基于電動汽車熱管理系統的設計與控制策略的研究

蔡誠 王鹿軍

1.湖北工業大學 湖北省武漢市 430068 2.武漢力神動力電池系統科技有限公司 湖北省武漢市 430200

1 引言

目前，各個國家都在高速發展新能源汽車，雖然面臨電池容量密度、安全特性等諸多問題，但隨著石化能源的減少和空氣污染的嚴重化，我國提出了“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”的目標，新能源汽車的發展將是大勢所趨，但需要漫長的過程，絕非一蹴而就。對于傳統燃油汽車而言，整車的熱管理更多的是集中與汽車發動機上的熱管系統上，而新能源車上整車熱管理與傳統燃油汽車的熱管理概念有巨大的差異，一般電動汽車的熱管理必須統籌規劃整車上的“冷”與“熱”，提高能源利用率，保證整車續航。冬季、夏季是電池系統運行最為薄弱的時候，電芯的充放電功率會隨著溫度的變化而大大受到限制，因此，電動汽車的熱管理成為了重點研究的對象。

2 電動汽車電池PACK 熱管理系統

電池熱管理系統的設計，是保障電池運行安全的決定性外在因素，也是提升電池系統壽命等性能指標的關鍵所在。它直接關系到電池系統最終的成敗，可以一票否決設計成果。

電池PACK 熱管理系統具體包括水冷板、口琴管、硅膠導熱墊、冷卻液以及電池模組等部件，在整車運行過程中對電池系統的溫度進行有效的控制。電池PACK 熱管理系統的功能主要有：第一、可以有效的避免電池組因熱失控而出現爆炸或失效的危險；第二、在電池組處在溫度過高或過低的條件下，能夠起到非常好的的保溫效果，并且具有高效降溫和快速加熱的功能；第三、只要系統可以正常運行，就可以維持電池系統的溫度在合理的區間（電芯最佳溫度為15℃-35℃），并且可以有效的避免單體電池之間的動力性能差異。

3 電池PACK 熱管理系統的設計要點

從熱設計過程來看，關聯元素很多，如同在支點上找平衡。最終的目標，技術實施的結果，就是保證系統內所有化學電芯工作環境的“舒適性”、“均溫性”。做到這一點，眾多電芯的性能才能“齊頭并進”，發揮出最好的作用。

采用熱管理技術對電池PACK 系統的溫度進行管控，首先，必須了解電芯的最佳工作溫度區間范圍，然后再根據電芯的功率map 對水冷系統制定最優的控制策略來使整車動力性能最佳。電池系統的功率map 是指在不同溫度、不同SOC 條件下，電池系統具有不同的充放電能力。為了使電池系統在最佳工作溫度區間可以通過熱仿真和實驗測試兩種方法進行探究。通過專業的軟件進行模型仿真分析，可以將電池PACK 系統中每個電芯的溫度特性反映出來，然后再在結構上對應進行整改。再通過實驗測試的方法，可以精確的將電池系統的溫度特性顯示出來。

4 電池包熱管理水冷系統設計

熱管理系統的設計目標主要有四點：（1）極端工況下，電池溫度穩定在45℃以下，溫升小于10℃；（2）極端工況下，電芯間溫差控制在5℃以內；（3）水冷系統流阻滿足整車要求；（4）各支路流量差小于10%。

4.1 電池系統傳熱模型

電池系統熱管理傳熱模型包含：硅膠導熱墊、口琴管、模組與水冷板。電池包冷卻系統采用口琴管方式，是由2 個大冷板和2個小冷板并聯組成（如圖1）。

圖1 水冷板示意圖

模組與水冷板之間的熱量傳輸是通過硅膠導熱墊來傳遞的，以模組為單位進行離散，并與電芯單體產熱模型相關聯。電芯熱質量塊模型計算的溫度發送給電芯單體模型，電芯單體計算的發熱功率發送給電芯熱質量塊模型。另外傳熱模型還考慮冷卻液對流換熱，以及箱體與空氣的對流換熱。

鋰離子動力電池在正常的充電或放電過程中，電芯內將會都會發生許多的化學反應，因此這個過程將會伴隨著大量的熱量的產生。在1985 年，Bernardi 等人根據對鋰離子電池的研究，提出了一項假設鋰離子電池內部產熱均勻，然后根據這個假設得出了電池發熱功率的計算公式，并且這個公式在目前階段被廣泛的運用在鋰離子電池生熱的計算中，其表達式為：

鋰離子電池在正常的充電或者放電過程中，將會伴隨著大量的熱量的產生，可以將混合的熱量忽略，因此Bernardi模型可以簡化為：

李慧芳等人的研究結果顯示，在對鋰離子動力電池進行充電或放電過程中，其中絕大部分的熱量來自可逆熱和不可逆熱，模擬計算的溫度與實驗測試的溫度的十分接近，都處在正常合理的范圍內。因此鋰離子電池在正常充電或者放電條件下，計算鋰離子電池發熱功率可以直接采用簡化的模型。

