摘 要：

電池?zé)峁芾韺﹄妱悠嚨陌踩蛪勖陵P(guān)重要。本文采用鋁翅片銅管作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、 輕量型的 18650 型鋰離子電池模組，采用基于 PID 原理的算法作為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)電子膨脹閥的控制方案，實(shí) 驗(yàn)研究 R134a 制冷劑直接氣液兩相流冷卻電池模組的換熱性能。結(jié)果表明：所提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠快速響 應(yīng)溫度的變化，并降低電池模組的溫度。此外，當(dāng)控制方案為動態(tài)溫度 PID 算法時，電池模組以 1 C 倍率放電過 程中電池之間的最大溫差小于 4℃，并且電池模組的最高溫度低于 36℃。

0 引 言

電動汽車由于環(huán)保和能耗經(jīng)濟(jì)性高等原因而成 為新能源汽車發(fā)展的首選。鋰離子電池具有能量密 度高、循環(huán)壽命長和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是 電動汽車動力電池系統(tǒng)的最佳選擇[1]。動力電池系 統(tǒng)的溫度隨著充/放電過程而逐漸升高，而過高的溫 度會影響電池系統(tǒng)的性能，甚至可能因電池的熱失 控導(dǎo)致電動汽車發(fā)生自燃事故[2-3]。PESARAN 等[2] 推薦鋰離子電池最佳工作溫度范圍為 20 ~ 40℃；而PARK 等[4]建議將鋰離子電池之間的溫差控制在 5℃ 以內(nèi)。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（battery thermal management system, BTMS）有助于提高電動汽車動力系統(tǒng)的性 能（本文的性能是指電池的工作溫度范圍和電池組 之間的溫度差）、壽命和熱安全性[5]?？刂齐姵叵到y(tǒng)溫度的策略有空氣冷卻、液體冷 卻、相變材料（phase change material, PCM）冷卻和 熱管冷卻[6-7]。無功耗 PCM 熱管理主要通過 PCM 的 固液相變潛熱吸收電池產(chǎn)生的熱量，降低電池包的 溫度和溫度差；在低溫條件下，又可以利用 PCM 儲 存的熱量來加熱電池，改善電池的充放電性能。由 于 PCM 的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容較小，使其不能滿足電 池系統(tǒng)在惡劣工況（高溫環(huán)境、高倍率充/放電）的 冷卻要求。PCM 中摻雜石墨或泡沫金屬等可以提高 PCM 的導(dǎo)熱性，但會降低電池系統(tǒng)的能量密度[7]?；跓峁艿碾姵?zé)峁芾硐到y(tǒng)充分利用熱管的導(dǎo)熱與 相變介質(zhì)的快速傳熱特性來實(shí)現(xiàn)高效換熱，而其雙 向傳熱特性可滿足電池系統(tǒng)的冷卻和加熱需求，但 熱管成本較高且性能受重力影響[8]?？諝獾臒崛莺?導(dǎo)熱系數(shù)低，限制了其在高性能電池系統(tǒng)中的應(yīng)用[9]。液體的熱容和導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，具有比空氣 更好的熱管理性能。ZHAO 等[10-11]模擬多通道蛇形 板液體冷卻 71 節(jié)三元 18650 電池模組的結(jié)果表明， 電池模組以 5 C（C：電流/額定容量）放電時溫差小 于 2.2℃。CAO 等[12]對由 180 節(jié)電池組成的電池模組 以 0.5 C/1 C 進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，流體流量為 18 L/min 時，電池組具有較好的熱性能。JIN 等[13]設(shè)計(jì)的斜 翅片結(jié)構(gòu)液冷板有益于電動汽車電池的熱管理。液體的熱容和導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，具有比空氣 更好的熱管理性能。ZHAO 等[10-11]模擬多通道蛇形 板液體冷卻 71 節(jié)三元 18650 電池模組的結(jié)果表明， 電池模組以 5 C（C：電流/額定容量）放電時溫差小 于 2.2℃。CAO 等[12]對由 180 節(jié)電池組成的電池模組 以 0.5 C/1 C 進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，流體流量為 18 L/min 時，電池組具有較好的熱性能。JIN 等[13]設(shè)計(jì)的斜 翅片結(jié)構(gòu)液冷板有益于電動汽車電池的熱管理。主動相變是一種高效的熱管理方案。電動汽車 空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑直接用于電池包的熱管理有益于 整車熱管理系統(tǒng)的集成[14]，且制冷劑比 PCM 的熱 管理性能好[15]。此外，直冷（制冷劑與電池直接換 熱）在 20 ~ 40℃環(huán)境溫度下具有良好的冷卻性能[16]。歐陽東[17]根據(jù) E6 電動汽車在不同工況下車艙和電 池包的熱特性測試結(jié)果，設(shè)計(jì)電動汽車熱泵空調(diào)與 電池包交互熱管理系統(tǒng)。ATAUR 等[18]研發(fā)的模糊控 制蒸發(fā)式 BTMS 將電池的溫度控制在 25 ~ 40℃，但 并未研究電池的溫度不均勻性。CEN 等[19]研究電動 汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直冷一種 8P8S（8 節(jié)電池先并 聯(lián)成一個電池組，8 組電池再串聯(lián)）的鋁框翅片管 結(jié)構(gòu) 18650 型鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，電池包置于 40℃的環(huán)境溫度中，且其放電初始溫度為 28℃左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池包的溫度被控制在 35℃以內(nèi)，溫差小于 4℃。電動汽車動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、 系統(tǒng)能量密度高、安全可靠、效率高和成本低。為 了滿足電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的要求，還需要深 入研究電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和冷卻策略。采用模組級設(shè) 計(jì)思想可以根據(jù)不同車型及動力要求靈活組裝緊湊 型電池包，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化的鋁 翅片銅管結(jié)構(gòu)換熱器模塊，并與電池裝配成 10P24S 的電池模組。同時還開發(fā)基于比例、積分、微分 （proportional integral differential, PID）原理的算法 自動控制電動汽車空調(diào)系統(tǒng)電子膨脹閥的開關(guān)狀 態(tài)，實(shí)驗(yàn)研究電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直接對電池 模組在充電/放電過程中溫度的自動控制能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分 

