電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺的開發(fā)與研究

吳 兵，唐 豪

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引 言

隨著全球汽車保有量的上升，傳統(tǒng)燃油汽車帶來的能源短缺、環(huán)境污染等問題成為亟待解決的問題[1-3]。 面對這一嚴(yán)峻的現(xiàn)狀，全球各個國家都紛紛將汽車發(fā)展方向轉(zhuǎn)變到新能源汽車領(lǐng)域，而其中純電動汽車更是目前研究的熱點(diǎn)[4-5]。作為純電動汽車的重要部件，動力電池的性能指標(biāo)直接關(guān)系到純電動汽車整體的性能，而溫度是影響電池性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。 過高的電池工作溫度和電池單體溫差會導(dǎo)致電池加速老化，甚至還會引發(fā)熱失控；過低的電池工作溫度會使電池內(nèi)阻增大，電化學(xué)反應(yīng)受阻，導(dǎo)致電池充放電效率下降，導(dǎo)致電池使用壽命下降[6-7]。 因此，設(shè)計高效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[8-12]具有非常重要的意義。

本文以某車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架為研究對象，并基于其設(shè)計了一套電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺，以供研究者進(jìn)行試驗(yàn)研究和仿真研究，其中電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)等三個部分組成。

1 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺

試驗(yàn)研究和仿真研究是研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要手段，本文針對如圖1 所示的某車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架進(jìn)行電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺的開發(fā)與研究。 基于所設(shè)計的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺，研究者可以進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能研究以及控制策略研究。

圖1 某車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架

本文所設(shè)計的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺原理圖如圖2 所示，從圖中可以看出該電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺主要由三個重要部分組成，分別是硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及仿真系統(tǒng)。 其中試驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)主要由電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架、動力電池、測控設(shè)備、供電設(shè)備以及充放電設(shè)備等硬件組成，是試驗(yàn)平臺實(shí)際使用的硬件設(shè)備；試驗(yàn)平臺軟件系統(tǒng)是基于LabVIEW 軟件開發(fā)的上位機(jī)，其功能是對試驗(yàn)平臺進(jìn)行測控管理；試驗(yàn)平臺仿真系統(tǒng)是基于AMESim軟件開發(fā)的仿真模型，其功能是研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略。

圖2 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺原理圖

本文所設(shè)計的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺如圖3 所示，該圖展示了試驗(yàn)平臺實(shí)際所使用的實(shí)物以及對應(yīng)實(shí)物之間的相互關(guān)系。 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺實(shí)物圖中的實(shí)物1 是電腦，用于開發(fā)電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺軟件系統(tǒng)以及仿真系統(tǒng)；實(shí)物2 是CAN解析儀，用于實(shí)時向壓縮機(jī)發(fā)送控制信號以及采集壓縮機(jī)狀態(tài)信號；實(shí)物3 是數(shù)據(jù)采集卡，用于實(shí)時采集溫度傳感器傳來的溫度信號以及向風(fēng)扇與水泵發(fā)送PWM控制信號；實(shí)物4 是Pt100 溫度變送器，用于將溫度傳感器采集的弱信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集卡可以識別的電信號；實(shí)物5 是Pt100 溫度傳感器，用于測量電池溫度以及電池進(jìn)出水溫度；實(shí)物6 是供電設(shè)備，用于向電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)供電；實(shí)物7 是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，用于對電池組進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；實(shí)物8 是電池組，是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的管理對象；實(shí)物9 是電池充放電設(shè)備，用于對電池組進(jìn)行充放電。

圖3 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺實(shí)物圖

相比于其他研究者設(shè)計的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺，本文所設(shè)計的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺除了可以進(jìn)行基本的試驗(yàn)研究外，還可以進(jìn)行控制策略研究，因此具有重要的研究意義。

2 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺軟件系統(tǒng)

電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺軟件系統(tǒng)由LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，軟件系統(tǒng)包括登錄界面和主界面，其中主界面由傳感器標(biāo)定界面、模型驗(yàn)證界面、控制界面三個功能界面組成。

2.1 登錄界面

登錄界面如圖4 所示，該界面是用戶輸入賬戶信息和密碼信息的功能界面，用戶需要輸入正確的賬戶和密碼信息才能進(jìn)入軟件系統(tǒng)主界面。

圖4 登錄界面

2.2 傳感器標(biāo)定界面

傳感器標(biāo)定界面如圖5 所示，該界面是用戶對硬件系統(tǒng)中使用的溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定的功能界面，用戶在進(jìn)行試驗(yàn)之前，需利用該界面對試驗(yàn)平臺使用的溫度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 該功能界面設(shè)計的基本原理是基于Pt100 溫度傳感器自身的特性，即Pt100 溫度傳感器實(shí)際測量的溫度與被測對象的真實(shí)溫度呈線性關(guān)系。

圖5 傳感器標(biāo)定界面

2.3 模型驗(yàn)證界面

模型驗(yàn)證界面如圖6 所示，該界面是用戶用來驗(yàn)證試驗(yàn)平臺仿真模型與實(shí)際的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是否相匹配的功能界面。 該功能界面的基本原理如下：在保證試驗(yàn)條件和仿真條件基本相同的情況下，取不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真及試驗(yàn)，通過比較仿真及試驗(yàn)結(jié)束電池進(jìn)出水溫度以及電池平均溫度的誤差來驗(yàn)證所搭建的仿真模型與實(shí)際的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是否匹配。

