摘    要   

電氣化汽車動力系統(tǒng)中使用的電池組支持重型電氣負載，從而在其中產(chǎn)生大量熱量。冷卻系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)電池組溫度，有助于減緩電池老化。車輛級能耗模擬是基于占空比和與動力系其余部分的相互作用來確定電池冷卻系統(tǒng)規(guī)格的第一步。本文介紹了一種電池模型的開發(fā)，該模型考慮了電池中加熱的能量影響，并演示了其在車輛級能耗模擬器中的應用，以設置適合車輛應用的冷卻系統(tǒng)的規(guī)格。

本文中使用的車輛應用是一款6級皮卡和交付商用車，采用增程電動汽車（REEV）動力系統(tǒng)配置。電池模型由充電狀態(tài)估計器和電池組整體溫度的熱模型組成，基于被動冷卻系統(tǒng)的臺架測試數(shù)據(jù)在車輛模擬器上進行校準。然后，建立了主動液體冷卻系統(tǒng)的模型，并根據(jù)選定的電池溫度升高目標確定了其性能指標。使用兩個冷卻系統(tǒng)獲得的車輛模擬結(jié)果表明，盡管主動冷卻系統(tǒng)由于操作所需的額外附件而消耗的能量略高，但電池溫度仍保持在更嚴格的范圍內(nèi)。

01  前    言 

混合動力電動汽車（HEV）同時利用電動動力系統(tǒng)在寬工作范圍內(nèi)的效率和傳統(tǒng)燃料的能量密度。車載電化學儲能系統(tǒng)（ESS）起到能量緩沖器的作用，使發(fā)動機、電機和電動動力系的其余部分能夠更自由地操作，以達到車輛性能目標。ESS是一個總括性術(shù)語，用于指電池或電池與（超級或超）電容器的組合，其配置適合于儲能應用。在插電式混合動力汽車（PHEV）中，作為混合動力汽車的一個子集，ESS在車輛不使用時從電網(wǎng)充電。在運行過程中，PHEV更傾向于在打開發(fā)動機為車輛供電或為ESS充電之前釋放ESS中的電網(wǎng)能量。

增程電動汽車（REEV）是PHEV運行理念的一個子集。REEV具有串聯(lián)HEV配置，但部件的尺寸允許車輛在大部分時間使用電網(wǎng)充電電池運行。車載增程器從能量密集的傳統(tǒng)燃料中產(chǎn)生的電力剛好足以為車輛提供略微增加的行駛里程。因此，增程器有助于緩解里程焦慮，并在其他功能齊全的電動汽車中提供更大的操作靈活性。近年來，REEV在商用車行業(yè)引起了人們的極大興趣，它采用了增程器，如燃料電池、微型渦輪機或僅將傳統(tǒng)發(fā)動機連接到發(fā)電機。

用于操作PHEV的傳統(tǒng)策略是首先將ESS放電到其最小充電狀態(tài)（SOC）閾值，然后將SOC保持在該水平。這種策略被稱為電荷消耗-電荷維持（CD/CS）操作。然而，當事先知道一天的占空比時，可以采用混合放電策略，在增程器的幫助下降低ESS放電速率，并完全避免電荷維持操作的重復充放電循環(huán)。每當車輛功率需求較高時，增程器就會不斷介入，從而降低ESS的電氣負載。因此，混合放電策略降低了ESS吞吐量，從而延長了電池壽命。通過對發(fā)電機組工作點進行一些調(diào)整，可以降低車輛燃油消耗，因為增程器產(chǎn)生的電力直接到達牽引電機，避免了ESS中的能量轉(zhuǎn)換。因此，與電池電動汽車（BEV）相比，在REEV中，ESS的運行不那么嚴重。鋰離子電池最常用作電動汽車動力系統(tǒng)的ESS。冷卻系統(tǒng)可以將鋰離子電池的溫度保持在較低的范圍內(nèi)，最大限度地延長電池壽命?？紤]到所涉及的電池的尺寸、成本和工作循環(huán)，冷卻對商用車來說更為關(guān)鍵。兩種形式的冷卻可以以具有成本效益的方式實現(xiàn)：主動冷卻和被動冷卻。主動冷卻系統(tǒng)涉及使用與冷卻風扇吹送的空氣的強制對流，或者通過使液體冷卻劑循環(huán)，然后用熱交換器將吸收的熱量散發(fā)到環(huán)境中。這些系統(tǒng)成本更高，并采用了額外的耗電附件，增加了車輛能耗，但有助于將電池的溫度保持在更嚴格的范圍內(nèi)，延長其壽命。被動冷卻依賴于電池組暴露表面的自然對流，可能會通過更好地接觸迎面而來的空氣和散熱片、肋片和散熱器等設計特征來增強。實施被動冷卻可以節(jié)省成本，但當電池上的電負載更重時，會導致電池溫度峰值更高，從而降低電池壽命。

