【摘要】為分析耦合乘員艙空調(diào)的電池直冷熱管理系統(tǒng)性能，基于AMESim軟件建立動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型，比較典型液冷與直冷熱管理系統(tǒng)在高溫快充工況下的充電時(shí)長，結(jié)果表明，相同電池快充MAP條件下，相較于液冷系統(tǒng)，直冷系統(tǒng)充電時(shí)間縮短7.6%。進(jìn)一步耦合乘員艙空調(diào)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，設(shè)計(jì)了以控制乘員艙溫度和電芯最高溫度為目標(biāo)的熱管理控制策略，分析發(fā)現(xiàn)，相比未耦合系統(tǒng)，采用耦合系統(tǒng)時(shí)電池頂面最大溫差增大2.9 ℃，但充電時(shí)長縮短4.9%。

1 前言

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以動(dòng)力電池的溫度控制為目標(biāo)，目前以液冷系統(tǒng)為主[1] 。直冷系統(tǒng)使用冷媒作為介質(zhì)進(jìn)行直接換熱，相比于液冷系統(tǒng)的間接換熱，具有更高的換熱效率、更輕的系統(tǒng)質(zhì)量、更小的系統(tǒng)體積。隨著電池能量密度的提高與快充技術(shù)的發(fā)展，直冷系統(tǒng)逐漸成為動(dòng)力電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

電池快充技術(shù)可在安全健康的前提下縮短充電時(shí)長，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。鋰電池充電過程受到荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）、溫度與充電電流等因素影響，且這些因素具有強(qiáng)耦合性[2] 。提高充電電流倍率可縮短充電時(shí)間，但電流倍率受到溫度、充電量與 SOC影響，溫度越高，充電量越小，電池的 SOC越低，可以接受的充電電流越大，反之則越小。為了在不影響電池壽命與安全的前提下縮短充電時(shí)長，眾多學(xué)者改進(jìn)了充電策略，主要可分為以下 3 種類型[3] ：改變充電電流波形或電壓模型[4-7] ，通過優(yōu)化恒流恒壓充電策略、臺(tái)階充電策略、脈沖充電策略等方法縮短充電時(shí)間；結(jié)合熱模型與等效電路模型或電化學(xué)模型，給定最高溫度的限制條件來限制最大充電電流，從而縮短充電時(shí)間[8-9] ；通過先加熱電池改變電芯化學(xué)反應(yīng)速率，從而消除大倍率電流帶來的影響[10-11] 。然而，以上研究以電池單體作為研究對(duì)象，未考慮電池包與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、乘員艙空調(diào)系統(tǒng)的耦合作用。

本文基于AMESim軟件建立電池與熱管理系統(tǒng)模型，分析典型液冷、直冷系統(tǒng)的電池高溫快充過程，最后提出一種耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)與電池直冷熱管理系統(tǒng)的熱管理控制策略。

2 模型建立

2.1 電池模型

本文研究的鋰電池參數(shù)如表1所示。

在AMESim中使用等效電路模型建立電池一維模型，將電池簡(jiǎn)化為電阻、電容與電壓源模塊所形成的閉合電路。如圖 1 所示，考慮電芯在豎直方向上的溫度梯度，將單個(gè)電芯分成3個(gè)單元，每個(gè)單元占 1/3 體積，分別設(shè)置電阻、電容元件，使用信號(hào)復(fù)制器（Signal Duplicator）將單一信號(hào)復(fù)制給 3個(gè)電芯單元。電池產(chǎn)熱使用貝爾納迪（Bernadi）方程[12] 計(jì)算，將獲得的平均溫度代入等效電路模型，從而得到電壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。具體方程可參考文獻(xiàn)[13]。

2.2 電池包模型

圖2展示了直冷板流道與電芯的相對(duì)位置和流道結(jié)構(gòu)。流道主要分為4個(gè)支路，采用并聯(lián)設(shè)計(jì)，根據(jù)流道與電芯的相對(duì)位置，將電池包簡(jiǎn)化為如圖 3所示的模型。模型的輸入變量為制冷劑壓力、溫度、流量和電池充電電流，使用節(jié)流孔模擬冷板支路流道的阻力，通過對(duì)標(biāo)一維與三維仿真的流道制冷劑流量與電芯溫度，調(diào)整模型流道阻力系數(shù)，圖中m為冷媒質(zhì)量流量，ρ為冷媒密度，P為冷媒壓力，K為輸入值，為常數(shù)。

