（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院 汽車動(dòng)力傳動(dòng)與電子控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，十堰 442002）

隨著電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求不斷提高，動(dòng)力電池溫度管理系統(tǒng)需要解決在大電流充放電狀態(tài)下的溫度快速攀升問題，保證電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，減少溫度對(duì)動(dòng)力電池工作狀態(tài)的影響。溫度控制方法主要包括PID[1-3]以及改進(jìn)的PID控制方法[4-6]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法[7]等，本文主要利用模糊控制算法控制電池溫度。

文獻(xiàn)[8]將電池溫度作為控制系統(tǒng)的輸入，以冷卻液流速為控制對(duì)象，最終達(dá)到控制溫度的目的，但由于控制對(duì)象單一，控制精度不高，系統(tǒng)魯棒性不好；文獻(xiàn)[9]為了解決單一冷卻方法帶來的遲滯性和超溫現(xiàn)象，提出了一種模糊控制方法，以溫升速率和電池預(yù)測溫度控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到溫度控制的目的，但由于電動(dòng)汽車的電池溫升速率與車輛行駛工況有關(guān)，單一的控制對(duì)象可能導(dǎo)致電池溫升速率不可求的情況；文獻(xiàn)[10]以電池的輸出電壓為控制系統(tǒng)的輸入，以冷卻液流速為輸出，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊算法，并對(duì)電池在600℃下的穩(wěn)定情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該算法可以有效控制溫度，但無法使電池工作在合適的溫度范圍內(nèi)。綜上所述，模糊控制算法可以滿足電池溫度控制的要求，但不同的輸入對(duì)溫度控制的效果不一樣，輸入量的選擇需要結(jié)合車輛的行駛狀態(tài)，且單一的控制對(duì)象無法保證電池溫度工作在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

本文以電池溫度預(yù)測模型的預(yù)測溫度和電池溫度誤差為輸入量，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁閥開度為輸出，設(shè)計(jì)模糊控制器，協(xié)調(diào)進(jìn)風(fēng)速度和冷卻液流速，達(dá)到控制溫度的目的，保證電池工作在30℃附近。

1 電池溫度特性分析

前期研究工作中，已經(jīng)完成了完整電池箱體與散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)整體結(jié)構(gòu)、零部件等進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了并聯(lián)式液冷系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)，以液冷和風(fēng)冷對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行復(fù)合冷卻。風(fēng)冷以風(fēng)機(jī)吹入的空氣為主；液冷與動(dòng)力電機(jī)共用同一套循環(huán)主管路以及增壓泵，利用三通電磁閥和比例電磁閥控制冷卻液流速，從而達(dá)到冷卻的目的。選擇了KDG4V-3S型號(hào)的比例電磁閥；選擇了CDF125-08型號(hào)的風(fēng)機(jī)，功率70 W，風(fēng)量330 m3/h，風(fēng)壓270 Pa。

圖1 電池組結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural of battery pack

本文主要對(duì)電池溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用模糊控制算法協(xié)調(diào)控制電磁閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制動(dòng)力電池工作溫度的目的。

1.1 產(chǎn)熱分析

鎳氫電池的主要產(chǎn)熱包括化學(xué)反應(yīng)熱、極反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱以及焦耳熱[11]。通常動(dòng)力電池為防止由于過充過放給電池壽命和安全帶來的隱患，SOC值必須控制在一定范圍之內(nèi)，此時(shí)副反應(yīng)熱可以忽略，通常只計(jì)算化學(xué)反應(yīng)熱、極反應(yīng)熱和焦耳熱，減小模型復(fù)雜程度。根據(jù)電池工作特性可以計(jì)算出電池的產(chǎn)熱速率[12]：

式中：I為電池工作電流，放電時(shí)為負(fù)（A）；R為電池內(nèi)阻（Ω）

根據(jù)文獻(xiàn)[12]研究表明，SOC值在一定范圍內(nèi)時(shí)，電池電阻的變化很小，電阻的大小可以表示為

式中：N為電池單體數(shù)量。

1.2 散熱分析

根據(jù)前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用并聯(lián)式風(fēng)冷和液冷復(fù)合冷卻，風(fēng)冷和液冷協(xié)調(diào)工作。風(fēng)冷主要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，液冷通過調(diào)節(jié)進(jìn)液主管路的電磁閥開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻液流速。風(fēng)冷散熱量表達(dá)式為

式中：T為電池表面溫度（℃）；Tgas為冷卻空氣溫度（℃）；Cgas為空氣比熱容（J/kg·K）；u 為進(jìn)風(fēng)量（m3/min），由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與進(jìn)風(fēng)量近似呈線性關(guān)系，因此只需控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就可控制進(jìn)風(fēng)量。

液冷散熱表達(dá)式為[13]

式中：TH2O為冷卻液進(jìn)口溫度（℃）；w為冷卻液流速（kg/min），假定主循環(huán)管路中的冷卻液流速一定，只需控制比例電磁閥開度，就可控制冷卻液的流速。

此時(shí)電池積累的熱量為

根據(jù)熱力學(xué)方程：

式中：Cc為電池比熱容（J/kg·K）；mc為電池的質(zhì)量（kg）。假設(shè)電池工作在k時(shí)刻，其熱平衡方程可以表示為

整理得：

離散化得：

得到當(dāng)前時(shí)刻的電池溫度為

從式（10）可以看出，電池溫度及其變化率與空氣和冷卻液的進(jìn)口溫度及其流速有關(guān)，且知道初始參數(shù)以及空氣和冷卻液的流速就可知道任意時(shí)刻的電池溫度。

