汽車空調(diào)制冷劑直冷動力電池熱管理系統(tǒng)的PID控制研究*

林必超，岑繼文，蔣方明

汽車空調(diào)制冷劑直冷動力電池熱管理系統(tǒng)的PID控制研究*

林必超1,2,3,4，岑繼文1,2,3?，蔣方明1,2,3?

（1. 中國科學院廣州能源研究所，先進能源系統(tǒng)研究室，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640； 3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640；4. 中國科學院大學，北京 100049）

電池熱管理對電動汽車的安全和壽命至關重要。本文采用鋁翅片銅管作為基礎結構，設計一種結構緊湊、輕量型的18650型鋰離子電池模組，采用基于PID原理的算法作為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)電子膨脹閥的控制方案，實驗研究R134a制冷劑直接氣液兩相流冷卻電池模組的換熱性能。結果表明：所提出的電池熱管理系統(tǒng)能夠快速響應溫度的變化，并降低電池模組的溫度。此外，當控制方案為動態(tài)溫度PID算法時，電池模組以1 C倍率放電過程中電池之間的最大溫差小于4℃，并且電池模組的最高溫度低于36℃。

電動汽車；空調(diào)系統(tǒng)；鋰離子電池；翅片管；電池熱管理；溫度控制；氣液兩相流

0 引 言

電動汽車由于環(huán)保和能耗經(jīng)濟性高等原因而成為新能源汽車發(fā)展的首選。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長和自放電率低等優(yōu)點，被認為是電動汽車動力電池系統(tǒng)的最佳選擇[1]。動力電池系統(tǒng)的溫度隨著充/放電過程而逐漸升高，而過高的溫度會影響電池系統(tǒng)的性能，甚至可能因電池的熱失控導致電動汽車發(fā)生自燃事故[2-3]。PESARAN等[2]推薦鋰離子電池最佳工作溫度范圍為20 ~ 40℃；而PARK等[4]建議將鋰離子電池之間的溫差控制在5℃以內(nèi)。電池熱管理系統(tǒng)（battery thermal management system, BTMS）有助于提高電動汽車動力系統(tǒng)的性能（本文的性能是指電池的工作溫度范圍和電池組之間的溫度差）、壽命和熱安全性[5]。

控制電池系統(tǒng)溫度的策略有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（phase change material, PCM）冷卻和熱管冷卻[6-7]。無功耗PCM熱管理主要通過PCM的固液相變潛熱吸收電池產(chǎn)生的熱量，降低電池包的溫度和溫度差；在低溫條件下，又可以利用PCM儲存的熱量來加熱電池，改善電池的充放電性能。由于PCM的導熱系數(shù)和比熱容較小，使其不能滿足電池系統(tǒng)在惡劣工況（高溫環(huán)境、高倍率充/放電）的冷卻要求。PCM中摻雜石墨或泡沫金屬等可以提高PCM的導熱性，但會降低電池系統(tǒng)的能量密度[7]?；跓峁艿碾姵責峁芾硐到y(tǒng)充分利用熱管的導熱與相變介質(zhì)的快速傳熱特性來實現(xiàn)高效換熱，而其雙向傳熱特性可滿足電池系統(tǒng)的冷卻和加熱需求，但熱管成本較高且性能受重力影響[8]?？諝獾臒崛莺蛯嵯禂?shù)低，限制了其在高性能電池系統(tǒng)中的應用[9]。

液體的熱容和導熱系數(shù)相對較大，具有比空氣更好的熱管理性能。ZHAO等[10-11]模擬多通道蛇形板液體冷卻71節(jié)三元18650電池模組的結果表明，電池模組以5 C（C：電流/額定容量）放電時溫差小于2.2℃。CAO等[12]對由180節(jié)電池組成的電池模組以0.5 C/1 C進行充放電實驗，流體流量為18 L/min時，電池組具有較好的熱性能。JIN等[13]設計的斜翅片結構液冷板有益于電動汽車電池的熱管理。

主動相變是一種高效的熱管理方案。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接用于電池包的熱管理有益于整車熱管理系統(tǒng)的集成[14]，且制冷劑比PCM的熱管理性能好[15]。此外，直冷（制冷劑與電池直接換熱）在20 ~ 40℃環(huán)境溫度下具有良好的冷卻性能[16]。歐陽東[17]根據(jù)E6電動汽車在不同工況下車艙和電池包的熱特性測試結果，設計電動汽車熱泵空調(diào)與電池包交互熱管理系統(tǒng)。ATAUR等[18]研發(fā)的模糊控制蒸發(fā)式BTMS將電池的溫度控制在25 ~ 40℃，但并未研究電池的溫度不均勻性。CEN等[19]研究電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直冷一種8P8S（8節(jié)電池先并聯(lián)成一個電池組，8組電池再串聯(lián)）的鋁框翅片管結構18650型鋰離子電池熱管理系統(tǒng)，電池包置于40℃的環(huán)境溫度中，且其放電初始溫度為28℃左右。實驗結果表明，電池包的溫度被控制在35℃以內(nèi)，溫差小于4℃。