2.3 耦合乘員艙空調(diào)的直冷系統(tǒng)模型

圖 4 所示為耦合乘員艙空調(diào)的直冷系統(tǒng)模型，電池直冷板與乘員艙板式換熱器并聯(lián)，分別由 2 個(gè)電子膨脹閥控制。系統(tǒng)執(zhí)行部件為壓縮機(jī)、電子膨脹閥和電子風(fēng)扇，電池包為信號(hào)發(fā)出部件。

2.4邊界條件

直冷系統(tǒng)的邊界條件為耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)后的典型工況，并非系統(tǒng)最大制冷能力，液冷系統(tǒng)的邊界條件參考行業(yè)典型系統(tǒng)工況，如表 2所示。

電池充電 MAP如圖 5所示，電池最大充電電流由電池溫度與 SOC決定，最大充電電流隨 SOC的增大而減小，隨溫度上升先增大后減小，允許的最大充電電流為245 A。建模時(shí)將MAP圖轉(zhuǎn)化為以溫度和 SOC 為坐標(biāo)軸的二維圖，輸入 AMESim 電池模型中，溫度步長為 5 ℃，SOC 步長為 10%，通過插值方法獲得中間值。仿真過程中電池溫度與 SOC 決定充電電流，從而影響電池產(chǎn)熱速率。

2.5 耦合控制策略

2.5.1 控制目標(biāo)

在直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)基礎(chǔ)上耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)電芯頂部最高溫度、最大溫差與乘員艙溫度，系統(tǒng)控制目標(biāo)如表3所示。

2.5.2控制策略

系統(tǒng)控制部件為壓縮機(jī)和電子膨脹閥。電池目標(biāo)溫度采用查表方式控制，通過電芯頂面溫差與頂面最高溫度對(duì)應(yīng)響應(yīng)制冷等級(jí)；在電池與乘員艙需同時(shí)制冷的情況下，采用耦合方式定義控制策略。

2.5.2.1 直冷板控制策略

電池制冷需求等級(jí)與電池溫度的關(guān)系如表4所示。

表5所示為電池制冷需求等級(jí)與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，制冷需求等級(jí)越高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大。

2.5.2.2乘員艙控制策略

乘員艙控制方式較為復(fù)雜，且非本文研究的重點(diǎn)，采用PID控制方式對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行控制，目標(biāo)溫度為22 ℃，溫度小于目標(biāo)溫度時(shí)斷開支路。

2.5.2.3 耦合控制策略

當(dāng)乘員艙與電池同時(shí)存在制冷需求時(shí)，需要對(duì)兩者進(jìn)行控制策略的耦合，耦合策略制冷等級(jí)定義如表 6所示，與表 5電池制冷等級(jí)需求相比，耦合策略制冷等級(jí)的數(shù)量減少，且制冷需求在 3 級(jí)及以上時(shí)具有更高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.5.2.4 電子膨脹閥控制策略

電子膨脹閥用可變節(jié)流孔元件建模，直冷板支路電子膨脹閥控制策略為：開度采用PID控制，目標(biāo)冷板出口過熱度為 1 ℃。乘員艙蒸發(fā)器支路電子膨脹閥控制策略為：開度采用 PID 控制，比例系數(shù)P=2、積分系數(shù)I=0.1、微分系數(shù)D=0。目標(biāo)蒸發(fā)器出口過熱度為3 ℃。

2.5.2.5電子風(fēng)扇控制策略

用軟件元件簡(jiǎn)化建模，快充模式下保證風(fēng)量最大，從而保證空氣側(cè)的換熱能力處于最佳狀態(tài)，風(fēng)扇風(fēng)量設(shè)為2 396 m3/h。

