摘要

利用GT-POWER和Simulink軟件探索外部溫度、散熱器布局等因素對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的影響，為后續(xù)探索低溫散熱器閾值控制和模糊控制下電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的聯(lián)合仿真做準(zhǔn)備。分析了采用模糊控制的風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的冷卻和節(jié)能效果。結(jié)果表明，用制冷劑冷卻動(dòng)力電池不受外界溫度的影響。在電池組溫度一致性良好的情況下，與閾值控制相比，采用模糊控制策略的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別節(jié)省了約23.1%和14%的能耗，有助于提高車(chē)輛的行駛里程。簡(jiǎn)介

目前，石油資源短缺和環(huán)境污染是人類(lèi)不得不面對(duì)和解決的國(guó)際問(wèn)題。新能源汽車(chē)的發(fā)展可以有效解決上述問(wèn)題。由于電動(dòng)汽車(chē)具有環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)的電能來(lái)源更加廣泛，生產(chǎn)電能產(chǎn)生的污染物更便于集中處理，有利于改善空氣質(zhì)量。此外，電動(dòng)汽車(chē)具有更強(qiáng)的加速性能和更低的噪音。目前，鋰離子電池由于其各方面的優(yōu)勢(shì)，已成為最有發(fā)展前景的車(chē)載動(dòng)力電池。然而，其性能受到許多因素的影響，其中最重要的是溫度。

電池?zé)峁?span style="font-family:Batang, serif;">理系統(tǒng)經(jīng)歷了從被動(dòng)空氣冷卻、主動(dòng)空氣冷卻，再到現(xiàn)在常用的液體冷卻的發(fā)展。目前，根據(jù)換熱介質(zhì)的不同，BTMS可分為空氣冷卻、液體冷卻、制冷劑冷卻和相變材料（PCM）冷卻等。尼爾森等人認(rèn)為當(dāng)電池溫度高于66°C時(shí)，空氣冷卻很難將電池溫度冷卻到52°C以下。采用模擬熱阻法比較了不同類(lèi)型強(qiáng)制空氣冷卻入口和出口的幾何形狀對(duì)電池散熱的影響。結(jié)果表明，具有錐形通道的電池的最高溫度遠(yuǎn)低于其他通道形狀。R.Mahamud等人。將往復(fù)式空氣冷卻引入電池模塊，并進(jìn)行二維流體動(dòng)力學(xué)CFD模擬計(jì)算。結(jié)果表明，與單向流動(dòng)相比，在往復(fù)流動(dòng)的幫助下，單電池的溫差降低了約4°C。Z.Lu等人對(duì)分別具有15個(gè)和59個(gè)強(qiáng)制空氣冷卻通風(fēng)口的密集電池模塊進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，由于空氣和電池模塊傳熱面積的增加，具有59個(gè)通風(fēng)口的電池模塊具有更好的熱交換性能。

液體冷卻系統(tǒng)可以提供更好的熱交換性能和冷卻效率。是目前商業(yè)化程度最高的電池冷卻技術(shù)。雪佛蘭Volt，特斯拉ModelS，寶馬I3和I8都使用這種技術(shù)來(lái)冷卻動(dòng)力電池。M.Malik等人研究了LiFePO4電池在不同放電速率下的散熱性能。

結(jié)果表明，如果冷卻液體的溫度可以控制在30°c以內(nèi)，則LiFePO4電池可以在1C至4C的放電速率下工作在適應(yīng)性溫度范圍（25-40°C）。研究了納米流體對(duì)鋰電池散熱性能的影響。結(jié)果表明，CuO和Al2O3納米粒子的加入雖然提高了流體的導(dǎo)熱性能，但不能顯著提高電池的傳熱性能。H.Teng等人提出了包括并聯(lián)布置的幾種冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)研究電池組的傳熱性能。結(jié)果表明，并聯(lián)結(jié)構(gòu)不僅可以提高電池組的溫度均勻性，還可以有效降低冷卻液在流道中的壓力損失。C.Lan等人。將一根扁平的鋁管包裹在圓柱形電池片周?chē)?，每根管都有許多供流體通過(guò)的小通道，從而提高了傳熱效率。結(jié)果表明：在消耗少量電量的情況下，電池組的最大溫度和溫差都能得到很好的控制。

