混合动力汽车镍氢电池热管理策略研究

赵 亮 ，朱建新 ，储爱华 ，喜冠南

（1.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；2.科力远混合动力技术有限公司，上海 201500）

1 引言

从节能与降低污染物排放的效果来讲，新能源汽车要优于传统汽车，目前，由于电池技术的发展不完善，纯电动汽车的续航里程满足不了用户的需求，发展受到很大的限制，而燃料电池汽车市场化进程缓慢，现阶段的燃料电池汽车性能低、成本高、寿命短[1]；因此，现阶段各国家把发展混合动力汽车作为汽车发展的过渡期。作为混合动力汽车常用电池之一，镍氢电池具有高质量比功率、循环次数多、无污染等优点。混合动力汽车的运行工况复杂多变，在汽车行驶过程中，需要对电池频繁地进行大倍率充放电，会使电池组的温度急剧上升。电池的温度是影响电池性能的最主要因素之一，电池的温度与电池组热管理系统息息相关，因此对电池组热管理系统进行研究对新能源汽车的发展具有重要的工程意义。

目前国内外电池热管理研究多为电池热模型的建模、电池组冷却方式的选择、散热器件的结构设计与优化[2-4]，而温度控制算法的研究和电池热管理策略的研究较少。其中，文献[5]提出了一种多温区热管理策略，不同的温度区间采用不同的冷却或加热方式，保证电池组的温度在合理的温度区间内且温度一致性和均匀性良好；文献[6]提出低温充电加热控制策略，通过控制充电器的输出功率实现对电池包边充电变加热，这种策略提高了低温下电池组的安全性和寿命；文献[7]设计了一种可对电池组内部电芯进行选择性冷却或加热的热管理策略并进行了仿真，仿真结果显示，采用该种策略电池组的性能较采用其他普通热管理策略的电池组提升了58.4%。提出一种PID控制算法用于热管理系统中的空调与水泵的控制，确保电池组的最高温度以及温差都在合理的范围内，最后并对设计的策略进行试验验证。

2 电池组热管理分析

2.1 电池组冷却系统

由于电池在低温下的性能良好，能够满足整车的需求，所以电池组热管理只有冷却功能与均热功能，无加热功能。电池组的冷却方式采用液体冷却，冷却液为50%聚乙二醇+50%水的混合溶剂。电池组冷却系统结构，如图1所示。主要包括两条回路：电池组冷却系统回路与空调冷却系统回路。

图1 冷却系统结构图Fig.1 Structure of Cooling System

基于电池组冷却系统回路，把电池组的冷却方式定义为两种：散热器冷却与空调冷却。散热器冷却是利用风扇使冷却液在散热器处与空气进行强制对流散热，再由散热后的冷却液对电池组进行冷却；空调冷却是在散热器冷却的基础上，利用空调系统对冷却液进行降温，再使用降温后的冷却液对电池组进行冷却。当电池有冷却需求时，风扇和水泵会一直开启，风扇只有一个档位，只能控制其开关。

2.2 电池热管理目标

组成电池组的电池是标称容量为6Ah的镍氢电池，其单体额定电压为1.2V，电池组共有240个单体组成。镍氢电池的工作温度为（-20～50）℃，若电池最高温度长期50℃以上，电池的工作性能以及寿命将会受到很大的影响，为了使电池的工作性能与寿命最大化，电池的工作温度应保持（25～40）℃之间；而电池组内部电芯单体之间的温差长时间大5℃会导致电芯内阻、容量差异扩大，最终引发各电芯电量的不一致性[8-9]。因此电池组热管理策略目标设定为：①保证电池组最高温度小于50℃，使电池组温度保持在最佳工作温度区间内；②保证电池组各电芯单体之间的温差小于5℃。

2.3 影响电池组温度因素的分析

对于电池热管理的目标①，由于电池发热特性与电池本身的物理特性以及电池充放电电流的大小有关[10-11]，为了保证混合动力汽车的动力性能，只有在极端情况下会对电流采取限制行为，因此若要保证电池的最高温度在合理的范围内，需要有充足的散热量。当冷却液流经电池组时，冷却液与电池间会发生对流传热[12]：