本文介紹了一種面向控制的電池模擬器的開發(fā)，該模擬器用于模擬商用車電池中的電氣和熱關(guān)系，該電池具有被動空氣冷卻系統(tǒng)和替代的專用主動液體（至環(huán)境）冷卻系統(tǒng)。雖然文獻中報道了更詳細的電池和冷卻系統(tǒng)模擬器，但本文中提出的簡化模擬器旨在作為研究可行性、部件尺寸和車輛級控制開發(fā)的第一步。該模擬器易于與車輛能耗模擬器集成，并且由于其參數(shù)較少且簡化，因此可以快速校準模型以獲得最彎曲的數(shù)據(jù)。車輛占空比、車輛部件規(guī)格變化、動力總成能量管理策略、駕駛員行為和其他車輛水平條件的影響可以很容易地進行研究。所獲得的結(jié)果可以用于電池組及其冷卻系統(tǒng)的更詳細的設計。

02  車輛模擬

 本文中模擬的電池組是6級皮卡和交付（P&D）卡車動力系統(tǒng)的一部分，其規(guī)格如表1所示。車輛模擬器是作為美國能源部資助項目的一部分開發(fā)的，本節(jié)對此進行了簡要描述。

表1?車輛應用的規(guī)范

車輛動力系統(tǒng)配置為增程電動汽車（REEV），如圖1所示。牽引電機是車輛的原動機，僅負責產(chǎn)生機械動力，通過變矩器、變速箱和車軸轉(zhuǎn)動車輪。再生制動也使用牽引電機實現(xiàn)，保持變矩器鎖止離合器接合。本文所使用的儲能系統(tǒng)是一個鋰離子電池組。蓄電池和發(fā)電機組共同為牽引電機供電。發(fā)電機組由一臺柴油發(fā)動機和一臺發(fā)電機組成。請注意，車輛中的兩臺電機均為永磁同步電機（PMSM）類型，在交流電（AC）下運行。因此，提供了兩個逆變器來與使用直流電（DC）工作的電池接口。

圖1?車輛動力系統(tǒng)配置：增程電動汽車（REEV）

 盡管REEV動力總成架構(gòu)看起來像是具有串聯(lián)混合動力配置的插電式混合動力電動汽車（PHEV），但電池組容量允許卡車在大多數(shù)情況下像電池電動汽車一樣運行。只有當車輛行駛循環(huán)超過其全電動范圍時，發(fā)電機組才會啟動。PHEV的傳統(tǒng)操作方法是使用電荷消耗-電荷維持（CD/CS）策略。使用電網(wǎng)能量充電過夜的電池組首先放電至其最小充電狀態(tài)（SOC）閾值。然后打開發(fā)電機組，為牽引電機供電，同時將電池SOC保持在其最小閾值以上。CD/CS策略非常適合車輛驅(qū)動循環(huán)存在不確定性的車輛應用。然而，在P&D應用程序中，由于車輛路線是在工作日開始時規(guī)劃的，因此駕駛周期是先驗已知的。驅(qū)動循環(huán)信息可用于生成參考電池放電軌跡，然后使用能量管理控制器在整個工作日“混合”發(fā)電機組運行，最大限度地減少燃料消耗，如所示。這種對電池進行放電的方法被稱為“混合電池放電”策略。它有助于限制電池上電氣負載的嚴重性，并在工作日內(nèi)降低電池的整體吞吐量。

 P&D車輛所經(jīng)歷的工作循環(huán)是不同的，包括大量的啟動和停止、在城市道路上的低速行駛，以及可能的一些高速公路行駛路段。在某些情況下，車輛可能會在高速行駛后立即停車，從而導致電池體積溫度飆升。為了捕捉這種P&D應用特有的情況，車輛在80英里的合成驅(qū)動循環(huán)（本文中稱為“NREL80”）上行駛，該循環(huán)代表了6級P&D車輛在現(xiàn)場遇到的典型工作循環(huán)。模擬中的每一天都由兩個部分組成。在第一段期間，車輛經(jīng)過NREL80占空比，其中電池從其最大SOC閾值放電到其最小SOC閾值。隨后是夜間充電，在此期間鑰匙關(guān)閉，在車輛停車時，蓄電池從電網(wǎng)緩慢充電回其最大SOC閾值。

