新能源汽車(chē)電池熱管理系統設計

　　電池包作為電動(dòng)汽車(chē)上裝載電池組的主要儲能裝置，是混動(dòng)/電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響混動(dòng)/電動(dòng)汽車(chē)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(diǎn)。由于車(chē)輛空間有限，電池工作中產(chǎn)生的熱量累積，會(huì )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(shí)還將導致熱失控，影響系統安全性與可靠性。為了使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命，需要對電池進(jìn)行熱管理，將電池包溫度控制在合理的范圍內。

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

　　圖1電池熱管理關(guān)系圖

　　電池包的冷卻有風(fēng)冷和液冷兩種方式。研究表明風(fēng)冷方式易實(shí)現，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩定工作。通過(guò)冷卻液與空調系統的制冷劑進(jìn)行換熱的液冷方式逐漸成為主流。對新能源汽車(chē)電池熱問(wèn)題的科學(xué)管理，需要考慮多個(gè)系統的相互影響。各系統之間的影響關(guān)系如圖1所示，電池包冷卻與汽車(chē)空調系統、電機冷卻系統、發(fā)動(dòng)機冷卻系統等多個(gè)系統存在不同程度的耦合。這樣在做電池系統溫度控制策略、熱管理時(shí)就要同時(shí)分析與其他系統的影響關(guān)系。

　　解決方案

　　為了解決電池熱管理中，流體系統之間復雜的耦合關(guān)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(gè)模型系統，分析不同系統之間的耦合關(guān)系，從而實(shí)現對復雜系統的優(yōu)化控制。

　　蒸發(fā)循環(huán)模型

　　基礎電氣元件模型

　　傳熱單元模型

　　液體冷卻模型

　　電池庫分析模型

　　圖2 Dymola模型庫

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　　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。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(zhù)精確的兩相流模型和根據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、系統性能研究的液冷庫中包括管路、控制閥、恒溫閥、泵、風(fēng)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。另外也可以通過(guò)FMI接口導入控制模型對應的FMU通過(guò)Simulink搭建控制律模型，并將模型轉為FMU導入Dymola中，可與電池系統模型、加熱/冷卻系統模型進(jìn)行聯(lián)合仿真。

　　Dymola中搭建的控制系統模型

　　控制系統的FMU導入Dymola

　　圖3控制系統模型

　　采用Dymola軟件提供的蒸發(fā)循環(huán)庫，可搭建熱管理系統的空調系統模型；采用Dymola軟件中的液冷庫可以搭建電池冷卻循環(huán)、發(fā)動(dòng)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(dòng)系統。蒸發(fā)循環(huán)庫、液冷庫及其他模型庫可以無(wú)縫連接組成大系統，便于熱管理模型系統仿真分析。Dymola還可搭建控制算法，同時(shí)其也可以通過(guò)Simulink接口，調用Matlab/Simulink軟件的控制算法，實(shí)現熱管理系統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(diǎn)劃線(xiàn)區域為采用蒸發(fā)循環(huán)庫搭建的空調系統蒸發(fā)循環(huán)；中間紅色點(diǎn)劃線(xiàn)區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(shí)線(xiàn)區域為冷卻液與制冷劑之間的換熱單元；最右邊紅色實(shí)線(xiàn)區域為電機電池等元件組成的驅動(dòng)系統。

　　圖4電池熱管理系統一維仿真

　　電池為電機供電、電機驅動(dòng)負載，電池產(chǎn)生的熱量通過(guò)液冷循環(huán)與空調系統之間的換熱器實(shí)現冷卻液與制冷劑之間的熱量交換，然后通過(guò)空調系統傳到發(fā)動(dòng)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(xiàn)。改變冷卻循環(huán)中泵的轉速可以將流過(guò)電池包的冷卻液溫度保持在所需要的溫度范圍。

　　圖5液冷泵不同轉速下電池包溫度變化曲線(xiàn)

　　圖6為在搭建的模型系統基礎上添加簡(jiǎn)單控制系統模型，模型運行中可實(shí)時(shí)查看蒸發(fā)循環(huán)壓焓圖，監測系統運行狀況。藍色區域檢測蒸發(fā)器出口溫度，通過(guò)控制變排量壓縮機排量保證蒸發(fā)器出口溫度恒定。黑色區域通過(guò)調節冷卻循環(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包溫度保持在所需的溫度范圍內。

　　圖6簡(jiǎn)單控制模型

　　圖7不同散熱功率下電池包溫度變化曲線(xiàn)

　　圖7所示，電池包設定溫度（紅色）與實(shí)際溫度（綠色）變化關(guān)系，在100s時(shí)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(guò)調節發(fā)冷卻泵轉速與冷凝器側風(fēng)扇轉速快速調節系統的散熱量，從而使電池包溫度穩定在合理的范圍內。

　　總結

　　采用Dymola一維仿真軟件可以完成仿真模型系統搭建與仿真分析。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仿真進(jìn)行模型系統能量分配分析。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。