電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略研究

李飛飛

（運城職業技術大學，山西 運城 044000）

電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略的研究背景如下：隨著城市化進程的不斷推進與經濟社會的迅速發展，大量消耗能源所造成的廢氣污染以及能源緊缺等問題已經嚴重影響到了社會整體發展與人們的實際生活品質。因此環保低碳經濟成為各領域創新與開發的重要目標，而電動汽車憑借其自身具備的多種優勢迅速成為很多人出行的新選擇[1]。作為一種新能源汽車，其使用的電池主要是鋰離子電池組，鋰離子電池組具備低自放電率、高比能量、高電壓平臺等特征，然而鋰離子電池組一直存在熱失控問題，影響了其整體性能。為了解決該問題，需要制訂電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。國內外對于電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略的研究都十分重視，國外有學者提出一種基于儲能系統的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略；國內有學者提出一種基于尋優算法的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。

由于在利用以上策略進行電動汽車用鋰離子電池組溫升控制時，在電池組的實際充電功率為30kW到40kW的范圍內，存在最大溫度上升值過大的問題，因此提出一種新的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。

1 設計電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略

1.1 構建鋰離子電池組對應熱模型

基于生熱率模型構建電動汽車用鋰離子電池組對應熱模型。其中生熱率模型具體如下式所示：

式（1）中Qc代表電動汽車用鋰離子電池組的實際產熱；EOCV代表鋰離子電池組的對應開路電壓；R代表鋰離子電池組的實際內阻，包括極化內阻與歐姆內阻；Tbat代表鋰離子電池組的實際溫度；代表鋰離子電池組的對應溫度系數；I代表鋰離子電池組的實際電流；E代表鋰離子電池組的實際電壓[2]。

對于公式（1）而言，I2R代表電動汽車用鋰離子電池組中的那些不可逆熱；而則代表鋰離子電池組中的那些可逆熱，由于這些可逆熱非常微小，因此對其忽略不計，在構建電動汽車用鋰離子電池組對應熱模型時僅對不可逆熱進行考慮。

根據溫度變化時鋰離子電池組中歐姆內阻的變化曲線獲取溫度和歐姆內阻之間的關系式，具體如下式：

式（2）中R0代表歐姆內阻。

基于上式構建電動汽車用鋰離子電池組對應熱模型，具體如下式所示：

式（3）中Qcom代表對流散熱的實際熱量；h代表對流傳熱系數；Abat代表鋰離子電池組實際表面積；Tair代表空氣溫度[3]。

其中對流傳熱系數的具體計算公式如下：

式（4）中ρα代表空氣密度；L代表鋰離子電池組中兩個相鄰電池之間的距離；D代表鋰離子電池組具體厚度；μ代表空氣粘度；Prw代表電池組表面空氣的對應普朗特數；Pr代表人風口處空氣的對應普朗特數；v代表風速；ka代表空氣導熱系數。

式（4）中各個參數的具體取值如表1所示。

表1 各個參數的具體取值

1.2 鋰離子電池溫升預測

基于構建的電動汽車用鋰離子電池組對應熱模型對電動汽車用鋰離子電池組實施溫升預測。以能量守恒定理為依據獲取入風口至出風口空氣的總吸收熱量，具體如下式所示：

式（5）中Tair,n代表第n塊電池周圍的空氣溫度；Tair,1代表初始環境溫度；ca代表空氣比熱容；Sa代表入風口面積；Q散熱代表入風口至出風口空氣的總吸收熱量；Tbat,i代表代表第i塊鋰離子電池的實際溫度；Tair,i代表第i塊鋰離子電池周圍的空氣溫度。

根據電池組的具體排列，具體如圖1所示，將電池周圍溫度的遞增幅度假設為等幅。并根據上式獲取第n塊電池周圍的空氣溫度，從而計算第n塊電池的實際溫度。

根據計算結果，在Matlab中利用電動汽車用鋰離子電池組對應熱模型對各電池的溫升進行預測。

1.3 鋰離子電池組溫升控制

根據鋰離子電池溫升預測結果，構建一個電動汽車用鋰離子電池組溫升控制模型，實現鋰離子電池組的溫升控制。構建的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制模型為一種多目標控制模型，具體如下式：

式（6）中f(x)代表電動汽車用鋰離子電池組溫升控制總體的目標函數；f1(x)代表發動機分配功率；f2(x)代表總發動機耗油量；f3(x)代表回收電池的對應制動能量；Ω代表控制約束條件。

2 實驗驗證

2.1 實驗設計

對設計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略進行實驗驗證。實驗中的電動汽車用鋰離子電池組中共包含八塊鋰離子電池。利用設計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略對該電動汽車用鋰離子電池組進行溫升控制實驗。在實驗中獲取電池組實際充電功率為30kW到40kW范圍內的最大溫度上升值數據作為實驗數據。為避免實驗結果過于單一，將兩種原有策略作為實驗中的對比策略，包括基于儲能系統、基于尋優算法的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。分別利用這兩種策略對實驗電動汽車用鋰離子電池組進行溫升控制，并獲取該充電功率范圍內的最大溫度上升值數據作為對比實驗數據。

2.2 實驗結果分析

設計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略與原有策略的最大溫度上升值實驗數據對比結果如表2所示。

表2 最大溫度上升值實驗數據對比結果

根據表2的最大溫度上升值實驗數據對比結果可知，設計的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略的最大溫度上升值低于基于儲能系統、基于尋優算法的電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略。

3 結束語

電動汽車用鋰離子電池組溫升控制策略實現了最大溫度上升值的降低，對于電動汽車用鋰離子電池組熱失控問題的解決有很大意義。