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 直冷與液冷系統(tǒng)對(duì)比

圖 6 所示為直冷與液冷系統(tǒng)電芯頂面最高溫度變化情況：直冷條件下，頂部最高溫度出現(xiàn)在第1 102 s，為 46.3 ℃，然后迅速降低；液冷條件下，頂面溫度先上升后下降，溫度下降速率較直冷系統(tǒng)小，頂面最高溫度在第 662~3 025 s 時(shí)段內(nèi)均大于46 ℃，最大值為 46.5 ℃。液冷系統(tǒng)溫度下降速率低于直冷系統(tǒng)，主要原因是：冷卻液與制冷劑的進(jìn)口溫度分別為 25 ℃和 21 ℃，液冷系統(tǒng)的傳熱溫差較直冷系統(tǒng)??；直冷系統(tǒng)通過冷媒汽化潛熱降溫，且控制冷板出口過熱度為 1 ℃，使冷媒溫度始終接近蒸發(fā)溫度，而液冷系統(tǒng)中隨著冷卻液吸收電池?zé)崃?，溫度不斷升高，降低了傳熱溫差。圖 7 所示為直冷與液冷系統(tǒng)電芯頂面最大溫差變化情況：直冷條件下，最大溫差值出現(xiàn)在第 1 993 s，為3.8 ℃，然后逐漸降低；液冷條件下，最大溫差持續(xù)上升，結(jié)束時(shí)為 4.3 ℃。在給定快充條件下，直冷系統(tǒng)在最大溫差與最高溫度控制方面均優(yōu)于液冷系統(tǒng)。

圖 8所示為電池 SOC 變化情況，初始階段，2個(gè)系統(tǒng)SOC上升速率相同，在第16 min，直冷系統(tǒng)充電速率明顯較液冷系統(tǒng)快，直冷和液冷系統(tǒng)高溫快充充滿時(shí)間分別為3 923 s、4 246 s，直冷系統(tǒng)比液冷系統(tǒng)時(shí)間縮短了7.6%。圖9所示為充電電流隨時(shí)間的變化情況，直冷條件下，電芯溫度超過45 ℃后，迅速冷卻到45 ℃以下，從而能以較高電流倍率繼續(xù)充電過程，而液冷系統(tǒng)與直冷系統(tǒng)相比，換熱溫差更小、效率更低，無法快速降低電芯溫度，電流倍率受限，增加了充電時(shí)長。

3.2 耦合空調(diào)系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖 10 所示為耦合與未耦合工況下電芯頂面最高溫度變化情況，耦合乘員艙空調(diào)策略相比未耦合策略，由于制冷劑流量增加，電芯頂部溫度更快下降。耦合策略控制下電芯頂面最高溫度出現(xiàn)在第1 118 s，最高溫度為45.3 ℃，滿足最高溫度要求。圖11 所示為耦合與未耦合策略控制下電芯頂面最大溫差變化情況：耦合策略控制初期，由于制冷劑流量較大，冷板局部區(qū)域溫度迅速下降，電池溫差增大，最大溫差達(dá)到 6.7 ℃；隨著冷板、電池水平方向的熱傳導(dǎo)，溫差逐漸下降；第3 100 s后，由于最高溫度低于35 ℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降，制冷劑流量減小，導(dǎo)致溫差上升。

圖12所示為電池SOC隨時(shí)間變化情況，采用耦合策略控制相比于采用未耦合策略控制時(shí)，充電時(shí)間縮短 194 s。圖 13所示為充電電流隨時(shí)間變化情況，充電電流差別主要在第 500~1 500 s 的時(shí)間段，耦合策略控制下電芯頂面溫度達(dá)到 45 ℃后迅速下降，因此可以保持較大充電電流。

4結(jié)束語

本文基于 AMESim 軟件建模，分析了直冷與液冷系統(tǒng)在電池高溫快充工況下的性能表現(xiàn)，進(jìn)一步耦合直冷系統(tǒng)與乘員艙空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以控制乘員艙溫度和電芯最高溫度為目標(biāo)的熱管理策略并分析系統(tǒng)性能，主要結(jié)論如下：

a. 40 ℃高溫快充工況下，直冷與液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)均可滿足電池最高溫度與最大溫差要求，且直冷系統(tǒng)相比液冷系統(tǒng)可縮短充電時(shí)長7.6%以上。

b. 耦合乘員艙空調(diào)系統(tǒng)的直冷熱管理系統(tǒng)因制冷劑流量增加而具有更大的電池降溫速率，充電時(shí)長可縮短 4.9%。耦合帶來的制冷劑流量波動(dòng)導(dǎo)致電池最大溫差從3.8 ℃上升至6.7 ℃。