電池系統熱管理控制策略與能耗評估研究

江 豐，閻明瀚，閆仕偉，劉華俊，徐宇虹，江吉兵

（惠州億緯鋰能股份有限公司，廣東 惠州 516000）

前言

鋰電池具有能量密度高、比功率大、質量輕、自放電率低、可回收性好、循環壽命長等優點，被認為是目前最適合的蓄電儲能裝置[1-2]。鋰電池易受溫度影響，在溫度范圍 30～40 ℃時，鋰離子電池溫度每升高1 ℃，其使用壽命將縮短60 d[3]。由于在低溫時其活性會迅速降低并失去部分電量，高溫時生熱加劇且容易引發安全隱患等，因此 BTMS 的性能是制約當前鋰離子電池性能發揮的關鍵因素。因此，為了讓動力電池能安全穩定地為電動汽車提供源源不斷的動力，針對電池組的熱管理系統的建立與研究就顯得十分重要[4]。如果新能源汽車能夠使用電池熱管理系統（BTMS）來對電池組的溫度進行控制，就可以提高整車的性能。如果希望電池熱管理系統能夠充分改善電池組性能，就需要特定的系統指標或控制策略等。

對于一套完整的熱管理系統，行之有效的控制策略能夠保證在不同的行車工況下，壓縮機、風扇等耗功零件工作在低轉速范圍內的情況下就使電池等關鍵部件工作在合適的溫度范圍，對于提高整車的能量利用效率具有重要意義。

1 研究方法

本文研究方法主要是基于驗證的仿真模型進行能耗與策略評估，基于一維仿真平臺進行能耗評估與熱管理策略優化，如圖1 所示。主要研究內容包括：熱管理策略的制定，電池系統熱管理仿真模型的搭建，仿真模型的校核與驗證，能耗評估與策略優化。

圖1 研究方法與技術路線

研究所采用的電池系統平臺為某司的一款電池包產品，如圖2 所示。

圖2 電池系統平臺

2 熱管理策略制定

熱管理策略制定方法：在整車運行工況下，基于監控點的電芯溫度（包括最高和最低溫度）進行策略制定，基于對電芯的溫度的判定實現水泵流量及水溫的控制，從而確保電芯溫度維持在目標溫度區間。

表1 為基于電芯最高溫度和最低溫度制定的電池系統熱管理控制策略。該策略包含三種模式：慢充模式、快充模式和放電模式；包含四種運行狀態：加熱的開啟和關閉，液冷的開啟和關閉。采用電芯最低溫度確定加熱的開啟和關閉條件，采用電芯最高溫度確定冷卻的開啟和關閉條件。

表1 電池系統熱管理控制策略 單位：℃

3 仿真模型搭建與校核驗證

本節主要闡述電池系統熱管理仿真模型的搭建，以及仿真模型的校核和測試驗證結果。

3.1 電池系統熱管理仿真模型搭建

搭建一維電池熱管理系統仿真模型，采用實際的路譜工況數據，進行能耗的評估。電池熱管理系統仿真模型包含：電芯單體模型、電池系統傳熱模型、熱管理控制策略模型、能耗模型。

3.1.1 電芯單體模型

本次研究搭建的電芯單體模型，是基于等效電路模型[5]，可表征電芯的產熱特性和電路特性。

等效電路模型中的相關參數可以利用HPPC 測試數據進行辨識。本次研究對該電池系統的電芯單體進行HPPC 測試，測試溫度有10 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃，基于以上測試數據搭建該電芯單體模型（圖3），搭建完成后仿真模型與測試結果對比如圖4 所示。

圖3 電芯等效電路示意圖

圖4 電芯單體仿真與測試電壓對比

3.1.2 電池系統傳熱模型

電池系統熱管理傳熱模型包含：系統壓損模型、模組與冷板傳熱模型。

冷卻系統采用口琴管方式，是由4 個大冷板和1 個小冷板并聯組成（如圖5），系統壓損模型的搭建思路為三維仿真計算大冷板和小冷板流阻曲線（如圖6），在一維仿真模型中直接采用壓損件代替冷板，并將冷板流阻數據代入一維仿真的壓損件。

圖5 大冷板和小冷板示意圖

圖6 不同流量下冷板壓損

模組與冷板傳熱模型采用熱質量塊模型，以模組為單位進行離散，并與電芯單體產熱模型相關聯。電芯熱質量塊模型計算的溫度發送給電芯單體模型，電芯單體計算的發熱功率發送給電芯熱質量塊模型。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。

3.1.3 熱管理控制策略模型

基于第一節制定的熱管理策略，搭建熱管理控制策略仿真模型。以電芯最高溫度、最低溫度和運行模式作為輸入條件，根據制冷/制熱的開啟/關閉時機，確定其開啟/關閉輸出。

3.1.4 能耗模型

電池熱管理系統能耗主要體現在：（1）水泵能耗；（2）空調系統能耗。能耗模型需幾何整車冷卻系統，包含空調系統、水泵等。

3.2 電池系統熱管理仿真模型校核

仿真模型校核：電池熱管理系統仿真模型搭建完成后，為保證仿真模型計算的可靠性，需首先進行模型校核，校核關鍵點有系統壓損模型、箱體與空氣的對流換熱、冷板與模組間的傳導熱阻。