式中：Q—电池传递给冷却液的热量；h—液冷板的表面传热系数；tf—液冷板的表面温度；tw—入水口冷却液的温度；A—冷却液与液冷板的接触面积。

由式（1）可得，通过降低冷却液温度能增加电池传递给冷却液的热量Q。

电池传递给冷却液的热量中一部分会使冷却液的温度上升：

式中：ΔT—冷却液升高的温度；Qw—冷却液升温所吸收的热量；Cp—冷却液的比热容；M—流经液冷板冷却液的质量。

为了保证电池组温度的均匀性，在设计电池组结构时会保证ΔT的在2℃以内，因此可以通过增大冷却液质量即增加冷却液的流量来增加Qw。

对于电池热管理的指标②，考虑到液体冷却在均热能力上较为突出[13]，而且由于目前电池制造工艺与技术的完善，可以认为电池单体的发热是均匀的，为了控制温差在合理的范围内，只要保证电池单体与冷却介质的换热量均匀即可，即可以通过冷却液流量的控制来达到均热的效果。

3 电池组热管理策略

3.1 基于PID算法的温度控制算法设计

由分析结果可得，电池组均热可以通过控制冷却液的流量就可以达到，不需要设置复杂的控制算法，而电池组最高温度的控制相对要复杂的多，它既与电池组的生热量有关也和电池组冷却系统的散热量有关。电池组温度变化具有非线性和滞后性的特点[14]，较难获得准确的数学模型，因此可使用模糊PID算法对冷却液温度和流量进行模糊控制。散热器冷却时无法控制冷却液的温度，而空调冷却时即能控制冷却液的温度也能控制冷却液的流量。根据电池热管理的设计目标，将模糊控制器最优目标温度设置为40℃。

电池组温度控制系统原理，如图2所示。控制系统采用了模糊PID控制。模糊控制的输入变量为：电池组最高温度Tmax与目标温度的差值e℃；电池组最高温度Tmax与目标温度的差值的变化速率ec℃/min。输出变量为：冷却液流量Flow L/min，冷却液温度T℃。控制实现过程如下：模糊控制器根据电池最高温度与最优目标温度的差值及差值变化速率控制水泵与电动压缩机，以此来控制冷却液流量和温度，达到冷却电池组的目的。

图2 电池组温度控制系统结构示意图Fig.2 Structure of Battery Temperature Control System

电池组最高温度Tmax与目标温度的差值e论域为［0，4］，对应的模糊子集分别为｛ZERO，E1，E2，E3，E4｝。差值变化速率 ec论域为［-1，1］，变化速率取值为每1min的变化量，其最大最小值由经验值确定，模糊子集为｛NB，NS，ZERO，PS，PB｝。输出变量冷却液流量的论域［5，15］，最大最小值由水泵能力确定得到，5个模糊子集分别为 ｛F1，F2，F3，F4，F5｝。输出变量冷却液温度的论域［20，30］，其最大最小值由电动压缩机能力确定，模糊子集为｛T1，T2，T3，T4，T5｝。

隶属函数取三角函数隶属函数。模糊推理采用If-Then规则，基本控制规律为：

（1）如果电池温度较高，且温度上升较快时，水泵应以较高占空比运转，提供较大的冷却液流量，压缩机以较高的转速运转，降低冷却液温度。

（2）如果温度在合理工作范围内，且电池温度不在上升时，应关闭空调压缩机，减少能量的消耗。

3.2 控制策略的制定

从节能角度考虑，当电池温度在合理的温度区间内时不会开启电池组的冷却系统，当电池组需要冷却时首先采用散热器冷却，当散热器冷却不能满足冷却需求时，再采用空调冷却。因为电池组的温度变化具有滞后性，所以冷却系统应在电池组最高温度达到目标温度前开启。根据分析，提出以下策略：

（1）当Tmax≥38℃时开启冷却系统，进行散热器冷却，风扇与水泵开启，通过算法对冷却液流量进行控制；当Tmax≤36℃时，关闭冷却系统，风扇与水泵关闭；

（2）当 Tmax≥40℃持续 5min 或 Tmax≥42℃持续 3min 或Tmax≥44℃持续1min时，开启空调进行空调冷却，空调冷却时使用算法对冷却液温度和冷却液流量进行控制；

（3）当电池组的温差大于5℃开始均热，当电池组的温差小于3℃停止均热，温差越大，均热时冷却液的流量越大；

（4）当电池组冷却需求的冷却液流量和电池组均热需求的冷却液流量不一致时，取较大的冷却液流量；

（5）当Tmax≥50℃持续1min或电池组温差大于5℃持续1min，电池管理系统停止电池组的充放电工作，开启报警通知工作人员。

上述策略中Tmax为电池组的最高温度；策略中的温度阀值由电池温度特性及经验值暂定，后期会根据实验进行再标定。

电池组热管理策略使用Matlab/Simulink建模模型，如图3所示。完成模型搭建后可以通过Simulink中的工具将模型转换为C语言代码并刷写到电池管理控制器中，便可以进行试验验证。

