耦合乘員艙空調(diào)的電池直冷熱管理系統(tǒng)高溫快充控制策略分析

【摘要】為分析耦合乘員艙空調(diào)的電池直冷熱管理系統(tǒng)性能，基于AMESim軟件建立動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型，比較典型液冷與直冷熱管理系統(tǒng)在高溫快充工況下的充電時(shí)長，結(jié)果表明，相同電池快充MAP條件下，相較于液冷系統(tǒng)，直冷系統(tǒng)充電時(shí)間縮短7.6%。進(jìn)一步耦合乘員艙空調(diào)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，設(shè)計(jì)了以控制乘員艙溫度和電芯最高溫度為目標(biāo)的熱管理控制策略，分析發(fā)現(xiàn)，相比未耦合系統(tǒng)，采用耦合系統(tǒng)時(shí)電池頂面最大溫差增大2.9 ℃，但充電時(shí)長縮短4.9%。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 熱管理 快充 直冷 系統(tǒng)耦合

中圖分類號(hào)：TM912；TB61+1；U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240119

Analysis of High Temperature Fast Charging Control Strategy

for Battery Direct Cooling and Heating Management System Coupled with Passenger Cabin Air Conditioning

Feng Yanyan He Yu Huang Wenjiao Li Yilin

（1. Chongqing University， Chongqing 400044; 2. Chongqing Chang’an Automobile Co.， Ltd.， Chongqing 400023; 3. YAPP Automotive Parts Co.， Ltd.， Yangzhou 225009; 4. China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122）

【Abstract】To analyze the performance of the battery direct cooling and heating management system coupled with passenger cabin air conditioning， a power battery thermal management system model is established based on AMESim software. The charging time of typical liquid cooling and direct cooling and heating management systems under high-temperature fast charging conditions is compared. The results show that under the same fast charging MAP， the charging time of the direct cooling system is shortened by 7.6% compared with the liquid cooling system. The passenger cabin air conditioning and battery thermal management system is further coupled， and a thermal management control strategy is designed with the goal of controlling the temperature of the passenger cabin and the maximum temperature of the battery cells. Results show that compared with the uncoupled system， the maximum temperature difference on the top of the battery increases by 2.9 ℃ when using the coupled system， but the charging time is shortened by 4.9%.

Key words： Power battery， Thermal management， Fast charging， Direct cooling， System coupling

【引用格式】 馮燕燕， 何煜， 黃文姣， 等. 耦合乘員艙空調(diào)的電池直冷熱管理系統(tǒng)高溫快充控制策略分析[J]. 汽車工程師， 2024（11）： 7-12.

FENG Y Y， HE Y， HUANG W J， et al. Analysis of High Temperature Fast Charging Control Strategy for Battery Direct Cooling and Heating Management System Coupled with Passenger Cabin Air Conditioning[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 7-12.

1 前言

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以動(dòng)力電池的溫度控制為目標(biāo)，目前以液冷系統(tǒng)為主[1]。直冷系統(tǒng)使用冷媒作為介質(zhì)進(jìn)行直接換熱，相比于液冷系統(tǒng)的間接換熱，具有更高的換熱效率、更輕的系統(tǒng)質(zhì)量、更小的系統(tǒng)體積。隨著電池能量密度的提高與快充技術(shù)的發(fā)展，直冷系統(tǒng)逐漸成為動(dòng)力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

電池快充技術(shù)可在安全健康的前提下縮短充電時(shí)長，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。鋰電池充電過程受到荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）、溫度與充電電流等因素影響，且這些因素具有強(qiáng)耦合性[2]。提高充電電流倍率可縮短充電時(shí)間，但電流倍率受到溫度、充電量與SOC影響，溫度越高，充電量越小，電池的SOC越低，可以接受的充電電流越大，反之則越小。為了在不影響電池壽命與安全的前提下縮短充電時(shí)長，眾多學(xué)者改進(jìn)了充電策略，主要可分為以下3種類型[3]：改變充電電流波形或電壓模型[4-7]，通過優(yōu)化恒流恒壓充電策略、臺(tái)階充電策略、脈沖充電策略等方法縮短充電時(shí)間；結(jié)合熱模型與等效電路模型或電化學(xué)模型，給定最高溫度的限制條件來限制最大充電電流，從而縮短充電時(shí)間[8-9]；通過先加熱電池改變電芯化學(xué)反應(yīng)速率，從而消除大倍率電流帶來的影響[10-11]。然而，以上研究以電池單體作為研究對(duì)象，未考慮電池包與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、乘員艙空調(diào)系統(tǒng)的耦合作用。

本文基于AMESim軟件建立電池與熱管理系統(tǒng)模型，分析典型液冷、直冷系統(tǒng)的電池高溫快充過程，最后提出一種耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)與電池直冷熱管理系統(tǒng)的熱管理控制策略。