電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)要求結構緊湊、系統(tǒng)能量密度高、安全可靠、效率高和成本低。為了滿足電動汽車電池熱管理系統(tǒng)的要求，還需要深入研究電池系統(tǒng)的結構和冷卻策略。采用模組級設計思想可以根據(jù)不同車型及動力要求靈活組裝緊湊型電池包，本文設計了一種結構緊湊、輕量化的鋁翅片銅管結構換熱器模塊，并與電池裝配成10P24S的電池模組。同時還開發(fā)基于比例、積分、微分（proportional integral differential, PID）原理的算法自動控制電動汽車空調(diào)系統(tǒng)電子膨脹閥的開關狀態(tài)，實驗研究電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直接對電池模組在充電/放電過程中溫度的自動控制能力。

1 實驗部分

1.1 電池模組結構設計

CAI等[20]研究證明蛇形管道結構比空腔和并聯(lián)通道的性能更好，而電池模組制冷劑進出口在同側的溫差比異側的低60%[19]。高明等[21]采用純銅翅片式電池熱管理系統(tǒng)可有效控制電池組的溫升和溫度梯度。本實驗設計基于商業(yè)18650型三元鋰離子電池（如表1）的管片式換熱器，管道采用蛇形逆流進出口同側布置。電池模組制作流程如下：①采用脹管工藝將翅片和銅管加工成翅片管模塊；②用設計的18650型電池模具將翅片管擠壓成模具形狀；③將電池外形結構翅片管模塊組裝成電池模組熱交換器，并把銅管焊接成蛇形結構；④將電池組和熱交換器裝配成10P24S的實驗電池熱管理模組（如圖1）。在電池和18650型翅片接觸表面之間涂導熱膏，降低兩者間的接觸熱阻，增強電池與制冷劑之間換熱。而通過在電池模組外包裹一層保溫棉來降低電池模組與環(huán)境的換熱對電池模組熱特性的影響。

表1 電池單體和電池模組參數(shù)

圖1 電池模組制作流程

電動汽車輕量化設計有助于降低車輪滾動阻力和減少加速所需的電量，提升電動汽車的續(xù)航里程。實驗通過采用輕量化的翅片管（銅管鋁片材料）設計緊湊型電池換熱器，提高電池包的體積利用率，并降低電池換熱器重量。而電池包與車艙并聯(lián)作為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制對象，利用空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑流入換熱器與電池直接換熱。因此，采用本文設計的電池熱管理方案是通過減輕電池熱管理系統(tǒng)的重量來提高電池系統(tǒng)能量密度，并有效降低整車熱管理系統(tǒng)的復雜性。在新歐洲駕駛測試循環(huán)工況下，R134a和R1234yf制冷劑都能將電池的溫度控制40℃以內(nèi)，但R134a的能耗是R1234yf的40%[22]。因此，本實驗系統(tǒng)采用R134a制冷劑。

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由電動汽車空調(diào)系統(tǒng)、電池測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成（如圖2）。電池測試系統(tǒng)控制電池模組的充/放電過程，空調(diào)系統(tǒng)由車內(nèi)熱管理模塊和電池系統(tǒng)熱管理模塊并聯(lián)設置。使用電子膨脹閥（electronic expansion valve, EEV）的空調(diào)系統(tǒng)效率高且制冷劑流量分配更均勻[23]。因此，實驗用電子膨脹閥1和2（記為EEV1、EEV2）分別控制流入兩個熱交換器的制冷劑流量。汽車空調(diào)系統(tǒng)采用Modbus通訊協(xié)議自動控制EEV開度，0步表示EEV全關，500步表示EEV全開。

圖2 實驗試驗臺示意圖

1.3 電池模組充/放電設置

電池模組采用恒流恒壓模式充電，采用恒流模式放電。電池模組以10 A電流恒流充電至100.8 V時轉恒壓充電，至充電電流降至0.2 A時停止充電；以10 A恒流放電到電壓為66 V。分析實驗數(shù)據(jù)可知，電池模組的充電截止電壓為102.425 V，充電容量為22.981 A?h；放電截止電壓為79.446 V，放電容量為22.529 A?h。為防止電池出現(xiàn)過充過放損壞電池模組，實驗設定電池模組充電截止電壓為100.8 V，放電截止電壓為80 V。

