江 豐，閻明瀚，閆仕偉，劉華俊，徐宇虹，江吉兵

（惠州億緯鋰能股份有限公司，廣東 惠州 516000）

前言

鋰電池具有能量密度高、比功率大、質(zhì)量輕、自放電率低、可回收性好、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前最適合的蓄電儲能裝置[1-2]。鋰電池易受溫度影響，在溫度范圍 30～40 ℃時(shí)，鋰離子電池溫度每升高1 ℃，其使用壽命將縮短60 d[3]。由于在低溫時(shí)其活性會迅速降低并失去部分電量，高溫時(shí)生熱加劇且容易引發(fā)安全隱患等，因此 BTMS 的性能是制約當(dāng)前鋰離子電池性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素。因此，為了讓動力電池能安全穩(wěn)定地為電動汽車提供源源不斷的動力，針對電池組的熱管理系統(tǒng)的建立與研究就顯得十分重要[4]。如果新能源汽車能夠使用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）來對電池組的溫度進(jìn)行控制，就可以提高整車的性能。如果希望電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠充分改善電池組性能，就需要特定的系統(tǒng)指標(biāo)或控制策略等。

對于一套完整的熱管理系統(tǒng)，行之有效的控制策略能夠保證在不同的行車工況下，壓縮機(jī)、風(fēng)扇等耗功零件工作在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的情況下就使電池等關(guān)鍵部件工作在合適的溫度范圍，對于提高整車的能量利用效率具有重要意義。

1 研究方法

本文研究方法主要是基于驗(yàn)證的仿真模型進(jìn)行能耗與策略評估，基于一維仿真平臺進(jìn)行能耗評估與熱管理策略優(yōu)化，如圖1 所示。主要研究內(nèi)容包括：熱管理策略的制定，電池系統(tǒng)熱管理仿真模型的搭建，仿真模型的校核與驗(yàn)證，能耗評估與策略優(yōu)化。

圖1 研究方法與技術(shù)路線

研究所采用的電池系統(tǒng)平臺為某司的一款電池包產(chǎn)品，如圖2 所示。

圖2 電池系統(tǒng)平臺

2 熱管理策略制定

熱管理策略制定方法：在整車運(yùn)行工況下，基于監(jiān)控點(diǎn)的電芯溫度（包括最高和最低溫度）進(jìn)行策略制定，基于對電芯的溫度的判定實(shí)現(xiàn)水泵流量及水溫的控制，從而確保電芯溫度維持在目標(biāo)溫度區(qū)間。

表1 為基于電芯最高溫度和最低溫度制定的電池系統(tǒng)熱管理控制策略。該策略包含三種模式：慢充模式、快充模式和放電模式；包含四種運(yùn)行狀態(tài)：加熱的開啟和關(guān)閉，液冷的開啟和關(guān)閉。采用電芯最低溫度確定加熱的開啟和關(guān)閉條件，采用電芯最高溫度確定冷卻的開啟和關(guān)閉條件。

表1 電池系統(tǒng)熱管理控制策略 單位：℃

3 仿真模型搭建與校核驗(yàn)證

本節(jié)主要闡述電池系統(tǒng)熱管理仿真模型的搭建，以及仿真模型的校核和測試驗(yàn)證結(jié)果。

3.1 電池系統(tǒng)熱管理仿真模型搭建

搭建一維電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型，采用實(shí)際的路譜工況數(shù)據(jù)，進(jìn)行能耗的評估。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型包含：電芯單體模型、電池系統(tǒng)傳熱模型、熱管理控制策略模型、能耗模型。

3.1.1 電芯單體模型

本次研究搭建的電芯單體模型，是基于等效電路模型[5]，可表征電芯的產(chǎn)熱特性和電路特性。

等效電路模型中的相關(guān)參數(shù)可以利用HPPC 測試數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識。本次研究對該電池系統(tǒng)的電芯單體進(jìn)行HPPC 測試，測試溫度有10 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃，基于以上測試數(shù)據(jù)搭建該電芯單體模型（圖3），搭建完成后仿真模型與測試結(jié)果對比如圖4 所示。

圖3 電芯等效電路示意圖

圖4 電芯單體仿真與測試電壓對比

3.1.2 電池系統(tǒng)傳熱模型

電池系統(tǒng)熱管理傳熱模型包含：系統(tǒng)壓損模型、模組與冷板傳熱模型。

冷卻系統(tǒng)采用口琴管方式，是由4 個(gè)大冷板和1 個(gè)小冷板并聯(lián)組成（如圖5），系統(tǒng)壓損模型的搭建思路為三維仿真計(jì)算大冷板和小冷板流阻曲線（如圖6），在一維仿真模型中直接采用壓損件代替冷板，并將冷板流阻數(shù)據(jù)代入一維仿真的壓損件。