在BTMS中使用制冷劑的研究相對(duì)較少。T.Gillet等人重新分配了電動(dòng)汽車(chē)中的多蒸發(fā)器制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)蒸發(fā)器組成，通常一起工作。然而，在高負(fù)載下對(duì)冷卻能力的需求限制了兩個(gè)蒸發(fā)器在不同負(fù)載下的操作，導(dǎo)致過(guò)度加熱的制冷劑從第一蒸發(fā)器進(jìn)入第二蒸發(fā)器。P.Kritzer等人使用CO2作為制冷劑來(lái)研究電池的冷卻性能。結(jié)果表明，即使在過(guò)充電狀態(tài)下，鋰電池也能有效地冷卻。S.Park等人比較了直接冷卻和PCM的BTMS性能。并且發(fā)現(xiàn)直接冷卻系統(tǒng)不受外界環(huán)境溫度的影響。因此，直接冷卻可以為電池提供更好的性能。

S.A.Hallaj等人首次提出將PCM用于BTMS。發(fā)現(xiàn)PCM在不同放電速率下比空氣冷卻更均勻地控制電池溫度。R.Kizilel等人研究了在PCM中添加石墨基體對(duì)不同放電速率下電池組散熱性能的影響。R.Sabbah等人比較了PCM和強(qiáng)制空氣冷卻對(duì)小型鋰電池冷卻性能的影響。結(jié)果表明，采用PCM的電池組在恒定高放電率6.67C、高環(huán)境溫度45°C的條件下，仍能將電池溫度控制在55°C以下，且不需要消耗額外的能耗。H.Fathabadi等人研究了空氣冷卻和PCM冷卻相結(jié)合以形成混合系統(tǒng)。結(jié)果表明，電池組的溫度分布明顯優(yōu)于其他電池組。J.Weng等人研究了PCM厚度和相變溫度對(duì)電池冷卻性能的影響。結(jié)果表明，厚度約為10mm的PCM可以提供最佳的冷卻性能。

除了上述電池冷卻方法外，新熱管技術(shù)的研究和熱電冷卻技術(shù)也越來(lái)越深入。然而，與相變冷卻技術(shù)類(lèi)似，這兩種電池冷卻技術(shù)都不是很成熟，成本較高。目前主流的電池冷卻方式有強(qiáng)制風(fēng)冷和液冷。風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但其散熱能力有限。因此，難以滿足高功率密度鋰離子電池的散熱要求。液體冷卻仍然是最主流的冷卻方式。因此，本文在低溫散熱器的基礎(chǔ)上介紹空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑來(lái)研究電池?zé)峁?span style="font-family:Batang, serif;">理系統(tǒng)。與此同時(shí)，引入模糊控制，探討電池?zé)峁?span style="font-family:Batang, serif;">理系統(tǒng)在冷卻和節(jié)能方面的性能。

1.電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池的熱特性

1.1磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)熱速率模型

目前，在工程研究過(guò)程中，很難直接使用測(cè)量儀器準(zhǔn)確測(cè)量鋰離子電池的發(fā)熱速率。而目前常用的方法是Bernardi的理論計(jì)算公式。從電池內(nèi)阻和熵變化的角度來(lái)看，D.Bernardi等人將電池視為內(nèi)部發(fā)熱均勻的穩(wěn)定熱源，得到發(fā)熱率方程為:

式中，q為電池發(fā)熱率，W/m3；Vb為電池體積，m3；I為電池充放電電流，A；E0為單體電池開(kāi)路電壓，V；U為單體電池工作電壓，V；T為電池工作溫度；dE0/dT是溫度影響系數(shù)，V/K；TdE0/dT是可逆化學(xué)反應(yīng)熱。

通過(guò)將歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的總內(nèi)阻R0與電池充放電電流相乘來(lái)計(jì)算焦耳熱，公式(1)可簡(jiǎn)化為公式(2):

