混合動力汽車動力電池主動熱管理系統(tǒng)設(shè)計

孫志文，朱建新，儲愛華， 周興葉

(1.上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江寧波315000)

混合動力汽車動力電池主動熱管理系統(tǒng)設(shè)計

孫志文1，朱建新1，儲愛華2， 周興葉2

(1.上海交通大學(xué)汽車電子技術(shù)研究所，上海200240；2.浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司，浙江寧波315000)

針對以電池表面溫度作為控制目標(biāo)的常規(guī)熱管理系統(tǒng)，存在散熱滯后、電池內(nèi)部溫升過快以及在較高溫升時輸出功率受到限制的問題，設(shè)計了基于電池內(nèi)部溫度預(yù)測的主動散熱式熱管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以測試的電池表面溫度、電池材料參數(shù)和電池發(fā)熱量作為輸入量，預(yù)測電池內(nèi)部的最高溫度及其傳熱過程，對風(fēng)機進(jìn)行預(yù)控制，實現(xiàn)電池包溫度的平穩(wěn)控制。實驗表明了系統(tǒng)能保證電池工作時溫度變化平緩，處在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)，避免了電池內(nèi)部的累積生熱量導(dǎo)致的電池溫度急劇上升的問題，為混合動力汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計提供了參考。

混合動力汽車；氫鎳電池；熱管理系統(tǒng)

在混合動力汽車運行過程中，電池充放電隨時在進(jìn)行，其過程伴隨著電池的生成熱。電池內(nèi)部的累積熱量越多，電池溫度就越高。溫度是影響動力電池組性能、使用壽命、可靠性的重要因素[1]。當(dāng)電池大功率使用時，產(chǎn)生的熱量較多，會導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，遠(yuǎn)大于電池表面溫度，而電池溫度大慣性、大延遲的特點使電池外表面溫度的變化要滯后一段相當(dāng)長的時間[2]。在以電池表面溫度作為風(fēng)機控制量的常規(guī)冷卻系統(tǒng)中，外表面溫度的緩慢升高常常會使當(dāng)前時刻風(fēng)機的風(fēng)量不足，造成電池溫度持續(xù)上升。電池溫度大慣性、大延遲的特點在常規(guī)控制系統(tǒng)中同樣會造成電池溫度的過度冷卻，這不但增大了風(fēng)機的能量消耗，而且會使電池偏離最優(yōu)的工作范圍。針對這種狀況，研究了基于電池表面溫度、電池發(fā)熱量和傳熱過程的電池內(nèi)部溫度預(yù)測策略，設(shè)計了對風(fēng)機進(jìn)行預(yù)控制的主動熱管理系統(tǒng)，保證電池溫度變化的平緩性，充分發(fā)揮電池的最大動力性能，從而提升混合動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。

圖1 不同溫度下對應(yīng)氫鎳電池使用壽命和電池容量曲線

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計需求和目標(biāo)

在本研究中，采用6 Ah氫鎳電池組成的288 V高壓電池系統(tǒng)。圖1為不同溫度下的氫鎳電池使用壽命和電池容量示意圖。由圖1可知，隨著溫度的升高，電池使用壽命逐漸降低，在30℃左右時電池的可用容量最大。從氫鎳電池本身的材料特性，結(jié)構(gòu)特性分析，電池的最高使用溫度不能超過55℃。

圖2 不同溫度和下的氫鎳電池10 s最大充放電功率曲線

綜合考慮，設(shè)計的熱管理系統(tǒng)對電池的溫度控制目標(biāo)范圍在25～45℃，最高安全溫度為55℃。

1.2 電池?zé)岱治?/p>

本文以某氫鎳動力電池包為研究對象，該電池包由40個模組組成，每個模組包括6個單體，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電池組參數(shù)

單體電池外層包有金屬鋼皮，模組外層包有絕緣PVC膜。在計算模型中，假設(shè)電池內(nèi)部材料均勻[3]，即只考慮徑向?qū)幔鐖D3所示，其中為金屬鋼皮的厚度為絕緣皮的厚度。

圖3 電池單體和模組結(jié)構(gòu)簡化圖

混合動力汽車用電過程的隨機性，決定了電池生熱、導(dǎo)熱過程始終處于非穩(wěn)態(tài)階段[4]，從鋼皮內(nèi)側(cè)導(dǎo)入的熱量和從絕緣膜外側(cè)導(dǎo)出的熱量不會完全相等。由于鋼皮和復(fù)合圓筒壁的厚度不到1 mm，且鋼皮的導(dǎo)熱系數(shù)很大，所以可假定鋼皮內(nèi)側(cè)的溫度w1和PVC膜外側(cè)溫度w2相等，即：

在冷卻過程中，主要有強制對流和自然對流兩種冷卻方式，即：

在冷卻系統(tǒng)沒有開啟時，換熱以自然對流換熱為主，此時換熱量為：

根據(jù)電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)可得到自然對流努賽爾數(shù)的經(jīng)驗公式為：