圖3為電池模組以0.5 C恒流恒壓充電及0.5 C、1.0 C和1.5 C恒流模式放電的容量狀況。隨著放電倍率的增加，電池模組可放電容量明顯降低。電池模組用0.5 C充電時，可儲存容量為22.981 A?h，以0.5 C放電時，可放電容量是22.529 A?h；電池模組用1 C放電時，可放電容量降為79.49%，而放電倍率為1.5 C時，其可放電容量僅為0.5 C放電容量時的59%左右。動力電池系統(tǒng)高倍率連續(xù)放電會降低電池可充/放電容量和循環(huán)壽命，甚至因熱失控觸發(fā)安全事故?；陔姵叵到y(tǒng)的安全和性能考慮，推薦18650鋰離子電池正常最大連續(xù)放電倍率為1 C[24-25]。因此，本實驗主要研究基于PID原理設計的算法控制EEV開關狀態(tài)，電池模組以0.5 C充/放電和1 C放電過程中恒定制冷劑流量直接兩相流冷卻電池模組的熱管理性能。暫不考慮電池模組高倍率放電熱管理特性和空調(diào)系統(tǒng)能耗及熱泵功能。

圖3 電池模組倍率?容量關系圖

2 實驗結果與討論

2.1 溫度測點布置

電動汽車動力電池系統(tǒng)充/放電過程中，電池熱負荷的變化會加劇電池組之間熱梯度的演變。而鋰離子電池溫度測量的時效性是發(fā)揮電動汽車電池熱管理職能的基本要求。LEE等[26]將平面自制微熱電偶安裝在鋰離子電池模塊中用以監(jiān)測電池內(nèi)部的溫度，實驗結果表明，采用內(nèi)部測溫比表面溫度快45 ~ 90 s。LIN等[27]基于在線參數(shù)化方法和通過測量表面溫度設計一種自適應溫度觀測器，并實驗驗證該辨識算法和自適應觀測器的有效性。但由于技術成熟度原因，本實驗采用動態(tài)響應快的K型熱電偶監(jiān)測電池表面溫度。

空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直接與電池模組換熱過程中，制冷劑在蛇形管中氣?液兩相流流動與傳熱極其復雜，導致電池模組發(fā)生最大溫差的位置具有不確定性，這給電池模組溫度狀態(tài)的監(jiān)測帶來挑戰(zhàn)。本實驗利用每組電池預置的熱電偶來研究電池模組溫度測點布局，通過實驗優(yōu)化后選擇如圖4所示的6個溫度測點表征電池模組熱管理性能。

圖4 溫度測點布置圖

2.2 固定參數(shù)PID算法

電池的溫度控制是一個動態(tài)過程，而PID算法具有較好的溫度控制能力[28]。基于此，本實驗采用基于PID原理的算法控制電動汽車空調(diào)系統(tǒng)EEV的開度。EEV的控制策略如下：當測點的溫度達到算法設置的EEV1開啟溫度時，EEV2關閉而EEV1全開；測點的溫度低于算法設置溫度后，EEV2全開而EEV1關閉，控制過程直到電池模組停止工作且溫度達到設計才結束。

電池模組置于約24℃的環(huán)境中，采用固定參數(shù)PID算法控制電池冷卻過程。如圖5，電池模組0.5 C充電的最大溫差為30.329℃，工作溫度為4 ~ 36℃；而以0.5 C放電時的最大溫差為21.195℃，工作溫度為8 ~ 32℃。電池之間的溫差大會加劇電池電性能的不一致性；而電池工作溫度過低又會降低電池可充放電電量，并縮短電池的使用壽命。電池包在低溫條件工作會縮短電動汽車的續(xù)航里程。甚至可能因電池的低溫析鋰觸發(fā)安全事故。因此，需要優(yōu)化EEV的控制算法，使其滿足電動汽車電池熱管理要求。

制冷劑R134a在流動過程中不斷吸收電池熱量后變成氣液兩相流，當R134a的干度較小時，傳熱系數(shù)隨著干度增加而增大；而R134a的干度上升到轉變點后，傳熱系數(shù)隨著干度的增加而減小，R134a變?yōu)闅鈶B(tài)后傳熱系數(shù)會急劇下降。由此可知，R134a與電池模組的強制對流換熱可能導致電池組產(chǎn)生溫度梯度。然而，電池的傳熱特性和溫度測量的滯后性，以及經(jīng)典PID控制算法的慣性延緩EEV的響應，從而加劇電池組溫度的不一致性。