1.2恒速放電下電池組的產(chǎn)熱特性本研究中磷酸鐵鋰電池的主要參數(shù)列于表1。結(jié)合單體電池容量180Ah，當(dāng)電池組以1/3C、2/3C、1c和 4/3C的固定速率放電時(shí)，放電電流分別為60A、120A、180A和240A，代入式(2)。且電池組的產(chǎn)熱功率列于表2。在特定的車(chē)速和坡度條件下，電池組的放電電流也近似為一個(gè)固定值。因此，可以將其視為恒定速率放電條件。結(jié)合車(chē)輛常見(jiàn)行駛工況，選取30km/h&25%坡度、60km/h&9%坡度、90km/h&5%坡度和120km/h四種典型工況， 研究電池組的發(fā)熱性能。產(chǎn)熱量列于表3。表1 磷酸鐵鋰電池主要參數(shù)電池電壓（V）
3.2
內(nèi)阻（mΩ）
1.5
電池容量（Ah）
180

單體質(zhì)量（kg）

4.8
單體數(shù)量
100
表2 定速率放電時(shí)電池組的產(chǎn)熱能力放電率
1/3C
2/3C1C

4/3C

放電電流/A
60
120
180
240
單體發(fā)熱功率/W
4.7
20.2
46.583.6
電池組加熱功率/W
470
2020
4650
8360
表3 不同車(chē)速和坡度下電池組產(chǎn)熱情況工作條件
30km/h & 25%坡度60km/h & 9%坡度90km/h & 5%坡度120 km/h等效放電率
0.96
0.82
0.91

0.71

等效放電電流/A172.4
147.2
164.1
128.4
單體制熱功率/W41.99
30.37
37.9622.9電池組加熱功率/W4199
3037
3796
22901.3變工況下電池組放電的產(chǎn)熱特性目前，電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)巡航范圍仍以NEDC周期為基礎(chǔ)。因此，研究基于NEDC循環(huán)的變工況下動(dòng)力電池產(chǎn)熱特性 具有現(xiàn)實(shí)意義。NEDC工況下的車(chē)速曲線、電池組放電率 和電池組加熱功率如圖1、圖2和圖3所示:圖1 NEDC工況下的車(chē)速曲線

圖2 電池組的等效放電率 NEDC操作條件

圖3 電池組的發(fā)熱功率 NEDC工作條件

2.電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能仿真2.1低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型構(gòu)建系統(tǒng)的主要部件包括動(dòng)力電池、水泵、風(fēng)機(jī)、散熱器等。其工作原理圖如圖4所示，低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一維仿真模型如圖5所示。圖4 熱管理系統(tǒng)示意圖

圖5 一維仿真模型

2.2低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型驗(yàn)證為了更全面地測(cè)量動(dòng)力電池在不同行駛工況下的散熱性能，并結(jié)合車(chē)輛的實(shí)際行駛工況。本文選取四種典型工 況對(duì)仿真計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。為了提高動(dòng)力性能和循環(huán) 壽命，最好使鋰動(dòng)力電池工作在高效率的溫度范圍(20- 40°C)。在該模型校準(zhǔn)中，選擇電池組出口水溫的溫度作為校準(zhǔn)指數(shù)。將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)切換到低溫散熱器電路，各部件的具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4:電池組在不同工況下的出水水 溫模擬結(jié)果如圖6所示。表4 仿真計(jì)算參數(shù)設(shè)置

圖6 不同工況下電池組出水水溫

當(dāng)外界溫度為20°C時(shí)，在30km/h&25%梯度、60kmh&9%梯度、90km/h&5%梯度和120km/h的條件下，電池組出口水溫的模擬值分別穩(wěn)定在31°C、28.6°C、27.4°C和25.3°C左右（如圖6所示），均在要求的溫度范圍內(nèi)。開(kāi)始時(shí)，由于冷卻液與環(huán)境的溫度差較大， 散熱器的熱交換效果明顯。然后冷卻液的溫度逐漸接近外界溫度，散熱器的散熱性能逐漸減弱，使得電池組的出口溫度逐漸趨于穩(wěn)定。借助電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)臺(tái)架測(cè)試 （圖7），當(dāng)電池初始溫度為40°C時(shí)，測(cè)試結(jié)果用于校正不同環(huán)境溫度下的仿真計(jì)算模型。且電池組出水口水溫的模擬值與測(cè)試值的比較如圖8所示。在上述四種工況下，電池組出線測(cè)試值均低于模擬值（ 如圖8所示）。主要原因是上述仿真計(jì)算模型假設(shè)電池組產(chǎn)生的熱量全部被冷卻液帶走。實(shí)際上，電池組本身吸收了部分熱量，并與外部環(huán)境進(jìn)行了少量的熱交換。因此，實(shí)驗(yàn)值略低于模擬值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的最大誤差約為6.3％。因此，一維仿真計(jì)算模型具有一定的可信度。2.3低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)影響因素分析1.外界溫度的影響，保持電池組初始溫度、水泵轉(zhuǎn)速、 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。外部溫度分別設(shè)置為20°C、26°C、32°C 、38°C，電池組的進(jìn)水和出水的水溫和溫差的模擬結(jié)果 如圖9所示。外界溫度越高，電池組進(jìn)水口和出水口的水溫呈線性關(guān)系，如圖9所示。當(dāng)外界溫度達(dá)到38° C時(shí)，在上述四種工況下，電池組進(jìn)出口溫差超過(guò)40°C，電池?zé)o法冷卻。這主要是由于高溫條件下空氣與冷卻液溫差小，散熱器散熱性能不足所致。為了進(jìn)一步說(shuō)明低溫散熱器電池冷卻系統(tǒng)在高溫條件下散熱性能不足的 問(wèn)題。設(shè)定環(huán)境溫度為38°C，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速至最大值(5000rpm)，得到電池組出水口水溫的模擬值，如圖10所示。圖7電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測(cè)試臺(tái)

