混合動力汽車鎳氫電池熱管理策略研究

趙 亮 ，朱建新 ，儲愛華 ，喜冠南

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.科力遠混合動力技術(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化進程緩慢，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)階段各國家把發(fā)展混合動力汽車作為汽車發(fā)展的過渡期。作為混合動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、無污染等優(yōu)點?；旌蟿恿ζ嚨倪\行工況復(fù)雜多變，在汽車行駛過程中，需要對電池頻繁地進行大倍率充放電，會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)，因此對電池組熱管理系統(tǒng)進行研究對新能源汽車的發(fā)展具有重要的工程意義。

目前國內(nèi)外電池熱管理研究多為電池熱模型的建模、電池組冷卻方式的選擇、散熱器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[2-4]，而溫度控制算法的研究和電池熱管理策略的研究較少。其中，文獻[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[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現(xiàn)對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[7]設(shè)計了一種可對電池組內(nèi)部電芯進行選擇性冷卻或加熱的熱管理策略并進行了仿真，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)，最后并對設(shè)計的策略進行試驗驗證。

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扇使冷卻液在散熱器處與空氣進行強制對流散熱，再由散熱后的冷卻液對電池組進行冷卻；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)對冷卻液進行降溫，再使用降溫后的冷卻液對電池組進行冷卻。當電池有冷卻需求時，風扇和水泵會一直開啟，風扇只有一個檔位，只能控制其開關(guān)。

2.2 電池熱管理目標

組成電池組的電池是標稱容量為6Ah的鎳氫電池，其單體額定電壓為1.2V，電池組共有240個單體組成。鎳氫電池的工作溫度為（-20～50）℃，若電池最高溫度長期50℃以上，電池的工作性能以及壽命將會受到很大的影響，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時間大5℃會導(dǎo)致電芯內(nèi)阻、容量差異擴大，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

對于電池熱管理的目標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]，為了保證混合動力汽車的動力性能，只有在極端情況下會對電流采取限制行為，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。當冷卻液流經(jīng)電池組時，冷卻液與電池間會發(fā)生對流傳熱[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)計電池組結(jié)構(gòu)時會保證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增加Qw。

對于電池熱管理的指標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達到均熱的效果。

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

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[14]，較難獲得準確的數(shù)學模型，因此可使用模糊PID算法對冷卻液溫度和流量進行模糊控制。散熱器冷卻時無法控制冷卻液的溫度，而空調(diào)冷卻時即能控制冷卻液的溫度也能控制冷卻液的流量。根據(jù)電池熱管理的設(shè)計目標，將模糊控制器最優(yōu)目標溫度設(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與目標溫度的差值e℃；電池組最高溫度Tmax與目標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)目標溫度的差值及差值變化速率控制水泵與電動壓縮機，以此來控制冷卻液流量和溫度，達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與目標溫度的差值e論域為［0，4］，對應(yīng)的模糊子集分別為｛ZERO，E1，E2，E3，E4｝。差值變化速率 ec論域為［-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壓縮機能力確定，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，水泵應(yīng)以較高占空比運轉(zhuǎn)，提供較大的冷卻液流量，壓縮機以較高的轉(zhuǎn)速運轉(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，應(yīng)關(guān)閉空調(diào)壓縮機，減少能量的消耗。

3.2 控制策略的制定

從節(jié)能角度考慮，當電池溫度在合理的溫度區(qū)間內(nèi)時不會開啟電池組的冷卻系統(tǒng)，當電池組需要冷卻時首先采用散熱器冷卻，當散熱器冷卻不能滿足冷卻需求時，再采用空調(diào)冷卻。因為電池組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到目標溫度前開啟。根據(jù)分析，提出以下策略：

（1）當Tmax≥38℃時開啟冷卻系統(tǒng)，進行散熱器冷卻，風扇與水泵開啟，通過算法對冷卻液流量進行控制；當Tmax≤36℃時，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，風扇與水泵關(guān)閉；

（2）當 Tmax≥40℃持續(xù) 5min 或 Tmax≥42℃持續(xù) 3min 或Tmax≥44℃持續(xù)1min時，開啟空調(diào)進行空調(diào)冷卻，空調(diào)冷卻時使用算法對冷卻液溫度和冷卻液流量進行控制；

（3）當電池組的溫差大于5℃開始均熱，當電池組的溫差小于3℃停止均熱，溫差越大，均熱時冷卻液的流量越大；

（4）當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，取較大的冷卻液流量；

（5）當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)驗值暫定，后期會根據(jù)實驗進行再標定。

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語言代碼并刷寫到電池管理控制器中，便可以進行試驗驗證。

圖3 熱管理策略建模Fig.3 Model of Thermal Management Strategy

4 試驗驗證

4.1 臺架熱平衡試驗

策略設(shè)計完成后首先對電池組進行了臺架熱平衡試驗，熱平衡實驗的目的是為了驗證電池組冷卻系統(tǒng)在高溫或接近高溫限的情況下能否滿足冷卻需求。臺架試驗原理，如圖4所示。臺架試驗主要有恒溫室、電池組、水冷箱、充放電機和電腦組成。電腦、充放電機和電池組之間通過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。在臺架試驗中利用充放電機對電池進行充放電，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 臺架試驗示意圖Fig.4 Schematic of Bench Experiment

臺架試驗包括兩個階段：電池組狀態(tài)初始化與熱平衡試驗階段。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。電池組有六個溫度采樣點，當電池組采樣點溫度都大于等于42℃，將恒溫室的溫度設(shè)定為50℃并對電池組進行充放電，此時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。臺架試驗中電池組的充放電流，如圖5所示。試驗過程中電流有效值為18.34A。臺架試驗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℃，在熱平衡試驗階段，電池組的溫差最大值為1.3℃。試驗結(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)，同時電池組各電芯單體間溫差也能控制在5℃以內(nèi)。

圖5 臺架試驗中電池組電流圖Fig.5 Current of Battery Package in Bench Experiment

圖6 臺架試驗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

在完成臺架熱平衡試驗后，電池組搭載整車進行了整車試驗，試驗搭載的整車型為東風風光530。整車試驗于2017年8月在夏季高溫試驗場進行。因周期較長選取2017年8月26日的試驗數(shù)據(jù)。試驗項目為高溫路試試驗，當日環(huán)境溫度為（33～39）℃，運行時間約為2.5h，運行里程約為80km。

整車在運行時，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。試驗開始時電池組最高溫度為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到38℃時，散熱器冷卻方式的開啟，溫度仍在增長但趨勢變緩，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℃附近來回波動。試驗開始時電池組的溫差為1.48℃，試驗結(jié)束時電池組的溫差為3.99℃，全程電池組的溫差最大達到3.99℃。試驗結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，設(shè)計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 整車試驗中電池組電流圖Fig.7 Current of Battery Package in Vehicle Experiment

圖8 整車試驗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

熱管理策略是電池熱管理系統(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，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設(shè)計了電池組熱管理策略，通過臺架試驗以及整車試驗進行策略驗證。試驗結(jié)果表明設(shè)計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，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)。