【摘要】為分析耦合乘員艙空調的電池直冷熱管理系統(tǒng)性能，基于AMESim軟件建立動力電池熱管理系統(tǒng)模型，比較典型液冷與直冷熱管理系統(tǒng)在高溫快充工況下的充電時長，結果表明，相同電池快充MAP條件下，相較于液冷系統(tǒng)，直冷系統(tǒng)充電時間縮短7.6%。進一步耦合乘員艙空調與電池熱管理系統(tǒng)，設計了以控制乘員艙溫度和電芯最高溫度為目標的熱管理控制策略，分析發(fā)現(xiàn)，相比未耦合系統(tǒng)，采用耦合系統(tǒng)時電池頂面最大溫差增大2.9 ℃，但充電時長縮短4.9%。

1 前言

電池熱管理系統(tǒng)以動力電池的溫度控制為目標，目前以液冷系統(tǒng)為主[1] 。直冷系統(tǒng)使用冷媒作為介質進行直接換熱，相比于液冷系統(tǒng)的間接換熱，具有更高的換熱效率、更輕的系統(tǒng)質量、更小的系統(tǒng)體積。隨著電池能量密度的提高與快充技術的發(fā)展，直冷系統(tǒng)逐漸成為動力電池熱管理領域的研究熱點。

電池快充技術可在安全健康的前提下縮短充電時長，眾多學者對其進行了研究。鋰電池充電過程受到荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）、健康狀態(tài)（State of Health，SOH）、溫度與充電電流等因素影響，且這些因素具有強耦合性[2] 。提高充電電流倍率可縮短充電時間，但電流倍率受到溫度、充電量與 SOC影響，溫度越高，充電量越小，電池的 SOC越低，可以接受的充電電流越大，反之則越小。為了在不影響電池壽命與安全的前提下縮短充電時長，眾多學者改進了充電策略，主要可分為以下 3 種類型[3] ：改變充電電流波形或電壓模型[4-7] ，通過優(yōu)化恒流恒壓充電策略、臺階充電策略、脈沖充電策略等方法縮短充電時間；結合熱模型與等效電路模型或電化學模型，給定最高溫度的限制條件來限制最大充電電流，從而縮短充電時間[8-9] ；通過先加熱電池改變電芯化學反應速率，從而消除大倍率電流帶來的影響[10-11] 。然而，以上研究以電池單體作為研究對象，未考慮電池包與電池熱管理系統(tǒng)、乘員艙空調系統(tǒng)的耦合作用。

本文基于AMESim軟件建立電池與熱管理系統(tǒng)模型，分析典型液冷、直冷系統(tǒng)的電池高溫快充過程，最后提出一種耦合乘員艙空調系統(tǒng)與電池直冷熱管理系統(tǒng)的熱管理控制策略。

模型建立

2.1 電池模型

本文研究的鋰電池參數(shù)如表所示。

在AMESim中使用等效電路模型建立電池一維模型，將電池簡化為電阻、電容與電壓源模塊所形成的閉合電路。如圖 1 所示，考慮電芯在豎直方向上的溫度梯度，將單個電芯分成3個單元，每個單元占 1/3 體積，分別設置電阻、電容元件，使用信號復制器（Signal Duplicator）將單一信號復制給 3個電芯單元。電池產(chǎn)熱使用貝爾納迪（Bernadi）方程[12] 計算，將獲得的平均溫度代入等效電路模型，從而得到電壓隨時間的變化數(shù)據(jù)。具體方程可參考文獻[13]。

2.2 電池包模型

圖2展示了直冷板流道與電芯的相對位置和流道結構。流道主要分為4個支路，采用并聯(lián)設計，根據(jù)流道與電芯的相對位置，將電池包簡化為如圖 3所示的模型。模型的輸入變量為制冷劑壓力、溫度、流量和電池充電電流，使用節(jié)流孔模擬冷板支路流道的阻力，通過對標一維與三維仿真的流道制冷劑流量與電芯溫度，調整模型流道阻力系數(shù)，圖中m為冷媒質量流量，ρ為冷媒密度，P為冷媒壓力，K為輸入值，為常數(shù)。

