一種動力電池溫度控制系統的設計

（湖北汽車工業學院 汽車工程學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，十堰 442002）

隨著電動汽車對動力性和經濟性的要求不斷提高，動力電池溫度管理系統需要解決在大電流充放電狀態下的溫度快速攀升問題，保證電池工作在適當的溫度范圍內，減少溫度對動力電池工作狀態的影響。溫度控制方法主要包括PID[1-3]以及改進的PID控制方法[4-6]，神經網絡控制方法[7]等，本文主要利用模糊控制算法控制電池溫度。

文獻[8]將電池溫度作為控制系統的輸入，以冷卻液流速為控制對象，最終達到控制溫度的目的，但由于控制對象單一，控制精度不高，系統魯棒性不好；文獻[9]為了解決單一冷卻方法帶來的遲滯性和超溫現象，提出了一種模糊控制方法，以溫升速率和電池預測溫度控制風機轉速，從而達到溫度控制的目的，但由于電動汽車的電池溫升速率與車輛行駛工況有關，單一的控制對象可能導致電池溫升速率不可求的情況；文獻[10]以電池的輸出電壓為控制系統的輸入，以冷卻液流速為輸出，設計了自適應模糊算法，并對電池在600℃下的穩定情況進行仿真驗證，該算法可以有效控制溫度，但無法使電池工作在合適的溫度范圍內。綜上所述，模糊控制算法可以滿足電池溫度控制的要求，但不同的輸入對溫度控制的效果不一樣，輸入量的選擇需要結合車輛的行駛狀態，且單一的控制對象無法保證電池溫度工作在穩定范圍內。

本文以電池溫度預測模型的預測溫度和電池溫度誤差為輸入量，以風機轉速和電磁閥開度為輸出，設計模糊控制器，協調進風速度和冷卻液流速，達到控制溫度的目的，保證電池工作在30℃附近。

1 電池溫度特性分析

前期研究工作中，已經完成了完整電池箱體與散熱系統的設計，結構如圖1所示。對整體結構、零部件等進行了設計和研究，對關鍵零部件進行了選型設計，設計了并聯式液冷系統和風冷系統，以液冷和風冷對動力電池進行復合冷卻。風冷以風機吹入的空氣為主；液冷與動力電機共用同一套循環主管路以及增壓泵，利用三通電磁閥和比例電磁閥控制冷卻液流速，從而達到冷卻的目的。選擇了KDG4V-3S型號的比例電磁閥；選擇了CDF125-08型號的風機，功率70 W，風量330 m3/h，風壓270 Pa。

圖1 電池組結構Fig.1 Structural of battery pack

本文主要對電池溫度控制系統進行研究，利用模糊控制算法協調控制電磁閥開度和風機轉速從而達到控制動力電池工作溫度的目的。

1.1 產熱分析

鎳氫電池的主要產熱包括化學反應熱、極反應熱、副反應熱以及焦耳熱[11]。通常動力電池為防止由于過充過放給電池壽命和安全帶來的隱患，SOC值必須控制在一定范圍之內，此時副反應熱可以忽略，通常只計算化學反應熱、極反應熱和焦耳熱，減小模型復雜程度。根據電池工作特性可以計算出電池的產熱速率[12]：

式中：I為電池工作電流，放電時為負（A）；R為電池內阻（Ω）

根據文獻[12]研究表明，SOC值在一定范圍內時，電池電阻的變化很小，電阻的大小可以表示為

式中：N為電池單體數量。

1.2 散熱分析

根據前期的結構設計，該系統采用并聯式風冷和液冷復合冷卻，風冷和液冷協調工作。風冷主要調節風機轉速，液冷通過調節進液主管路的電磁閥開度，進而調節冷卻液流速。風冷散熱量表達式為

式中：T為電池表面溫度（℃）；Tgas為冷卻空氣溫度（℃）；Cgas為空氣比熱容（J/kg·K）；u 為進風量（m3/min），由于風機轉速與進風量近似呈線性關系，因此只需控制風機轉速就可控制進風量。

液冷散熱表達式為[13]

式中：TH2O為冷卻液進口溫度（℃）；w為冷卻液流速（kg/min），假定主循環管路中的冷卻液流速一定，只需控制比例電磁閥開度，就可控制冷卻液的流速。

此時電池積累的熱量為

根據熱力學方程：

式中：Cc為電池比熱容（J/kg·K）；mc為電池的質量（kg）。假設電池工作在k時刻，其熱平衡方程可以表示為

整理得：

離散化得：

得到當前時刻的電池溫度為

從式（10）可以看出，電池溫度及其變化率與空氣和冷卻液的進口溫度及其流速有關，且知道初始參數以及空氣和冷卻液的流速就可知道任意時刻的電池溫度。

1.3 冷卻液散熱分析

對于冷卻液，忽略其在流道、水泵以及電磁閥中流動過程的散熱，散熱器的進出口溫度分別為Tin、TH2O，散熱器出口冷卻液溫度也就是進入電池冷卻系統的溫度。散熱器的發熱量為

