基于一維仿真電池熱管理控制策略的研究方法

摘 要：文章通過建立標準的熱管理控制策略標定流程，配合整車熱管理控制策略實現(xiàn)能耗最低化及電池系統(tǒng)溫度控制最優(yōu)化。文主要根據(jù)電池熱管理系統(tǒng)零部件參數(shù)及電芯連接狀態(tài)、熱物性參數(shù)、電芯內(nèi)阻表格、不同環(huán)境溫度充放電表格，建立電池熱管理系統(tǒng)一維仿真模型，該模型主要包含動力電池模塊、冷板流道及導(dǎo)熱墊模塊、策略控制模塊、充電模塊、放電模塊，通過模型校準工況對一維模型進行校準，得到校準模型進行熱管理控制策略標定，通過標定工況輸出低溫加熱及高溫冷卻熱管理控制策略，通過連續(xù)工況最后驗證熱管理控制策略的精度，精度滿足設(shè)計要求并輸出熱管理控制策略到BMS進行整車熱管理驗證。

關(guān)鍵詞：熱管理控制策略 熱管理標定 一維模型

0 引言

熱管理控制策略優(yōu)劣直接決定電池系統(tǒng)充電性能、放電功率性能、電池系統(tǒng)能耗、電池系統(tǒng)壽命、電池系統(tǒng)安全性[1-2]，因此在熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計完成基礎(chǔ)上，熱管理控制策略優(yōu)化起到至關(guān)重要的作用，同時熱管理加熱及冷卻性能又與能耗呈現(xiàn)矛盾趨勢，電池熱管理系統(tǒng)可控變量包含入水口溫度、入水口流量、開啟關(guān)閉閾值[3]，策略制定需要參考的變量包含電芯充放電電流、電芯最高溫度、環(huán)境溫度、電芯溫升速率，因此最優(yōu)控制策略制定需要大量標定試驗來確定最終策略，基于一維仿真熱管理控制策略標定可代替試驗來確定最終策略，節(jié)省開發(fā)資源，縮短開發(fā)周期。

1 熱管理系統(tǒng)控制策略介紹

電池熱管理控制策略是作為電池熱管理系統(tǒng)核心，控制策略的優(yōu)劣直接影響電芯的循環(huán)壽命[4]及單次工況的行駛里程，目前主流整車廠家采用的制冷熱管理控制策略如下表所示。

原熱管理控制策略不能根據(jù)電芯的充放電狀態(tài)調(diào)整入水口溫度及流量，存在充電電流較小時、平緩行車制冷能耗較大問題。

2 電池熱管理系統(tǒng)一維模型建立

2.1 電池系統(tǒng)一維仿真流程

如下所示為熱管理控制策略仿真標定分析流程，1D仿真分析流程分為材料參數(shù)獲取、模型建立、模型校準、熱管理控制策略標定、熱管理控制策略驗證、結(jié)果輸出六個步驟。項目開發(fā)過程中嚴格遵守仿真開發(fā)流程，對于統(tǒng)一標定流程、提高標定精度有指導(dǎo)意義。

2.2 一維模型參數(shù)設(shè)置

材料參數(shù)在模型仿真分析中起到至關(guān)重要的作用，在仿真模型建立前需要獲得準確的電池系統(tǒng)中對熱性能起到影響作用的材料物性參數(shù)，各參數(shù)測試方法需嚴格按照國家標準或行業(yè)標準執(zhí)行。下表2詳細列出了仿真標定過程中需要確定的材料參數(shù)。電池系統(tǒng)內(nèi)8ca2da8ddd8fd2356f98e37a00f31483部材料組成復(fù)雜，存在大量金屬及非金屬材料，對系統(tǒng)熱場影響較大，因需要對材料屬性進行詳細測試，并得到精確結(jié)果。

2.3 一維模型搭建

整體能耗計算模型如下：

Qtotal=Qpumpl+Qcooll

通過以上公式，建立能耗模型，在分析每個運行工況下電池液冷系統(tǒng)能耗，液冷系統(tǒng)能耗作為評判液冷系統(tǒng)性能優(yōu)劣的指標，最終轉(zhuǎn)換成電動車行駛里程指標，該模型包含策略分析所需所有模塊，可進行充放電連續(xù)工況進行仿真。

3 一維模型校準

3.1 電池系統(tǒng)發(fā)熱量校準

通過校準試驗進行試驗結(jié)果與仿真結(jié)果差值，對仿真模型電芯內(nèi)阻參數(shù)進行優(yōu)化，若校準結(jié)果對比精度在5%以內(nèi)，則內(nèi)阻參數(shù)滿足設(shè)計要求。

