摘 要：動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車最重要的能源供給裝置，熱管理系統(tǒng)是提高動(dòng)力電池性能，確保動(dòng)力電池安全的重要部件。針對(duì)大功率動(dòng)力電池由散熱失效引起安全性能下降的問(wèn)題，在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)嵝?yīng)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了熱管理系統(tǒng)架構(gòu)和液冷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法作為液冷先進(jìn)控制方法，利用構(gòu)建好的熱管理實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行策略驗(yàn)證，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的液冷先進(jìn)控制方法能夠快速地響應(yīng)動(dòng)力電池的熱管理請(qǐng)求，提升熱管理系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；熱管理系統(tǒng)；散熱失效；液冷；動(dòng)態(tài)規(guī)劃

０　引言

隨著汽車電子技術(shù)的高速發(fā)展，呈現(xiàn)出多種不同動(dòng)力源的汽車，其中，電動(dòng)汽車的快速發(fā)展也得益于動(dòng)力電池技術(shù)的不斷完善。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車最為關(guān)鍵的能量存儲(chǔ)裝置，為電動(dòng)汽車提供驅(qū)動(dòng)能量，其安全性、容量以及使用壽命等能夠直接影響電動(dòng)汽車的性能 。

電動(dòng)汽車在面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)，需要頻繁地切換車輛的行駛模式，大功率需求情況下，需要?jiǎng)恿﹄姵剌敵龃蠊β瘦斔偷津?qū)動(dòng)電機(jī)，以此滿足整車的大功率需求；頻繁制動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)力電池需要頻繁地在輸出能量和回收能量之間切換，大電流地沖擊著動(dòng)力電池。諸多因素都會(huì)嚴(yán)重地影響動(dòng)力電池的性能和使用壽命，尤其是在車輛處于大功率、高轉(zhuǎn)速的行駛工況下，動(dòng)力電池的內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度都會(huì)急劇上升，如果溫度一直沒(méi)有下降，動(dòng)力電池容易爆炸；同樣面對(duì)低溫狀態(tài)，會(huì)影響動(dòng)力電池的性能導(dǎo)致輸出功率受限制，無(wú)法滿足整車的功率需求。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一種具備高效調(diào)節(jié)動(dòng)力電池環(huán)境溫度的控制系統(tǒng)，通過(guò)感知?jiǎng)恿﹄姵貎?nèi)部溫度、整車環(huán)境溫度來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)控制單元的散熱或加熱指令，驅(qū)動(dòng)散熱風(fēng)扇或加熱裝置從而實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力電池的熱管理。針對(duì)車用動(dòng)力電池的熱管理技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)流體域的幾何結(jié)構(gòu)模型從而改善動(dòng)力電池散熱性能；優(yōu)化動(dòng)力電池反向分層風(fēng)冷結(jié)構(gòu)；構(gòu)建動(dòng)力電池液冷控制系統(tǒng)改善動(dòng)力電池散熱性能等。本文在動(dòng)力電池?zé)嵝?yīng)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)動(dòng)力電池液冷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行先進(jìn)熱管理，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中驗(yàn)證先進(jìn)控制方法的可靠性。

１　動(dòng)力電池?zé)嵝?yīng)模型

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最重要的能源供給裝置，在面對(duì)復(fù)雜的行駛工況，比如長(zhǎng)時(shí)間的大功率運(yùn)行、高溫環(huán)境中運(yùn)行等都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池的升溫，在極寒工作條件下，動(dòng)力電池的溫度也會(huì)下降，上述都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池的性能下降，影響整車的駕駛性能。動(dòng)力電池是一種溫度敏感部件，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)升溫降溫產(chǎn)生熱量的載體，其熱效應(yīng)模型采用單位體積生熱模型 。

２　熱管理系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一個(gè)非常重要的系統(tǒng)，通過(guò)相關(guān)的控制邏輯可以確保動(dòng)力電池保持在合適的工作溫度范圍內(nèi)。主要包括冷卻功能和加熱功能，其中，冷卻功能主要通過(guò)壓縮機(jī)、熱交換器和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行換熱作用來(lái)實(shí)現(xiàn)；加熱功能主要由PTC加熱器和熱交換器集成化實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)部件構(gòu)成如圖 １ 所示。

圖 １　熱管理系統(tǒng)部件

當(dāng)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)收到電池冷卻指令時(shí)，動(dòng)力電池的冷卻回路會(huì)通過(guò)熱交換器與整車的空調(diào)系統(tǒng)連接，空調(diào)的冷卻可以將動(dòng)力電池的熱量帶走，與此同時(shí)，如果冷卻需求更大將會(huì)加入冷卻水泵，另外可以通過(guò)電磁閥的通斷來(lái)控制電動(dòng)汽車機(jī)艙和動(dòng)力電池冷卻的切換。

動(dòng)力電池的工作溫度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，當(dāng)電動(dòng)汽車行駛處于在低溫狀態(tài)下，動(dòng)力電池受環(huán)境溫度的影響，自身溫度會(huì)下降，導(dǎo)致放電性能下降，影響整車的動(dòng)力性。 因此需要給動(dòng)力電池加熱，動(dòng)力電池的加熱主要通過(guò) ＰＴＣ 加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)接收到加熱請(qǐng)求時(shí)，會(huì)打開(kāi)三通閥，啟動(dòng) ＰＴＣ 加熱器進(jìn)行動(dòng)力電池加熱，檢測(cè)到動(dòng)力電池溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，ＰＴＣ 加熱器停止工作。

