朱波,周云飛,姚明堯.電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)水泵控制策略研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2023,48(13):1-8.

摘要：

為了在不顯著增加能耗的基礎(chǔ)上改善電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制效果，文章對(duì)電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)水泵自適應(yīng)控制策略開展了研究。采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，基于全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)分析不同車速和初始電池溫度下水泵流量對(duì)于終止時(shí)刻電池溫度的影響規(guī)律，得到最佳流量分布圖，進(jìn)而提出水泵流量自適應(yīng)控制策略，最后對(duì)新歐洲駕駛周期（NEDC）和全球輕型車測試規(guī)范（WLTC）等典型行駛工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，與定流量控制策略對(duì)比，自適應(yīng)流量控制策略可有效保障電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制效果。

新能源汽車已進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段，但是電池使用性能受到溫度的影響較大，電池的最佳使用溫度在 20～40 ℃[1]，范圍較窄，嚴(yán)重影響整車性能的發(fā)揮。中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布的 2022 年度汽車技術(shù)趨勢報(bào)告指出，智能熱管理技術(shù)可以大幅提升新能源汽車對(duì)于環(huán)境溫度的適應(yīng)性。通過智能熱管理技術(shù)的應(yīng)用有效支撐新能源汽車，甚至實(shí)現(xiàn)-30 ℃的環(huán)境應(yīng)用，將極大地解決目前新能源汽車面臨的痛點(diǎn)問題。

采用液冷式電池?zé)峁芾矸绞骄哂袑?dǎo)熱系數(shù)高、冷卻速度較快、能產(chǎn)生較好的散熱效果等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用[2]。新能源汽車液冷系統(tǒng)電子水泵的控制一般相對(duì)簡單。例如，王春麗等[3]采用了最大開度持續(xù)工作的控制方法；劉衛(wèi)東等[4]和夏應(yīng)琪[5]采用了高速和低速兩個(gè)轉(zhuǎn)速控制，以電池包水溫為控制目標(biāo)，實(shí)際控制參數(shù)通過實(shí)車標(biāo)定獲取。江豐等[6]考慮了水泵能耗的影響，而且指出在熱管理控制策略設(shè)計(jì)時(shí)，控制水溫過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致熱管理能耗的增加，控制水溫存在最優(yōu)解；并且提出以熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個(gè)維度，判斷策略的優(yōu)劣，但是其具體控制方法并未展開論述。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究表明，傳統(tǒng)的電控風(fēng)扇配合機(jī)械驅(qū)動(dòng)水泵的熱管理方式同樣存在低溫工況發(fā)動(dòng)機(jī)過度冷卻問題，可采用電控水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速解耦的方案設(shè)計(jì)加以解決[7]。盧鵬宇等[8]應(yīng)用非線性模型預(yù)測控制理論，以溫度穩(wěn)定性和系統(tǒng)能耗為指標(biāo)，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)協(xié)同控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和水泵轉(zhuǎn)速，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。楊佩琦等[9]將模糊比例積分微分（Pro- portion Integral Differential, PID）算法運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的電子冷卻水泵控制中，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自適應(yīng)精確控制和快速反應(yīng)。以上發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究思路是新能源汽車?yán)鋮s水泵控制方法的有效借鑒。

本文針對(duì)電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出了一種水泵流量自適應(yīng)控制策略的設(shè)計(jì)方法?；谌蜃釉囼?yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)水泵流量的影響進(jìn)行仿真，分析了不同車速下流量和電池初始溫度共同作用下電池終止溫度的差異；統(tǒng)計(jì)得到最佳流量分布圖，設(shè)計(jì)出水泵自適應(yīng)控制策略；最后分別在新歐洲循環(huán)工況（New European Driving Cycle, NEDC）和世界輕型車測試工況（World Light Vehicle TestCycles, WLTC）工況下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過對(duì)比其他控制策略流量下的電池溫度，證明了本文設(shè)計(jì)的流量控制策略的有效性。

1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模 

1.1 電池生熱模型

由于電池單體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較小，在實(shí)際的工程應(yīng)用中難以直接測量電池的生熱速率，通常使用的理論計(jì)算模型是 BERNARDI 等人提出的電池在不同工況下的生熱速率模型[10]：

