電動(dòng)壓縮機(jī)，以此來(lái)控制冷卻液流量和溫度，達(dá)到冷卻電池組的目的。
圖2 電池組溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of Battery Temperature Control System
電池組最高溫度Tmax與目標(biāo)溫度的差值e論域?yàn)椋?，4］，對(duì)應(yīng)的模糊子集分別為｛ZERO，E1，E2，E3，E4｝。差值變化速率 ec論域?yàn)椋?1，1］，變化速率取值為每1min的變化量，其最大最小值由經(jīng)驗(yàn)值確定，模糊子集為｛NB，NS，ZERO，PS，PB｝。輸出變量冷卻液流量的論域［5，15］，最大最小值由水泵能力確定得到，5個(gè)模糊子集分別為 ｛F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5｝。輸出變量冷卻液溫度的論域［20，30］，其最大最小值由電動(dòng)壓縮機(jī)能力確定，模糊子集為｛T1，T2，T3，T4，T5｝。
隸屬函數(shù)取三角函數(shù)隸屬函數(shù)。模糊推理采用If-Then規(guī)則，基本控制規(guī)律為：
（1）如果電池溫度較高，且溫度上升較快時(shí)，水泵應(yīng)以較高占空比運(yùn)轉(zhuǎn)，提供較大的冷卻液流量，壓縮機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，降低冷卻液溫度。
（2）如果溫度在合理工作范圍內(nèi)，且電池溫度不在上升時(shí)，應(yīng)關(guān)閉空調(diào)壓縮機(jī)，減少能量的消耗。
3.2 控制策略的制定
從節(jié)能角度考慮，當(dāng)電池溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)時(shí)不會(huì)開啟電池組的冷卻系統(tǒng)，當(dāng)電池組需要冷卻時(shí)首先采用散熱器冷卻，當(dāng)散熱器冷卻不能滿足冷卻需求時(shí)，再采用空調(diào)冷卻。因?yàn)殡姵亟M的溫度變化具有滯后性，所以冷卻系統(tǒng)應(yīng)在電池組最高溫度達(dá)到目標(biāo)溫度前開啟。根據(jù)分析，提出以下策略：
（1）當(dāng)Tmax≥38℃時(shí)開啟冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行散熱器冷卻，風(fēng)扇與水泵開啟，通過算法對(duì)冷卻液流量進(jìn)行控制；當(dāng)Tmax≤36℃時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，風(fēng)扇與水泵關(guān)閉；
（2）當(dāng) Tmax≥40℃持續(xù) 5min 或 Tmax≥42℃持續(xù) 3min 或Tmax≥44℃持續(xù)1min時(shí)，開啟空調(diào)進(jìn)行空調(diào)冷卻，空調(diào)冷卻時(shí)使用算法對(duì)冷卻液溫度和冷卻液流量進(jìn)行控制；
（3）當(dāng)電池組的溫差大于5℃開始均熱，當(dāng)電池組的溫差小于3℃停止均熱，溫差越大，均熱時(shí)冷卻液的流量越大；
（4）當(dāng)電池組冷卻需求的冷卻液流量和電池組均熱需求的冷卻液流量不一致時(shí)，取較大的冷卻液流量；
（5）當(dāng)Tmax≥50℃持續(xù)1min或電池組溫差大于5℃持續(xù)1min，電池管理系統(tǒng)停止電池組的充放電工作，開啟報(bào)警通知工作人員。
上述策略中Tmax為電池組的最高溫度；策略中的溫度閥值由電池溫度特性及經(jīng)驗(yàn)值暫定，后期會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再標(biāo)定。
電池組熱管理策略使用Matlab/Simulink建模模型，如圖3所示。完成模型搭建后可以通過Simulink中的工具將模型轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言代碼并刷寫到電池管理控制器中，便可以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
圖3 熱管理策略建模Fig.3 Model of Thermal Management Strategy
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)
策略設(shè)計(jì)完成后首先對(duì)電池組進(jìn)行了臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)，熱平衡實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證電池組冷卻系統(tǒng)在高溫或接近高溫限的情況下能否滿足冷卻需求。臺(tái)架試驗(yàn)原理，如圖4所示。臺(tái)架試驗(yàn)主要有恒溫室、電池組、水冷箱、充放電機(jī)和電腦組成。電腦、充放電機(jī)和電池組之間通過CAN線連接，用于數(shù)據(jù)的傳輸；充放電機(jī)與電池組之間的高壓線束用于電池組的充放電。電池組與水冷箱通過管道連接。在臺(tái)架試驗(yàn)中利用充放電機(jī)對(duì)電池進(jìn)行充放電，模擬電池工作狀況，利用恒溫箱模擬電池環(huán)境溫度，水冷箱能夠提供設(shè)定好溫度與流量的冷卻液。
