基于電動汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計與控制策略的研究

蔡誠 王鹿軍

1.湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省武漢市 430068 2.武漢力神動力電池系統(tǒng)科技有限公司 湖北省武漢市 430200

1 引言

目前，各個國家都在高速發(fā)展新能源汽車，雖然面臨電池容量密度、安全特性等諸多問題，但隨著石化能源的減少和空氣污染的嚴(yán)重化，我國提出了“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”的目標(biāo)，新能源汽車的發(fā)展將是大勢所趨，但需要漫長的過程，絕非一蹴而就。對于傳統(tǒng)燃油汽車而言，整車的熱管理更多的是集中與汽車發(fā)動機上的熱管系統(tǒng)上，而新能源車上整車熱管理與傳統(tǒng)燃油汽車的熱管理概念有巨大的差異，一般電動汽車的熱管理必須統(tǒng)籌規(guī)劃整車上的“冷”與“熱”，提高能源利用率，保證整車?yán)m(xù)航。冬季、夏季是電池系統(tǒng)運行最為薄弱的時候，電芯的充放電功率會隨著溫度的變化而大大受到限制，因此，電動汽車的熱管理成為了重點研究的對象。

2 電動汽車電池PACK 熱管理系統(tǒng)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計，是保障電池運行安全的決定性外在因素，也是提升電池系統(tǒng)壽命等性能指標(biāo)的關(guān)鍵所在。它直接關(guān)系到電池系統(tǒng)最終的成敗，可以一票否決設(shè)計成果。

電池PACK 熱管理系統(tǒng)具體包括水冷板、口琴管、硅膠導(dǎo)熱墊、冷卻液以及電池模組等部件，在整車運行過程中對電池系統(tǒng)的溫度進行有效的控制。電池PACK 熱管理系統(tǒng)的功能主要有：第一、可以有效的避免電池組因熱失控而出現(xiàn)爆炸或失效的危險；第二、在電池組處在溫度過高或過低的條件下，能夠起到非常好的的保溫效果，并且具有高效降溫和快速加熱的功能；第三、只要系統(tǒng)可以正常運行，就可以維持電池系統(tǒng)的溫度在合理的區(qū)間（電芯最佳溫度為15℃-35℃），并且可以有效的避免單體電池之間的動力性能差異。

3 電池PACK 熱管理系統(tǒng)的設(shè)計要點

從熱設(shè)計過程來看，關(guān)聯(lián)元素很多，如同在支點上找平衡。最終的目標(biāo)，技術(shù)實施的結(jié)果，就是保證系統(tǒng)內(nèi)所有化學(xué)電芯工作環(huán)境的“舒適性”、“均溫性”。做到這一點，眾多電芯的性能才能“齊頭并進”，發(fā)揮出最好的作用。

采用熱管理技術(shù)對電池PACK 系統(tǒng)的溫度進行管控，首先，必須了解電芯的最佳工作溫度區(qū)間范圍，然后再根據(jù)電芯的功率map 對水冷系統(tǒng)制定最優(yōu)的控制策略來使整車動力性能最佳。電池系統(tǒng)的功率map 是指在不同溫度、不同SOC 條件下，電池系統(tǒng)具有不同的充放電能力。為了使電池系統(tǒng)在最佳工作溫度區(qū)間可以通過熱仿真和實驗測試兩種方法進行探究。通過專業(yè)的軟件進行模型仿真分析，可以將電池PACK 系統(tǒng)中每個電芯的溫度特性反映出來，然后再在結(jié)構(gòu)上對應(yīng)進行整改。再通過實驗測試的方法，可以精確的將電池系統(tǒng)的溫度特性顯示出來。

4 電池包熱管理水冷系統(tǒng)設(shè)計

熱管理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)主要有四點：（1）極端工況下，電池溫度穩(wěn)定在45℃以下，溫升小于10℃；（2）極端工況下，電芯間溫差控制在5℃以內(nèi)；（3）水冷系統(tǒng)流阻滿足整車要求；（4）各支路流量差小于10%。