鋰離子電池組具有較差的散熱性，我們平時在對電芯進行溫度檢測時候只能獲取電芯表面的溫度，電池內部的溫度狀態（也稱熱狀態）無法真實的反饋出來。因此，需要借助高效的數學計算模型，通過設計好的數學模型不僅能夠對鋰離子電池內部熱場進行有效計算，而且還可以對鋰離子電池內部的溫度進行預測，這是電池Pack 系統中熱管理設計的重要環節。

對于動力電池Pack 系統來說，要想準確的知道電池內部溫度場情況，可以通過以下公式進行計算：其中生熱率可以通過專門的量熱計能夠獲取。

上式中，我們將電芯的溫度記為；將電芯的密度記為；將鋰離子電池比熱記為；將鋰離子電池在方向上的導熱率記為；將鋰離子電池在方向上的導熱率記為；將鋰離子電池在方向上的導熱率記為；將鋰離子電池在單位體積生熱速率記為。

4.2 電池包熱管理系統仿真

本節主要闡述電池PACK 系統熱管理流場仿真模型與溫度場仿真模型的搭建，對仿真模型進行校核，對電池PACK 系統熱管理設計效果進行測試驗證，并給出測試結果。

入口流量15L/min壓降結果（流場仿真），如圖2：入口流量15L/min、壓降21.7kpa。

圖2 入口流量15L/min、壓降21.7kpa

首先對電池包系統進行熱仿真-工況輸入，表1 為電池PACK 系統方案及測試條件。

表1 電池PACK系統方案及測試條件

然后對電池包PACK 系統進行熱仿真（溫度場仿真），仿真結果如下圖3。

圖3 溫度場仿真結果

工況輸入：

環境溫度：45℃

電芯初始溫度：45℃

電池包充電電流：1.1C

入口冷卻液流量：15L/min

入口冷卻液溫度：20℃

仿真輸出：

3200S 仿真結果：

電池包最高溫度：36.8℃

BMS 最大溫差：4.2℃

入口出口溫差：2.5℃

得出結論：

（1）15L/min 時，壓降為21.7Kpa，小于25Kpa，滿足整車流阻設計要求。（2）通過不斷的優化，流量均勻性得到很大的提高，水冷系統無流動死區，水冷系統滿足流量均勻性熱管理設計要求。（3）水冷板容積約4.30L、溫度場仿真結果滿足熱管理設計要求。

4.3 電池包熱管理系統測試驗證

測試條件：對電池包系統進行低溫-20℃加熱，電池包密封環境，溫箱溫度-20℃，冷卻液入口溫度30℃（實際平均溫度20℃），流量為15L/min。其中圖4 為最高溫度與最低溫度的曲線，圖5為電池包最大溫差的曲線。

圖4 電池包最高與最低溫度曲線

圖5 電池包最大溫差曲線

結論：a、電池包整體的最高溫度和最低溫度變化趨勢一致，從-20℃升溫至5℃，用時36min。滿足熱管理設計要求。

b、整個加熱過程最大溫差為5.4℃，滿足熱管理設計要求。

5 電池包系統熱管理控制策略設計

熱管理策略制定方法：根據電芯的功率map 特性，鋰電池在溫度為15℃-35℃時充放電的功率最高（即充放電能力最強），超過或低于這個區間功率會越來越低，直至無法充放電。因此，在整車運行工況下，基于電芯的功率map 和電池包采樣點的電芯溫度來進行合理的策略制定，對電池包采樣點電芯的溫度的判定，實現不同工況模式下水泵流量及水溫的控制，從而確保電芯溫度維持在指定溫度區間內。

表2 為基于電芯的功率map 及電芯的溫度制定的電池系統熱管理控制策略。該策略包含三種模式：慢充模式、快充模式和放電模式；其中每種策略又包含2 中工作模式：加熱模式和壓縮機制冷模式；并且每種模式還包含四種運行狀態：加熱模式開啟和加熱模式關閉，液冷模式開啟和液冷模式關閉。放電模式采用的是SOC 的狀態和電芯溫度確定加熱的開啟條件，采用電芯的溫度來確定關閉條件；慢充模式采用電芯的溫度確定加熱和冷卻的開啟和關閉條件；快充模式采用電芯的溫度確定加熱和冷卻的開啟和關閉條件。

表2 電池包熱管理控制策略

6 結語

隨著我國新能源汽車的大力發展，如何提高電池系統的各項使用性能已經勢不可擋。目前階段我國對電動汽車技術的研究應當重點集中在電池組的性能方面，而電池PACK熱管理系統再搭配合適的控制策略就可以大大提高電池組的性能，這對于提高整車的性能及其能源利用率具有重要的意義。本文采用了技術仿真模型（流場仿真與溫度仿真）與實驗驗證的方法對電池系統的性能進行分析，制定合理的控制策略得出最優的方案。