2 模型建立

2.1 電池模型

本文研究的鋰電池參數(shù)如表1所示。

在AMESim中使用等效電路模型建立電池一維模型，將電池簡化為電阻、電容與電壓源模塊所形成的閉合電路。如圖1所示，考慮電芯在豎直方向上的溫度梯度，將單個(gè)電芯分成3個(gè)單元，每個(gè)單元占1/3體積，分別設(shè)置電阻、電容元件，使用信號(hào)復(fù)制器（Signal Duplicator）將單一信號(hào)復(fù)制給3個(gè)電芯單元。電池產(chǎn)熱使用貝爾納迪（Bernadi）方程[12]計(jì)算，將獲得的平均溫度代入等效電路模型，從而得到電壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。具體方程可參考文獻(xiàn)[13]。

2.2 電池包模型

圖2展示了直冷板流道與電芯的相對(duì)位置和流道結(jié)構(gòu)。流道主要分為4個(gè)支路，采用并聯(lián)設(shè)計(jì)，根據(jù)流道與電芯的相對(duì)位置，將電池包簡化為如圖3所示的模型。模型的輸入變量為制冷劑壓力、溫度、流量和電池充電電流，使用節(jié)流孔模擬冷板支路流道的阻力，通過對(duì)標(biāo)一維與三維仿真的流道制冷劑流量與電芯溫度，調(diào)整模型流道阻力系數(shù)，圖中m為冷媒質(zhì)量流量，ρ為冷媒密度，P為冷媒壓力，K為輸入值，為常數(shù)。

2.3 耦合乘員艙空調(diào)的直冷系統(tǒng)模型

圖4所示為耦合乘員艙空調(diào)的直冷系統(tǒng)模型，電池直冷板與乘員艙板式換熱器并聯(lián)，分別由2個(gè)電子膨脹閥控制。系統(tǒng)執(zhí)行部件為壓縮機(jī)、電子膨脹閥和電子風(fēng)扇，電池包為信號(hào)發(fā)出部件。

2.4 邊界條件

直冷系統(tǒng)的邊界條件為耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)后的典型工況，并非系統(tǒng)最大制冷能力，液冷系統(tǒng)的邊界條件參考行業(yè)典型系統(tǒng)工況，如表2所示。

電池充電MAP如圖5所示，電池最大充電電流由電池溫度與SOC決定，最大充電電流隨SOC的增大而減小，隨溫度上升先增大后減小，允許的最大充電電流為245 A。建模時(shí)將MAP圖轉(zhuǎn)化為以溫度和SOC為坐標(biāo)軸的二維圖，輸入AMESim電池模型中，溫度步長為5 ℃，SOC步長為10%，通過插值方法獲得中間值。仿真過程中電池溫度與SOC決定充電電流，從而影響電池產(chǎn)熱速率。

2.5 耦合控制策略

2.5.1 控制目標(biāo)

在直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)基礎(chǔ)上耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)電芯頂部最高溫度、最大溫差與乘員艙溫度，系統(tǒng)控制目標(biāo)如表3所示。

2.5.2 控制策略

系統(tǒng)控制部件為壓縮機(jī)和電子膨脹閥。電池目標(biāo)溫度采用查表方式控制，通過電芯頂面溫差與頂面最高溫度對(duì)應(yīng)響應(yīng)制冷等級(jí)；在電池與乘員艙需同時(shí)制冷的情況下，采用耦合方式定義控制策略。

2.5.2.1 直冷板控制策略

電池制冷需求等級(jí)與電池溫度的關(guān)系如表4所示。

2.5.2.2 乘員艙控制策略

乘員艙控制方式較為復(fù)雜，且非本文研究的重點(diǎn)，采用PID控制方式對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行控制，目標(biāo)溫度為22 ℃，溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)斷開支路。

2.5.2.3 耦合控制策略

當(dāng)乘員艙與電池同時(shí)存在制冷需求時(shí)，需要對(duì)兩者進(jìn)行控制策略的耦合，耦合策略制冷等級(jí)定義如表6所示，與表5電池制冷等級(jí)需求相比，耦合策略制冷等級(jí)的數(shù)量減少，且制冷需求在3級(jí)及以上時(shí)具有更高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.5.2.4 電子膨脹閥控制策略

電子膨脹閥用可變節(jié)流孔元件建模，直冷板支路電子膨脹閥控制策略為：開度采用PID控制，目標(biāo)冷板出口過熱度為1 ℃。乘員艙蒸發(fā)器支路電子膨脹閥控制策略為：開度采用PID控制，比例系數(shù)P=2、積分系數(shù)I=0.1、微分系數(shù)D=0。目標(biāo)蒸發(fā)器出口過熱度為3 ℃。

