電池熱管理試驗平臺的開發與研究

吳 兵，唐 豪

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引 言

隨著全球汽車保有量的上升，傳統燃油汽車帶來的能源短缺、環境污染等問題成為亟待解決的問題[1-3]。 面對這一嚴峻的現狀，全球各個國家都紛紛將汽車發展方向轉變到新能源汽車領域，而其中純電動汽車更是目前研究的熱點[4-5]。作為純電動汽車的重要部件，動力電池的性能指標直接關系到純電動汽車整體的性能，而溫度是影響電池性能指標的關鍵因素之一。 過高的電池工作溫度和電池單體溫差會導致電池加速老化，甚至還會引發熱失控；過低的電池工作溫度會使電池內阻增大，電化學反應受阻，導致電池充放電效率下降，導致電池使用壽命下降[6-7]。 因此，設計高效的電池熱管理系統[8-12]具有非常重要的意義。

本文以某車型電池熱管理系統試驗臺架為研究對象，并基于其設計了一套電池熱管理試驗平臺，以供研究者進行試驗研究和仿真研究，其中電池熱管理試驗平臺由硬件系統、軟件系統和仿真系統等三個部分組成。

1 電池熱管理試驗平臺

試驗研究和仿真研究是研究電池熱管理系統的重要手段，本文針對如圖1 所示的某車型電池熱管理系統試驗臺架進行電池熱管理試驗平臺的開發與研究。 基于所設計的電池熱管理試驗平臺，研究者可以進行電池熱管理系統的性能研究以及控制策略研究。

圖1 某車型電池熱管理系統試驗臺架

本文所設計的電池熱管理試驗平臺原理圖如圖2 所示，從圖中可以看出該電池熱管理試驗平臺主要由三個重要部分組成，分別是硬件系統、軟件系統以及仿真系統。 其中試驗平臺硬件系統主要由電池熱管理系統試驗臺架、動力電池、測控設備、供電設備以及充放電設備等硬件組成，是試驗平臺實際使用的硬件設備；試驗平臺軟件系統是基于LabVIEW 軟件開發的上位機，其功能是對試驗平臺進行測控管理；試驗平臺仿真系統是基于AMESim軟件開發的仿真模型，其功能是研究電池熱管理系統控制策略。

圖2 電池熱管理試驗平臺原理圖

本文所設計的電池熱管理試驗平臺如圖3 所示，該圖展示了試驗平臺實際所使用的實物以及對應實物之間的相互關系。 電池熱管理試驗平臺實物圖中的實物1 是電腦，用于開發電池熱管理試驗平臺軟件系統以及仿真系統；實物2 是CAN解析儀，用于實時向壓縮機發送控制信號以及采集壓縮機狀態信號；實物3 是數據采集卡，用于實時采集溫度傳感器傳來的溫度信號以及向風扇與水泵發送PWM控制信號；實物4 是Pt100 溫度變送器，用于將溫度傳感器采集的弱信號轉換為數據采集卡可以識別的電信號；實物5 是Pt100 溫度傳感器，用于測量電池溫度以及電池進出水溫度；實物6 是供電設備，用于向電池熱管理系統供電；實物7 是電池熱管理系統，用于對電池組進行溫度調節；實物8 是電池組，是電池熱管理系統的管理對象；實物9 是電池充放電設備，用于對電池組進行充放電。

圖3 電池熱管理試驗平臺實物圖

相比于其他研究者設計的電池熱管理試驗平臺，本文所設計的電池熱管理試驗平臺除了可以進行基本的試驗研究外，還可以進行控制策略研究，因此具有重要的研究意義。

2 電池熱管理試驗平臺軟件系統

電池熱管理試驗平臺軟件系統由LabVIEW軟件進行開發，軟件系統包括登錄界面和主界面，其中主界面由傳感器標定界面、模型驗證界面、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入軟件系統主界面。

圖4 登錄界面

2.2 傳感器標定界面

傳感器標定界面如圖5 所示，該界面是用戶對硬件系統中使用的溫度傳感器進行標定的功能界面，用戶在進行試驗之前，需利用該界面對試驗平臺使用的溫度傳感器進行標定。 該功能界面設計的基本原理是基于Pt100 溫度傳感器自身的特性，即Pt100 溫度傳感器實際測量的溫度與被測對象的真實溫度呈線性關系。

圖5 傳感器標定界面

2.3 模型驗證界面

模型驗證界面如圖6 所示，該界面是用戶用來驗證試驗平臺仿真模型與實際的電池熱管理系統是否相匹配的功能界面。 該功能界面的基本原理如下：在保證試驗條件和仿真條件基本相同的情況下，取不同壓縮機轉速進行仿真及試驗，通過比較仿真及試驗結束電池進出水溫度以及電池平均溫度的誤差來驗證所搭建的仿真模型與實際的電池熱管理系統是否匹配。

