剖析新能源汽車電池熱管理系統(tǒng)

　　電池包作為電動汽車上裝載電池組的主要儲能裝置，是混動/電動汽車的關鍵部件，其性能直接影響混動/電動汽車的性能。目前電池普遍存在比能量和比功率低、循環(huán)壽命短、使用性能受溫度影響大等缺點。由于車輛空間有限，電池工作中產(chǎn)生的熱量累積，會造成各處溫度不均勻從而影響電池單體的一致性。從而降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴重時還將導致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性。為了使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命，需要對電池進行熱管理，將電池包溫度控制在合理的范圍內(nèi)。

　　電池熱管理的主要功能包括：電池溫度的準確測量和監(jiān)控；電池組溫度過高時的有效散熱；低溫條件下的快速加熱；保證電池組溫度場的均勻分布；電池散熱系統(tǒng)與其他散熱單元的匹配。

　　電池包的冷卻有風冷和液冷兩種方式。研究表明風冷方式易實現(xiàn)，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩(wěn)定工作。通過冷卻液與空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進行換熱的液冷方式逐漸成為主流。對新能源汽車電池熱問題的科學管理，需要考慮多個系統(tǒng)的相互影響。各系統(tǒng)之間的影響關系如圖 1所示，電池包冷卻與汽車空調(diào)系統(tǒng)、電機冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)等多個系統(tǒng)存在不同程度的耦合。這樣在做電池系統(tǒng)溫度控制策略、熱管理時就要同時分析與其他系統(tǒng)的影響關系。

　　解決方案

　　為了解決電池熱管理中，流體系統(tǒng)之間復雜的耦合系，可以采用Dymola軟件的蒸發(fā)循環(huán)庫、液冷庫、電池庫等搭建一維仿真模型。去模擬整個模型系統(tǒng)，分析不同系統(tǒng)之間的耦合關系，從而實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的化控制。

　　圖2 Dymola 模型庫

　　Dymola軟件具有豐富的模型庫，采用基礎庫與商業(yè)庫可以方便的搭建電池熱管理系統(tǒng)。蒸發(fā)循環(huán)庫涵蓋了市面上幾乎所有主流的制冷劑，有著精確的兩相流模型和根據(jù)結構建模的換熱器模型；考慮元件生熱和溫度對元件電氣性能影響的電阻、二極管、晶閘管、電機等基礎元件模型；具有熱容、熱傳導、對流、輻射、溫度、熱流邊界條件等的傳熱元件模型；可用于電池液流管路建模、部件選型、系統(tǒng)性能研究的液冷庫中包括管路、控制閥、恒溫閥、泵、風機、換熱器、膨脹箱等模型；考慮電池單體的差異和溫度對電池容量、外特性影響的Modelon電池庫，可用于分析電池的電、熱、壽命等方面的特性。

　　對于電池熱管理而言，控制系統(tǒng)是必不可少。Dymola基礎庫中包含用于控制、邏輯建模的模型庫，可用于搭建控制系統(tǒng)。另外也可以通過FMI接口導入控制模型對應的FMU通過Simulink搭建控制律模型，并將模型轉為FMU導入Dymola中，可與電池系統(tǒng)模型、加熱/冷卻系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真。

　　采用Dymola軟件提供的蒸發(fā)循環(huán)庫，可搭建熱管理系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)模型；采用Dymola軟件中的液冷庫可以搭建電池冷卻循環(huán)、發(fā)動機冷卻循環(huán)和功率電子元件冷卻循環(huán)等；采用Dymola軟件中的電池庫可以搭建電機、電池等組成的電池驅動系統(tǒng)。蒸發(fā)循環(huán)庫、液冷庫及其他模型庫可以無縫連接組成大系統(tǒng)，便于熱管理模型系統(tǒng)仿真分析。Dymola還可搭建控制算法，同時其也可以通過Simulink接口，調(diào)用Matlab/Simulink軟件的控制算法，實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)控制模型與仿真物理模型之間的聯(lián)合仿真，用于控制策略的設計、驗證，使工程師更好的設計熱管理系統(tǒng)模型。

　　應用案例

　　圖 4為采用Dymola軟件搭建的電池熱管理一維仿真模型。左側紅色點劃線區(qū)域為采用蒸發(fā)循環(huán)庫搭建的空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)循環(huán)；中間紅色點劃線區(qū)域為采用液冷庫搭建的電池冷卻循環(huán)；蒸發(fā)循環(huán)與冷卻循環(huán)之間黑色實線區(qū)域為冷卻液與制冷劑之間的換熱單元；最右邊紅色實線區(qū)域為電機電池等元件組成的驅動系統(tǒng)。

　　圖4 電池管理系統(tǒng)一維仿真

　　電池電機供電、電機驅動負載，電池產(chǎn)生的熱量通過液冷循環(huán)與空調(diào)系統(tǒng)之間的換熱器實現(xiàn)冷卻液與制冷劑之間的熱量交換，然后通過空調(diào)系統(tǒng)傳到發(fā)動機艙，最后熱量被空氣帶走。圖 5為不同泵的轉速下電池包溫度變化曲線。改變冷卻循環(huán)中泵的轉速可以將流過電池包的冷卻液溫度保持在所需要的溫度范圍。

　　圖 6為在搭建的模型系統(tǒng)基礎上添加簡單控制系統(tǒng)模型，模型運行中可實時查看蒸發(fā)循環(huán)壓焓圖，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。藍色區(qū)域檢測蒸發(fā)器出口溫度，通過控制變排量壓縮機排量保證蒸發(fā)器出口溫度恒定。黑色區(qū)域通過調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)中泵的轉速和蒸發(fā)循環(huán)中冷凝器空氣側空氣流量使電池溫度保持在所需的溫度范圍內(nèi)。

　　圖6 簡單控制模型

　　圖7 不同散熱功率下電池包溫度變化曲線

　　圖 7所示，電池包設定溫度（紅色）與實際溫度（綠色）變化關系，在100s時電池包發(fā)熱功率突然降低，電池包溫度也發(fā)生變化，但通過調(diào)節(jié)發(fā)冷卻泵轉速與冷凝器側風扇轉速快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的散熱量，從而使電池包溫度穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。

　　總結

　　采用Dymola一維仿真軟件可以完成仿真模型系統(tǒng)搭建與仿真分析。所搭建模型既可以用于模型匹配設計、元件選型也可以用于系統(tǒng)仿真進行模型系統(tǒng)能量分配分析。還可以作為仿真模型可以提升工程師對系統(tǒng)性能的理解，作為被控對象用于控制策略設計、驗證控制模型的準確度及控制效果。