基于電動(dòng)汽車電池加熱器的控制方法優(yōu)化

趙繼嶺，王金航，彭君，馬香明

基于電動(dòng)汽車電池加熱器的控制方法優(yōu)化

趙繼嶺，王金航，彭君，馬香明

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

電動(dòng)汽車電池在低溫加熱過程中，針對(duì)加熱器的檔位頻繁切換和由此引發(fā)的沖擊電流會(huì)縮短電池壽命的問題，提出了基于目標(biāo)加熱水溫尋找加熱平衡檔位的控制方法。以目標(biāo)加熱水溫為控制目標(biāo)，由最高檔位開始尋求當(dāng)前條件下的平衡檔位，在平衡檔位下加熱器水溫可以長(zhǎng)時(shí)間控制在目標(biāo)值附近。對(duì)比優(yōu)化前的實(shí)車測(cè)試結(jié)果，整個(gè)加熱過程加熱器的檔位切換次數(shù)由33次減少到5次，加熱時(shí)間也由57min縮短到40min，優(yōu)化效果顯著。

電動(dòng)汽車電池；低溫加熱；加熱器；控制優(yōu)化

前言

2019中國(guó)電動(dòng)汽車的銷量達(dá)到120.6萬(wàn)輛，電動(dòng)汽車已經(jīng)遍布全國(guó)各地。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的心臟，為整個(gè)電動(dòng)系統(tǒng)提供電力，但是在我國(guó)的東北以及西北地區(qū)冬季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)力電池長(zhǎng)期工作在低溫環(huán)境下放電能力明顯減弱，導(dǎo)致整車的續(xù)駛里程縮短，動(dòng)力性變?nèi)?，充電速度變慢以及電池壽命縮短。這些弊端都會(huì)給用戶帶來(lái)很大的不便并且影響用戶的體驗(yàn)，因此需要對(duì)動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的加熱功能進(jìn)行研究，通過加熱系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，提升電池在低溫下的性能，滿足整車的性能指標(biāo)。

目前電池的加熱方式主要分為內(nèi)部加熱和外部加熱兩種。內(nèi)部加熱主要包含高低頻交流電加熱和電池內(nèi)部放電加熱，加熱方式主要通過電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量直接對(duì)電池進(jìn)行加熱，該方式加熱效率高，能耗低，但是對(duì)電池自身性能要求高且控制復(fù)雜。外部加熱主要包括熱風(fēng)加熱、液體加熱、加熱膜加熱和外置加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱，加熱方式通過外部加熱組件產(chǎn)生熱量，從外部對(duì)電池進(jìn)行加熱，該方式能效低，加熱時(shí)間長(zhǎng)，但是加熱簡(jiǎn)單，更加安全實(shí)用。

本文采用的是外部加熱的方法，通過PTC將水溫加熱到較高的溫度，加熱后的熱水流經(jīng)電池內(nèi)部，與電池進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)電池的加熱功能。本文將針對(duì)PTC的特性進(jìn)行研究，并提出一種PTC的控制方法實(shí)現(xiàn)電池低溫加熱的功能，從而提升整車的動(dòng)力性和續(xù)航能力。

1 電池低溫加熱系統(tǒng)介紹

本文以某款純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，該車型的電池加熱系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、加熱器PTC、水泵、PTC水溫傳感器以及相關(guān)的管路組成，見圖1。動(dòng)力電池采用一款容量為170Ah的三元鋰離子電池，在檢測(cè)到電池的溫度低于一定值后進(jìn)入低溫加熱模式，請(qǐng)求PTC工作，通過調(diào)節(jié)PTC的不同加熱檔位將PTC的水溫控制在目標(biāo)溫度區(qū)間，在PTC工作的同時(shí)請(qǐng)求水泵運(yùn)轉(zhuǎn)提供7L/min的流量，使冷卻液流經(jīng)電池內(nèi)部與電池進(jìn)行熱量交換實(shí)現(xiàn)電池的加熱功能。