03  電池和冷卻系統(tǒng)模型  

電池模擬器由電模型和熱模型組成。電氣模型基于車輛的功耗和車載發(fā)電機組的充電來估計電池的充電狀態(tài)（SOC）。電池的電流通過量由于電池單元的內(nèi)阻而導致電池單元的電加熱。這種加熱起到熱模型的熱產(chǎn)生源的作用。由此產(chǎn)生的電池整體溫度變化會影響電池單元的內(nèi)阻。

圖2?電池組的零階等效電路電氣模型

電池電阻

 電池組由串聯(lián)的電池組組成，這些電池組相互并聯(lián)。N系列表示串聯(lián)的單元數(shù)量，N并行表示并聯(lián)的此類集合數(shù)量。電池被建模為零階系統(tǒng)，具有電壓源和內(nèi)阻，如圖2所示。

電池電流（IB）由開路電壓（VOC）、等效內(nèi)阻（R0）和從電池組（PB）汲取的功率獲得。

這里，開路電壓（VOC）和等效內(nèi)阻（R0）是根據(jù)各個電池單元電平值和電池組配置獲得的。

 然后借助于電池組中并聯(lián)支路的數(shù)量（Nparallel）來獲得單元電流（Icell）。

 可以基于該電池電流來估計電池的充電狀態(tài)（SOC）。

 電池充電容量（Ahcell）以及開路電壓和內(nèi)阻的映射是從在受控環(huán)境中對單個電池進行的測量中獲得的。發(fā)現(xiàn)電池開路電壓（VOC，cell）是充電狀態(tài)（SOC）的函數(shù)。電池內(nèi)阻（R0，cell）是SOC和電池整體溫度（TB）的函數(shù)。

 在25℃和35℃下，內(nèi)阻與SOC的曲線幾乎相同。當溫度降低到15℃時，內(nèi)阻增加40%。當溫度升高到45℃時，內(nèi)阻降低10%。開路電壓曲線和內(nèi)阻曲線都作為模擬器中的查找表來實現(xiàn)。

車輛中的能量管理控制器管理電池SOC?；诋斕祛A期駕駛循環(huán)的高級信息（速度和坡度與距離），生成參考SOC軌跡，該軌跡假設電池在預期能量需求下線性放電。隨著車輛在行駛循環(huán)中前進，能量管理控制器通過根據(jù)能量消耗最小化策略（ECMS）定義的成本函數(shù)在各種功率輸出下操作發(fā)電機組，將電池SOC維持在該參考軌跡附近。

 模擬電池SOC如圖3所示。在車輛速度更高的駕駛循環(huán)段中，允許電池以更高的速率放電（因為能量需求會更高）。請注意，無論使用主動冷卻還是被動冷卻，SOC圖在駕駛循環(huán)的時間范圍內(nèi)看起來都是相同的。與牽引電機相比，主動冷卻系統(tǒng)中的附件具有低得多的功耗，并且由于電池內(nèi)阻引起的功率損耗變化也太小，無法顯示在該SOC圖中。累積油耗會有一個小的差異，這將在本文稍后報道。

                圖3?NREL80駕駛循環(huán)中的蓄電池充電狀態(tài)（SOC）軌跡

電池熱模型：被動空氣冷卻

 電池組的熱模型由一階集總熱質(zhì)量（mBcB）、電池歐姆加熱產(chǎn)生的熱量（QB）和集總對流冷卻項（hA）組成。這個集中對流冷卻術(shù)語是指向環(huán)境空氣（在Tamb溫度下）的被動散熱。由此得到的電池的整體溫度（TB）的變化率由等式（6）給出

發(fā)熱項是根據(jù)為該車輛開發(fā)的正向模擬器中獲得的電池電流計算得出的。

對于特定車輛應用的電池組的熱設計，設計工程師可以使用對流冷卻項和熱質(zhì)量項?；诜庋b約束和成本目標，電池組的外表面可以被設計為借助散熱片、肋或其他這樣的設計特征來散熱。由于暴露在環(huán)境空氣中的程度不同，電池組在車輛內(nèi)的位置也將在確定對流冷卻率方面發(fā)揮作用。結(jié)構(gòu)設計和安裝材料的選擇、耐用性和（碰撞）安全性將在決定包裝的熱質(zhì)量方面發(fā)揮作用。在這一點上，設計工程師可以選擇將電池組封裝成一個以上的單元，從而實現(xiàn)期望的表面積與熱質(zhì)量比。注意，假設整個電池組的溫度是均勻的。在設計電池組的結(jié)構(gòu)時，必須在更詳細的模型中考慮電池間的溫度變化。