電池系統(tǒng)發(fā)熱功率校準對系統(tǒng)溫度計算準確性有較大影響，因此在進行正式熱管理控制策略開發(fā)前需進行電池系統(tǒng)發(fā)熱功率標定，且電池系統(tǒng)發(fā)熱功率可根據(jù)充放電電流及電芯溫度進行實時計算。

試驗過程中，不開啟熱管理系統(tǒng)，對電池系統(tǒng)進行恒流充電和者放電，記錄電芯的溫度變化情況，記錄最高及最低兩顆電芯溫度進行標定。電芯發(fā)熱量校準，電芯最高溫度及最低溫度測試結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，滿足標定模型需求，電池系統(tǒng)模型可應(yīng)用于熱管理控制策略標定。

3.2 熱管理系統(tǒng)換熱系數(shù)校準

在電芯發(fā)熱功率標定準確基礎(chǔ)上進行熱管理系統(tǒng)換熱系數(shù)標定。如下表4為換熱系數(shù)標定工況，標定原則為電池系統(tǒng)不進行充放電，對液冷系統(tǒng)換熱系數(shù)進行校準。

通過換熱系數(shù)校準試驗可將模型仿真溫度與測試溫度誤差控制在5%以內(nèi)，校準完成后模型可用于熱管理策略標定。

4 熱管理策略標定

4.1 充電工況入口水溫標定

在開啟關(guān)閉策略標定完成基礎(chǔ)上進行入口水溫標定，入口水溫確定原則電芯溫度達到熱平衡。表5為充標定工況。

在優(yōu)化前熱管理控制策略未考慮充電電流，因此熱管理控制策略存在一定的滯后性，且存在能耗較高的情況。通過不同入口水溫電流遍歷工況仿真，當入水口溫度為20℃時，充電電流為195.48A可達到熱平衡，當入水口溫度為25℃時，充電電流為97.74A可達到熱平衡，因此優(yōu)化后熱管理控制策略考慮充電電流因素，實時判斷電流并進行水溫調(diào)整，最終降低熱管理能耗，得到如表6控制策略。

4.2 放電工況入口水溫標定

放電工況根據(jù)高速行車工況、最高車速工況、US06工況分別進行仿真分析，得到三種工況下電芯溫升速率，根據(jù)溫升速率及電芯最高溫度進行入口水溫控制，得到放電工況熱管理控制策略。根據(jù)放電工況中電芯溫升速率，調(diào)節(jié)入口水溫及流量，較無溫升速率判斷條件的熱管理控制策略控制精度提高，同時響應(yīng)速度提高，解決熱管理滯后的問題，如表7。

5 熱管理控制策略驗證

在得到充電及放電工況優(yōu)化后的熱管理控制策略后，可通過40℃高速行車+快充+高速行車+快充工況進行熱管理控制策略的驗證，并進行優(yōu)化后熱管理控制策略的對比，得到在實際運行工況中熱管理控制能力表現(xiàn)，并能細化能耗的收益。

通過圖4分析可見，新策略與原始策略進行對比，連續(xù)運行工況下新策略能耗可降低26%，總能耗為20×106J，節(jié)省能耗為1.44kWh。在連續(xù)運行工況中電芯最高溫度46℃滿足性能邊界需求。該優(yōu)化熱管理控制策略可滿足性能設(shè)計要求，同時熱管理能耗降低較為明顯，因此可作為整車電池熱管理控制策略。

6 結(jié)論

通過基于建立電池系統(tǒng)一維仿真模型，對熱管理控制策略進行數(shù)值仿真試驗，通過模型校準試驗及驗證試驗，保證一維模型的準確性，標定試驗內(nèi)容可以通過仿真模型數(shù)值試驗代替，節(jié)省大量試驗資源，節(jié)省開發(fā)試驗成本。模型校準結(jié)果精度和連續(xù)工況仿真與試驗結(jié)果對標精度都控制在95%以上；連續(xù)運行工況能耗降低26%，節(jié)能1.44kWh；通過一維仿真模型可替代80個標定試驗，節(jié)省試驗周期40天（2個樣本），節(jié)省試驗費用10.2萬—12萬元。

通過建立基于一維仿真策略標定流程，可作為熱管理開發(fā)過程的重要一環(huán)，在整車開發(fā)過程中可提高工作效率，節(jié)省開發(fā)成本及資源。

參考文獻：

[1]王芳，夏軍，等.電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2017，29-30.

[2]張浩，羅志民，等.電動車動力鋰離子電池水冷系統(tǒng)研究[J].汽車實用技術(shù)，2017，6：47-50.

[3]江豐，閻明瀚，閆仕偉.電池系統(tǒng)熱管理控制策略與能耗評估研究[J].汽車實用技術(shù)，2021，15：9-13.

[4]劉斌.電動車輛動力電池包熱管理控制策略研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.