本系統(tǒng)的核心是通過控制PTC工作將水溫加熱到一個(gè)目標(biāo)溫度值并維持在目標(biāo)值附近。本文設(shè)定的加熱目標(biāo)溫度區(qū)間是45-50℃，設(shè)定的目標(biāo)值過低會(huì)導(dǎo)致加熱效率過低，設(shè)置過高會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫差過大，通過請(qǐng)求PTC以不同的檔位進(jìn)行加熱來(lái)維持冷卻液在目標(biāo)溫度區(qū)間內(nèi)。

圖1 電池低溫加熱系統(tǒng)

2 PTC介紹

2.1 PTC檔位介紹

PTC 加熱器，是一類以鈦酸鋇（Ba TiO3）鈦酸鍶（SrTiO3），鈦酸鉛（PbTiO3）為基本組成的半導(dǎo)體陶瓷。這種陶瓷在較低溫度時(shí)，電阻值偏低，但當(dāng)溫度在某一溫度（稱為居里溫度）以上時(shí)，其自身電阻急劇上升3~8個(gè)數(shù)量級(jí)（103~108倍），電阻體具有較大的正溫度系數(shù)。PTC具有換熱效率高、安全性高和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

本文的加熱器是由三個(gè)不同加熱功率的PTC （PTC1、PTC2、PTC3）組成，每個(gè)PTC分別由1個(gè)，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）控制通斷，通過汽車總線將加熱需求以及加熱檔位發(fā)送給PTC控制器，PTC控制器根據(jù)需求指令及當(dāng)前狀態(tài)，控制不同的PTC工作將車載動(dòng)力電源的電能轉(zhuǎn)化為熱能。加熱器的電氣結(jié)構(gòu)見圖2，PTC1、PTC2、PTC3分別具有不同的加熱功率，通過請(qǐng)求不同的PTC或者請(qǐng)求多個(gè)PTC同時(shí)工作組合成6個(gè)加熱檔位，見表1，PTC的檔位請(qǐng)求采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation，PWM）信號(hào)作為 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，通過改變 PWM 信號(hào)的占空比來(lái)控制加熱器以不同的檔位工作。

圖2 加熱器電氣結(jié)構(gòu)

表1 加熱器的加熱檔位

2.2 PTC沖擊電流

PTC的陶瓷體電阻與自身溫度有關(guān)。在溫度很低時(shí)，PTC阻值隨著溫度的上升而下降，呈現(xiàn)負(fù)的溫度系數(shù)；PTC的溫度上升到一定值后，PTC阻值隨著溫度上升而上升，呈現(xiàn)正的溫度系數(shù)。圖3為PTC的電阻-溫度特性曲線，在曲線a點(diǎn)PTC的溫度較低，電阻比較小，在恒定電壓下PTC有較大的工作電流；隨著PTC產(chǎn)生的熱量逐漸增加，PTC溫度上升，電阻值會(huì)進(jìn)一步下降到達(dá)b點(diǎn)，電流值此時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)PTC的溫度進(jìn)一步升高達(dá)到c點(diǎn)后，電阻值開始有上升的趨勢(shì)，電流也會(huì)跟隨逐漸減小，c點(diǎn)以后很小的溫度上升就會(huì)導(dǎo)致電阻的大幅度增長(zhǎng)，電流也會(huì)跟隨迅速降低。如上分析在PTC工作過程中電流一升一降就形成了沖擊電流。

圖4統(tǒng)計(jì)了在PTC水溫40℃左右的條件下，每次檔位切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流（因?yàn)镻TC水溫的目標(biāo)控制值在40℃以上，所以此處統(tǒng)計(jì)了40℃時(shí)不同檔位的沖擊電流），可以看出各個(gè)檔位下的沖擊電流較大，部分檔位最大的沖擊電流已經(jīng)超過正常工作電流的一倍。動(dòng)力電池在低溫下放電能力變?nèi)?，換擋產(chǎn)生的大電流導(dǎo)致PTC的消耗功率瞬間增大，當(dāng)增大的瞬時(shí)功率超過電池的最大放電功率時(shí)，會(huì)造成電池過放的風(fēng)險(xiǎn)。換擋越頻繁伴隨產(chǎn)生的沖擊電流次數(shù)也就越多，對(duì)動(dòng)力電池的危害也就越大。