4.1 電池系統(tǒng)傳熱模型

電池系統(tǒng)熱管理傳熱模型包含：硅膠導(dǎo)熱墊、口琴管、模組與水冷板。電池包冷卻系統(tǒng)采用口琴管方式，是由2 個大冷板和2個小冷板并聯(lián)組成（如圖1）。

圖1 水冷板示意圖

模組與水冷板之間的熱量傳輸是通過硅膠導(dǎo)熱墊來傳遞的，以模組為單位進行離散，并與電芯單體產(chǎn)熱模型相關(guān)聯(lián)。電芯熱質(zhì)量塊模型計算的溫度發(fā)送給電芯單體模型，電芯單體計算的發(fā)熱功率發(fā)送給電芯熱質(zhì)量塊模型。另外傳熱模型還考慮冷卻液對流換熱，以及箱體與空氣的對流換熱。

鋰離子動力電池在正常的充電或放電過程中，電芯內(nèi)將會都會發(fā)生許多的化學(xué)反應(yīng)，因此這個過程將會伴隨著大量的熱量的產(chǎn)生。在1985 年，Bernardi 等人根據(jù)對鋰離子電池的研究，提出了一項假設(shè)鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻，然后根據(jù)這個假設(shè)得出了電池發(fā)熱功率的計算公式，并且這個公式在目前階段被廣泛的運用在鋰離子電池生熱的計算中，其表達式為：

鋰離子電池在正常的充電或者放電過程中，將會伴隨著大量的熱量的產(chǎn)生，可以將混合的熱量忽略，因此Bernardi模型可以簡化為：

李慧芳等人的研究結(jié)果顯示，在對鋰離子動力電池進行充電或放電過程中，其中絕大部分的熱量來自可逆熱和不可逆熱，模擬計算的溫度與實驗測試的溫度的十分接近，都處在正常合理的范圍內(nèi)。因此鋰離子電池在正常充電或者放電條件下，計算鋰離子電池發(fā)熱功率可以直接采用簡化的模型。

鋰離子電池組具有較差的散熱性，我們平時在對電芯進行溫度檢測時候只能獲取電芯表面的溫度，電池內(nèi)部的溫度狀態(tài)（也稱熱狀態(tài)）無法真實的反饋出來。因此，需要借助高效的數(shù)學(xué)計算模型，通過設(shè)計好的數(shù)學(xué)模型不僅能夠?qū)︿囯x子電池內(nèi)部熱場進行有效計算，而且還可以對鋰離子電池內(nèi)部的溫度進行預(yù)測，這是電池Pack 系統(tǒng)中熱管理設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

對于動力電池Pack 系統(tǒng)來說，要想準(zhǔn)確的知道電池內(nèi)部溫度場情況，可以通過以下公式進行計算：其中生熱率可以通過專門的量熱計能夠獲取。

上式中，我們將電芯的溫度記為；將電芯的密度記為；將鋰離子電池比熱記為；將鋰離子電池在方向上的導(dǎo)熱率記為；將鋰離子電池在方向上的導(dǎo)熱率記為；將鋰離子電池在方向上的導(dǎo)熱率記為；將鋰離子電池在單位體積生熱速率記為。

4.2 電池包熱管理系統(tǒng)仿真

本節(jié)主要闡述電池PACK 系統(tǒng)熱管理流場仿真模型與溫度場仿真模型的搭建，對仿真模型進行校核，對電池PACK 系統(tǒng)熱管理設(shè)計效果進行測試驗證，并給出測試結(jié)果。

