混合動力汽車用鋰電池組溫升控制策略研究＊

張文俊 喜冠南 朱建新 儲愛華

（1.南通大學，南通 226019；2.上海交通大學，汽車電子技術研究所，上海 200240；3.科力遠混合動力技術有限公司，上海 201500）

主題詞：混合動力汽車 鋰電池組 溫升控制策略 聯合仿真

1 前言

近年來，我國傳統能源對外的依賴程度日益增強[1]，混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）憑借著節能減排、駕駛模式多變、輸出動力較足等優勢在新能源汽車體系中脫穎而出[2]，鋰離子電池因電壓平臺高、比能量高、自放電率低、無記憶效應等特點成為混合動力汽車動力電池的主流[3]。

溫度是影響動力電池性能、壽命及安全的關鍵因素[4]，因而電池溫升控制策略作為電池熱管理系統（Battery Thermal Management System，BTMS）中關鍵的一環已成為當下研究熱點[5-6]。Peng Q 等[7]依據計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件得到的鋰電池組溫度場設計了溫升控制策略，并驗證了其可靠性。程子洋等[8]基于MATLAB/Simulink軟件并結合混合動力汽車的降噪目標建立了鎳氫動力電池組熱管理控制策略，該控制策略可以在滿足鎳氫電池組溫度控制需求的同時降低車內噪聲聲壓級1～3 dB(A)。張軍等[9]基于MATLAB/Simulink建立鋰電池組溫升模型，并設計了一種針對電池溫升的整車控制策略，通過限制電機功率達到控制電池溫升的目的，并通過試驗驗證了控制策略的可行性。王健等[10]基于AMESim 軟件建立了純電動汽車的熱管理系統模型，結合仿真結果，對制定的熱管理系統控制策略進行了優化。

為適應混合動力汽車復雜的運行工況，保證動力電池溫度處于安全溫度范圍，本文采用AMESim 與MATLAB/Simulink的聯合仿真調試，分別對加速、爬坡、故障、NEDC 工況下以及環境溫度為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃時鋰電池組的溫升特性進行研究，從而驗證并改進相應的溫升控制策略。

2 鋰電池組熱管理系統

2.1 冷卻方案

本文所研究的鋰電池組由4個模組串聯而成，每個模組由21 個鎳鈷錳三元鋰電芯串聯構成，基本參數如表1所示。

表1 電芯參數

假設電池內部分布均勻，則Bernadi 等[11]建立的電池生熱模型可簡化為：

式中，Φ為生熱功率；I為電流強度；R為內阻；E0為開路電壓；T為熱力學溫度。

由式（1）可得冷卻介質的溫升ΔT為：

式中，ρ為冷卻介質密度；CP為冷卻介質比熱容；q為冷卻介質流量。

經理論計算可知，強制風冷可滿足該電池組在大倍率充放電情況下的安全運行需求，且強制風冷具有結構簡單、成本低、無漏液風險等優勢，有利于降低研發成本和提高產品安全性[9]。

鋰離子電池在高溫下熱失控現象較為嚴重，因此本文主要對電池溫升控制策略中冷卻與均熱模塊進行研究。電池組冷卻系統回路如圖1 所示，其基本原理為：冷卻風機將乘員艙中的空氣吸入電池組內，空氣流經風道，以強制對流的方式將各單體產生的熱量排至車外，達到冷卻的目的。由于冷卻氣體來自乘員艙，所以空調系統回路在開啟時間接參與了電池組冷卻。

2.2 溫升控制策略目標

鋰離子電池的工作溫度一般為-10～60 ℃，而在最優工作溫度25～40 ℃范圍內能保證性能與壽命最佳，且電芯最大溫差長時間大于5 ℃會導致電芯間的不一致性加劇，最終引發安全事故。綜合考慮，將溫升控制策略的目標設定為：保證電池組內電芯的最高溫度小于45 ℃，且盡量保持在最佳工作溫度區間內；保證電池組內各電芯間的溫差小于5 ℃。

圖1 冷卻系統結構

3 鋰電池組聯合仿真模型

3.1 聯合仿真模型的建立

本文基于AMESim 仿真軟件[12]建立額定電壓為306 V，額定容量為6 A·h，強制風冷冷卻方式的鋰電池組半物理模型，如圖2 所示，并借助MATLAB/Simulink搭建熱管理控制邏輯模塊，如圖3 所示，最后將AMESim 模型以S 函數的形式導入Simulink，實現聯合仿真[13]。圖3 中，T1～T4分別為4 個模組內電芯的最高溫度，Tmax、Tmin分別為電池組電芯的最高、最低溫度。

圖2 鋰電池組半物理模型

圖3 熱管理控制模型

3.2 基于AMESim的鋰電池組模型驗證

鋰離子電池模型作為整個鋰電池組半物理模型的核心部分，其子模型的準確度直接影響仿真結果。因此，需要將三元鋰離子電池AMESim半物理模型仿真結果與臺架試驗結果進行對比驗證。臺架結構如圖4 所示，恒溫箱為電芯提供恒溫恒濕環境，借助Digatron 電池測試系統對電池進行充放電，充放電相關工況及數據采集由上位機發送、接收，并使用熱電偶通過日置LR8401數據記錄儀對電芯溫度進行實時采集。