2.3 耦合乘員艙空調的直冷系統(tǒng)模型

圖 4 所示為耦合乘員艙空調的直冷系統(tǒng)模型，電池直冷板與乘員艙板式換熱器并聯(lián)，分別由 2 個電子膨脹閥控制。系統(tǒng)執(zhí)行部件為壓縮機、電子膨脹閥和電子風扇，電池包為信號發(fā)出部件。

2.4邊界條件

直冷系統(tǒng)的邊界條件為耦合乘員艙空調系統(tǒng)后的典型工況，并非系統(tǒng)最大制冷能力，液冷系統(tǒng)的邊界條件參考行業(yè)典型系統(tǒng)工況，如表 2所示。

電池充電 MAP如圖 5所示，電池最大充電電流由電池溫度與 SOC決定，最大充電電流隨 SOC的增大而減小，隨溫度上升先增大后減小，允許的最大充電電流為245 A。建模時將MAP圖轉化為以溫度和 SOC 為坐標軸的二維圖，輸入 AMESim 電池模型中，溫度步長為 5 ℃，SOC 步長為 10%，通過插值方法獲得中間值。仿真過程中電池溫度與 SOC 決定充電電流，從而影響電池產(chǎn)熱速率。

2.5 耦合控制策略

2.5.1 控制目標

在直冷電池熱管理系統(tǒng)基礎上耦合乘員艙空調系統(tǒng)，壓縮機轉速響應電芯頂部最高溫度、最大溫差與乘員艙溫度，系統(tǒng)控制目標如表3所示。

2.5.2控制策略

系統(tǒng)控制部件為壓縮機和電子膨脹閥。電池目標溫度采用查表方式控制，通過電芯頂面溫差與頂面最高溫度對應響應制冷等級；在電池與乘員艙需同時制冷的情況下，采用耦合方式定義控制策略。

2.5.2.1 直冷板控制策略

電池制冷需求等級與電池溫度的關系如表4所示。

表5所示為電池制冷需求等級與壓縮機轉速的對應關系，制冷需求等級越高，壓縮機轉速越大。

2.5.2.2乘員艙控制策略

乘員艙控制方式較為復雜，且非本文研究的重點，采用PID控制方式對目標溫度進行控制，目標溫度為22 ℃，溫度小于目標溫度時斷開支路。

2.5.2.3 耦合控制策略

當乘員艙與電池同時存在制冷需求時，需要對兩者進行控制策略的耦合，耦合策略制冷等級定義如表 6所示，與表 5電池制冷等級需求相比，耦合策略制冷等級的數(shù)量減少，且制冷需求在 3 級及以上時具有更高的壓縮機轉速。

2.5.2.4 電子膨脹閥控制策略

電子膨脹閥用可變節(jié)流孔元件建模，直冷板支路電子膨脹閥控制策略為：開度采用PID控制，目標冷板出口過熱度為 1 ℃。乘員艙蒸發(fā)器支路電子膨脹閥控制策略為：開度采用 PID 控制，比例系數(shù)P=2、積分系數(shù)I=0.1、微分系數(shù)D=0。目標蒸發(fā)器出口過熱度為3 ℃。