1.2 電池?zé)峁芾砟Ｐ?/span>

電池的溫度不僅與自身生熱速率有關(guān)，還與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有關(guān)。常用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)如圖 1 所示，電池?zé)崃拷?jīng)電池冷板傳遞到冷卻液，水泵將電池冷板中的冷卻液傳遞到散熱器，在散熱器中冷卻液熱量傳遞到空氣中，冷卻后的冷卻液再回到電池冷板繼續(xù)帶走電池的熱量。

根據(jù)電池傳熱理論，電池對(duì)冷卻液的加熱（冷卻）功率 Qb-w（單位為 W）計(jì)算公式[5]為

式中， m為電池冷卻液質(zhì)量流量，kg/s；Cw 為電池冷卻液的比熱容，J/(kg?K)；Two-Bat 為電池處冷卻管路出口溫度，K；Twi-Bat 為電池處冷卻管路入口溫度，K；Rt 為換熱過程中的總熱阻，K/W；ΔTm 為換熱過程的對(duì)數(shù)平均溫差，K。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)帶走的熱量越多，電池自身溫度上升的速度就越慢，而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)帶走的熱量多少與水泵提供的流量有關(guān)。根據(jù)電池液冷系統(tǒng)中熱阻的分析，如果進(jìn)入液冷系統(tǒng)的流量越大，系統(tǒng)中的管道內(nèi)流速會(huì)變大，對(duì)流換熱系數(shù)越大，系統(tǒng)熱阻越小，冷卻液吸收的熱量就越多，所以進(jìn)入液冷系統(tǒng)的流量越大，電池帶走的熱量也會(huì)增多。

對(duì)于整個(gè)電池液冷系統(tǒng)來說，負(fù)載主要來源于電機(jī)、電子水泵和其他耗能部件等，電池的總功率與生熱速率表達(dá)式如下：

式中，Pm 為電機(jī)功率；Ppump 為水泵功率；Pother 為其他耗電功率。從式（4）可知，電機(jī)和水泵等冷卻部件的消耗功率越大，則電池需要提供的功率越多，這就使得電池的放電電流 I 增加。電池放電電流 I 增大將導(dǎo)致電池的生熱量增大；電池內(nèi)部放電電流的大小，取決于外部負(fù)載的影響，電池的負(fù)載越大，電池的放電電流就越大，此時(shí)電池的生熱量就越多。式（4）中電機(jī)的功率消耗 Pm 可由汽車驅(qū)動(dòng)功率公式推導(dǎo)計(jì)算得到[11]：

式中，ηd 為傳動(dòng)效率；v 為汽車行駛的速度；m 為整車質(zhì)量；g 為重力加速度；a 為坡道角度；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

從上述電機(jī)消耗功率推導(dǎo)公式可知，當(dāng)汽車行駛速度越大，電機(jī)的需求功率 Pm 越大。在其他部件的消耗功率保持不變的情況下，消耗功率 Pm 越多，直接導(dǎo)致電池的生熱量增多。對(duì)于液冷系統(tǒng)中水泵的消耗功率 Ppump 可由以下公式計(jì)算獲得

式中，ρ為液體的密度；Qpumb 為水泵流量；Hpumb為水泵揚(yáng)程；ηpumb 為水泵軸效率。

從上式可以看出，對(duì)于同一個(gè)水泵，增加流量的輸出，其他部件的消耗功率保持不變時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電池的總消耗功率 Pb 變大，電池生熱就會(huì)增加。進(jìn)入液冷系統(tǒng)的流量越大，冷卻液帶走的熱量也會(huì)越多，但是對(duì)同一個(gè)水泵來說，提供更大的流量，這就意味著水泵消耗電池的功率就越多，與此同時(shí)，電池的生熱量就會(huì)增加；從全局來看，水泵提供給液冷系統(tǒng)流量不是越大越好，也并非越小越好。流量越小，電池產(chǎn)生的熱量就會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，電池溫度就越高；流量越大，雖然冷卻液帶走熱量速度會(huì)增加，但同一時(shí)刻，電池的生熱量也會(huì)增加。因此，在探究液冷系統(tǒng)對(duì)電池的冷卻效果表現(xiàn)時(shí)，要考慮對(duì)水泵的流量進(jìn)行控制。