圖8不同工況下的仿真模型驗(yàn)證

      圖9不同外部溫度下的電池組溫度特性

圖10電池組在外部溫度38°C下的出水水溫

當(dāng)外界環(huán)境達(dá)到38°C時(shí)，即使將水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速調(diào)到最大，動(dòng)力電池組的出口溫度也不能冷卻到40°C以下， 因此，當(dāng)外界溫度較高時(shí)，需要制冷劑來(lái)冷卻。2.散熱器布局的影響，使電池組初始溫度保持在40℃， 外界溫度保持在30℃，水泵轉(zhuǎn)速2500rpm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速20 00rpm，冷凝器熱量dissipation1.5kW。研究了不同布置的冷凝器和散熱器對(duì)電池組進(jìn)、出口溫度的影響，得到的仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。圖11散熱器不同布置方式下電池組進(jìn)水溫度

圖12散熱器不同布置方式下電池組出水水溫

采用散熱器前置布置，在四種工作條件下，電池組入口和出口處的水溫在40℃以內(nèi)。但是，使用后置散熱器， 除了120kmh工況外，電池組入口和出口處的水溫超過(guò)40°c。其主要原因是當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)有熱負(fù)荷時(shí)，冷凝器前部 使流經(jīng)散熱器前部的空氣的溫度升高，散熱器的散熱性能下降。因此，散熱器正面或在工程中經(jīng)常使用散熱器和冷凝器并排的布置。3.冷媒耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能仿真研究制冷劑-冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是在低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷劑。在GT-Cool軟件中建立了制冷劑-冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一維仿真模型，用于在外界溫度高或電池產(chǎn)生大量熱量的情況下進(jìn)行電池冷卻。在驗(yàn)證模型精度的基礎(chǔ)上，研究了系統(tǒng)的影響因素，為后續(xù)NEDC工況下電池溫控對(duì)象的選擇提供依據(jù)。3.1制冷劑冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模除上述部件外，制冷劑冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的主要部件還包括壓縮機(jī)、電池冷卻器等。該系統(tǒng)的工作原理如圖13所示。圖13制冷劑-冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

在上述回路中，制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后在電池冷卻器中蒸發(fā)，吸收冷卻液體的熱量，從而快速冷卻動(dòng)力電池。對(duì)于制冷劑側(cè)的每個(gè)部件，GT-COOL具有對(duì)應(yīng)的模塊。其仿真模型的建立只需要輸入相關(guān)的幾何參數(shù)、性能參數(shù)等。對(duì)應(yīng)的模塊中。制冷劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一維仿真模型如圖14所示。圖14一維仿真模型

3.2冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型驗(yàn)證40°C的外部溫度下，選取四種典型工況對(duì)冷卻劑耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一維仿真計(jì)算模型進(jìn)行標(biāo)定， 同時(shí)也選取電池組的出水水溫作為標(biāo)定值為了提高電池的性能，將電池組出水的溫度控制在40°C以內(nèi)。將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)切換到電池冷卻器電路，各組件的具體參數(shù)設(shè)置列于表5。表5仿真計(jì)算參數(shù)設(shè)置