圖3 PTC的R-T特性曲線

圖4 PTC不同加熱檔位下的沖擊電流

3 PTC控制及優(yōu)化

本文對(duì)針對(duì)PTC加熱的控制思路如下：當(dāng)檢測(cè)到電池的溫度低于0℃時(shí)，電池進(jìn)入加熱模式，啟動(dòng)PTC，通過發(fā)送不同的PWM占空比請(qǐng)求PTC以對(duì)應(yīng)的檔位工作，使PTC的水溫維持在45-50℃之間，通過水泵運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)熱水與電池的熱交換。當(dāng)電池的溫度加熱到5℃后退出加熱模式，請(qǐng)求PTC和水泵停止工作。

由于每次切換PTC檔位都會(huì)有大電流沖擊，為減小電流沖擊對(duì)電池壽命造成的危害，在PTC控制過程中需要降低檔位切換的頻率。

3.1 PTC的控制方法

PTC的核心控制是將PTC的水溫加熱到目標(biāo)溫度區(qū)間，水溫到達(dá)目標(biāo)區(qū)間后控制PTC的加熱檔位使水溫一直維持在目標(biāo)區(qū)間之內(nèi)。最常用的控制方法是根據(jù)PTC實(shí)際水溫值請(qǐng)求不同的PTC加熱檔位。當(dāng)水溫很低時(shí)為了提高加熱效率采用最高檔位6檔進(jìn)行加熱；當(dāng)水溫升高并達(dá)到目標(biāo)溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)PTC實(shí)際水溫切換檔位使水溫維持在目標(biāo)區(qū)間；當(dāng)水溫將要超過目標(biāo)區(qū)間上限時(shí)請(qǐng)求小檔位工作或者關(guān)閉PTC。表2為不同的PTC水溫對(duì)應(yīng)請(qǐng)求的不同加熱檔位。為避免由于PTC水溫波動(dòng)引起的檔位跳動(dòng)，在每次切換檔位時(shí)需要有15s的換擋確認(rèn)時(shí)間，即下一個(gè)目標(biāo)檔位對(duì)應(yīng)的PTC水溫必須持續(xù)15s不變后才會(huì)切換至目標(biāo)檔位。

表2 加熱器檔位控制策略

采用上述控制方法在實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)，在高寒環(huán)境下（環(huán)境溫度低于-25℃）靜置車輛12小時(shí)。電池從-25℃開始加熱，加熱到5℃后停止，實(shí)車上的試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出采用上述的控制方法PTC的水溫可以穩(wěn)定在45-50℃之間，電池的整個(gè)加熱過程用時(shí)57min，但是PTC的加熱換擋次數(shù)卻高達(dá)33次，并且每次換擋都會(huì)伴隨著很大的電流沖擊。

3.2 PTC的控制方法優(yōu)化

上述控制方法可以滿足電池低溫加熱的需求，但是不能解決加熱過程中檔位頻繁跳動(dòng)的問題。本文提出了一種基于目標(biāo)加熱水溫尋找平衡檔位的控制方法，實(shí)現(xiàn)平衡檔位下可以將水溫可以長(zhǎng)時(shí)間控制在目標(biāo)值附近，以降低換擋電流的沖擊的頻率。優(yōu)化后的控制方法見控制流程圖6。

在低溫環(huán)境下，車輛啟動(dòng)后，電動(dòng)汽車電池進(jìn)入加熱模式，首先控制系統(tǒng)請(qǐng)求PTC以最大檔位6檔開始加熱，當(dāng)PTC水溫從較低的溫度加熱到目標(biāo)溫度區(qū)間上限50℃時(shí)，請(qǐng)求PTC停止加熱工作即發(fā)送0檔。經(jīng)PTC加熱的熱水通過水泵運(yùn)轉(zhuǎn)流經(jīng)電池，與電池進(jìn)行熱交換使水溫不斷降低。當(dāng)水溫降低到目標(biāo)溫度區(qū)間下限45℃時(shí)，再次請(qǐng)求PTC工作，此次請(qǐng)求的加熱檔位較初次啟動(dòng)時(shí)降低一檔，即請(qǐng)求PTC以5檔開始加熱，將水溫從45℃加熱到50℃。隨著加熱檔位降低，加熱功率會(huì)變低，隨之水溫上升速率也變慢，在目標(biāo)溫度區(qū)間加熱時(shí)間延長(zhǎng)，即PTC的5檔加熱功率小于6檔，5檔可以在目標(biāo)溫度區(qū)間工作更長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)PTC以5檔將水溫加熱到50℃后，再次發(fā)送0檔關(guān)閉加熱器。在熱水通過與電池?zé)峤粨Q降溫到45℃后，同理，再次以4檔進(jìn)行加熱。PTC以4檔工作，將水溫加熱到50℃后，再次發(fā)送0檔關(guān)閉加熱器。按照如上規(guī)則每次加熱到目標(biāo)水溫上限50℃后則發(fā)送0檔，然后等水溫降到目標(biāo)溫度下限45℃后請(qǐng)求降一檔進(jìn)行加熱。當(dāng)電池溫度加熱到5℃后，電池退出加熱模式關(guān)閉PTC。