圖4 電池充放電臺架

AMESim 電芯充放電仿真平臺如圖5 所示。在LIION_NMCC_HE 子模型的基礎上，應用LMS_AMECustom 軟件對其進行二次開發，將自定義子模型重新加載至電芯模塊中，在環境溫度Tamb=25 ℃、充放電倍率為1 C的條件下進行充放電試驗，記錄不同荷電狀態（State of Charge，SOC）下所對應的開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）,并與臺架試驗結果進行對比，如圖6a、圖6b所示；在Tamb=25 ℃、充放電倍率為10 C條件下進行大倍率10 s充放電溫升試驗，并與臺架試驗結果進行對比，如圖6c、圖6d所示。

圖5 電池充放電仿真模型

圖6 鋰電池仿真模型驗證

對比結果表明，仿真結果與臺架試驗結果重合度均較好，充放電開路電壓最大誤差約為3%，電芯溫升最大誤差不超過1.4%，從而驗證了AMESim鋰離子電池模型的準確性。

3.3 控制邏輯的設計

為保證電池組最高溫度處于安全溫度范圍，且能達到節能目的，根據電池組電芯最高溫度Tmax，采用邏輯門限值法控制風機轉速。溫度控制邏輯如圖7所示，此外，當Tmax≥45 ℃并持續30 s 或者Tmax-Tmin≥5 ℃并持續1 min，電池組停止運行。

圖7 溫度控制邏輯流程

4 鋰電池組溫升特性分析

4.1 道路工況對溫升的影響研究

結合電池組搭載的整車參數以及路試經驗，將急加速、爬坡、故障限功率7 kW運行時的放電倍率分別設為10 C、5 C、4 C。在Tamb=25 ℃、氣壓為0.101 3 MPa 狀態下，對電池組荷電狀態在10%～90%區間內進行不同道路工況下的仿真，結果如圖8所示。

圖8 不同工況下電池組最高溫度和最大溫差變化曲線

隨放電倍率的增加，電池組產生的溫升不斷提高。由于爬坡工況下風機會由1擋向2擋過渡運行，而急加速工況下風機會由2擋向3擋過渡運行，由風機擋位的變化導致冷卻效果不同，隨著荷電狀態的減小，急加速工況下電芯間的最大溫差與爬坡工況下相比，呈現出由高向低的變化趨勢。電池組放電過程中，3種道路工況下電池組最大溫升小于8 ℃，電芯間最大溫差約為1.3 ℃。

新歐洲標準行駛循環（New European Driving Cycle，NEDC）及該工況下充放電電流、電池組最高溫度和電芯間最大溫差如圖9所示。

圖9 NEDC工況及仿真結果

由圖9b可知，該工況下充放電倍率變化范圍廣，最高可達14 C。由圖9c可知，經歷了1個NEDC循環后，電池組溫升約為2.5 ℃，且在后續3個NEDC循環中，溫升只在1.2 ℃范圍內小幅波動，電池組進入近似熱平衡狀態，不過在后段運行中由于荷電狀態的影響，熱平衡狀態被打破，電池組溫升較前段略有上升。整個NEDC循環測試中，電芯間的最大溫差緩慢上升，最終穩定在3.5 ℃左右。

4.2 環境工況對溫升的影響研究

為保證設計的溫升控制策略使電池組在寬溫度域內安全運行，在環境溫度Tamb為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃的條件下對鋰電池組進行恒電流2 C放電仿真，在荷電狀態10%～90%范圍內研究電池組內電芯最高溫度和電芯間最大溫差的變化趨勢，結果如圖10所示。

圖10 不同環境溫度下電池組最高溫度和最大溫差變化曲線

當荷電狀態不大于35%時，每個環境溫度下電池組最高溫度都呈現陡增趨勢，這主要是電芯內阻在荷電狀態較低時會迅速增大，導致發熱量持續增加引起的。溫度較高時電池單體之間的溫差較溫度較低時變化幅度更大，這是高溫環境放大了電芯加工工藝誤差導致的一致性差異所致。電池組放電過程中，在Tamb為0 ℃、10 ℃、20 ℃時，由于環境溫度和放電倍率較低，電池組溫升不足5 ℃，電芯間的最大溫差不足0.1 ℃，達不到溫度控制的閾值，不受溫升控制策略的影響。當Tamb為30 ℃、40 ℃時，在溫升控制策略的控制下，風機以相應風速對電池組進行冷卻，電池組溫升大約為1 ℃，電芯間的最大溫差小于5 ℃。

5 結束語

本文主要依據電池組最高溫度，采用邏輯門限值法，對溫升控制策略進行設計。在驗證仿真模型正確性的基礎上，使用AMESim 與MATLAB/Simulink 聯合仿真對電池組進行仿真分析。結果表明，設計的溫升控制策略能保證電池組在不同道路工況及環境溫度下，最高溫度控制在安全溫度范圍內且電芯間的最大溫差小于5 ℃，符合混合動力汽車用鋰電池系統開發的可行性要求。