電池工作過程中的導(dǎo)熱過程為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程[5]，可建立導(dǎo)熱微分方程：

式中：ρb、p,b、b分別為電池的平均密度，kg/m3；內(nèi)部平均比熱容，J/(kg·K)和平均導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；φ為單位時間內(nèi)電池單位體積生成熱J/m3·s；為溫度；為時間；為電池半徑。

圖4 不同溫度和下對應(yīng)電池模組內(nèi)阻

圓柱型電池內(nèi)部卷心半徑很小，因此在估算電池內(nèi)部溫度時，將電池假設(shè)為實心圓柱體，由導(dǎo)熱微分方程可知，電池中心處溫度最高。由于溫度具有大慣性大延遲的特點，當(dāng)電池功率提高時，電池發(fā)熱量增大，但電池表面溫度的變化相對滯后。因此，所設(shè)計系統(tǒng)要根據(jù)上一時刻電池表面與空氣的換熱量，預(yù)測當(dāng)前時刻電池內(nèi)部最高溫度，預(yù)測公式為：

1.3 內(nèi)部溫度仿真估算

為探究不同電流下電池溫度的變化規(guī)律、表面溫度響應(yīng)時間及冷卻系統(tǒng)作用后電池溫度變化情況，在電池臺架上對電池進(jìn)行相關(guān)測試，實驗臺架如圖5所示。

圖5 電池臺架溫度實驗

在18℃室溫環(huán)境下根據(jù)圖6所示工況對電池進(jìn)行實驗。取電池包內(nèi)布點最大溫度進(jìn)行分析，從圖6可見，在電流變化的過程中，電池表面測到的溫度相對于電流的變化存在一段相當(dāng)長時間的滯后。在冷卻風(fēng)機開啟時，如果冷卻流量不夠，電池溫度會繼續(xù)上升，加大風(fēng)機流量，電池溫度會緩慢下降。

通過分析，針對圖6所示電流工況進(jìn)行仿真計算，分析電池內(nèi)部溫度變化趨勢。從圖7中可以明顯看出，電池內(nèi)部最高溫度對電流變化的響應(yīng)速度比電池表面溫度快。在10 A充電時，內(nèi)外溫差最大達(dá)到近6℃。在風(fēng)機開啟和風(fēng)量增大后，由于傳熱的延遲，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度的變化存在短時間的滯后，隨后內(nèi)部溫度變化趨勢減緩。

圖7 電池內(nèi)部仿真溫度，實測溫度及表面溫度變化曲線

內(nèi)部實測溫度的傳感器布點在電池內(nèi)部卷心中。將電池負(fù)極打小孔，將熱電偶溫度傳感器放入卷心內(nèi)，并用絕緣材料密封開孔處，盡量減小由此處換熱帶來的測量誤差。由圖7可知，測量結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合。在自然對流換熱階段，電池溫度很低時，仿真估算溫度和傳感器實際采樣溫度接近。在電池溫度升高，并且冷卻系統(tǒng)開啟時，二者溫差變大。加大風(fēng)量，電池溫度呈現(xiàn)下降趨勢，二者溫差減小。

2 風(fēng)機控制策略

風(fēng)機采用PWM輸入控制式風(fēng)機，具有能耗低，轉(zhuǎn)速控制精確的特點。根據(jù)電池表面和內(nèi)部溫度及其溫升趨勢制定的控制策略，可以通過改變PWM信號進(jìn)行風(fēng)機轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)，從而改變風(fēng)機風(fēng)量。風(fēng)機風(fēng)量靈活可調(diào)的控制方式，相比依靠溫度閥值分檔控制風(fēng)機的方式，可以更好地提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，得到更好的冷卻效果。風(fēng)機的控制流程如圖8所示。

圖8 風(fēng)機控制流程圖

風(fēng)機風(fēng)量根據(jù)電池當(dāng)前表面溫度，電池單位時間內(nèi)的發(fā)熱量以及風(fēng)扇的效率曲線決定。風(fēng)機性能曲線如圖9所示，在強制冷卻時盡量使風(fēng)機運轉(zhuǎn)在最佳效率區(qū)間內(nèi)，以提高風(fēng)機的運行效率。

圖9 風(fēng)機性能曲線

當(dāng)電池包內(nèi)最高溫度達(dá)到38℃時，開啟風(fēng)機。風(fēng)機輸出PWM信號根據(jù)所需冷卻風(fēng)量確定。冷卻風(fēng)量的計算公式為：