2.5.2.5電子風扇控制策略

用軟件元件簡化建模，快充模式下保證風量最大，從而保證空氣側的換熱能力處于最佳狀態(tài)，風扇風量設為2 396 m3/h。

3 仿真結果與討論

3.1 直冷與液冷系統(tǒng)對比

圖 6 所示為直冷與液冷系統(tǒng)電芯頂面最高溫度變化情況：直冷條件下，頂部最高溫度出現(xiàn)在第1 102 s，為 46.3 ℃，然后迅速降低；液冷條件下，頂面溫度先上升后下降，溫度下降速率較直冷系統(tǒng)小，頂面最高溫度在第 662~3 025 s 時段內(nèi)均大于46 ℃，最大值為 46.5 ℃。液冷系統(tǒng)溫度下降速率低于直冷系統(tǒng)，主要原因是：冷卻液與制冷劑的進口溫度分別為 25 ℃和 21 ℃，液冷系統(tǒng)的傳熱溫差較直冷系統(tǒng)小；直冷系統(tǒng)通過冷媒汽化潛熱降溫，且控制冷板出口過熱度為 1 ℃，使冷媒溫度始終接近蒸發(fā)溫度，而液冷系統(tǒng)中隨著冷卻液吸收電池熱量，溫度不斷升高，降低了傳熱溫差。圖 7 所示為直冷與液冷系統(tǒng)電芯頂面最大溫差變化情況：直冷條件下，最大溫差值出現(xiàn)在第 1 993 s，為3.8 ℃，然后逐漸降低；液冷條件下，最大溫差持續(xù)上升，結束時為 4.3 ℃。在給定快充條件下，直冷系統(tǒng)在最大溫差與最高溫度控制方面均優(yōu)于液冷系統(tǒng)。

圖 8所示為電池 SOC 變化情況，初始階段，2個系統(tǒng)SOC上升速率相同，在第16 min，直冷系統(tǒng)充電速率明顯較液冷系統(tǒng)快，直冷和液冷系統(tǒng)高溫快充充滿時間分別為3 923 s、4 246 s，直冷系統(tǒng)比液冷系統(tǒng)時間縮短了7.6%。圖9所示為充電電流隨時間的變化情況，直冷條件下，電芯溫度超過45 ℃后，迅速冷卻到45 ℃以下，從而能以較高電流倍率繼續(xù)充電過程，而液冷系統(tǒng)與直冷系統(tǒng)相比，換熱溫差更小、效率更低，無法快速降低電芯溫度，電流倍率受限，增加了充電時長。

3.2 耦合空調系統(tǒng)仿真結果

圖 10 所示為耦合與未耦合工況下電芯頂面最高溫度變化情況，耦合乘員艙空調策略相比未耦合策略，由于制冷劑流量增加，電芯頂部溫度更快下降。耦合策略控制下電芯頂面最高溫度出現(xiàn)在第1 118 s，最高溫度為45.3 ℃，滿足最高溫度要求。圖11 所示為耦合與未耦合策略控制下電芯頂面最大溫差變化情況：耦合策略控制初期，由于制冷劑流量較大，冷板局部區(qū)域溫度迅速下降，電池溫差增大，最大溫差達到 6.7 ℃；隨著冷板、電池水平方向的熱傳導，溫差逐漸下降；第3 100 s后，由于最高溫度低于35 ℃，壓縮機轉速下降，制冷劑流量減小，導致溫差上升。

圖12所示為電池SOC隨時間變化情況，采用耦合策略控制相比于采用未耦合策略控制時，充電時間縮短 194 s。圖 13所示為充電電流隨時間變化情況，充電電流差別主要在第 500~1 500 s 的時間段，耦合策略控制下電芯頂面溫度達到 45 ℃后迅速下降，因此可以保持較大充電電流。

結束語

本文基于 AMESim 軟件建模，分析了直冷與液冷系統(tǒng)在電池高溫快充工況下的性能表現(xiàn)，進一步耦合直冷系統(tǒng)與乘員艙空調系統(tǒng)，設計了以控制乘員艙溫度和電芯最高溫度為目標的熱管理策略并分析系統(tǒng)性能，主要結論如下：

a. 40 ℃高溫快充工況下，直冷與液冷電池熱管理系統(tǒng)均可滿足電池最高溫度與最大溫差要求，且直冷系統(tǒng)相比液冷系統(tǒng)可縮短充電時長7.6%以上。

b. 耦合乘員艙空調系統(tǒng)的直冷熱管理系統(tǒng)因制冷劑流量增加而具有更大的電池降溫速率，充電時長可縮短 4.9%。耦合帶來的制冷劑流量波動導致電池最大溫差從3.8 ℃上升至6.7 ℃。

免責聲明：文章來源馮燕燕1,2 何煜3 黃文姣4 李義林2（1.重慶大學，重慶 400044；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；3.亞普汽車部件股份有限公司，揚州 225009；4.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122），僅供學習交流分享，版權歸原作者所有，如果侵權請聯(lián)系我們予以刪除

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