綜上分析，在液冷系統(tǒng)中影響電池冷卻效果的因素有很多，其中主要有電池自身溫度、水泵流量、汽車行駛車速等。

2 水泵流量自適應(yīng)控制策略 

2.1 水泵流量的影響仿真分析

為探索上述因素對(duì)電池冷卻效果的影響，本文建立了 AMESim 電池液冷熱管理系統(tǒng)模型（見圖 2），在 NEDC 工況進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)環(huán)境溫度設(shè)置為 30 ℃。為了分析不同電池溫度和不同水泵流量下的仿真，本文選擇 30 ℃、32 ℃、35 ℃和 40 ℃四種電池溫度作為仿真的初始電池溫度，通過控制水泵都以固定流量進(jìn)入液冷系統(tǒng)，水泵流量選擇 16 種，分別是 1 L/min、2 L/min、4 L/min、6 L/min、8 L/min、10 L/min、12 L/min、14 L/min、16 L/min、18 L/min、20 L/min、22 L/min、24 L/min、26 L/min、28 L/min、30 L/min。對(duì) 4 種電池溫度和 16 種水泵流量進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)每種電池溫度情況下仿真終止時(shí)刻的電池溫度，仿真結(jié)果如圖 3所示。

圖 3 中橫坐標(biāo)表示水泵流量選取值，縱坐標(biāo)是仿真結(jié)束時(shí)刻的電池溫度；實(shí)心標(biāo)記點(diǎn)表示電池溫升的最低點(diǎn)，是該電池初始溫度下熱管理系統(tǒng)對(duì)電池的冷卻效果最好的流量，即最佳流量。從圖 3 中可以看出，在同一個(gè)電池初始溫度下，選擇不同的水泵流量，其對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)束時(shí)刻電池的溫度不同；四種不同初始溫度的電池，仿真終止時(shí)電池溫度最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳流量也有所不同，分別為 10 L/min、24 L/min、30 L/min、30 L/min。由此可見，仿真結(jié)果與理論分析吻合，電池的冷卻效果與電池的初始溫度和水泵的流量控制有關(guān)。

2.2 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的自適應(yīng)流量控制策略

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等理論為基礎(chǔ)，科學(xué)地制定出試驗(yàn)方案，并能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)和分析[12]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法因具備探索性和靈活性的特點(diǎn)對(duì)計(jì)算成本具有較好的控制。全因子設(shè)計(jì)是指將全部因子的全部水平，其所有組合情況都至少進(jìn)行一次試驗(yàn)，這個(gè)過程相當(dāng)于對(duì)每種可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行枚舉[13]。全因子試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的完整性，在因子個(gè)數(shù)不多的情況下最為適用。根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)研究，在因子的個(gè)數(shù)不超過 5 時(shí)，選用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)最為合適。為了系統(tǒng)研究電池初始溫度與不同水泵流量對(duì)電池液冷系統(tǒng)冷卻效果的影響，本文在不同車速下利用全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)電池液冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1所示，電池溫度的試驗(yàn)水平選取范圍為 30～40 ℃，水平數(shù)（試驗(yàn)因子所處狀態(tài)的數(shù)目）有 11 個(gè)；流量的試驗(yàn)水平選取范圍為 0～30 L/min，水平數(shù)為16 個(gè)；汽車車速范圍是 0～130 km/h，試驗(yàn)水平數(shù)為 14；累計(jì)仿真次數(shù)為 11×16×14=2 464 次。

將環(huán)境溫度設(shè)置為 30 ℃，運(yùn)行時(shí)長設(shè)置為100 s，在每次仿真試驗(yàn)結(jié)束時(shí)記錄電池終止時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)。其中車速 30 km/h、60 km/h 以及120 km/h 的仿真結(jié)果如圖 4 所示。

由圖 4 可知，車速、流量以及電池初始溫度均對(duì)電池?zé)峁芾硇Ч兄苯拥挠绊?，為了進(jìn)一步分析其影響，以電池初始溫度為 34 ℃和 35 ℃為例，將車速 30 km/h、60 km/h 以及 120 km/h 下不同流量對(duì)應(yīng)的電池終止時(shí)刻溫度繪制如圖 5 和圖6 所示，其中實(shí)心標(biāo)記點(diǎn)表示電池終止時(shí)刻溫度最低點(diǎn)，即最佳流量點(diǎn)。顯然，不同車速和初始溫度下，最佳流量是不同的。圖 5 和圖 6 的結(jié)果再次驗(yàn)證了車速、流量以及電池初始溫度均對(duì)電池?zé)峁芾硇Ч酗@著的影響。