3 實驗論證

電池在初始環(huán)境溫度32℃下，通過對比實驗，來驗證主動式冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。風(fēng)機分別采用常規(guī)的、基于溫度分檔控制的方式和主動式的、基于PWM調(diào)速控制的方式。如圖10所示，在基于溫度分檔控制的方式中，由于沒有對電池內(nèi)部最高溫度進(jìn)行預(yù)測，僅依賴電池表面溫度決定風(fēng)機的開啟和風(fēng)量，所以電池溫度變化幅度較大。在風(fēng)機開啟的過程中，電池最大溫差達(dá)到8℃。在基于主動式的控制方式中，不僅根據(jù)電池表面溫度，還根據(jù)預(yù)測的電池內(nèi)部最高溫度判斷風(fēng)機開啟，并結(jié)合電池發(fā)熱量控制風(fēng)機風(fēng)量，所以電池溫度變化相對平緩，在風(fēng)機開啟后最大溫差不到4℃。當(dāng)電池大功率使用時，可根據(jù)內(nèi)部最高溫度和表面溫度判定風(fēng)機是否需要提前開啟。在風(fēng)機啟動后，根據(jù)電池的發(fā)熱量情況提前調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)量，避免了電池在較高發(fā)熱量時出現(xiàn)散熱不及時，甚至電池溫度急劇上升的情況。由對比實驗結(jié)果可以得出，基于主動式的熱管理系統(tǒng)可以保證電池溫度變化平緩，沒有出現(xiàn)溫度急劇上升的情況。

圖10 兩種控制方式的溫度變化曲線對比

圖11所示為整車在實際運行過程中，BMS采樣得到的電池溫度和電流變化曲線。上位機通過數(shù)據(jù)傳輸接口進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)監(jiān)控，數(shù)據(jù)存儲間隔為1 s。電池持續(xù)運行近2 h，運行模式包括純電動和混合動力等多種工況模式。如圖11所示，取電池內(nèi)部布點最大溫度進(jìn)行分析。在運行初期，電池溫度上升趨勢明顯；當(dāng)最大溫度達(dá)到38℃時，開啟風(fēng)機。在風(fēng)機開啟的過程中，電池溫度呈現(xiàn)平緩變化趨勢。溫度整體變化的情況符合預(yù)期控制目標(biāo)。

圖11 整車連續(xù)運行電池溫度和電流變化曲線

4 結(jié)論

根據(jù)電池表面溫度和電池內(nèi)部最高溫度控制風(fēng)機的啟停，設(shè)計了基于預(yù)控制的主動散熱式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，實驗表明，該熱管理系統(tǒng)能有效地保證電池較長工作時間內(nèi)溫度變化的平緩性，尤其在持續(xù)大功率階段，電池的溫升相對被控制在合理的范圍內(nèi)；電池溫度變化的相對平穩(wěn)，避免了大功率、大溫升對后續(xù)時刻電池最大輸出功率的限制，因而保證了混合動力整車控制策略的優(yōu)化控制，從而在一定程度上降低了整車的燃油消耗，充分提高了混合動力汽車的節(jié)能效益。

[1]SATO N，YAGI K.Thermal behavior analysis of nickel metal hydride battery of electries of electric vehiles[J].JSAE Review，2000，21(2)：205-211.

[2]TENG H.Thermal analysis of a high-power lithium-ion battery system with indirect air cooling[J].SAE Int J Alt Power，2012，5(1)：79-88.

[3]AHMAD A.Pesaran battery thermal models for hybrid vehicle simulations[J].Journal of Power Sources，2002，110：377-382.

[4]MILLS A,HALLAJ S A.Simulation of passive thermal management system for lithium-ion battery packs[J].Journal of Power Sources，2005，141(2)：307-315.

[5]楊世銘，陶文栓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

Active thermal management system design of Ni-MH battery in hybrid electric vehicle

SUN Zhi-wen1,ZHU Jian-xin1,CHU Ai-hua2,ZHOU Xing-ye2

In view of the problems,such as delayed cooling,fast increasing inner temperature and the output power limit at high temperature, caused by ordinary battery thermal management system with surface temperature as control target,an active thermal management system based on predicting inner temperature of battery was designed. In this system,surface temperature,parameters of battery material and heat generation were used as the inputs to predict the highest inner temperature and the process of heat transfer.Based on the prediction,the fan could be pre-controlled,and the balanced control of battery temperature was realized.The experiments show that the system can make the battery's working temperature change stably and be maintained in the best temperature range,avoiding the problem of sharp temperature raise resulted from accumulated heat.The research provides the theoretical basis for the design of hybrid electric vehicle thermal management system.

hybrid electric vehicle；Ni-MH battery；thermal management system

TM 912.9

A

1002-087 X(2015)04-0801-03

2014-09-02

國家“863”項目資助（2011AA11A207）

孫志文(1988—)，男，吉林省人，碩士生，主要研究方向為混合動力汽車用動力蓄電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

朱建新(1961—），男，江蘇省人，副教授，主要研究方向為電動汽車整車控制技術(shù)，混合動力車用蓄電池電池管理系統(tǒng)。