圖6 模型驗證界面

2.4 控制界面

控制界面如圖7 所示，該界面是試驗平臺軟件系統的核心功能。 借助該功能界面，用戶可以按照實際需求實時手動切換控制試驗臺架中的目標控制對象，或應用基礎的控制策略協調控制試驗臺架中的目標控制對象，其中目標控制對象包括風扇、水泵以及壓縮機。

圖7 控制界面

3 電池熱管理試驗平臺仿真系統

電池熱管理試驗平臺仿真系統由AMESim軟件進行開發，其中仿真系統所使用的控制策略由Simulink 軟件開發。

3.1 試驗平臺仿真模型

基于AMESim軟件開發的電池熱管理試驗平臺仿真模型如圖8 所示，該模型由壓縮機、冷凝器、電池冷卻器、膨脹閥、風扇、水泵、動力電池以及控制策略聯仿接口等重要部件組成，能夠有效地反應真實的電池熱管理系統運行狀況。

圖8 電池熱管理試驗平臺仿真模型

3.2 試驗平臺仿真模型驗證

借助上述搭建的試驗平臺仿真模型進行仿真，借助上述設計的試驗平臺軟件系統進行試驗，設定水泵轉速為3000 r/min，設定風扇轉速為2000 r/min，選取壓縮機轉速作為研究變量，分別取1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min、5000 r/min 進行仿真及試驗。 仿真及試驗結束，對動力電池進出水溫度以及電池平均溫度進行對比，最終得到的對比結果如圖9 所示。 經計算，三組參數的最大誤差率約為4.5%，這表明上述搭建的仿真模型與實際的臺架非常接近。

圖9 模型驗證結果

3.3 試驗平臺控制策略研究

本研究的電池熱管理系統中，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轉速影響，是有效控制電池溫度的關鍵因素；冷卻液流速主要受水泵轉速的影響，是影響電池溫度均勻性的關鍵因素。此外，在本文仿真系統中，動力電池通過生熱均勻的質量塊來等效替代，無需研究電池均溫性。 基于上述分析，本文最終選擇壓縮機轉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行研究。 電池熱管理系統其余控制變量控制策略如下：水泵轉速始終控制為3000 r/min，風扇轉速采用開關式控制，其控制策略如表1 所示。

表1 風扇轉速控制策略

3.3.1 控制策略開啟及關閉閾值設計

考慮到壓縮機不能頻繁啟停，以及連續運轉時間不能太短的自身特性條件限制，結合動力電池最佳工作溫度，最終設定控制策略開啟閾值為38℃，設定控制策略關閉閾值為35℃，即當電池組平均溫度大于38℃時，電池熱管理系統開始按照控制策略對壓縮機轉速進行控制，當電池組平均溫度小于35℃時，電池熱管理系統停止按照控制策略對壓縮機轉速進行控制，壓縮機停止運轉。

3.3.2 控制策略設計

在工程應用中，最受開發者認可的控制器控制規律為比例、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為對應控制過程的控制系數。

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，選擇壓縮機轉速作為PID控制器的輸出量，考慮壓縮機最低轉速限制，設計了如圖10 所示的電池熱管理系統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式控制，具體的閾值控制策略見表3。

圖10 電池熱管理系統PID控制框圖

表2 PID控制策略

表3 閾值控制策略

3.3.3 控制策略結果分析

將上述設計的兩組控制策略應用于圖8 所示的電池熱管理試驗平臺仿真模型中，最終得到如圖11 所示的仿真結果。 從圖11 中可以看出，兩組控制策略均能在一定時間內將電池溫度調節在目標溫度區間附近（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能耗。

圖11 控制策略仿真結果

表4 控制策略壓縮機能耗

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能耗。 因此，本文最終選擇PID控制策略為當前的電池熱管理試驗平臺控制策略。 PID控制策略并不是最優的控制策略，更高級的控制策略將在之后基于該仿真模型進行進一步的研究。

4 結 語

基于某車型電池熱管理系統試驗臺架進行試驗平臺的開發與研究，所設計的電池熱管理系統試驗平臺包括硬件系統、軟件系統、仿真系統三個部分，其中硬件系統和軟件系統用于對試驗平臺中重要研究變量進行采集和控制，仿真系統用于對電池熱管理系統控制策略進行研究。 此外，本文在電池熱管理試驗平臺控制策略研究中發現，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能耗，是較好的控制策略。