1.1 電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CAI 等[20]研究證明蛇形管道結(jié)構(gòu)比空腔和并聯(lián) 通道的性能更好，而電池模組制冷劑進(jìn)出口在同側(cè) 的溫差比異側(cè)的低 60%[19]。高明等[21]采用純銅翅片 式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可有效控制電池組的溫升和溫度 梯度。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于商業(yè) 18650 型三元鋰離子電 池（如表 1）的管片式換熱器，管道采用蛇形逆流 進(jìn)出口同側(cè)布置。電池模組制作流程如下：①采用 脹管工藝將翅片和銅管加工成翅片管模塊；②用設(shè) 計(jì)的 18650 型電池模具將翅片管擠壓成模具形狀；③將電池外形結(jié)構(gòu)翅片管模塊組裝成電池模組熱交 換器，并把銅管焊接成蛇形結(jié)構(gòu)；④將電池組和熱 交換器裝配成 10P24S 的實(shí)驗(yàn)電池?zé)峁芾砟＝M（如 圖 1）。在電池和 18650 型翅片接觸表面之間涂導(dǎo)熱 膏，降低兩者間的接觸熱阻，增強(qiáng)電池與制冷劑之間 換熱。而通過在電池模組外包裹一層保溫棉來降低 電池模組與環(huán)境的換熱對電池模組熱特性的影響。

電動汽車輕量化設(shè)計(jì)有助于降低車輪滾動阻力 和減少加速所需的電量，提升電動汽車的續(xù)航里程。實(shí)驗(yàn)通過采用輕量化的翅片管（銅管鋁片材料）設(shè) 計(jì)緊湊型電池?fù)Q熱器，提高電池包的體積利用率， 并降低電池?fù)Q熱器重量。而電池包與車艙并聯(lián)作為 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制對象，利用空調(diào)系統(tǒng) 的制冷劑流入換熱器與電池直接換熱。因此，采用 本文設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾矸桨甘峭ㄟ^減輕電池?zé)峁芾?系統(tǒng)的重量來提高電池系統(tǒng)能量密度，并有效降低 整車熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性。在新歐洲駕駛測試循環(huán) 工況下，R134a 和 R1234yf 制冷劑都能將電池的溫 度控制 40℃以內(nèi)，但 R134a 的能耗是 R1234yf 的 40%[22]。因此，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用 R134a 制冷劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電動汽車空調(diào)系統(tǒng)、電池測試 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成（如圖 2）。電池測試系統(tǒng)控制 電池模組的充/放電過程，空調(diào)系統(tǒng)由車內(nèi)熱管理模 塊和電池系統(tǒng)熱管理模塊并聯(lián)設(shè)置。使用電子膨脹 閥（electronic expansion valve, EEV）的空調(diào)系統(tǒng)效 率高且制冷劑流量分配更均勻[23]。因此，實(shí)驗(yàn)用電 子膨脹閥 1 和 2（記為 EEV1、EEV2）分別控制流 入兩個熱交換器的制冷劑流量。汽車空調(diào)系統(tǒng)采用 Modbus 通訊協(xié)議自動控制 EEV 開度，0 步表示 EEV 全關(guān)，500 步表示 EEV 全開。