2.5.2.5 電子風(fēng)扇控制策略

用軟件元件簡化建模，快充模式下保證風(fēng)量最大，從而保證空氣側(cè)的換熱能力處于最佳狀態(tài)，風(fēng)扇風(fēng)量設(shè)為2 396 m3/h。

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 直冷與液冷系統(tǒng)對(duì)比

圖6所示為直冷與液冷系統(tǒng)電芯頂面最高溫度變化情況：直冷條件下，頂部最高溫度出現(xiàn)在第1 102 s，為46.3 ℃，然后迅速降低；液冷條件下，頂面溫度先上升后下降，溫度下降速率較直冷系統(tǒng)小，頂面最高溫度在第662～3 025 s時(shí)段內(nèi)均大于46 ℃，最大值為46.5 ℃。液冷系統(tǒng)溫度下降速率低于直冷系統(tǒng)，主要原因是：冷卻液與制冷劑的進(jìn)口溫度分別為25 ℃和21 ℃，液冷系統(tǒng)的傳熱溫差較直冷系統(tǒng)小；直冷系統(tǒng)通過冷媒汽化潛熱降溫，且控制冷板出口過熱度為1 ℃，使冷媒溫度始終接近蒸發(fā)溫度，而液冷系統(tǒng)中隨著冷卻液吸收電池?zé)崃浚瑴囟炔粩嗌撸档土藗鳠釡夭睢D7所示為直冷與液冷系統(tǒng)電芯頂面最大溫差變化情況：直冷條件下，最大溫差值出現(xiàn)在第1 993 s，為3.8 ℃，然后逐漸降低；液冷條件下，最大溫差持續(xù)上升，結(jié)束時(shí)為4.3 ℃。在給定快充條件下，直冷系統(tǒng)在最大溫差與最高溫度控制方面均優(yōu)于液冷系統(tǒng)。

圖8所示為電池SOC變化情況，初始階段，2個(gè)系統(tǒng)SOC上升速率相同，在第16 min，直冷系統(tǒng)充電速率明顯較液冷系統(tǒng)快，直冷和液冷系統(tǒng)高溫快充充滿時(shí)間分別為3 923 s、4 246 s，直冷系統(tǒng)比液冷系統(tǒng)時(shí)間縮短了7.6%。圖9所示為充電電流隨時(shí)間的變化情況，直冷條件下，電芯溫度超過45 ℃后，迅速冷卻到45 ℃以下，從而能以較高電流倍率繼續(xù)充電過程，而液冷系統(tǒng)與直冷系統(tǒng)相比，換熱溫差更小、效率更低，無法快速降低電芯溫度，電流倍率受限，增加了充電時(shí)長。

3.2 耦合空調(diào)系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖10所示為耦合與未耦合工況下電芯頂面最高溫度變化情況，耦合乘員艙空調(diào)策略相比未耦合策略，由于制冷劑流量增加，電芯頂部溫度更快下降。耦合策略控制下電芯頂面最高溫度出現(xiàn)在第1 118 s，最高溫度為45.3 ℃，滿足最高溫度要求。圖11所示為耦合與未耦合策略控制下電芯頂面最大溫差變化情況：耦合策略控制初期，由于制冷劑流量較大，冷板局部區(qū)域溫度迅速下降，電池溫差增大，最大溫差達(dá)到6.7 ℃；隨著冷板、電池水平方向的熱傳導(dǎo)，溫差逐漸下降；第3 100 s后，由于最高溫度低于35 ℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降，制冷劑流量減小，導(dǎo)致溫差上升。

圖12所示為電池SOC隨時(shí)間變化情況，采用耦合策略控制相比于采用未耦合策略控制時(shí)，充電時(shí)間縮短194 s。圖13所示為充電電流隨時(shí)間變化情況，充電電流差別主要在第500～1 500 s的時(shí)間段，耦合策略控制下電芯頂面溫度達(dá)到45 ℃后迅速下降，因此可以保持較大充電電流。

4 結(jié)束語

本文基于AMESim軟件建模，分析了直冷與液冷系統(tǒng)在電池高溫快充工況下的性能表現(xiàn)，進(jìn)一步耦合直冷系統(tǒng)與乘員艙空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以控制乘員艙溫度和電芯最高溫度為目標(biāo)的熱管理策略并分析系統(tǒng)性能，主要結(jié)論如下：

a. 40 ℃高溫快充工況下，直冷與液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)均可滿足電池最高溫度與最大溫差要求，且直冷系統(tǒng)相比液冷系統(tǒng)可縮短充電時(shí)長7.6%以上。

b. 耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)的直冷熱管理系統(tǒng)因制冷劑流量增加而具有更大的電池降溫速率，充電時(shí)長可縮短4.9%。耦合帶來的制冷劑流量波動(dòng)導(dǎo)致電池最大溫差從3.8 ℃上升至6.7 ℃。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年5月8日。