3.2.1 系統壓損校核

系統壓損模型校核：可以基于系統壓損測試進行校核。測試條件為：入口流量15 L/min，溫度17.5 ℃，系統壓損測試結果為36.26 kPa，仿真模型計算的結果為36.23 kPa。

3.2.2 箱體與空氣的對流換熱校核

箱體與空氣的對流換熱校核分析：可以基于系統保溫測試進行。系統保溫測試的一般做法是，電池系統在不工作的條件下，電池系統具有一個較高的初始溫度，與環境溫度存在較大的溫差，然后獲取電芯溫度隨時間變化的情況；該結果主要表征了箱體與空氣的對流換熱情況，同時排除其他因素的干擾，適合箱體與空氣對流換熱的標定。

將測試中小冷板對應的兩個模組的平均溫度（T_x）和剩余模組的平均溫度（T_d）作為仿真校核的目標參數。保溫測試條件為：電池系統初始溫度T_x=24 ℃、T_d=25.48 ℃，環境溫度=?30 ℃，保溫4 h。仿真工況與測試條件保持一致。仿真與測試結果對比如圖7 所示，兩者溫度變化趨勢基本一致；測試過程最大溫差為12.44 ℃，仿真過程最大溫差為11.24 ℃，相差1.2 ℃。所以，箱體與空氣的對流換熱設定滿足精度要求。

圖7 保溫工況下模組平均溫度變化曲線

3.2.3 冷板與模組間的傳導熱阻校核

冷板與模組間傳導熱阻校核可以基于低溫加熱工況進行。此處所述低溫加熱工況是指，電池系統在不工作的條件下，電池系統具有較低的初始溫度，熱管理系統對其進行加熱，然后獲取電芯溫度隨時間變化的情況；該結果主要表征了冷板與模組間的換熱情況，同時減少其它因素的干擾，適合冷板與模組間傳導熱阻校核。

冷板與模組間熱阻傳導校核的測試工況為：電池系統初始溫度T_max=?18 ℃、T_min=?19 ℃，冷卻液入口流量=14.4 L/min、入口溫度=43.63 ℃；仿真工況為：電池系統初始溫度=?18.5 ℃，冷卻液入口流量=14.4 L/min、入口溫度=43.63 ℃。選取測試中的電芯最高溫度（T_max）和最低溫度（T_min）作為校核的目標參數。仿真結果與測試結果對比如圖8 所示，仿真與測試結果趨勢基本一致，仿真結果平均溫度與測試結果平均溫度最大偏差1.21 ℃，主要是受測試最低溫度影響，偏差可以接受。模組與冷板間的傳導換熱熱阻設定滿足精度要求。

圖8 加熱工況下模組平均溫度變化曲線

3.3 電池系統熱管理仿真模型測試驗證

為驗證搭建的電池系統熱管理仿真模型在計算充放電工況下的準確性，本小節對其進行測試驗證。

為更全面的反應電池熱管理系統仿真模型準確性，測試內容須能代表熱管理系統關鍵的傳熱、產熱特性。因此對測試提出三點要求：（1）測試需能代表電芯在產熱時對電芯溫度的影響；（2）測試須能代表冷卻系統對電芯溫度的影響；（3）測試須能代表環境溫度對電芯溫度的影響。

基于測試要求，對測試工況進行調整。最終測試工況如下：環境溫度=40 ℃，電池系統初始溫度T_max=42 ℃、T_min=38 ℃，冷卻液入口溫度=18.3 ℃，運行時流量為14.4 L/min；測試過程中電池系統進行充放電，具體充放電電流如圖14 所示；測試過程中冷卻系統至少運行一段時間，具體流量變化如圖9 所示。

基于測試工況，處理仿真模型邊界。從圖9 中可以看出，冷卻系統流量為0 時，期間仿真-T_max（電池系統最高溫度）和仿真-T_min（電池系統最低溫度）逐漸增大，在測試-T_max（電池系統最高溫度）和測試-T_min（電池系統最低溫度）之間，溫升速率與測試結果基本一致，說明仿真模型在電芯產熱時的自然散熱計算結果與測試結果基本一致。冷卻系統工作時，仿真結果的最高最低溫度處于測試結果的最高最低溫度之間，溫度變化趨勢與測試結果一致，說明仿真模型在電芯產熱時的液冷散熱計算結果與測試結果較一致。

從仿真與測試結果的對比可以看出，本次研究所搭建的電池熱管理系統仿真模型精度可靠，可以用來進行接下來的能耗評估和策略評價。

4 能耗評估與策略評價

最后基于驗證的仿真模型進行能耗評估與策略評價：相同工況下，從熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個維度對熱管理策略進行對比；采用加權綜合評價法[6]對比不同策略的優劣；主要優化參數有流量和目標水溫。