不同工況下電池組出水口水溫模擬結(jié)果如圖15所示。圖15不同工況下電池組出水水溫

當(dāng)外界溫度為40°C時(shí)，電池組出水水溫模擬在30kmh&25%坡度、60kmh&9%坡度、90kmh&5%坡度和120km/h工況下。其數(shù)值分別穩(wěn)定在35.8°C、32.7°C、29.9°c和27.9°C左右（如圖15所示），均在所需溫度范圍內(nèi)。說(shuō)明采用制冷劑對(duì)電池進(jìn)行冷卻的突出優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)不受外界溫度的限制。在模擬開(kāi)始時(shí)，由于冷卻液與冷媒溫差較大，電池冷卻器散熱效果明顯，電池出口溫度下降較快。然后隨著冷卻的繼續(xù)，電池出水溫度緩慢下降，最終達(dá)到穩(wěn)定值。同上，借助電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，當(dāng)電池初始溫度為40°C時(shí)，利用試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定28°C、32°C、36°C、40° C環(huán)境溫度下的仿真計(jì)算模型，得到電池初始溫度電池組的出口。Simulated值與實(shí)驗(yàn)值的比較如圖16所示。圖16不同工況下的仿真模型驗(yàn)證

在四種工況下，電池組出線測(cè)試值均小于模擬值。主要原因是上述仿真計(jì)算模型假設(shè)所有電池組產(chǎn)生的熱量被冷卻劑帶走。實(shí)際中，電池組本身吸收部分熱量，與外部環(huán)境有少量的熱交換，因此測(cè)試值略低于模擬值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，仿真值與測(cè)試值之間的最大誤差約為5.8%，因此一維仿真計(jì)算模型與實(shí)際模型更加一致。4.低溫散熱器和冷-冷耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)風(fēng)扇和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制為了節(jié)約能源，需要風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。因此 ，本文選擇曼達(dá)尼類(lèi)型建立風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制，選擇三角隸屬度函數(shù)使其模糊。因?yàn)楣こ讨谐Ｓ玫?三角形隸屬度函數(shù)計(jì)算起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且控制精度更高，響應(yīng)速度更快。選擇重心法進(jìn)行去模糊化，得到如圖17和圖18所示的風(fēng)扇和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制的輸出面。圖17風(fēng)扇轉(zhuǎn)速模糊控制輸出面

圖18壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制輸出面

以低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為例。輸入變量選擇電池組出口處的模擬水溫值，輸出變量選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。修改后的低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的一維仿真計(jì)算模型如圖19所示。圖19低溫散熱器電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)一維仿真模型

4.1分析模糊控制策略下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)果為了比較方便，不同的控制方法及其含義見(jiàn)表6。表6不同控制方法的規(guī)定

外部溫度為24°C，電池組初始溫度為24°C，水泵轉(zhuǎn)速為1500rpm，壓縮機(jī)不工作。NEDC工況下電池組進(jìn)水和出水水溫的瞬態(tài)曲線經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算后得到如圖20和圖21所示。圖20 NEDC工況下電池組入口處的水溫

圖21 NEDC工況下電池組出水水溫

在風(fēng)機(jī)的模糊控制策略下，電池組進(jìn)水口和出水口水溫的波動(dòng)范圍較小，溫度略高于閾值控制，但控制在要求的范圍內(nèi)。因此，采用模糊控制可以在滿足電池組安全性的基礎(chǔ)上降低能耗。為了進(jìn)一步說(shuō)明模糊控制策略在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)，在整個(gè)NEDC工況下對(duì)風(fēng)機(jī)消耗的軸功率進(jìn)行積分，得到風(fēng)機(jī)能耗曲線如圖22所示。圖22 NEDC工況下風(fēng)機(jī)能耗

在一個(gè)完整的NEDC循環(huán)之后，采用模糊控制和閾值控制的風(fēng)機(jī)的總能耗分別為57355J和77924J。且風(fēng)機(jī)能耗降低約26.4%。通過(guò)計(jì)算，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分時(shí)，采用單風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制，與上述危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電 池組的進(jìn)出水溫度之間的溫差約為8°C。為了使電池組具有更好的溫度一致性，最好將溫差控制在5°C以內(nèi)，因此，在保留上述風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制策略的基礎(chǔ)上，對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行簡(jiǎn)單的閾值控制，NEDC工況下模擬計(jì)算得到 的水泵轉(zhuǎn)速曲線如圖23所示，電池組的出水水溫如圖24所示。圖23 水泵轉(zhuǎn)速閾值控制下 NEDC操作條件