圖4 臺(tái)架試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic of Bench Experiment
臺(tái)架試驗(yàn)包括兩個(gè)階段：電池組狀態(tài)初始化與熱平衡試驗(yàn)階段。在電池組狀態(tài)初始化階段將恒溫室的溫度設(shè)定為42℃，將電池組靜置其中。電池組有六個(gè)溫度采樣點(diǎn)，當(dāng)電池組采樣點(diǎn)溫度都大于等于42℃，將恒溫室的溫度設(shè)定為50℃并對(duì)電池組進(jìn)行充放電，此時(shí)通過多功能水箱給電池組提供溫度為20℃、流量為15L/min的冷卻液。臺(tái)架試驗(yàn)中電池組的充放電流，如圖5所示。試驗(yàn)過程中電流有效值為18.34A。臺(tái)架試驗(yàn)中電池組溫度與溫差，如圖6所示。在電池組狀態(tài)初始化階段，由于電池的電流為0A電池沒有產(chǎn)熱，電池的溫度緩的增加至環(huán)境溫度42℃；電池組進(jìn)行充放電后，電池組的溫度迅速上升，待通入冷卻液后，電池組的溫度開始下降且電池組的最高溫度穩(wěn)定在38.9℃。在保溫階段電池組的溫差最大值為2.7℃，在熱平衡試驗(yàn)階段，電池組的溫差最大值為1.3℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，電池組冷卻系統(tǒng)能夠使電池組在高溫環(huán)境溫度、大電流使用下保持其溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)，同時(shí)電池組各電芯單體間溫差也能控制在5℃以內(nèi)。
圖5 臺(tái)架試驗(yàn)中電池組電流圖Fig.5 Current of Battery Package in Bench Experiment
圖6 臺(tái)架試驗(yàn)中電池組溫度與溫差圖Fig.6 Temperature and Difference in Temperature of Battery Package in Bench Experiment
4.2 整車試驗(yàn)
在完成臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)后，電池組搭載整車進(jìn)行了整車試驗(yàn)，試驗(yàn)搭載的整車型為東風(fēng)風(fēng)光530。整車試驗(yàn)于2017年8月在夏季高溫試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。因周期較長(zhǎng)選取2017年8月26日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)項(xiàng)目為高溫路試試驗(yàn)，當(dāng)日環(huán)境溫度為（33～39）℃，運(yùn)行時(shí)間約為2.5h，運(yùn)行里程約為80km。
整車在運(yùn)行時(shí)，電池組充放電電流，如圖7所示。電池組的最大充電電流為79.6A，充電倍率為13.3C；最大放電電流為127.8A，放電倍率為21.3C；試驗(yàn)過程中電池組充電電流與放電電流的總平均值為17.6A，倍率為2.9C。電池組溫度與溫差，如圖8所示。試驗(yàn)開始時(shí)電池組最高溫度為32.96℃，隨著電池的充放電，電池組溫度迅速增加，在電池組最高溫度達(dá)到38℃時(shí)，散熱器冷卻方式的開啟，溫度仍在增長(zhǎng)但趨勢(shì)變緩，隨著溫度繼續(xù)增加至42.23℃空調(diào)冷卻開啟，溫度迅速下降，并在40℃附近來(lái)回波動(dòng)。試驗(yàn)開始時(shí)電池組的溫差為1.48℃，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電池組的溫差為3.99℃，全程電池組的溫差最大達(dá)到3.99℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，設(shè)計(jì)的熱管理策略能夠保證電池組的最高溫度控制在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)，電池組的溫差控制在5℃以內(nèi)。
圖7 整車試驗(yàn)中電池組電流圖Fig.7 Current of Battery Package in Vehicle Experiment
圖8 整車試驗(yàn)中電池組溫度與溫差圖Fig.8 Temperature and Difference in Temperature of Battery Package in Vehicle Experiment
5 結(jié)論