1.3 電池模組充/放電設(shè)置

電池模組采用恒流恒壓模式充電，采用恒流模 式放電。電池模組以 10 A 電流恒流充電至 100.8 V 時轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至 0.2 A 時停止充電；以 10 A 恒流放電到電壓為 66 V。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可 知，電池模組的充電截止電壓為 102.425 V，充電容 量為 22.981 A·h；放電截止電壓為 79.446 V，放電容 量為 22.529 A·h。為防止電池出現(xiàn)過充過放損壞電池 模組，實(shí)驗(yàn)設(shè)定電池模組充電截止電壓為 100.8 V， 放電截止電壓為 80 V。 圖 3 為電池模組以 0.5 C 恒流恒壓充電及 0.5 C、 1.0 C 和 1.5 C 恒流模式放電的容量狀況。隨著放電 倍率的增加，電池模組可放電容量明顯降低。電池 模組用 0.5 C 充電時，可儲存容量為 22.981 A·h，以 0.5 C 放電時，可放電容量是 22.529 A·h；電池模組 用 1 C 放電時，可放電容量降為 79.49%，而放電倍 率為 1.5 C 時，其可放電容量僅為 0.5 C 放電容量時的 59%左右。動力電池系統(tǒng)高倍率連續(xù)放電會降低 電池可充/放電容量和循環(huán)壽命，甚至因熱失控觸發(fā) 安全事故。基于電池系統(tǒng)的安全和性能考慮，推薦 18650 鋰離子電池正常最大連續(xù)放電倍率為 1 C[24-25]。因此，本實(shí)驗(yàn)主要研究基于 PID 原理設(shè)計(jì)的算法控 制 EEV 開關(guān)狀態(tài)，電池模組以 0.5 C 充/放電和 1 C 放電過程中恒定制冷劑流量直接兩相流冷卻電池模 組的熱管理性能。暫不考慮電池模組高倍率放電熱 管理特性和空調(diào)系統(tǒng)能耗及熱泵功能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度測點(diǎn)布置

電動汽車動力電池系統(tǒng)充/放電過程中，電池?zé)?負(fù)荷的變化會加劇電池組之間熱梯度的演變。而鋰 離子電池溫度測量的時效性是發(fā)揮電動汽車電池?zé)?管理職能的基本要求。LEE 等[26]將平面自制微熱電 偶安裝在鋰離子電池模塊中用以監(jiān)測電池內(nèi)部的 溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用內(nèi)部測溫比表面溫度快 45 ~ 90 s。LIN 等[27]基于在線參數(shù)化方法和通過測量 表面溫度設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)溫度觀測器，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 該辨識算法和自適應(yīng)觀測器的有效性。但由于技術(shù) 成熟度原因，本實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)響應(yīng)快的 K 型熱電偶 監(jiān)測電池表面溫度。

空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直接與電池模組換熱過程中， 制冷劑在蛇形管中氣?液兩相流流動與傳熱極其復(fù) 雜，導(dǎo)致電池模組發(fā)生最大溫差的位置具有不確定 性，這給電池模組溫度狀態(tài)的監(jiān)測帶來挑戰(zhàn)。本實(shí) 驗(yàn)利用每組電池預(yù)置的熱電偶來研究電池模組溫度 測點(diǎn)布局，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后選擇如圖 4 所示的 6 個 溫度測點(diǎn)表征電池模組熱管理性能。

2.2 固定參數(shù) PID 算法

電池的溫度控制是一個動態(tài)過程，而 PID 算法 具有較好的溫度控制能力[28]?；诖耍緦?shí)驗(yàn)采用 基于 PID原理的算法控制電動汽車空調(diào)系統(tǒng)EEV的 開度。EEV 的控制策略如下：當(dāng)測點(diǎn)的溫度達(dá)到算 法設(shè)置的 EEV1 開啟溫度時，EEV2 關(guān)閉而 EEV1 全 開；測點(diǎn)的溫度低于算法設(shè)置溫度后，EEV2 全開而 EEV1 關(guān)閉，控制過程直到電池模組停止工作且溫度 達(dá)到設(shè)計(jì)才結(jié)束。