式中：Aex為散熱面積（m2）；χ為散熱系數；T0為空氣溫度（℃）；為散熱器表面溫度（℃），其大小為（Tin+TH2O）/2。

散熱其平衡方程為

根據文獻[14]，式（12）可以簡化為

2 基于Fuzzy的溫度協調控制系統

為了保證電池工作在合理的溫度范圍之內，設定電池的合理工作溫度區間，最優溫度值為30℃。本文通過協調控制進液管電磁閥開度和風扇轉速，調節冷卻液流速和冷卻風流速，達到控制電池組箱體溫度的目的，因此假定冷卻風的溫度恒定。電池溫度模型根據初始參數計算出當前狀態下的電池溫度，與理想的電池工作溫度進行對比，溫度誤差及電池生熱速率作為模糊控制器的輸入，以風機轉速和電磁閥開度作為輸出，控制風速和冷卻液流速，控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程Fig.2 Control flow chart

模糊控制器的輸入溫度誤差值的論域設定為（0，60），將其劃分為 7個模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）； 生熱速率模糊論域設定為（-12，12），將其劃分為 7個模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）。模糊控制器的輸出風機轉速的論域設定為（0，3000），將其劃分為 7個模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）；電磁閥開度為（0，100%），將其劃分為 7個模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）。

利用Matlab的模糊控制器工具箱建立隸屬度函數，輸入輸出的隸屬度函數如圖3、圖4所示，模糊控制規則如表1、表2所示。

圖3 輸入隸屬度函數Fig.3 Input membership function

圖4 輸出隸屬度函數Fig.4 Output membership function

表1 電磁閥開度模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy control rule for solenoid valve opening

表2 風機轉速模糊控制規則表Tab.2 Fuzzy control rule of fan speed

3 仿真與試驗

在Matlab/Simulink中搭建電池溫度模型，結合所設計的模糊控制器進行仿真，部分仿真數據如表3所示。

表3 部分仿真數據Tab.3 Partial simulation data

仿真時間為3000 s，仿真模型的輸入量為電池電流，其為電池溫度控制模型的主要干擾量，初始狀態下電池電流為40A；冷卻風的初始溫度為30℃；電池的初始化溫度為30℃。輸入電流的變化如圖5所示。

圖5 電池電流Fig.5 Battery current

在模糊控制器下，電磁閥的開度和風機轉速如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出電流為穩態下，電磁閥開度和風機轉速基本維持不變，大小分別為20.2%和520 r/min。隨著電流的波動，電磁閥開度和風機轉速也可以有效跟蹤電流變化。

圖6 電磁閥開度Fig.6 Solenoid valve opening

圖7 風機轉速Fig.7 Fan speed

隨著電流的變化，模糊控制器有效調節電磁閥開度和風機轉速，從而調節進液量和進空氣量，電池溫度如圖8所示。圖8可以看出電池溫度隨著電流的變化而變化，但在模糊控制器的調解下可以有效控制在一定范圍內，電池溫度誤差0.37%。

圖8 電池溫度Fig.8 Battery temperature

仿真說明，所設計的模糊控制器是可以滿足電池溫度控制的要求。根據所設計的電池溫度控制系統，設計溫度采集電路、電機控制電路以及電磁閥控制電路[15]，溫度傳感器選擇JCJ100TTP，對溫度進行采集；1602LCD顯示溫度、風機轉速比以及電磁閥開度；采用脈寬調制（PWM）控制風機轉速。所設計的總體電路如圖9所示。

對所設計的程序進行編譯，導入單片機中并進行調試，最終實物如圖10所示。

圖9 控制器電路Fig.9 Circuit diagram of controller

圖10 控制板實物圖Fig.10 Picture of control board

4 結語

本文主要針對動力電池的復合冷卻式溫度控制系統進行研究。①對動力電池溫度特性進行分析，建立了電池產熱模型，對空冷和液冷進行了熱分析，建立了散熱模型，對冷卻液在散熱器中的散熱過程建立了數學模型；②以電池產熱速率和溫度差為輸入，以風機轉速和電磁閥開度為輸出，設計模糊控制器，協調控制進風量和冷卻液流速；③通過仿真驗證，證明了所設計的溫度控制系統的可行性。根據所設計的控制系統設計了顯示電路、溫度采集電路、電機轉速控制電路、電磁閥控制電路等，完成電路板制作。后期將把所設計的控制系統與前期設計的結構聯合使用并試驗最終效果。