2.3 限定溫差PID算法

通過在算法中增加溫度差限制條件，縮短EEV的延滯時間，降低電池模組的溫度梯度和維持電池的運行溫度在推薦溫度范圍。環(huán)境溫度為24℃左右時，電池模組以0.5 C充電，用限定溫差PID算法控制EEV，電池模組的最大溫差降低到5.324℃，顯著提高控制算法對電池模組的溫差管控能力。圖6展示了電池模組荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）與溫度的關系。

圖6 EEV由限定溫差PID算法控制，電池模組以0.5 C充電時SOC與溫度的關系

2.4 動態(tài)溫度PID算法

限定溫差PID算法對電池模組的熱管理能力有質(zhì)的提升，但電池模組的最大溫差仍不能滿足電動汽車動力電池系統(tǒng)的熱管理設計要求。為提高EEV對電池模組溫度變化的靈敏性，設計了動態(tài)溫度PID算法（圖7），并對三種算法進行比較（如表2）。

圖7 動態(tài)溫度PID算法流程圖

表2 控制算法異同

電池模組置于22℃左右的環(huán)境中，EEV用動態(tài)溫度PID算法控制，并預設EEV1開啟溫度為30℃。電池模組以0.5 C倍率工作時，溫度被控制在24 ~ 32℃，電池組之間的最大溫差小于3℃，圖8a和圖8b顯示了0.5 C下SOC和放電深度（depth of discharge, DOD）與溫度的關系。環(huán)境溫度約為23℃，EEV1預設開啟溫度為28℃，電池模組以1 C放電時，電池模組溫度升高到預設溫度，動態(tài)溫度PID算法輸出控制信號開啟EEV1而關閉EEV 2。實驗結果如圖8c所示，電池模組的溫度被控制在24 ~ 36℃，而最高溫度為35.552℃，最大溫差為3.974℃。

電池模組以恒定倍率工作時，如果不采取冷卻策略，電池溫度會持續(xù)上升。當EEV1開啟后，制冷劑流入電池模組，并將電池工作過程中產(chǎn)生和累積的熱量轉移到制冷劑中，電池的溫度受到突然的抑制而迅速下降。由此可知，電池模組熱管理過程的溫度隨時間呈鋸齒形變化。而從電池模組流出的制冷劑與冷凝器內(nèi)的水強制對流換熱，將電池產(chǎn)生的熱量通過水散失到環(huán)境中，制冷劑的兩相冷卻性能通過往復循環(huán)而保持不變。電池產(chǎn)生的歐姆熱、反應熱和極化熱隨著充/放電倍率的增大而增加，導致電池模組1 C放電比0.5 C的發(fā)熱量多，溫度升高也更快，EEV1開啟次數(shù)也明顯增多。說明隨著電池工作倍率的增大，電池系統(tǒng)對熱管理的要求更嚴苛。

圖8 EEV由動態(tài)溫度PID算法控制時，電池模組在各工況下的溫度演化圖

EEV采用動態(tài)溫度PID算法控制時，隨著電池模組充/放電過程的深入，電池模組的溫差有所惡化，但電池組之間的最大溫差也小于4℃，保持在推薦的5℃范圍內(nèi)，由此可知，動態(tài)溫度PID算法能將電池模組的溫度控制在電池的最佳工作溫度范圍內(nèi)。分析實驗結果可知，主要有四種因素造成電池模組溫度分布不均勻。首先，由于制造工藝導致電池單體之間的不均勻物性引起電池發(fā)熱量差異；其次，實驗設計的電池模組熱交換器是均勻結構，而電池模組中不同位置換熱量不同；再次，管道中制冷劑的氣液兩相流動與傳熱劇烈變化；最后，控制算法及EEV開關延時。制冷劑的相變溫度應該等于相應壓力下的飽和溫度并保持不變，但由于制冷劑吸收電池釋放的熱量導致液態(tài)制冷劑質(zhì)量降低，及制冷劑流動在流動過程中的壓力損失導致飽和壓力下降，所以飽和溫度降低，最終因制冷劑冷卻能力隨汽化潛熱的降低而減少。當制冷劑處于過熱狀態(tài)時，電池模組的溫差會逐漸升高。因此，需要增加制冷劑質(zhì)量流量使熱管理系統(tǒng)具有足夠的兩相冷卻性能，也有助于降低電池模組的溫度梯度。此外，根據(jù)實驗結果優(yōu)化管片式換熱器結構及調(diào)整翅片與電池之間的接觸熱阻也可以提高電池包溫度一致性。因此，電池模組必須采取有效的熱管理策略解決或延緩由溫度梯度導致的不均衡性電性能衰退。