熱管理策略是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)電池的溫度特性確定了電池組熱管理目標(biāo)，提出一種基于模糊PID算法的溫度控制算法，結(jié)合算法以及電池組熱管理目標(biāo)設(shè)計(jì)了電池組熱管理策略，通過臺(tái)架試驗(yàn)以及整車試驗(yàn)進(jìn)行策略驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的熱管理策略能夠保證電池組在高溫環(huán)境下，大電流使用時(shí)，其最高溫度能被控制在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)，電池組的溫差控制在5℃以內(nèi)。
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1 引言
從節(jié)能與降低污染物排放的效果來(lái)講，新能源汽車要優(yōu)于傳統(tǒng)汽車，目前，由于電池技術(shù)的發(fā)展不完善，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程滿足不了用戶的需求，發(fā)展受到很大的限制，而燃料電池汽車市場(chǎng)化進(jìn)程緩慢，現(xiàn)階段的燃料電池汽車性能低、成本高、壽命短[1]；因此，現(xiàn)階段各國(guó)家把發(fā)展混合動(dòng)力汽車作為汽車發(fā)展的過渡期。作為混合動(dòng)力汽車常用電池之一，鎳氫電池具有高質(zhì)量比功率、循環(huán)次數(shù)多、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力汽車的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，在汽車行駛過程中，需要對(duì)電池頻繁地進(jìn)行大倍率充放電，會(huì)使電池組的溫度急劇上升。電池的溫度是影響電池性能的最主要因素之一，電池的溫度與電池組熱管理系統(tǒng)息息相關(guān)，因此對(duì)電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究對(duì)新能源汽車的發(fā)展具有重要的工程意義。
目前國(guó)內(nèi)外電池?zé)峁芾硌芯慷酁殡姵責(zé)崮Ｐ偷慕！㈦姵亟M冷卻方式的選擇、散熱器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[2-4]，而溫度控制算法的研究和電池?zé)峁芾聿呗缘难芯枯^少。其中，文獻(xiàn)[5]提出了一種多溫區(qū)熱管理策略，不同的溫度區(qū)間采用不同的冷卻或加熱方式，保證電池組的溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)且溫度一致性和均勻性良好；文獻(xiàn)[6]提出低溫充電加熱控制策略，通過控制充電器的輸出功率實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包邊充電變加熱，這種策略提高了低溫下電池組的安全性和壽命；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種可對(duì)電池組內(nèi)部電芯進(jìn)行選擇性冷卻或加熱的熱管理策略并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果顯示，采用該種策略電池組的性能較采用其他普通熱管理策略的電池組提升了58.4%。提出一種PID控制算法用于熱管理系統(tǒng)中的空調(diào)與水泵的控制，確保電池組的最高溫度以及溫差都在合理的范圍內(nèi)，最后并對(duì)設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
2 電池組熱管理分析
2.1 電池組冷卻系統(tǒng)
由于電池在低溫下的性能良好，能夠滿足整車的需求，所以電池組熱管理只有冷卻功能與均熱功能，無(wú)加熱功能。電池組的冷卻方式采用液體冷卻，冷卻液為50%聚乙二醇+50%水的混合溶劑。電池組冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要包括兩條回路：電池組冷卻系統(tǒng)回路與空調(diào)冷卻系統(tǒng)回路。
圖1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Cooling System
基于電池組冷卻系統(tǒng)回路，把電池組的冷卻方式定義為兩種：散熱器冷卻與空調(diào)冷卻。散熱器冷卻是利用風(fēng)扇使冷卻液在散熱器處與空氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，再由散熱后的冷卻液對(duì)電池組進(jìn)行冷卻；空調(diào)冷卻是在散熱器冷卻的基礎(chǔ)上，利用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，再使用降溫后的冷卻液對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。當(dāng)電池有冷卻需求時(shí)，風(fēng)扇和水泵會(huì)一直開啟，風(fēng)扇只有一個(gè)檔位，只能控制其開關(guān)。
2.2 電池?zé)峁芾砟繕?biāo)