4.1 運行工況

基于整車實際運行工況，才能更加直接地反映熱管理的能耗。圖10 為某地區單日內實際運行工況的功率輸出數據。

圖10 整車實際運行功率

4.2 不同冷卻液入口溫度對能耗的影響

為研究不同冷卻液入口溫度對能耗的影響，設置不同控制水溫，進行仿真分析。不同控制水溫方案：入口控制水溫=10 ℃，作為C1；入口控制水溫=15 ℃，作為C2；入口控制水溫=20 ℃，作為C3；入口控制水溫=25 ℃，作為C4；仿真工況為：環境溫度40 ℃，流量14 L/min，運行工況如圖10 示。

圖11 為不同控制水溫方案下電芯最高溫度變化曲線；可以看出隨著水溫的升高，電芯最高溫度溫降速率越來越慢。圖12 為不同控制水溫方案的熱管理能耗仿真對比結果，所述熱管理能耗是指電池系統用于熱管理相關部件能耗總和，這里主要包括空調和水泵的能耗。從圖11 可以看出，隨著控制水溫的增大，熱管理能耗呈先降低后增大的趨勢；根據該趨勢，熱管理能耗應該存在一個最低值；可預計熱管理能耗最低時，控制水溫在18 ℃左右。仿真結果分析表明，熱管理能耗與控制水溫并不是簡單的線性關系，受水泵運行時間的影響，控制水溫過高時，熱管理能耗也會增加；其中主要原因是：控制水溫較高時，與電芯本體建立的溫差較小，導致散熱效率很低。所以，在熱管理控制策略設計時，控制水溫過高或者過低都會導致熱管理能耗的增加，控制水溫存在最優解。

圖11 不同控制水溫方案電芯最高溫度仿真對比

圖12 不同控制水溫方案熱管理能耗仿真對比

4.3 不同冷卻液流量對能耗的影響

為研究不同冷卻液入口流量對能耗的影響，設置不同控制流量，進行仿真分析。不同控制流量方案：入口控制流量=5.6 L/min，作為F1；入口控制流量=9.5 L/min，作為F2；入口控制流量=14 L/min，作為F3；入口控制流量=18.7 L/min，作為F4；仿真工況為：環境溫度40 ℃，入口水溫18 ℃，運行工況如圖10 所示。

圖13 為不同控制流量方案下電芯最高溫度變化曲線；總體相差不明顯。圖14 為不同控制流量方案的熱管理能耗仿真對比結果。從圖14 可以看出，隨著控制流量的增大，熱管理能耗呈增大的趨勢；而且，F2、F3 和F4 方案電芯最高溫度變化曲線差異不大（如圖）。仿真結果分析表明，在一定范圍內，熱管理能耗隨流量的增大而增大，其中主要原因是：流量越大，水泵運行消耗的能量就越大。但是，不能單純的依靠能耗來確定流量的大小，流量的大小還會影響系統溫差等性能。

圖13 不同控制流量方案電芯最高溫度仿真對比

圖14 不同控制流量方案熱管理能耗仿真對比

4.4 策略評價

采用加權綜合評價法對不同控制水溫方案進行評價，評價指標有熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個維度，以此判斷策略的優劣。

評價方案有不同冷卻液溫度方案：C1、C2、C3 和C4；另外，4.3 小節中的F3 方案的流量與C1、C2、C3 和C4 相同，其冷卻液入口溫度為18 ℃，可以一起進行評價。

表2 為各方案不同評價指標仿真結果，從表中可以看出F3 方案熱管理能耗最低，C3 方案恒溫占比最高，C1 方案溫降速率最快。

表2 各方案不同評價指標仿真結果

表3 為各方案不同評價指標的評價值，評價值計算方法：熱管理能耗各方案最高值對應的評價值為0.6，最低值對應的評價值為0.9；恒溫占比、溫降速率各方案最低值對應的評價值為0.6，最高值對應的評價值為0.9。其他方案的評價值根據線性計算的方法（如各指標最高值和最低值對應的平均值為0.75），計算各方案評價值。

表3 各方案不同評價指標評價值

綜合評價中各指標權重占比為：熱管理能耗、恒溫占比和溫降速率為0.2、0.5 和0.3，基于此各方案的綜合評價值計算結果如表4 所示。從表中可以看出，C2 方案綜合評價值最高，該方案控制水溫為20 ℃。

表4 各方案綜合評價值

5 總結

電池熱管理系統能夠充分改善電池組性能，同樣需要搭配特定控制策略，合適的控制策略對于提高整車的能量利用效率具有重要意義。本文基于驗證的仿真模型進行能耗與策略評估。結果表明控制水溫過高或者過低都會導致熱管理能耗的增加，控制水溫存在最優解；控制流量在一定范圍內，熱管理能耗隨流量的增大而增大。另外，本文基于熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個性能指標，采用加權綜合評價法評價不同水溫策略的優劣；針對本文研究的熱管理系統，不同水溫策略方案對比表明控制水溫為20 ℃時，其綜合性能評價值最高。