按上述加熱檔位的控制原理，高檔位（5、6檔）加熱功率大，可以保證PTC水溫快速上升，但是當(dāng)加熱檔位降到某個(gè)檔位后，加熱功率偏低，使其水溫不能維持在45℃以上，則應(yīng)該在該檔位的基礎(chǔ)上返回上一檔進(jìn)行加熱，從而將水溫加熱到45℃以上。以上說(shuō)明上升后的檔位是能維持PTC水溫在目標(biāo)溫度區(qū)間的最小檔位，故該檔位是最理想的平衡檔位，是可以在目標(biāo)溫度區(qū)間持續(xù)工作最長(zhǎng)時(shí)間的檔位。例如，按上述降檔優(yōu)化方法，PTC以4檔加熱到50℃后，關(guān)閉PTC，等PTC水溫降到了目標(biāo)溫度區(qū)間下限45℃后，應(yīng)該以降檔以3檔進(jìn)行加熱，但是在3檔加熱過程中PTC水溫不能上升到45℃以上，反而一直下降，等PTC水溫降到43℃后，此時(shí)應(yīng)該立即升檔進(jìn)行加熱，即再次返回到4檔進(jìn)行加熱。此時(shí)可以判斷出PTC的4檔才是目前溫度條件下最優(yōu)的平衡檔位，4檔是可以將PTC水溫從45℃加熱到50℃持續(xù)工作時(shí)間最長(zhǎng)的檔位。

圖6 優(yōu)化后的PTC加熱控制流程

本節(jié)提出的加熱器控制方法是為了不斷尋找在當(dāng)前水溫條件下PTC工作的平衡檔位，使平衡檔位可以在目標(biāo)溫度區(qū)間工作更長(zhǎng)時(shí)間。請(qǐng)求的加熱檔位越接近平衡檔位，該檔位在目標(biāo)溫度區(qū)間工作時(shí)間越長(zhǎng)，整個(gè)加熱過程檔位切換的次數(shù)也就越小。并且在每次加熱到目標(biāo)水溫上限后關(guān)閉PTC，利用余熱維持水溫在目標(biāo)區(qū)間，在一定程度上也降低了整個(gè)加熱過程中PTC檔位切換的頻率。除此之外還考慮到了低檔位下加熱功率不足的問題，當(dāng)目前檔位不能維持PTC水溫在目標(biāo)區(qū)間內(nèi)時(shí)進(jìn)行升檔，并通過升檔進(jìn)一步確認(rèn)最優(yōu)平衡檔位。

3.3 PTC的控制方法優(yōu)化后試驗(yàn)

對(duì)優(yōu)化后的控制方法進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，同樣在高寒環(huán)境下靜置車輛12小時(shí)，電池從-25℃開始加熱，加熱到5℃后停止，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。試驗(yàn)證明優(yōu)化后的控制方法可以使PTC的水溫維持在45-50℃，并且PTC的加熱換擋次數(shù)減小到了5次，沖擊電流發(fā)生的頻率明顯降低，優(yōu)化后效果顯著。此外，由于每次換擋加熱都會(huì)將水溫加熱到50℃，提高了加熱的效率，整個(gè)加熱過程持續(xù)了40min，相比優(yōu)化前加熱時(shí)間縮短了17min。