組成電池組的電池是標(biāo)稱容量為6Ah的鎳氫電池，其單體額定電壓為1.2V，電池組共有240個(gè)單體組成。鎳氫電池的工作溫度為（-20～50）℃，若電池最高溫度長(zhǎng)期50℃以上，電池的工作性能以及壽命將會(huì)受到很大的影響，為了使電池的工作性能與壽命最大化，電池的工作溫度應(yīng)保持（25～40）℃之間；而電池組內(nèi)部電芯單體之間的溫差長(zhǎng)時(shí)間大5℃會(huì)導(dǎo)致電芯內(nèi)阻、容量差異擴(kuò)大，最終引發(fā)各電芯電量的不一致性[8-9]。因此電池組熱管理策略目標(biāo)設(shè)定為：①保證電池組最高溫度小于50℃，使電池組溫度保持在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)；②保證電池組各電芯單體之間的溫差小于5℃。
2.3 影響電池組溫度因素的分析
對(duì)于電池?zé)峁芾淼哪繕?biāo)①，由于電池發(fā)熱特性與電池本身的物理特性以及電池充放電電流的大小有關(guān)[10-11]，為了保證混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能，只有在極端情況下會(huì)對(duì)電流采取限制行為，因此若要保證電池的最高溫度在合理的范圍內(nèi)，需要有充足的散熱量。當(dāng)冷卻液流經(jīng)電池組時(shí)，冷卻液與電池間會(huì)發(fā)生對(duì)流傳熱[12]：
式中：Q—電池傳遞給冷卻液的熱量；h—液冷板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；tf—液冷板的表面溫度；tw—入水口冷卻液的溫度；A—冷卻液與液冷板的接觸面積。
由式（1）可得，通過降低冷卻液溫度能增加電池傳遞給冷卻液的熱量Q。
電池傳遞給冷卻液的熱量中一部分會(huì)使冷卻液的溫度上升：
式中：ΔT—冷卻液升高的溫度；Qw—冷卻液升溫所吸收的熱量；Cp—冷卻液的比熱容；M—流經(jīng)液冷板冷卻液的質(zhì)量。
為了保證電池組溫度的均勻性，在設(shè)計(jì)電池組結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)保證ΔT的在2℃以內(nèi)，因此可以通過增大冷卻液質(zhì)量即增加冷卻液的流量來(lái)增加Qw。
對(duì)于電池?zé)峁芾淼闹笜?biāo)②，考慮到液體冷卻在均熱能力上較為突出[13]，而且由于目前電池制造工藝與技術(shù)的完善，可以認(rèn)為電池單體的發(fā)熱是均勻的，為了控制溫差在合理的范圍內(nèi)，只要保證電池單體與冷卻介質(zhì)的換熱量均勻即可，即可以通過冷卻液流量的控制來(lái)達(dá)到均熱的效果。
3 電池組熱管理策略
3.1 基于PID算法的溫度控制算法設(shè)計(jì)
由分析結(jié)果可得，電池組均熱可以通過控制冷卻液的流量就可以達(dá)到，不需要設(shè)置復(fù)雜的控制算法，而電池組最高溫度的控制相對(duì)要復(fù)雜的多，它既與電池組的生熱量有關(guān)也和電池組冷卻系統(tǒng)的散熱量有關(guān)。電池組溫度變化具有非線性和滯后性的特點(diǎn)[14]，較難獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此可使用模糊PID算法對(duì)冷卻液溫度和流量進(jìn)行模糊控制。散熱器冷卻時(shí)無(wú)法控制冷卻液的溫度，而空調(diào)冷卻時(shí)即能控制冷卻液的溫度也能控制冷卻液的流量。根據(jù)電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)目標(biāo)，將模糊控制器最優(yōu)目標(biāo)溫度設(shè)置為40℃。
電池組溫度控制系統(tǒng)原理，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采用了模糊PID控制。模糊控制的輸入變量為：電池組最高溫度Tmax與目標(biāo)溫度的差值e℃；電池組最高溫度Tmax與目標(biāo)溫度的差值的變化速率ec℃/min。輸出變量為：冷卻液流量Flow L/min，冷卻液溫度T℃。控制實(shí)現(xiàn)過程如下：模糊控制器根據(jù)電池最高溫度與最優(yōu)目標(biāo)溫度的差值及差值變化速率控制水泵與電動(dòng)壓縮機(jī)，以此來(lái)控制冷卻液流量和溫度，達(dá)到冷卻電池組的目的。
圖2 電池組溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of Battery Temperature Control System
電池組最高溫度Tmax與目標(biāo)溫度的差值e論域?yàn)椋?，4］，對(duì)應(yīng)的模糊子集分別為｛ZERO，E1，E2，E3，E4｝。差值變化速率 ec論域?yàn)椋?1，1］，變化速率取值為每1min的變化量，其最大最小值由經(jīng)驗(yàn)值確定，模糊子集為｛NB，NS，ZERO，PS，PB｝。輸出變量冷卻液流量的論域［5，15］，最大最小值由水泵能力確定得到，5個(gè)模糊子集分別為 ｛F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5｝。輸出變量冷卻液溫度的論域［20，30］，其最大最小值由電動(dòng)壓縮機(jī)能力確定，模糊子集為｛T1，T2，T3，T4，T5｝。