圖6 模型驗(yàn)證界面

2.4 控制界面

控制界面如圖7 所示，該界面是試驗(yàn)平臺軟件系統(tǒng)的核心功能。 借助該功能界面，用戶可以按照實(shí)際需求實(shí)時手動切換控制試驗(yàn)臺架中的目標(biāo)控制對象，或應(yīng)用基礎(chǔ)的控制策略協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)臺架中的目標(biāo)控制對象，其中目標(biāo)控制對象包括風(fēng)扇、水泵以及壓縮機(jī)。

圖7 控制界面

3 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺仿真系統(tǒng)

電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺仿真系統(tǒng)由AMESim軟件進(jìn)行開發(fā)，其中仿真系統(tǒng)所使用的控制策略由Simulink 軟件開發(fā)。

3.1 試驗(yàn)平臺仿真模型

基于AMESim軟件開發(fā)的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺仿真模型如圖8 所示，該模型由壓縮機(jī)、冷凝器、電池冷卻器、膨脹閥、風(fēng)扇、水泵、動力電池以及控制策略聯(lián)仿接口等重要部件組成，能夠有效地反應(yīng)真實(shí)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖8 電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺仿真模型

3.2 試驗(yàn)平臺仿真模型驗(yàn)證

借助上述搭建的試驗(yàn)平臺仿真模型進(jìn)行仿真，借助上述設(shè)計的試驗(yàn)平臺軟件系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定水泵轉(zhuǎn)速為3000 r/min，設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2000 r/min，選取壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速作為研究變量，分別取1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min、5000 r/min 進(jìn)行仿真及試驗(yàn)。 仿真及試驗(yàn)結(jié)束，對動力電池進(jìn)出水溫度以及電池平均溫度進(jìn)行對比，最終得到的對比結(jié)果如圖9 所示。 經(jīng)計算，三組參數(shù)的最大誤差率約為4.5%，這表明上述搭建的仿真模型與實(shí)際的臺架非常接近。

圖9 模型驗(yàn)證結(jié)果

3.3 試驗(yàn)平臺控制策略研究

本研究的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，影響電池溫度的主要因素是冷卻液溫度和冷卻液流量。 其中，冷卻液溫度主要受壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速影響，是有效控制電池溫度的關(guān)鍵因素；冷卻液流速主要受水泵轉(zhuǎn)速的影響，是影響電池溫度均勻性的關(guān)鍵因素。此外，在本文仿真系統(tǒng)中，動力電池通過生熱均勻的質(zhì)量塊來等效替代，無需研究電池均溫性。 基于上述分析，本文最終選擇壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制策略的控制變量，并選取PID控制和閾值控制兩種控制策略進(jìn)行研究。 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)其余控制變量控制策略如下：水泵轉(zhuǎn)速始終控制為3000 r/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用開關(guān)式控制，其控制策略如表1 所示。

表1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制策略

3.3.1 控制策略開啟及關(guān)閉閾值設(shè)計

考慮到壓縮機(jī)不能頻繁啟停，以及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時間不能太短的自身特性條件限制，結(jié)合動力電池最佳工作溫度，最終設(shè)定控制策略開啟閾值為38℃，設(shè)定控制策略關(guān)閉閾值為35℃，即當(dāng)電池組平均溫度大于38℃時，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開始按照控制策略對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，當(dāng)電池組平均溫度小于35℃時，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)停止按照控制策略對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3.2 控制策略設(shè)計

在工程應(yīng)用中，最受開發(fā)者認(rèn)可的控制器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，其基本控制原理如式（1）：

式中：v為PID控制器的輸出，u 為PID控制器的輸入，kp、ki、kd為對應(yīng)控制過程的控制系數(shù)。

基于上述原理，選擇電池溫度和控制策略開啟閾值的誤差作為PID控制器的輸入量，選擇壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速作為PID控制器的輸出量，考慮壓縮機(jī)最低轉(zhuǎn)速限制，設(shè)計了如圖10 所示的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)PID控制框圖以及表2 所示的PID控制策略。 此外，在本文中，閾值控制策略選擇開關(guān)式控制，具體的閾值控制策略見表3。

圖10 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)PID控制框圖

表2 PID控制策略

表3 閾值控制策略

3.3.3 控制策略結(jié)果分析

將上述設(shè)計的兩組控制策略應(yīng)用于圖8 所示的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺仿真模型中，最終得到如圖11 所示的仿真結(jié)果。 從圖11 中可以看出，兩組控制策略均能在一定時間內(nèi)將電池溫度調(diào)節(jié)在目標(biāo)溫度區(qū)間附近（其中閾值控制策略控制效果更好）。 但是從表4 中可以看出，相比于閾值控制策略，PID控制策略能夠顯著降低壓縮機(jī)能耗。

圖11 控制策略仿真結(jié)果

表4 控制策略壓縮機(jī)能耗

綜上可知，相比于閾值控制策略，PID控制策略能夠在保證控制效果的同時大大降低壓縮機(jī)能耗。 因此，本文最終選擇PID控制策略為當(dāng)前的電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺控制策略。 PID控制策略并不是最優(yōu)的控制策略，更高級的控制策略將在之后基于該仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 語

基于某車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架進(jìn)行試驗(yàn)平臺的開發(fā)與研究，所設(shè)計的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)平臺包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)三個部分，其中硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)用于對試驗(yàn)平臺中重要研究變量進(jìn)行采集和控制，仿真系統(tǒng)用于對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略進(jìn)行研究。 此外，本文在電池?zé)峁芾碓囼?yàn)平臺控制策略研究中發(fā)現(xiàn)，相比于閾值控制策略，PID控制策略能夠在保證控制效果的同時大大降低壓縮機(jī)能耗，是較好的控制策略。