圖5 大冷板和小冷板示意圖

圖6 不同流量下冷板壓損

模組與冷板傳熱模型采用熱質(zhì)量塊模型，以模組為單位進(jìn)行離散，并與電芯單體產(chǎn)熱模型相關(guān)聯(lián)。電芯熱質(zhì)量塊模型計(jì)算的溫度發(fā)送給電芯單體模型，電芯單體計(jì)算的發(fā)熱功率發(fā)送給電芯熱質(zhì)量塊模型。另外傳熱模型還考慮冷卻液對流換熱，以及箱體與空氣的對流換熱。

3.1.3 熱管理控制策略模型

基于第一節(jié)制定的熱管理策略，搭建熱管理控制策略仿真模型。以電芯最高溫度、最低溫度和運(yùn)行模式作為輸入條件，根據(jù)制冷/制熱的開啟/關(guān)閉時(shí)機(jī)，確定其開啟/關(guān)閉輸出。

3.1.4 能耗模型

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能耗主要體現(xiàn)在：（1）水泵能耗；（2）空調(diào)系統(tǒng)能耗。能耗模型需幾何整車?yán)鋮s系統(tǒng)，包含空調(diào)系統(tǒng)、水泵等。

3.2 電池系統(tǒng)熱管理仿真模型校核

仿真模型校核：電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型搭建完成后，為保證仿真模型計(jì)算的可靠性，需首先進(jìn)行模型校核，校核關(guān)鍵點(diǎn)有系統(tǒng)壓損模型、箱體與空氣的對流換熱、冷板與模組間的傳導(dǎo)熱阻。

3.2.1 系統(tǒng)壓損校核

系統(tǒng)壓損模型校核：可以基于系統(tǒng)壓損測試進(jìn)行校核。測試條件為：入口流量15 L/min，溫度17.5 ℃，系統(tǒng)壓損測試結(jié)果為36.26 kPa，仿真模型計(jì)算的結(jié)果為36.23 kPa。

3.2.2 箱體與空氣的對流換熱校核

箱體與空氣的對流換熱校核分析：可以基于系統(tǒng)保溫測試進(jìn)行。系統(tǒng)保溫測試的一般做法是，電池系統(tǒng)在不工作的條件下，電池系統(tǒng)具有一個(gè)較高的初始溫度，與環(huán)境溫度存在較大的溫差，然后獲取電芯溫度隨時(shí)間變化的情況；該結(jié)果主要表征了箱體與空氣的對流換熱情況，同時(shí)排除其他因素的干擾，適合箱體與空氣對流換熱的標(biāo)定。

將測試中小冷板對應(yīng)的兩個(gè)模組的平均溫度（T_x）和剩余模組的平均溫度（T_d）作為仿真校核的目標(biāo)參數(shù)。保溫測試條件為：電池系統(tǒng)初始溫度T_x=24 ℃、T_d=25.48 ℃，環(huán)境溫度=?30 ℃，保溫4 h。仿真工況與測試條件保持一致。仿真與測試結(jié)果對比如圖7 所示，兩者溫度變化趨勢基本一致；測試過程最大溫差為12.44 ℃，仿真過程最大溫差為11.24 ℃，相差1.2 ℃。所以，箱體與空氣的對流換熱設(shè)定滿足精度要求。

圖7 保溫工況下模組平均溫度變化曲線

3.2.3 冷板與模組間的傳導(dǎo)熱阻校核

冷板與模組間傳導(dǎo)熱阻校核可以基于低溫加熱工況進(jìn)行。此處所述低溫加熱工況是指，電池系統(tǒng)在不工作的條件下，電池系統(tǒng)具有較低的初始溫度，熱管理系統(tǒng)對其進(jìn)行加熱，然后獲取電芯溫度隨時(shí)間變化的情況；該結(jié)果主要表征了冷板與模組間的換熱情況，同時(shí)減少其它因素的干擾，適合冷板與模組間傳導(dǎo)熱阻校核。

冷板與模組間熱阻傳導(dǎo)校核的測試工況為：電池系統(tǒng)初始溫度T_max=?18 ℃、T_min=?19 ℃，冷卻液入口流量=14.4 L/min、入口溫度=43.63 ℃；仿真工況為：電池系統(tǒng)初始溫度=?18.5 ℃，冷卻液入口流量=14.4 L/min、入口溫度=43.63 ℃。選取測試中的電芯最高溫度（T_max）和最低溫度（T_min）作為校核的目標(biāo)參數(shù)。仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比如圖8 所示，仿真與測試結(jié)果趨勢基本一致，仿真結(jié)果平均溫度與測試結(jié)果平均溫度最大偏差1.21 ℃，主要是受測試最低溫度影響，偏差可以接受。模組與冷板間的傳導(dǎo)換熱熱阻設(shè)定滿足精度要求。