在本文模擬的P&D車輛的情況下，電池組在一個工作日的過程中（由NREL80驅(qū)動循環(huán)表示）經(jīng)歷從其最大SOC閾值到其最小SOC閾值的整體放電，然后在車輛停放在車輛段時進行夜間電網(wǎng)充電。在連續(xù)工作日使用車輛時，電池組在下一個工作日開始時不會恢復到環(huán)境溫度。這意味著電池的峰值溫度可能會在連續(xù)的工作日內(nèi)持續(xù)升高，直到與環(huán)境的溫差足夠高，對流散熱率能夠趕上它。電池的測試周期旨在捕捉這種行為。在特定環(huán)境溫度下在測試臺上測量電池組溫度。該測試代表了車輛在NREL80駕駛循環(huán)中連續(xù)幾天的連續(xù)運行。對電池模擬器中的熱參數(shù)進行校準，以適應該測試循環(huán)中的溫度測量值。

在圖4中，校準的模擬器在10天的背靠背NREL80驅(qū)動循環(huán)中進行了演示，然后休息兩天。蓄電池最初在環(huán)境溫度下的冷浸條件下起動。每天，在NREL80駕駛循環(huán)結(jié)束后，在車輛停車至24小時之前，蓄電池都會充電回最大SOC閾值?？梢郧宄乜吹诫姵亟M中的溫度升高。到第八天，電池組的日峰值溫度達到所選熱質(zhì)量和對流冷卻率的峰值。

圖4?電池溫度，基于根據(jù)臺架測試數(shù)據(jù)校準的模擬器，在NREL80驅(qū)動循環(huán)的十次重復被動冷卻下運行，然后休息兩天。

圖5更詳細地檢查了一個工作日內(nèi)的電池組溫度?？梢郧宄乜吹剑斳囕v功耗高時，電池溫度在高速行駛階段快速升高。第1天（電池組在冷浸條件下啟動）和第10天（電池包在其熱循環(huán)中已達到穩(wěn)定狀態(tài)）之間的電池組溫度也存在顯著差異。

  圖5?在NREL80駕駛循環(huán)的連續(xù)工作日的第1天和第10天駕駛期間的模擬電池溫度。

 通過校準方程（6）中的集總參數(shù)，獲得電池組模型的熱參數(shù)，如表2所示。

表2?具有被動空氣冷卻的電池熱模型的校準參數(shù)。

電池熱模型：主動液體冷卻

主動冷卻系統(tǒng)的示意圖如圖6所示。冷卻液（水和乙二醇的50/50混合物）在電池組上循環(huán)，以更快的速度冷卻，從而使電池在更低的溫度下運行。由于該模擬器用于控制開發(fā)，因此不會對電池組、熱交換器和冷卻表面內(nèi)傳熱的復雜熱建模細節(jié)進行建模。相反，該系統(tǒng)被建模為由兩個集中的熱質(zhì)量組成——電池模塊和儲液罐中的冷卻劑。假設蓄電池模塊和冷卻液儲液罐內(nèi)的溫度是均勻的。類似地，假設連接冷卻儲存器與冷卻板、冷卻板與熱交換器以及熱交換器與冷卻劑儲存器的管道中的溫度分別均勻地處于TW1、TW2和TW3。從電池單元到冷卻液的熱傳遞的熱梯度由熱阻（Rt，plate）捕獲。散熱器處從冷卻劑到環(huán)境空氣的熱傳遞由另一熱阻（Rt，rad）捕獲。

                    圖6?蓄電池模塊的主動冷卻系統(tǒng)示意圖。

熱傳遞方程現(xiàn)在已編入。冷卻劑的整體溫度的變化率（TW）由熱交換器出口和電池的冷卻板的入口溫度之間的溫差給出（TW1＝TW）。

電池熱質(zhì)量和環(huán)境空氣的熱損失源自被動冷卻系統(tǒng)校準。

蓄電池主動冷卻系統(tǒng)：控制和校準?雖然可以使用恒溫控制器周期性地以全容量運行主動冷卻系統(tǒng)，但更合適的方法是以階梯方式給冷卻劑泵和熱交換器風扇通電。這里，選擇0.33的步長，產(chǎn)生四種操作模式——從關(guān)閉到滿功率。選擇1kg/s的最大冷卻劑流速和10kg的總質(zhì)量。散熱器風扇和冷卻液泵的最大功耗均為200W。表3總結(jié)了這些參數(shù)。