1.3 冷卻液散熱分析

對(duì)于冷卻液，忽略其在流道、水泵以及電磁閥中流動(dòng)過程的散熱，散熱器的進(jìn)出口溫度分別為Tin、TH2O，散熱器出口冷卻液溫度也就是進(jìn)入電池冷卻系統(tǒng)的溫度。散熱器的發(fā)熱量為

式中：Aex為散熱面積（m2）；χ為散熱系數(shù)；T0為空氣溫度（℃）；為散熱器表面溫度（℃），其大小為（Tin+TH2O）/2。

散熱其平衡方程為

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，式（12）可以簡化為

2 基于Fuzzy的溫度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

為了保證電池工作在合理的溫度范圍之內(nèi)，設(shè)定電池的合理工作溫度區(qū)間，最優(yōu)溫度值為30℃。本文通過協(xié)調(diào)控制進(jìn)液管電磁閥開度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)冷卻液流速和冷卻風(fēng)流速，達(dá)到控制電池組箱體溫度的目的，因此假定冷卻風(fēng)的溫度恒定。電池溫度模型根據(jù)初始參數(shù)計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下的電池溫度，與理想的電池工作溫度進(jìn)行對(duì)比，溫度誤差及電池生熱速率作為模糊控制器的輸入，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁閥開度作為輸出，控制風(fēng)速和冷卻液流速，控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程Fig.2 Control flow chart

模糊控制器的輸入溫度誤差值的論域設(shè)定為（0，60），將其劃分為 7個(gè)模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）； 生熱速率模糊論域設(shè)定為（-12，12），將其劃分為 7個(gè)模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）。模糊控制器的輸出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的論域設(shè)定為（0，3000），將其劃分為 7個(gè)模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）；電磁閥開度為（0，100%），將其劃分為 7個(gè)模糊子集（NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB）。

利用Matlab的模糊控制器工具箱建立隸屬度函數(shù)，輸入輸出的隸屬度函數(shù)如圖3、圖4所示，模糊控制規(guī)則如表1、表2所示。

圖3 輸入隸屬度函數(shù)Fig.3 Input membership function

圖4 輸出隸屬度函數(shù)Fig.4 Output membership function

表1 電磁閥開度模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule for solenoid valve opening

表2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制規(guī)則表Tab.2 Fuzzy control rule of fan speed

3 仿真與試驗(yàn)

在Matlab/Simulink中搭建電池溫度模型，結(jié)合所設(shè)計(jì)的模糊控制器進(jìn)行仿真，部分仿真數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 部分仿真數(shù)據(jù)Tab.3 Partial simulation data

仿真時(shí)間為3000 s，仿真模型的輸入量為電池電流，其為電池溫度控制模型的主要干擾量，初始狀態(tài)下電池電流為40A；冷卻風(fēng)的初始溫度為30℃；電池的初始化溫度為30℃。輸入電流的變化如圖5所示。

圖5 電池電流Fig.5 Battery current

在模糊控制器下，電磁閥的開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可以看出電流為穩(wěn)態(tài)下，電磁閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本維持不變，大小分別為20.2%和520 r/min。隨著電流的波動(dòng)，電磁閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也可以有效跟蹤電流變化。

圖6 電磁閥開度Fig.6 Solenoid valve opening

圖7 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.7 Fan speed

隨著電流的變化，模糊控制器有效調(diào)節(jié)電磁閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進(jìn)液量和進(jìn)空氣量，電池溫度如圖8所示。圖8可以看出電池溫度隨著電流的變化而變化，但在模糊控制器的調(diào)解下可以有效控制在一定范圍內(nèi)，電池溫度誤差0.37%。

圖8 電池溫度Fig.8 Battery temperature

仿真說明，所設(shè)計(jì)的模糊控制器是可以滿足電池溫度控制的要求。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電池溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)溫度采集電路、電機(jī)控制電路以及電磁閥控制電路[15]，溫度傳感器選擇JCJ100TTP，對(duì)溫度進(jìn)行采集；1602LCD顯示溫度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比以及電磁閥開度；采用脈寬調(diào)制（PWM）控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。所設(shè)計(jì)的總體電路如圖9所示。

對(duì)所設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行編譯，導(dǎo)入單片機(jī)中并進(jìn)行調(diào)試，最終實(shí)物如圖10所示。

圖9 控制器電路Fig.9 Circuit diagram of controller

圖10 控制板實(shí)物圖Fig.10 Picture of control board

4 結(jié)語

本文主要針對(duì)動(dòng)力電池的復(fù)合冷卻式溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。①對(duì)動(dòng)力電池溫度特性進(jìn)行分析，建立了電池產(chǎn)熱模型，對(duì)空冷和液冷進(jìn)行了熱分析，建立了散熱模型，對(duì)冷卻液在散熱器中的散熱過程建立了數(shù)學(xué)模型；②以電池產(chǎn)熱速率和溫度差為輸入，以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁閥開度為輸出，設(shè)計(jì)模糊控制器，協(xié)調(diào)控制進(jìn)風(fēng)量和冷卻液流速；③通過仿真驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的可行性。根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示電路、溫度采集電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路、電磁閥控制電路等，完成電路板制作。后期將把所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與前期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用并試驗(yàn)最終效果。