隸屬函數(shù)取三角函數(shù)隸屬函數(shù)。模糊推理采用If-Then規(guī)則，基本控制規(guī)律為：
（1）如果電池溫度較高，且溫度上升較快時(shí)，水泵應(yīng)以較高占空比運(yùn)轉(zhuǎn)，提供較大的冷卻液流量，壓縮機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，降低冷卻液溫度。
（2）如果溫度在合理工作范圍內(nèi)，且電池溫度不在上升時(shí)，應(yīng)關(guān)閉空調(diào)壓縮機(jī)，減少能量的消耗。
3.2 控制策略的制定
從節(jié)能角度考慮，當(dāng)電池溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)時(shí)不會(huì)開啟電池組的冷卻系統(tǒng)，當(dāng)電池組需要冷卻時(shí)首先采用散熱器冷卻，當(dāng)散熱器冷卻不能滿足冷卻需求時(shí)，再采用空調(diào)冷卻。因?yàn)殡姵亟M的溫度變化具有滯后性，所以冷卻系統(tǒng)應(yīng)在電池組最高溫度達(dá)到目標(biāo)溫度前開啟。根據(jù)分析，提出以下策略：
（1）當(dāng)Tmax≥38℃時(shí)開啟冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行散熱器冷卻，風(fēng)扇與水泵開啟，通過算法對(duì)冷卻液流量進(jìn)行控制；當(dāng)Tmax≤36℃時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，風(fēng)扇與水泵關(guān)閉；
（2）當(dāng) Tmax≥40℃持續(xù) 5min 或 Tmax≥42℃持續(xù) 3min 或Tmax≥44℃持續(xù)1min時(shí)，開啟空調(diào)進(jìn)行空調(diào)冷卻，空調(diào)冷卻時(shí)使用算法對(duì)冷卻液溫度和冷卻液流量進(jìn)行控制；
（3）當(dāng)電池組的溫差大于5℃開始均熱，當(dāng)電池組的溫差小于3℃停止均熱，溫差越大，均熱時(shí)冷卻液的流量越大；
（4）當(dāng)電池組冷卻需求的冷卻液流量和電池組均熱需求的冷卻液流量不一致時(shí)，取較大的冷卻液流量；
（5）當(dāng)Tmax≥50℃持續(xù)1min或電池組溫差大于5℃持續(xù)1min，電池管理系統(tǒng)停止電池組的充放電工作，開啟報(bào)警通知工作人員。
上述策略中Tmax為電池組的最高溫度；策略中的溫度閥值由電池溫度特性及經(jīng)驗(yàn)值暫定，后期會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再標(biāo)定。
電池組熱管理策略使用Matlab/Simulink建模模型，如圖3所示。完成模型搭建后可以通過Simulink中的工具將模型轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言代碼并刷寫到電池管理控制器中，便可以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
圖3 熱管理策略建模Fig.3 Model of Thermal Management Strategy
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
4.1 臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)
策略設(shè)計(jì)完成后首先對(duì)電池組進(jìn)行了臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)，熱平衡實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證電池組冷卻系統(tǒng)在高溫或接近高溫限的情況下能否滿足冷卻需求。臺(tái)架試驗(yàn)原理，如圖4所示。臺(tái)架試驗(yàn)主要有恒溫室、電池組、水冷箱、充放電機(jī)和電腦組成。電腦、充放電機(jī)和電池組之間通過CAN線連接，用于數(shù)據(jù)的傳輸；充放電機(jī)與電池組之間的高壓線束用于電池組的充放電。電池組與水冷箱通過管道連接。在臺(tái)架試驗(yàn)中利用充放電機(jī)對(duì)電池進(jìn)行充放電，模擬電池工作狀況，利用恒溫箱模擬電池環(huán)境溫度，水冷箱能夠提供設(shè)定好溫度與流量的冷卻液。
圖4 臺(tái)架試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic of Bench Experiment