3 結 論

設計了一種結構緊湊、輕量化的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直冷動力電池的熱管理方案，并研究3種基于PID原理的算法控制電動汽車空調(diào)系統(tǒng)EEV的開度，實驗測試不同算法控制制冷劑直接流經(jīng)該結構電池模組的熱管理性能。主要結論如下：

（1）電池模組熱交換器框架采用鋁翅片銅管非均勻設計能改善電池包的散熱條件，提高電池系統(tǒng)的溫度均勻性和能量密度。

（2）電池模組以0.5 C工作時，固定參數(shù)PID算法和限定溫差PID算法都不能將電池模組的最大溫差控制在5℃以內(nèi)，但限定溫差PID算法將電池模組的最大溫差降低75%左右。

（3）EEV用動態(tài)溫度PID算法控制其開度，電池模組置于23℃左右的環(huán)境中，并以0.5 C工作時，電池模組的最大溫差小于3℃；而電池模組以1 C放電時，其最大溫差被控制在4℃以內(nèi)，最高溫度也低于36℃。因此，基于動態(tài)溫度PID算法的制冷劑直冷方案能將電池模組的熱管理性能控制在推薦要求范圍內(nèi)。

本文提出的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)直冷電池包自動控制方法為電池包的熱管理提供了一種有效的解決方案。研究并解決EEV的精確控制策略、電池包在快速充電模式的有效溫度調(diào)控以及電池包和乘員艙制冷劑流量分配問題對推動電動汽車空調(diào)系統(tǒng)直冷電池包方案的商業(yè)應用具有重要意義。而研究電動壓縮機的變頻控制方案不但可以根據(jù)熱負荷變化調(diào)節(jié)壓縮機的工作頻率，而且還可以和EEV實施聯(lián)合控制，最終實現(xiàn)降低電動壓縮機寄生功耗和提高系統(tǒng)控制性能的目的。

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A Study on PID Control for Thermal Management System of Battery Cooling by Automotive Air Conditioning Refrigerant Directly

LIN Bi-chao1,2,3,4, CEN Ji-wen1,2,3, JIANG Fang-ming1,2,3

(1. Laboratory of Advanced Energy Systems, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

It is crucial for the safety and life cycle of an electric vehicle to have efficient battery thermal management. In this study, a compact lightweight 18650 Li-ion battery module was designed and fabricated by using aluminum-finned copper tubes as basic structure components. PID algorithm was adopted as the control scheme of the electronic expansion valve used in the electric vehicle air-conditioning system. Experiment using two phase flow of refrigerant, R134a, to cool battery pack directly was conducted to investigate thermal management performance. The experimental results showed that the proposed battery thermal management system can control temperature change of the battery pack temperature effectively. In addition, by using the dynamic temperature PID algorithm control scheme, the maximum temperature difference among the batteries was less than 4oC and the maximum temperature within the battery pack was less than 36oC at 1 C discharged rate.

electric vehicle; air conditioning system; lithium-ion battery; finned tube; battery thermal management; temperature control;gas-liquid two-phase flow

TK02；TM912

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.02.006

2095-560X（2020）02-0123-08

2019-12-19

2020-01-29

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFB0905300，2018YFB0905303）；廣東省科技發(fā)展專項資金項目（前沿與關鍵技術創(chuàng)新方向—重大科技專項）（2017B01012003）；廣東省自然科學基金項目（2016A030313172）；廣東省自然科學基金重大基礎研究培育項目（2015A030308019）；廣州市重大應用專項（201804020020）

岑繼文，E-mail：cenjw@ms.giec.ac.cn；蔣方明，E-mail：jiangfm@ms.giec.ac.cn

林必超（1991-），男，碩士研究生，主要從事電動汽車鋰離子電池電、熱和安全管理研究。

岑繼文（1979-），男，博士，副研究員，碩士生導師，主要從事微推進系統(tǒng)、制冷熱泵、電子散熱、電動汽車熱管理及增強型地熱系統(tǒng)等方面的研究。

蔣方明（1973-），男，博士，研究員，博士生導師，2001年博士畢業(yè)后曾先后就職于德國的IMM公司、葡萄牙的阿維諾大學、美國的賓州州立大學，2010年底開始回國工作。主要從事綠色能源/動力相關熱物理工程的前沿科學技術問題的研究。