圖24 NEDC工況下電池組出水水溫

如圖23所示，在大約1107s時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)?500rpm增加到4000rpm，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)于上述危險(xiǎn)點(diǎn)的電池組出口處的水溫從36°C下降到大約32.5°C(如圖24所示)。經(jīng)計(jì)算，該危險(xiǎn)點(diǎn)處電池組進(jìn)出口溫差約為4.8°C，在一定程度上保證了電池組在整個(gè)NEDC循環(huán)過(guò)程中的溫度一致性要求 。 與閾值控制相比，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用模糊控制策略，在NEDC工況下，冷卻系統(tǒng)總能耗可降低約25.8%。為了保證電池組溫度一致性要求，在原有風(fēng)機(jī)模糊控制的基礎(chǔ)上增加了水泵轉(zhuǎn)速閾值控制。雖然提高了水泵的 能耗，但與風(fēng)機(jī)的能耗相比非常小，仍可使電池冷卻系統(tǒng)的總能耗降低約23.1%。因此，為了減少控制對(duì)象， 提高電池組的溫度一致性，可以適當(dāng)提高水泵的轉(zhuǎn)速，只選擇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制對(duì)象，控制電池組的進(jìn)水口和出水口處的水溫。
4.2模糊控制策略下的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)果分析壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的閾值控制為啟?？刂?。壓縮機(jī)初始轉(zhuǎn)速為0rpm，外界溫度為40°C，電池組初始溫度為40°C，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500rpm，水泵轉(zhuǎn)速為3500rpm。根據(jù)聯(lián)合仿真計(jì)算，NEDC工況下電池組進(jìn) 出水溫度曲線如圖25和圖26所示。圖25NEDC工況下電池組入口處的水溫

圖26NEDC工況下電池組出水水溫

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制和閾值控制對(duì)應(yīng)的電池組出口最高水溫約為37.8°C和35.7°C，均小于40°C，說(shuō)明電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)引入空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷劑，不易受與啟?？刂葡啾龋捎脡嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制的電池組進(jìn)出水溫度波動(dòng)范圍較小，有利于到電池組溫度的一致性。另外，采用模糊控制的電池組的進(jìn)出水溫度較高，但保持在合適的溫度范圍內(nèi)，有利于降低壓縮機(jī)的能耗，增加車(chē)輛行駛里程。進(jìn)一步說(shuō)明模糊控制策略在節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)整個(gè)NEDC操作工況下壓縮機(jī)消耗的軸功率進(jìn)行積分，得到如圖27所示的壓縮機(jī)能耗曲線。圖27NEDC工況下的壓縮機(jī)能耗

在一個(gè)完整的NEDC循環(huán)結(jié)束后，壓縮機(jī)模糊控制的總能耗約為1293kJ。當(dāng)采用閾值控制時(shí)，壓縮機(jī)的總能耗約為1528kJ。壓縮機(jī)節(jié)能約15.4%，系統(tǒng)總能耗降低約14%。5.結(jié)論1.散熱器的正面布置更有利于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能。2.采用制冷劑對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻的突出優(yōu)點(diǎn)是不易受外界環(huán)境溫度的影響。即使外界溫度較高，也能將 電池組的溫度控制在良好的工作范圍內(nèi)。 3.與閾值控制相比，模糊控制具有稍高的溫度，但它們都在合理的范圍內(nèi) ，這有助于節(jié)約能源。與此同時(shí)，模糊控制在穩(wěn)態(tài)下的溫度波動(dòng)范圍比閾值控制小，有助于電池組溫度一致性的要求。 4.在一個(gè)完整的NEDC工作條件和良好的溫度一致性的條件下，與閾值控制相比，風(fēng)扇和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的能耗分別節(jié)省約23.1%和14%，有效地提高了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。
文章來(lái)源：Shen, W. and Wang, N., “Simulation and Control of Battery Thermal Management System for Electric Vehicle,” SAE Technical Paper 2022-01-7016, 2022, doi:10.4271/2022-01-7016.