圖7 PTC加熱控制優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為保證電動(dòng)汽車在低溫下的動(dòng)力性和續(xù)駛里程，本文提出了一種通過PTC加熱動(dòng)力電池的方法，并針對(duì)加熱器檔位頻繁跳動(dòng)的問題進(jìn)行了控制優(yōu)化，與優(yōu)化前相比，整個(gè)加熱過程加熱器的檔位切換次數(shù)從33多次下降到5次，很大程度上降低了檔位頻繁跳動(dòng)的頻率，優(yōu)化效果顯著。本文優(yōu)化后的PTC控制方法不僅滿足了電池加熱的需求，而且減小了由于PTC檔位頻繁切換對(duì)電池帶來(lái)的危害。

[1] 黃炘,陳麗雪,李川,李津,王朝暉,李楊.電動(dòng)汽車低溫充電性能的研究與分析[J].汽車電器,2020(03):20-23.

[2] Yunlong Shang,Chong Zhu,Gaopeng Lu,Qi Zhang,Naxin Cui, Cheng -hui Zhang.Modeling and analysis of high-frequency alternating- current heating for lithium-ion batteries under low-temperature operations[J]. Journal of Power Sources,2020,450.

[3] 朱建功,孫澤昌,魏學(xué)哲,戴海峰,房喬華,唐軒.車用鋰離子電池低溫特性與加熱方法研究進(jìn)展[J].汽車工程,2019,41(05):571-581+589.

[4] Junqiu Li,Danni Sun,Zhixiong Chai,Haifu Jiang,Chao Sun. Sinusoi -dal alternating current heating strategy and optimization of lithium- ion batteries with a thermo-electric coupled model[J]. Energy,2019, 186.

[5] Zhoujian An,Li Jia,Yong Ding,Chao Dang,Xuejiao Li. A review on lithium-ion power battery thermal management technologies and thermal safety[J]. Science Press,2017,26(5).

[6] 李罡,黃向東,符興鋒,楊勇.液冷動(dòng)力電池低溫加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,44(02):26-33.

[7] Z.G. Qu,Z.Y. Jiang,Q. Wang. Experimental study on pulse self- heating of lithium-ion battery at low temperature[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2019,135.

[8] Xiongbin Peng,Siqi Chen,Akhil Garg,Nengsheng Bao,Biranchi Pan -da. A review of the estimation and heating methods for lithium‐ion batteries pack at the cold environment[J]. Energy Science & Engineering,2019,7(3).

[9] Ruo-Jiang Wang,Yu-Hui Pan,Yong-Le Nian,Wen-Long Cheng. Study on dynamic thermal control performance of positive temperature coefficient (PTC) material based on a novel heat transfer model considering internal heat transfer[J]. Applied Thermal Engineering, 2020,165.

[10] 徐善紅,聶永福.純電動(dòng)車用動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)[J].時(shí)代汽車,2019(08):63-64.

[11] 李相哲,蘇芳,徐磊.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)加熱方法研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2019,43(05):900-903.

[12] 宋嘉梁.常溫PTC熱控材料及其熱控方法研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2016.

[13] 楊君.純電動(dòng)汽車PTC水暖加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué),2016.

[14] 雷治國(guó),張承寧,董玉剛,林哲煒.電動(dòng)汽車用鋰離子電池低溫性能和加熱方法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(09):1399-1404.

Control Optimization of Battery Heater Based on Electric Vehicle

Zhao Jiling, Wang Jinhang, Peng Jun, Ma Xiangming

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

To solve the problem that the heating gears jump frequently during the heating process of the battery in low temperature, and considering that the impulse current caused by the frequent switching of the heating gears will shorten the battery life, the control method of finding the balance gear based on the target heating water temperature is proposed. Take the target heating water temperature as the control target, and starting from the highest gear to seek the equilibrium gear under the current conditions, so that the water temperature of the heater can be controlled near the target value for a long time under the equilibrium gear. Compared with the test results of real car before the optimization, the numbers of gear switches ware reduced from 33 to 5, and the heating time was also shortened from 57 minutes to 40 minutes in the whole heating process, which shows an obvious optimization effect.

Power battery of electric vehicle;Low temperature heating;Heater;Control optimization

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.003

U469.72

A

1671-7988(2021)03-10-05

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趙繼嶺（1987.08-），男，漢，工學(xué)碩士，責(zé)任工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，主要研究方向：整車控制器軟件開發(fā)。