３　液冷先進(jìn)控制方法

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)需要有硬件的支持，同樣需要有軟件的支撐，通過(guò)采集到的電池溫度和水溫，ＢＭＳ 根據(jù)動(dòng)力電池的溫度來(lái)判斷動(dòng)力電池的冷卻和加熱請(qǐng)求 。通過(guò)信號(hào)接口獲取到整車的相關(guān)信號(hào)，比如動(dòng)力電池溫度、整車行車模式、車速以及冷卻液流速等，熱管理系統(tǒng)通過(guò)算法來(lái)計(jì)算出動(dòng)力電池的冷卻請(qǐng)求使能、加熱請(qǐng)求使能以及強(qiáng)控指令等，將如上信號(hào)發(fā)送到加熱或冷卻模塊后計(jì)算出執(zhí)行器的運(yùn)行功率以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng) ＰＴＣ 加熱器或冷卻水泵，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的熱管理，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 ２ 所示。

圖 ２　系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池?zé)峁芾砉ぷ髂Ｊ綄⒁罁?jù)車輛的行駛模式以及動(dòng)力電池的最大溫度、最小溫度。當(dāng)車輛處于交流充電、直流充電模式下時(shí)，可以啟動(dòng)熱管理系統(tǒng)的冷卻功能，其中，熱管理系統(tǒng)會(huì)依據(jù)動(dòng)力電池最大溫度和最小溫度計(jì)算出此階段所需冷卻使能條件和冷卻功能關(guān)閉條件，通常采用最大溫度和一個(gè)可標(biāo)定的溫度閾值進(jìn)行比較，隨著溫度的下降，冷卻會(huì)經(jīng)歷好幾個(gè)階段直到動(dòng)力電池的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，關(guān)閉動(dòng)力電池冷卻回路的相關(guān)執(zhí)行器。同理，在動(dòng)力電池?zé)峁芾韱?dòng)加熱功能時(shí)，也是通過(guò)最高的動(dòng)力電池溫度和相關(guān)條件的閾值進(jìn)行比較，從而啟動(dòng)和關(guān)閉熱管理系統(tǒng)的加熱功能，其時(shí)序圖大致如圖 ３ 所示。

圖 ３　液冷管理狀態(tài)時(shí)序圖

針對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)確定了冷卻和加熱的開(kāi)啟關(guān)閉條件閾值，需要加入動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法來(lái)合理地規(guī)劃冷卻回路和加熱回路上相應(yīng)執(zhí)行器的輸出功率以及反饋狀態(tài)。動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的實(shí)質(zhì)就是將狀態(tài)任務(wù)進(jìn)行不同階段的分解，然后求解各個(gè)子階段的最優(yōu)解  ，因此可以將動(dòng)態(tài)規(guī)劃作為熱管理系統(tǒng)的核心算法模塊。

首先判斷車輛的模式，隨后根據(jù)動(dòng)力電池的溫度和ＢＭＳ 的狀態(tài)進(jìn)行冷卻閾值判斷和加熱閾值判斷，得出冷卻目標(biāo)水溫、冷卻使能和加熱使能、ＰＴＣ 加熱請(qǐng)求標(biāo)志位等信息 ，進(jìn)入熱管理模式切換，如果冷卻功能需要開(kāi)啟，將會(huì)把冷卻請(qǐng)求、動(dòng)力電池溫度、冷卻目標(biāo)水溫等信息輸入核心算法模塊進(jìn)行計(jì)算出電子水泵、ＰＴＣ加熱器、散熱風(fēng)扇等執(zhí)行器的目標(biāo)功率以及冷卻加熱時(shí)間等，求出最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，滿足動(dòng)力電池的加熱或冷卻需求，整體的先進(jìn)控制原理結(jié)構(gòu)如圖 ４ 所示。

圖 ４　液冷先進(jìn)控制原理圖

４　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池液冷控制方案的可靠性，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)環(huán)境，主要由動(dòng)力電池、控制上位機(jī)、熱交換器、ＰＴＣ 加熱泵、閥體、制冷劑管道以及電磁閥等部件構(gòu)成，采集了動(dòng)力電池在充電和放電兩個(gè)階段的熱管理數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)環(huán)境和數(shù)據(jù)如圖 ５ 所示。

圖 ５　動(dòng)力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)平臺(tái)

表 １　動(dòng)力電池性能參數(shù)

從圖 ６ 可以看出，在識(shí)別車輛的行駛模式后，動(dòng)力電池的溫度經(jīng)過(guò)短暫的升溫，隨后在 １０００ ｓ 時(shí)熱管理系統(tǒng)開(kāi)啟冷卻動(dòng)力電池的使能，電子冷卻水泵介入，溫度開(kāi)始下降，隨后動(dòng)力電池溫度保持在一定溫度，隨著冷卻功能的關(guān)閉，溫度又開(kāi)始上升。

圖 ６　開(kāi)啟使能溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同樣，在圖 ７ 中，隨著熱管理系統(tǒng)冷卻和加熱模式進(jìn)行切換時(shí)，動(dòng)力電池的溫度隨即發(fā)生相應(yīng)趨勢(shì)的變換，而且響應(yīng)速度非?？欤瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用的先進(jìn)控制方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的冷卻和加熱。

圖 ７　模式切換溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

５　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在復(fù)雜工況下的熱管理失效問(wèn)題，在動(dòng)力電池?zé)嵝?yīng)模型基礎(chǔ)上， 構(gòu)建了分布式的液冷熱管理部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法作為其控制算法，并在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)液冷設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的方法能夠快速提升熱管理系統(tǒng)的散熱加熱響應(yīng)能力，確保動(dòng)力電池工作在高效率區(qū)間。

作者：習(xí)　璐

作者單位：咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院