圖8 加熱工況下模組平均溫度變化曲線

3.3 電池系統(tǒng)熱管理仿真模型測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證搭建的電池系統(tǒng)熱管理仿真模型在計(jì)算充放電工況下的準(zhǔn)確性，本小節(jié)對其進(jìn)行測試驗(yàn)證。

為更全面的反應(yīng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型準(zhǔn)確性，測試內(nèi)容須能代表熱管理系統(tǒng)關(guān)鍵的傳熱、產(chǎn)熱特性。因此對測試提出三點(diǎn)要求：（1）測試需能代表電芯在產(chǎn)熱時(shí)對電芯溫度的影響；（2）測試須能代表冷卻系統(tǒng)對電芯溫度的影響；（3）測試須能代表環(huán)境溫度對電芯溫度的影響。

基于測試要求，對測試工況進(jìn)行調(diào)整。最終測試工況如下：環(huán)境溫度=40 ℃，電池系統(tǒng)初始溫度T_max=42 ℃、T_min=38 ℃，冷卻液入口溫度=18.3 ℃，運(yùn)行時(shí)流量為14.4 L/min；測試過程中電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電，具體充放電電流如圖14 所示；測試過程中冷卻系統(tǒng)至少運(yùn)行一段時(shí)間，具體流量變化如圖9 所示。

基于測試工況，處理仿真模型邊界。從圖9 中可以看出，冷卻系統(tǒng)流量為0 時(shí)，期間仿真-T_max（電池系統(tǒng)最高溫度）和仿真-T_min（電池系統(tǒng)最低溫度）逐漸增大，在測試-T_max（電池系統(tǒng)最高溫度）和測試-T_min（電池系統(tǒng)最低溫度）之間，溫升速率與測試結(jié)果基本一致，說明仿真模型在電芯產(chǎn)熱時(shí)的自然散熱計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，仿真結(jié)果的最高最低溫度處于測試結(jié)果的最高最低溫度之間，溫度變化趨勢與測試結(jié)果一致，說明仿真模型在電芯產(chǎn)熱時(shí)的液冷散熱計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果較一致。

從仿真與測試結(jié)果的對比可以看出，本次研究所搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真模型精度可靠，可以用來進(jìn)行接下來的能耗評估和策略評價(jià)。

4 能耗評估與策略評價(jià)

最后基于驗(yàn)證的仿真模型進(jìn)行能耗評估與策略評價(jià)：相同工況下，從熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個(gè)維度對熱管理策略進(jìn)行對比；采用加權(quán)綜合評價(jià)法[6]對比不同策略的優(yōu)劣；主要優(yōu)化參數(shù)有流量和目標(biāo)水溫。

4.1 運(yùn)行工況

基于整車實(shí)際運(yùn)行工況，才能更加直接地反映熱管理的能耗。圖10 為某地區(qū)單日內(nèi)實(shí)際運(yùn)行工況的功率輸出數(shù)據(jù)。

圖10 整車實(shí)際運(yùn)行功率

4.2 不同冷卻液入口溫度對能耗的影響

為研究不同冷卻液入口溫度對能耗的影響，設(shè)置不同控制水溫，進(jìn)行仿真分析。不同控制水溫方案：入口控制水溫=10 ℃，作為C1；入口控制水溫=15 ℃，作為C2；入口控制水溫=20 ℃，作為C3；入口控制水溫=25 ℃，作為C4；仿真工況為：環(huán)境溫度40 ℃，流量14 L/min，運(yùn)行工況如圖10 示。

圖11 為不同控制水溫方案下電芯最高溫度變化曲線；可以看出隨著水溫的升高，電芯最高溫度溫降速率越來越慢。圖12 為不同控制水溫方案的熱管理能耗仿真對比結(jié)果，所述熱管理能耗是指電池系統(tǒng)用于熱管理相關(guān)部件能耗總和，這里主要包括空調(diào)和水泵的能耗。從圖11 可以看出，隨著控制水溫的增大，熱管理能耗呈先降低后增大的趨勢；根據(jù)該趨勢，熱管理能耗應(yīng)該存在一個(gè)最低值；可預(yù)計(jì)熱管理能耗最低時(shí)，控制水溫在18 ℃左右。仿真結(jié)果分析表明，熱管理能耗與控制水溫并不是簡單的線性關(guān)系，受水泵運(yùn)行時(shí)間的影響，控制水溫過高時(shí)，熱管理能耗也會增加；其中主要原因是：控制水溫較高時(shí)，與電芯本體建立的溫差較小，導(dǎo)致散熱效率很低。所以，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導(dǎo)致熱管理能耗的增加，控制水溫存在最優(yōu)解。