入口流量15L/min壓降結(jié)果（流場仿真），如圖2：入口流量15L/min、壓降21.7kpa。

圖2 入口流量15L/min、壓降21.7kpa

首先對電池包系統(tǒng)進行熱仿真-工況輸入，表1 為電池PACK 系統(tǒng)方案及測試條件。

表1 電池PACK系統(tǒng)方案及測試條件

然后對電池包PACK 系統(tǒng)進行熱仿真（溫度場仿真），仿真結(jié)果如下圖3。

圖3 溫度場仿真結(jié)果

工況輸入：

環(huán)境溫度：45℃

電芯初始溫度：45℃

電池包充電電流：1.1C

入口冷卻液流量：15L/min

入口冷卻液溫度：20℃

仿真輸出：

3200S 仿真結(jié)果：

電池包最高溫度：36.8℃

BMS 最大溫差：4.2℃

入口出口溫差：2.5℃

得出結(jié)論：

（1）15L/min 時，壓降為21.7Kpa，小于25Kpa，滿足整車流阻設(shè)計要求。（2）通過不斷的優(yōu)化，流量均勻性得到很大的提高，水冷系統(tǒng)無流動死區(qū)，水冷系統(tǒng)滿足流量均勻性熱管理設(shè)計要求。（3）水冷板容積約4.30L、溫度場仿真結(jié)果滿足熱管理設(shè)計要求。

4.3 電池包熱管理系統(tǒng)測試驗證

測試條件：對電池包系統(tǒng)進行低溫-20℃加熱，電池包密封環(huán)境，溫箱溫度-20℃，冷卻液入口溫度30℃（實際平均溫度20℃），流量為15L/min。其中圖4 為最高溫度與最低溫度的曲線，圖5為電池包最大溫差的曲線。

圖4 電池包最高與最低溫度曲線

圖5 電池包最大溫差曲線

結(jié)論：a、電池包整體的最高溫度和最低溫度變化趨勢一致，從-20℃升溫至5℃，用時36min。滿足熱管理設(shè)計要求。

b、整個加熱過程最大溫差為5.4℃，滿足熱管理設(shè)計要求。

5 電池包系統(tǒng)熱管理控制策略設(shè)計

熱管理策略制定方法：根據(jù)電芯的功率map 特性，鋰電池在溫度為15℃-35℃時充放電的功率最高（即充放電能力最強），超過或低于這個區(qū)間功率會越來越低，直至無法充放電。因此，在整車運行工況下，基于電芯的功率map 和電池包采樣點的電芯溫度來進行合理的策略制定，對電池包采樣點電芯的溫度的判定，實現(xiàn)不同工況模式下水泵流量及水溫的控制，從而確保電芯溫度維持在指定溫度區(qū)間內(nèi)。

表2 為基于電芯的功率map 及電芯的溫度制定的電池系統(tǒng)熱管理控制策略。該策略包含三種模式：慢充模式、快充模式和放電模式；其中每種策略又包含2 中工作模式：加熱模式和壓縮機制冷模式；并且每種模式還包含四種運行狀態(tài)：加熱模式開啟和加熱模式關(guān)閉，液冷模式開啟和液冷模式關(guān)閉。放電模式采用的是SOC 的狀態(tài)和電芯溫度確定加熱的開啟條件，采用電芯的溫度來確定關(guān)閉條件；慢充模式采用電芯的溫度確定加熱和冷卻的開啟和關(guān)閉條件；快充模式采用電芯的溫度確定加熱和冷卻的開啟和關(guān)閉條件。

表2 電池包熱管理控制策略

6 結(jié)語

隨著我國新能源汽車的大力發(fā)展，如何提高電池系統(tǒng)的各項使用性能已經(jīng)勢不可擋。目前階段我國對電動汽車技術(shù)的研究應(yīng)當(dāng)重點集中在電池組的性能方面，而電池PACK熱管理系統(tǒng)再搭配合適的控制策略就可以大大提高電池組的性能，這對于提高整車的性能及其能源利用率具有重要的意義。本文采用了技術(shù)仿真模型（流場仿真與溫度仿真）與實驗驗證的方法對電池系統(tǒng)的性能進行分析，制定合理的控制策略得出最優(yōu)的方案。