將試驗(yàn)設(shè)計(jì)的 2 464 次仿真結(jié)果進(jìn)行匯總，統(tǒng)計(jì)不同車速、不同電池初始溫度下對(duì)應(yīng)的最佳流量點(diǎn)，結(jié)果如圖 7 所示

考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中環(huán)境溫度與電池實(shí)際溫度與仿真設(shè)置的環(huán)境溫度和電池初始溫度可能存在差異，定義電池溫度與環(huán)境溫度的溫差為

則，圖 7 所示的最佳流量分布轉(zhuǎn)化為圖 8 所示基于溫差與車速的最佳流量分布

通過上述方法獲得了關(guān)于溫差與車速之間的液冷系統(tǒng)水泵最佳流量的分布圖，將圖中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為插值表格，利用插值的方法對(duì)模型中的水泵流量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，純電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)，水泵的流量會(huì)根據(jù)汽車的運(yùn)行狀態(tài)和電池溫度的變化通過插值實(shí)時(shí)獲取，關(guān)系表達(dá)式如下：

進(jìn)而可以確定基于水泵流量的自適應(yīng)控制策略流程如圖 9 所示：1）計(jì)算電池溫度與環(huán)境溫度的溫差；2）將當(dāng)前車速與溫差代入式（8）所代表的插值表格，計(jì)算出最佳流量；3）依據(jù)最佳流量控制水泵。

至此，構(gòu)建了可根據(jù)電池溫度和行駛車速實(shí)時(shí)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)自適應(yīng)流量控制策略。

3 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證水泵自適應(yīng)控制策略在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的冷卻效果，分別對(duì)采用自適應(yīng)控制策略和定流量策略的水泵進(jìn)行仿真對(duì)比，其中定流量策略分別設(shè)置流量為 1 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min。定義環(huán)境溫度為 30 ℃，工況依次選擇NEDC 和 WLTC 作為汽車的行駛工況，如圖 10 所示。 

溫度變化與流量控制結(jié)果分別如圖 11和圖 12所示。從圖 11 溫度變化曲線中可以看出，不同水泵流量的控制策略，電池溫度的變化趨勢基本一致，都是先平穩(wěn)上升，后急劇升高；這種趨勢與行駛工況車速變化類似，反映了電池輸出功率變化對(duì)于溫度的影響。從圖 12 中可以看出，采用定流量水泵控制的液冷系統(tǒng)中水泵流量不會(huì)隨著電池溫度和車速的變化而改變；而本研究設(shè)計(jì)的自適應(yīng)策略，可以依據(jù)電池溫度和行駛工況的變化調(diào)節(jié)流量。

結(jié)合圖 10－圖 12 可知，在電池溫升不高且汽車處于低、中速工況下行駛時(shí)，自適應(yīng)控制的流量基本被控制在接近于 10 L/min。在電池輸出功率高的高速行駛工況下，電池溫升速率提升、電池溫升變大，此時(shí)自適應(yīng)流量控制策略會(huì)增大對(duì)電池液冷系統(tǒng)的流量輸入以應(yīng)對(duì)電池溫度的提升。為了進(jìn)一步觀察不同水泵流量控制策略下電池液冷系統(tǒng)的冷卻效果，統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)束時(shí)刻各策略下的電池溫度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 13 所示。

從圖 13 可知，1 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min 這四種定流量控制策略控制水泵時(shí)在NEDC 工況和 WLTC 工況終止時(shí)刻溫度順序差異較大；NEDC 工況下定流量采用 10 L/min 比其他定流量溫度控制效果更好，而在 WLTC 工況下溫度控制最好的定流量值則是 20 L/min。但是，無論是 NEDC 工況還是 WLTC 工況，自適應(yīng)流量控制策略的電池溫控結(jié)果均好于定流量的控制效果，從而證明了自適應(yīng)流量控制策略是有效且可行的。

綜上所述，自適應(yīng)流量控制策略可以依據(jù)電池溫度和行駛工況的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵流量，可以實(shí)現(xiàn)比定流量策略更好的控制效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)水泵控制，提出一種流量自適應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)方法，在NEDC 和 WLTC 工況下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：

1）不同行駛工況下定流量控制策略最佳流量是不同的；

2）自適應(yīng)流量控制可依據(jù)工況不同實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵流量；

3）自適應(yīng)流量控制的電池溫升低于定流量策略，證明了本文設(shè)計(jì)的流量自適應(yīng)控制策略的有效性與可行性。