圖11 不同控制水溫方案電芯最高溫度仿真對比

圖12 不同控制水溫方案熱管理能耗仿真對比

4.3 不同冷卻液流量對能耗的影響

為研究不同冷卻液入口流量對能耗的影響，設(shè)置不同控制流量，進(jìn)行仿真分析。不同控制流量方案：入口控制流量=5.6 L/min，作為F1；入口控制流量=9.5 L/min，作為F2；入口控制流量=14 L/min，作為F3；入口控制流量=18.7 L/min，作為F4；仿真工況為：環(huán)境溫度40 ℃，入口水溫18 ℃，運(yùn)行工況如圖10 所示。

圖13 為不同控制流量方案下電芯最高溫度變化曲線；總體相差不明顯。圖14 為不同控制流量方案的熱管理能耗仿真對比結(jié)果。從圖14 可以看出，隨著控制流量的增大，熱管理能耗呈增大的趨勢；而且，F(xiàn)2、F3 和F4 方案電芯最高溫度變化曲線差異不大（如圖）。仿真結(jié)果分析表明，在一定范圍內(nèi)，熱管理能耗隨流量的增大而增大，其中主要原因是：流量越大，水泵運(yùn)行消耗的能量就越大。但是，不能單純的依靠能耗來確定流量的大小，流量的大小還會影響系統(tǒng)溫差等性能。

圖13 不同控制流量方案電芯最高溫度仿真對比

圖14 不同控制流量方案熱管理能耗仿真對比

4.4 策略評價(jià)

采用加權(quán)綜合評價(jià)法對不同控制水溫方案進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)有熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個(gè)維度，以此判斷策略的優(yōu)劣。

評價(jià)方案有不同冷卻液溫度方案：C1、C2、C3 和C4；另外，4.3 小節(jié)中的F3 方案的流量與C1、C2、C3 和C4 相同，其冷卻液入口溫度為18 ℃，可以一起進(jìn)行評價(jià)。

表2 為各方案不同評價(jià)指標(biāo)仿真結(jié)果，從表中可以看出F3 方案熱管理能耗最低，C3 方案恒溫占比最高，C1 方案溫降速率最快。

表2 各方案不同評價(jià)指標(biāo)仿真結(jié)果

表3 為各方案不同評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)值，評價(jià)值計(jì)算方法：熱管理能耗各方案最高值對應(yīng)的評價(jià)值為0.6，最低值對應(yīng)的評價(jià)值為0.9；恒溫占比、溫降速率各方案最低值對應(yīng)的評價(jià)值為0.6，最高值對應(yīng)的評價(jià)值為0.9。其他方案的評價(jià)值根據(jù)線性計(jì)算的方法（如各指標(biāo)最高值和最低值對應(yīng)的平均值為0.75），計(jì)算各方案評價(jià)值。

表3 各方案不同評價(jià)指標(biāo)評價(jià)值

綜合評價(jià)中各指標(biāo)權(quán)重占比為：熱管理能耗、恒溫占比和溫降速率為0.2、0.5 和0.3，基于此各方案的綜合評價(jià)值計(jì)算結(jié)果如表4 所示。從表中可以看出，C2 方案綜合評價(jià)值最高，該方案控制水溫為20 ℃。

表4 各方案綜合評價(jià)值

5 總結(jié)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠充分改善電池組性能，同樣需要搭配特定控制策略，合適的控制策略對于提高整車的能量利用效率具有重要意義。本文基于驗(yàn)證的仿真模型進(jìn)行能耗與策略評估。結(jié)果表明控制水溫過高或者過低都會導(dǎo)致熱管理能耗的增加，控制水溫存在最優(yōu)解；控制流量在一定范圍內(nèi)，熱管理能耗隨流量的增大而增大。另外，本文基于熱管理能耗、恒溫占比、溫降速率三個(gè)性能指標(biāo)，采用加權(quán)綜合評價(jià)法評價(jià)不同水溫策略的優(yōu)劣；針對本文研究的熱管理系統(tǒng)，不同水溫策略方案對比表明控制水溫為20 ℃時(shí)，其綜合性能評價(jià)值最高。