表3?主動冷卻系統(tǒng)組件的模擬器設置

為了防止大容量電池溫度升高超過1.50C，對其余參數(shù)設置進行校準，以獲得表4中的值。此表中的最后一項是觸發(fā)冷卻液泵和熱交換器風扇從關(guān)閉到滿功率四種操作模式的溫度閾值。每次電池和冷卻系統(tǒng)用于具有自身功耗特性（基于有效載荷、駕駛周期和駕駛員行為）和駕駛環(huán)境（如環(huán)境溫度和駕駛速度，導致不同的空氣流速）的新車應用時，都需要重新校準這些系統(tǒng)。

表4?基于電池溫度限制的主動冷卻系統(tǒng)模型中的校準設置

圖7顯示了在冷浸條件下啟動時第一天的模擬電池體積溫度。主動冷卻和被動冷卻之間的峰值溫度差超過20攝氏度。圖8比較了主動冷卻系統(tǒng)和被動冷卻系統(tǒng)在10個工作日內(nèi)的性能。主動冷卻系統(tǒng)在第二天的溫度循環(huán)中達到穩(wěn)定狀態(tài)，而被動冷卻系統(tǒng)需要八天時間。到第八天，兩個冷卻系統(tǒng)之間的峰值溫度差將增加到6.5攝氏度以上的穩(wěn)定值。

圖7?在被動冷卻和主動冷卻系統(tǒng)的冷浸條件下啟動時，NREL80驅(qū)動循環(huán)上電池的整體溫度。

圖8?使用NREL80驅(qū)動循環(huán)，連續(xù)10個工作日的大容量電池溫度，然后休息兩天，使用被動冷卻和主動冷卻系統(tǒng)。

圖9顯示了第一次NREL80驅(qū)動循環(huán)中的電池體積溫度和冷卻液溫度。冷卻劑溫度趨勢模擬電池溫度的變化，表明它有效地吸收了電池組的熱量。

圖9?在冷浸條件下啟動時，NREL80驅(qū)動循環(huán)上主動冷卻系統(tǒng)的冷卻液溫度和大容量蓄電池溫度。

盡管主動冷卻系統(tǒng)將電池溫度保持在更嚴格的閾值之間，但其附件（泵和散熱器風扇）運行需要耗電。同時，由于主動冷卻系統(tǒng)將電池保持在較低的溫度，從而影響其內(nèi)阻，因此電池中的能量損失也會發(fā)生變化。表5量化了當采用被動冷卻和主動冷卻時車輛油耗的差異。在所選車輛規(guī)格下，主動冷卻系統(tǒng)的油耗高出0.3升。在車輛上安裝該系統(tǒng)需要額外的費用。有一個問題是，選擇主動冷卻還是被動冷卻在經(jīng)濟上有意義。選擇這些系統(tǒng)中的一個的決定將取決于各個系統(tǒng)的電池老化速率的差異。由此產(chǎn)生的成本差異將最終推動冷卻系統(tǒng)的選擇。

 表5?采用被動冷卻和主動冷卻系統(tǒng)的車輛在一個NREL80驅(qū)動循環(huán)中消耗的柴油。

04  結(jié)    論 

 本文描述了用于汽車級能耗模擬的汽車電池模型的開發(fā)。電池模型可以同時估計車輛連續(xù)使用幾天內(nèi)電池組的充電狀態(tài)（SOC）和體積熱效應。本文通過對具有增程電動汽車（REEV）架構(gòu)的6級皮卡和交付（P&D）卡車進行仿真，證明了建模方法的有效性。模型中的熱參數(shù)是用典型P&D驅(qū)動循環(huán)和被動電池冷卻期間測量的臺架測試數(shù)據(jù)進行校準的。然后，使用該校準模擬器確定有源電池冷卻系統(tǒng)的規(guī)格。仿真結(jié)果證實，主動冷卻系統(tǒng)將電池溫度保持在更嚴格的閾值內(nèi)，但會導致油耗略有增加。從車輛級能耗模擬中獲得的規(guī)范可以作為在子系統(tǒng)級對電池組及其冷卻系統(tǒng)進行更詳細設計的起點。