電池模組置于約 24℃的環(huán)境中，采用固定參數(shù) PID 算法控制電池冷卻過程。如圖 5，電池模組 0.5 C 充電的最大溫差為 30.329℃，工作溫度為 4 ~ 36℃；而以 0.5 C 放電時的最大溫差為 21.195℃，工作溫度 為 8 ~ 32℃。電池之間的溫差大會加劇電池電性能 的不一致性；而電池工作溫度過低又會降低電池可 充放電電量，并縮短電池的使用壽命。電池包在低 溫條件工作會縮短電動汽車的續(xù)航里程。甚至可能 因電池的低溫析鋰觸發(fā)安全事故。因此，需要優(yōu)化 EEV的控制算法，使其滿足電動汽車電池?zé)峁芾硪蟆?

制冷劑 R134a 在流動過程中不斷吸收電池?zé)?量后變成氣液兩相流，當(dāng) R134a 的干度較小時， 傳熱系數(shù)隨著干度增加而增大；而 R134a 的干度 上升到轉(zhuǎn)變點(diǎn)后，傳熱系數(shù)隨著干度的增加而減 小，R134a 變?yōu)闅鈶B(tài)后傳熱系數(shù)會急劇下降。由此 可知，R134a 與電池模組的強(qiáng)制對流換熱可能導(dǎo)致 電池組產(chǎn)生溫度梯度。然而，電池的傳熱特性和 溫度測量的滯后性，以及經(jīng)典 PID 控制算法的慣 性延緩 EEV 的響應(yīng)，從而加劇電池組溫度的不一 致性。

2.3 限定溫差 PID 算法

通過在算法中增加溫度差限制條件，縮短 EEV 的延滯時間，降低電池模組的溫度梯度和維持電池 的運(yùn)行溫度在推薦溫度范圍。環(huán)境溫度為 24℃左右 時，電池模組以 0.5 C 充電，用限定溫差 PID 算法 控制 EEV，電池模組的最大溫差降低到 5.324℃，顯 著提高控制算法對電池模組的溫差管控能力。圖 6 展示了電池模組荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）與 溫度的關(guān)系。

2.4 動態(tài)溫度 PID 算法

限定溫差 PID 算法對電池模組的熱管理能力有 質(zhì)的提升，但電池模組的最大溫差仍不能滿足電動 汽車動力電池系統(tǒng)的熱管理設(shè)計(jì)要求。為提高 EEV 對電池模組溫度變化的靈敏性，設(shè)計(jì)了動態(tài)溫度 PID 算法（圖 7），并對三種算法進(jìn)行比較（如表 2）。

電池模組置于 22℃左右的環(huán)境中，EEV 用動態(tài) 溫度 PID 算法控制，并預(yù)設(shè) EEV1 開啟溫度為 30℃。電池模組以 0.5 C 倍率工作時，溫度被控制在 24 ~ 32℃，電池組之間的最大溫差小于 3℃，圖 8a 和 圖 8b 顯示了 0.5 C 下 SOC 和放電深度（depth of discharge, DOD）與溫度的關(guān)系。環(huán)境溫度約為 23℃， EEV1 預(yù)設(shè)開啟溫度為 28℃，電池模組以 1 C 放電 時，電池模組溫度升高到預(yù)設(shè)溫度，動態(tài)溫度 PID 算法輸出控制信號開啟 EEV1 而關(guān)閉 EEV 2。實(shí)驗(yàn) 結(jié)果如圖 8c 所示，電池模組的溫度被控制在 24 ~ 36℃，而最高溫度為 35.552℃，最大溫差為 3.974℃。電池模組以恒定倍率工作時，如果不采取冷卻 策略，電池溫度會持續(xù)上升。當(dāng) EEV1 開啟后，制 冷劑流入電池模組，并將電池工作過程中產(chǎn)生和累 積的熱量轉(zhuǎn)移到制冷劑中，電池的溫度受到突然的 抑制而迅速下降。由此可知，電池模組熱管理過程 的溫度隨時間呈鋸齒形變化。而從電池模組流出的 制冷劑與冷凝器內(nèi)的水強(qiáng)制對流換熱，將電池產(chǎn)生 的熱量通過水散失到環(huán)境中，制冷劑的兩相冷卻性 能通過往復(fù)循環(huán)而保持不變。電池產(chǎn)生的歐姆熱、 反應(yīng)熱和極化熱隨著充/放電倍率的增大而增加，導(dǎo) 致電池模組 1 C 放電比 0.5 C 的發(fā)熱量多，溫度升高 也更快，EEV1 開啟次數(shù)也明顯增多。說明隨著電池 工作倍率的增大，電池系統(tǒng)對熱管理的要求更嚴(yán)苛。