图3 热管理策略建模Fig.3 Model of Thermal Management Strategy

4 试验验证

4.1 台架热平衡试验

策略设计完成后首先对电池组进行了台架热平衡试验，热平衡实验的目的是为了验证电池组冷却系统在高温或接近高温限的情况下能否满足冷却需求。台架试验原理，如图4所示。台架试验主要有恒温室、电池组、水冷箱、充放电机和电脑组成。电脑、充放电机和电池组之间通过CAN线连接，用于数据的传输；充放电机与电池组之间的高压线束用于电池组的充放电。电池组与水冷箱通过管道连接。在台架试验中利用充放电机对电池进行充放电，模拟电池工作状况，利用恒温箱模拟电池环境温度，水冷箱能够提供设定好温度与流量的冷却液。

图4 台架试验示意图Fig.4 Schematic of Bench Experiment

台架试验包括两个阶段：电池组状态初始化与热平衡试验阶段。在电池组状态初始化阶段将恒温室的温度设定为42℃，将电池组静置其中。电池组有六个温度采样点，当电池组采样点温度都大于等于42℃，将恒温室的温度设定为50℃并对电池组进行充放电，此时通过多功能水箱给电池组提供温度为20℃、流量为15L/min的冷却液。台架试验中电池组的充放电流，如图5所示。试验过程中电流有效值为18.34A。台架试验中电池组温度与温差，如图6所示。在电池组状态初始化阶段，由于电池的电流为0A电池没有产热，电池的温度缓的增加至环境温度42℃；电池组进行充放电后，电池组的温度迅速上升，待通入冷却液后，电池组的温度开始下降且电池组的最高温度稳定在38.9℃。在保温阶段电池组的温差最大值为2.7℃，在热平衡试验阶段，电池组的温差最大值为1.3℃。试验结果表明，电池组冷却系统能够使电池组在高温环境温度、大电流使用下保持其温度在合理的温度区间内，同时电池组各电芯单体间温差也能控制在5℃以内。

图5 台架试验中电池组电流图Fig.5 Current of Battery Package in Bench Experiment

图6 台架试验中电池组温度与温差图Fig.6 Temperature and Difference in Temperature of Battery Package in Bench Experiment

4.2 整车试验

在完成台架热平衡试验后，电池组搭载整车进行了整车试验，试验搭载的整车型为东风风光530。整车试验于2017年8月在夏季高温试验场进行。因周期较长选取2017年8月26日的试验数据。试验项目为高温路试试验，当日环境温度为（33～39）℃，运行时间约为2.5h，运行里程约为80km。

整车在运行时，电池组充放电电流，如图7所示。电池组的最大充电电流为79.6A，充电倍率为13.3C；最大放电电流为127.8A，放电倍率为21.3C；试验过程中电池组充电电流与放电电流的总平均值为17.6A，倍率为2.9C。电池组温度与温差，如图8所示。试验开始时电池组最高温度为32.96℃，随着电池的充放电，电池组温度迅速增加，在电池组最高温度达到38℃时，散热器冷却方式的开启，温度仍在增长但趋势变缓，随着温度继续增加至42.23℃空调冷却开启，温度迅速下降，并在40℃附近来回波动。试验开始时电池组的温差为1.48℃，试验结束时电池组的温差为3.99℃，全程电池组的温差最大达到3.99℃。试验结果表明，在高温环境下，设计的热管理策略能够保证电池组的最高温度控制在最佳工作温度区间内，电池组的温差控制在5℃以内。

图7 整车试验中电池组电流图Fig.7 Current of Battery Package in Vehicle Experiment

图8 整车试验中电池组温度与温差图Fig.8 Temperature and Difference in Temperature of Battery Package in Vehicle Experiment

5 结论

热管理策略是电池热管理系统的重要组成部分。根据电池的温度特性确定了电池组热管理目标，提出一种基于模糊PID算法的温度控制算法，结合算法以及电池组热管理目标设计了电池组热管理策略，通过台架试验以及整车试验进行策略验证。试验结果表明设计的热管理策略能够保证电池组在高温环境下，大电流使用时，其最高温度能被控制在最佳工作温度区间内，电池组的温差控制在5℃以内。