臺(tái)架試驗(yàn)包括兩個(gè)階段：電池組狀態(tài)初始化與熱平衡試驗(yàn)階段。在電池組狀態(tài)初始化階段將恒溫室的溫度設(shè)定為42℃，將電池組靜置其中。電池組有六個(gè)溫度采樣點(diǎn)，當(dāng)電池組采樣點(diǎn)溫度都大于等于42℃，將恒溫室的溫度設(shè)定為50℃并對(duì)電池組進(jìn)行充放電，此時(shí)通過多功能水箱給電池組提供溫度為20℃、流量為15L/min的冷卻液。臺(tái)架試驗(yàn)中電池組的充放電流，如圖5所示。試驗(yàn)過程中電流有效值為18.34A。臺(tái)架試驗(yàn)中電池組溫度與溫差，如圖6所示。在電池組狀態(tài)初始化階段，由于電池的電流為0A電池沒有產(chǎn)熱，電池的溫度緩的增加至環(huán)境溫度42℃；電池組進(jìn)行充放電后，電池組的溫度迅速上升，待通入冷卻液后，電池組的溫度開始下降且電池組的最高溫度穩(wěn)定在38.9℃。在保溫階段電池組的溫差最大值為2.7℃，在熱平衡試驗(yàn)階段，電池組的溫差最大值為1.3℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，電池組冷卻系統(tǒng)能夠使電池組在高溫環(huán)境溫度、大電流使用下保持其溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)，同時(shí)電池組各電芯單體間溫差也能控制在5℃以內(nèi)。
圖5 臺(tái)架試驗(yàn)中電池組電流圖Fig.5 Current of Battery Package in Bench Experiment
圖6 臺(tái)架試驗(yàn)中電池組溫度與溫差圖Fig.6 Temperature and Difference in Temperature of Battery Package in Bench Experiment
4.2 整車試驗(yàn)
在完成臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)后，電池組搭載整車進(jìn)行了整車試驗(yàn)，試驗(yàn)搭載的整車型為東風(fēng)風(fēng)光530。整車試驗(yàn)于2017年8月在夏季高溫試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。因周期較長(zhǎng)選取2017年8月26日的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)項(xiàng)目為高溫路試試驗(yàn)，當(dāng)日環(huán)境溫度為（33～39）℃，運(yùn)行時(shí)間約為2.5h，運(yùn)行里程約為80km。
整車在運(yùn)行時(shí)，電池組充放電電流，如圖7所示。電池組的最大充電電流為79.6A，充電倍率為13.3C；最大放電電流為127.8A，放電倍率為21.3C；試驗(yàn)過程中電池組充電電流與放電電流的總平均值為17.6A，倍率為2.9C。電池組溫度與溫差，如圖8所示。試驗(yàn)開始時(shí)電池組最高溫度為32.96℃，隨著電池的充放電，電池組溫度迅速增加，在電池組最高溫度達(dá)到38℃時(shí)，散熱器冷卻方式的開啟，溫度仍在增長(zhǎng)但趨勢(shì)變緩，隨著溫度繼續(xù)增加至42.23℃空調(diào)冷卻開啟，溫度迅速下降，并在40℃附近來(lái)回波動(dòng)。試驗(yàn)開始時(shí)電池組的溫差為1.48℃，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電池組的溫差為3.99℃，全程電池組的溫差最大達(dá)到3.99℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，設(shè)計(jì)的熱管理策略能夠保證電池組的最高溫度控制在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)，電池組的溫差控制在5℃以內(nèi)。
圖7 整車試驗(yàn)中電池組電流圖Fig.7 Current of Battery Package in Vehicle Experiment
圖8 整車試驗(yàn)中電池組溫度與溫差圖Fig.8 Temperature and Difference in Temperature of Battery Package in Vehicle Experiment
5 結(jié)論
熱管理策略是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)電池的溫度特性確定了電池組熱管理目標(biāo)，提出一種基于模糊PID算法的溫度控制算法，結(jié)合算法以及電池組熱管理目標(biāo)設(shè)計(jì)了電池組熱管理策略，通過臺(tái)架試驗(yàn)以及整車試驗(yàn)進(jìn)行策略驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的熱管理策略能夠保證電池組在高溫環(huán)境下，大電流使用時(shí)，其最高溫度能被控制在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)，電池組的溫差控制在5℃以內(nèi)。
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