電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略研究

李飛飛

（運城職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山西 運城 044000）

電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略的研究背景如下：隨著城市化進程的不斷推進與經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，大量消耗能源所造成的廢氣污染以及能源緊缺等問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到了社會整體發(fā)展與人們的實際生活品質(zhì)。因此環(huán)保低碳經(jīng)濟成為各領(lǐng)域創(chuàng)新與開發(fā)的重要目標(biāo)，而電動汽車憑借其自身具備的多種優(yōu)勢迅速成為很多人出行的新選擇[1]。作為一種新能源汽車，其使用的電池主要是鋰離子電池組，鋰離子電池組具備低自放電率、高比能量、高電壓平臺等特征，然而鋰離子電池組一直存在熱失控問題，影響了其整體性能。為了解決該問題，需要制訂電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。國內(nèi)外對于電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略的研究都十分重視，國外有學(xué)者提出一種基于儲能系統(tǒng)的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略；國內(nèi)有學(xué)者提出一種基于尋優(yōu)算法的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。

由于在利用以上策略進行電動汽車用鋰離子電池組溫升控制時，在電池組的實際充電功率為30kW到40kW的范圍內(nèi)，存在最大溫度上升值過大的問題，因此提出一種新的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。

1 設(shè)計電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略

1.1 構(gòu)建鋰離子電池組對應(yīng)熱模型

基于生熱率模型構(gòu)建電動汽車用鋰離子電池組對應(yīng)熱模型。其中生熱率模型具體如下式所示：

式（1）中Qc代表電動汽車用鋰離子電池組的實際產(chǎn)熱；EOCV代表鋰離子電池組的對應(yīng)開路電壓；R代表鋰離子電池組的實際內(nèi)阻，包括極化內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻；Tbat代表鋰離子電池組的實際溫度；代表鋰離子電池組的對應(yīng)溫度系數(shù)；I代表鋰離子電池組的實際電流；E代表鋰離子電池組的實際電壓[2]。

對于公式（1）而言，I2R代表電動汽車用鋰離子電池組中的那些不可逆熱；而則代表鋰離子電池組中的那些可逆熱，由于這些可逆熱非常微小，因此對其忽略不計，在構(gòu)建電動汽車用鋰離子電池組對應(yīng)熱模型時僅對不可逆熱進行考慮。

根據(jù)溫度變化時鋰離子電池組中歐姆內(nèi)阻的變化曲線獲取溫度和歐姆內(nèi)阻之間的關(guān)系式，具體如下式：

式（2）中R0代表歐姆內(nèi)阻。

基于上式構(gòu)建電動汽車用鋰離子電池組對應(yīng)熱模型，具體如下式所示：

式（3）中Qcom代表對流散熱的實際熱量；h代表對流傳熱系數(shù)；Abat代表鋰離子電池組實際表面積；Tair代表空氣溫度[3]。

其中對流傳熱系數(shù)的具體計算公式如下：

式（4）中ρα代表空氣密度；L代表鋰離子電池組中兩個相鄰電池之間的距離；D代表鋰離子電池組具體厚度；μ代表空氣粘度；Prw代表電池組表面空氣的對應(yīng)普朗特數(shù)；Pr代表人風(fēng)口處空氣的對應(yīng)普朗特數(shù)；v代表風(fēng)速；ka代表空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

式（4）中各個參數(shù)的具體取值如表1所示。

表1 各個參數(shù)的具體取值

1.2 鋰離子電池溫升預(yù)測

基于構(gòu)建的電動汽車用鋰離子電池組對應(yīng)熱模型對電動汽車用鋰離子電池組實施溫升預(yù)測。以能量守恒定理為依據(jù)獲取入風(fēng)口至出風(fēng)口空氣的總吸收熱量，具體如下式所示：

式（5）中Tair,n代表第n塊電池周圍的空氣溫度；Tair,1代表初始環(huán)境溫度；ca代表空氣比熱容；Sa代表入風(fēng)口面積；Q散熱代表入風(fēng)口至出風(fēng)口空氣的總吸收熱量；Tbat,i代表代表第i塊鋰離子電池的實際溫度；Tair,i代表第i塊鋰離子電池周圍的空氣溫度。

根據(jù)電池組的具體排列，具體如圖1所示，將電池周圍溫度的遞增幅度假設(shè)為等幅。并根據(jù)上式獲取第n塊電池周圍的空氣溫度，從而計算第n塊電池的實際溫度。

根據(jù)計算結(jié)果，在Matlab中利用電動汽車用鋰離子電池組對應(yīng)熱模型對各電池的溫升進行預(yù)測。

1.3 鋰離子電池組溫升控制

根據(jù)鋰離子電池溫升預(yù)測結(jié)果，構(gòu)建一個電動汽車用鋰離子電池組溫升控制模型，實現(xiàn)鋰離子電池組的溫升控制。構(gòu)建的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制模型為一種多目標(biāo)控制模型，具體如下式：

式（6）中f(x)代表電動汽車用鋰離子電池組溫升控制總體的目標(biāo)函數(shù)；f1(x)代表發(fā)動機分配功率；f2(x)代表總發(fā)動機耗油量；f3(x)代表回收電池的對應(yīng)制動能量；Ω代表控制約束條件。

2 實驗驗證

2.1 實驗設(shè)計

對設(shè)計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略進行實驗驗證。實驗中的電動汽車用鋰離子電池組中共包含八塊鋰離子電池。利用設(shè)計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略對該電動汽車用鋰離子電池組進行溫升控制實驗。在實驗中獲取電池組實際充電功率為30kW到40kW范圍內(nèi)的最大溫度上升值數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。為避免實驗結(jié)果過于單一，將兩種原有策略作為實驗中的對比策略，包括基于儲能系統(tǒng)、基于尋優(yōu)算法的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。分別利用這兩種策略對實驗電動汽車用鋰離子電池組進行溫升控制，并獲取該充電功率范圍內(nèi)的最大溫度上升值數(shù)據(jù)作為對比實驗數(shù)據(jù)。

2.2 實驗結(jié)果分析

設(shè)計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略與原有策略的最大溫度上升值實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示。

表2 最大溫度上升值實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果

根據(jù)表2的最大溫度上升值實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果可知，設(shè)計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略的最大溫度上升值低于基于儲能系統(tǒng)、基于尋優(yōu)算法的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。

3 結(jié)束語

電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略實現(xiàn)了最大溫度上升值的降低，對于電動汽車用鋰離子電池組熱失控問題的解決有很大意義。