摘 要：動力電池是電動汽車最重要的能源供給裝置，熱管理系統(tǒng)是提高動力電池性能，確保動力電池安全的重要部件。針對大功率動力電池由散熱失效引起安全性能下降的問題，在電動汽車動力電池?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)動力電池的熱管理請求，提升熱管理系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：動力電池；熱管理系統(tǒng)；散熱失效；液冷；動態(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)出多種不同動力源的汽車，其中，電動汽車的快速發(fā)展也得益于動力電池技術(shù)的不斷完善。動力電池是電動汽車最為關(guān)鍵的能量存儲裝置，為電動汽車提供驅(qū)動能量，其安全性、容量以及使用壽命等能夠直接影響電動汽車的性能 。

電動汽車在面對復(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，需要動力電池輸出大功率輸送到驅(qū)動電機(jī)，以此滿足整車的大功率需求；頻繁制動過程中，動力電池需要頻繁地在輸出能量和回收能量之間切換，大電流地沖擊著動力電池。諸多因素都會嚴(yán)重地影響動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，動力電池的內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度都會急劇上升，如果溫度一直沒有下降，動力電池容易爆炸；同樣面對低溫狀態(tài)，會影響動力電池的性能導(dǎo)致輸出功率受限制，無法滿足整車的功率需求。動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一種具備高效調(diào)節(jié)動力電池環(huán)境溫度的控制系統(tǒng)，通過感知動力電池內(nèi)部溫度、整車環(huán)境溫度來執(zhí)行系統(tǒng)控制單元的散熱或加熱指令，驅(qū)動散熱風(fēng)扇或加熱裝置從而實(shí)現(xiàn)整車動力電池的熱管理。針對車用動力電池的熱管理技術(shù)，通過改進(jìn)動力電池冷卻系統(tǒng)流體域的幾何結(jié)構(gòu)模型從而改善動力電池散熱性能；優(yōu)化動力電池反向分層風(fēng)冷結(jié)構(gòu)；構(gòu)建動力電池液冷控制系統(tǒng)改善動力電池散熱性能等。本文在動力電池?zé)嵝?yīng)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)動力電池液冷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及采用動態(tài)規(guī)劃算法對動力電池進(jìn)行先進(jìn)熱管理，在實(shí)驗(yàn)臺架中驗(yàn)證先進(jìn)控制方法的可靠性。

１　動力電池?zé)嵝?yīng)模型

動力電池是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)最重要的能源供給裝置，在面對復(fù)雜的行駛工況，比如長時(shí)間的大功率運(yùn)行、高溫環(huán)境中運(yùn)行等都會導(dǎo)致動力電池的升溫，在極寒工作條件下，動力電池的溫度也會下降，上述都會導(dǎo)致動力電池的性能下降，影響整車的駕駛性能。動力電池是一種溫度敏感部件，其實(shí)質(zhì)就是一個升溫降溫產(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)

電動汽車的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是一個非常重要的系統(tǒng)，通過相關(guān)的控制邏輯可以確保動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，冷卻功能主要通過壓縮機(jī)、熱交換器和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行換熱作用來實(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)，電動汽車動力電池?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)動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)收到電池冷卻指令時(shí)，動力電池的冷卻回路會通過熱交換器與整車的空調(diào)系統(tǒng)連接，空調(diào)的冷卻可以將動力電池的熱量帶走，與此同時(shí)，如果冷卻需求更大將會加入冷卻水泵，另外可以通過電磁閥的通斷來控制電動汽車機(jī)艙和動力電池冷卻的切換。

動力電池的工作溫度是一個非常重要的參數(shù)，當(dāng)電動汽車行駛處于在低溫狀態(tài)下，動力電池受環(huán)境溫度的影響，自身溫度會下降，導(dǎo)致放電性能下降，影響整車的動力性。 因此需要給動力電池加熱，動力電池的加熱主要通過 ＰＴＣ 加熱器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)接收到加熱請求時(shí)，會打開三通閥，啟動 ＰＴＣ 加熱器進(jìn)行動力電池加熱，檢測到動力電池溫度達(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，通過采集到的電池溫度和水溫，ＢＭＳ 根據(jù)動力電池的溫度來判斷動力電池的冷卻和加熱請求 。通過信號接口獲取到整車的相關(guān)信號，比如動力電池溫度、整車行車模式、車速以及冷卻液流速等，熱管理系統(tǒng)通過算法來計(jì)算出動力電池的冷卻請求使能、加熱請求使能以及強(qiáng)控指令等，將如上信號發(fā)送到加熱或冷卻模塊后計(jì)算出執(zhí)行器的運(yùn)行功率以及開關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動 ＰＴＣ 加熱器或冷卻水泵，從而實(shí)現(xiàn)動力電池的熱管理，所設(shè)計(jì)的動力電池?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)

電動汽車的動力電池?zé)峁芾砉ぷ髂Ｊ綄⒁罁?jù)車輛的行駛模式以及動力電池的最大溫度、最小溫度。當(dāng)車輛處于交流充電、直流充電模式下時(shí)，可以啟動熱管理系統(tǒng)的冷卻功能，其中，熱管理系統(tǒng)會依據(jù)動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可標(biāo)定的溫度閾值進(jìn)行比較，隨著溫度的下降，冷卻會經(jīng)歷好幾個階段直到動力電池的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，關(guān)閉動力電池冷卻回路的相關(guān)執(zhí)行器。同理，在動力電池?zé)峁芾韱蛹訜峁δ軙r(shí)，也是通過最高的動力電池溫度和相關(guān)條件的閾值進(jìn)行比較，從而啟動和關(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

針對動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)確定了冷卻和加熱的開啟關(guān)閉條件閾值，需要加入動態(tài)規(guī)劃算法來合理地規(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，然后求解各個子階段的最優(yōu)解  ，因此可以將動態(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啟，將會把冷卻請求、動力電池溫度、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)的動態(tài)優(yōu)化，滿足動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)的電動汽車動力電池液冷控制方案的可靠性，設(shè)計(jì)了電動汽車動力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)環(huán)境，主要由動力電池、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，采集了動力電池在充電和放電兩個階段的熱管理數(shù)據(jù)，并對實(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　動力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)平臺

表 １　動力電池性能參數(shù)

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

圖 ６　開啟使能溫度實(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)，動力電池的溫度隨即發(fā)生相應(yīng)趨勢的變換，而且響應(yīng)速度非?？?，實(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

針對電動汽車動力電池在復(fù)雜工況下的熱管理失效問題，在動力電池?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)，采用動態(tài)規(guī)劃算法作為其控制算法，并在電動汽車動力電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)平臺對液冷設(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，確保動力電池工作在高效率區(qū)間。

作者：習(xí)　璐

作者單位：咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院