EEV 采用動態(tài)溫度 PID 算法控制時，隨著電池 模組充/放電過程的深入，電池模組的溫差有所惡 化，但電池組之間的最大溫差也小于 4℃，保持在 推薦的 5℃范圍內(nèi)，由此可知，動態(tài)溫度 PID 算法 能將電池模組的溫度控制在電池的最佳工作溫度范 圍內(nèi)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，主要有四種因素造成電 池模組溫度分布不均勻。首先，由于制造工藝導(dǎo)致 電池單體之間的不均勻物性引起電池發(fā)熱量差異；其次，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電池模組熱交換器是均勻結(jié)構(gòu)， 而電池模組中不同位置換熱量不同；再次，管道中 制冷劑的氣液兩相流動與傳熱劇烈變化；最后，控 制算法及 EEV 開關(guān)延時。制冷劑的相變溫度應(yīng)該等 于相應(yīng)壓力下的飽和溫度并保持不變，但由于制冷 劑吸收電池釋放的熱量導(dǎo)致液態(tài)制冷劑質(zhì)量降低， 及制冷劑流動在流動過程中的壓力損失導(dǎo)致飽和壓 力下降，所以飽和溫度降低，最終因制冷劑冷卻能 力隨汽化潛熱的降低而減少。當(dāng)制冷劑處于過熱狀 態(tài)時，電池模組的溫差會逐漸升高。因此，需要增 加制冷劑質(zhì)量流量使熱管理系統(tǒng)具有足夠的兩相冷 卻性能，也有助于降低電池模組的溫度梯度。此外， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化管片式換熱器結(jié)構(gòu)及調(diào)整翅片與 電池之間的接觸熱阻也可以提高電池包溫度一致 性。因此，電池模組必須采取有效的熱管理策略解 決或延緩由溫度梯度導(dǎo)致的不均衡性電性能衰退。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化的電動汽車空調(diào) 系統(tǒng)制冷劑直冷動力電池的熱管理方案，并研究 3 種基于 PID 原理的算法控制電動汽車空調(diào)系統(tǒng) EEV 的開度，實(shí)驗(yàn)測試不同算法控制制冷劑直接流經(jīng)該 結(jié)構(gòu)電池模組的熱管理性能。主要結(jié)論如下： （1）電池模組熱交換器框架采用鋁翅片銅管非 均勻設(shè)計(jì)能改善電池包的散熱條件，提高電池系統(tǒng) 的溫度均勻性和能量密度。 （2）電池模組以 0.5 C 工作時，固定參數(shù) PID 算法和限定溫差 PID 算法都不能將電池模組的最大 溫差控制在 5℃以內(nèi)，但限定溫差 PID 算法將電池 模組的最大溫差降低 75%左右。（3）EEV 用動態(tài)溫度 PID 算法控制其開度，電 池模組置于 23℃左右的環(huán)境中，并以 0.5 C 工作時， 電池模組的最大溫差小于 3℃；而電池模組以 1 C 放 電時，其最大溫差被控制在 4℃以內(nèi)，最高溫度也 低于 36℃。因此，基于動態(tài)溫度 PID 算法的制冷劑 直冷方案能將電池模組的熱管理性能控制在推薦要 求范圍內(nèi)。本文提出的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)直冷電池包自動 控制方法為電池包的熱管理提供了一種有效的解決 方案。研究并解決 EEV 的精確控制策略、電池包在 快速充電模式的有效溫度調(diào)控以及電池包和乘員艙 制冷劑流量分配問題對推動電動汽車空調(diào)系統(tǒng)直冷 電池包方案的商業(yè)應(yīng)用具有重要意義。而研究電動 壓縮機(jī)的變頻控制方案不但可以根據(jù)熱負(fù)荷變化調(diào) 節(jié)壓縮機(jī)的工作頻率，而且還可以和 EEV 實(shí)施聯(lián)合 控制，最終實(shí)現(xiàn)降低電動壓縮機(jī)寄生功耗和提高系 統(tǒng)控制性能的目的。

免責(zé)聲明：文章來源 林必超,岑繼文,蔣方明.汽車空調(diào)制冷劑直冷動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PID控制研究[J].新能源進(jìn)展,2020,8(02):123-130.