基于风冷散热的电动汽车锂电池热管理系统建模和温度控制研究

由于资源和环境的双重压力,越来越多的国家开始研究和开发电动汽车进而来取代传统的燃油汽车,锂离子电池被认为是电动汽车的最佳能源选择。锂离子电池在工作的时候会放出很多的热量,温度过低或者过高对电池的容量以及寿命都会有影响,其在298K-313K具有最佳的性能。在一些极端工况下,电池表面和核芯之间的最大温差可能达到10K,会导致核芯温度比表面温度更早达到临界点,最终导致电池包热失控甚至爆炸。因此需要设计高效的电池热管理系统对电池的核芯温度进行调节,这对于提升电池的性能以及确保电动汽车的安全具有十分重要的意义。本文采用风冷的散热方式,主要研究如下:首先,建立风冷散热的多状态电池组降阶热模型(Reduced order model,ROM)。通过分析电池的生热特性,电池核芯和表面之间的导热特性以及表面和空气之间的传热特性,根据牛顿冷却定律和Newman的产热理论,将电池模型分为核芯、表面、空气三部分,建立了内阻随温度时变的电池组ROM。然后通过(Hybrid Pulse Power Characteristic,HPPC)内阻测试实验获得电池内阻和温度之间的关系,并通过遗忘最小二乘法对电池组ROM中的热参数进行辨识。基于电池的结构以及生热和散热特性,在ANSYS中建立电池组CFD(Computational fluid dynamics)模型。首先和实验关联式对比验证了CFD模型的可靠性,证明了CFD模型中获取的温度数据是可以代表实际测量的温度数据。然后在新欧洲驾驶循环工况(New European Driving Cycle,NEDC)和高速工况(High Speed/Load Transient Control Cycle,US06)下对电池组ROM的准确性进行验证。实验结果表明,本文建立的电池组ROM能够准确的模拟电池组的实际温度变化。电动汽车在实际运行中,电池的核芯温度是一个不可测的量,所以在设计电池组温度控制系统之前需要对核芯温度进行估计。本文采用卡尔曼滤波器对电池组的核芯温度进行估计。然后设计了一种反演滑模控制器来调节入口空气的温度对电池组降温。反演控制的鲁棒性高、能够很好处理精确模型的控制问题。滑模控制在滑动模态下,能够抑制扰动,对参数变化不是很灵敏。而在电池温度控制系统中电池负载电流以及电池内阻等参数都是时变的,这就对了控制器提出了更高的要求。因此,本文融合了滑模控制抗扰性强以及反演控制精确控制的优点,采用反演滑模控制算法跟踪锂离子电池的核芯温度。在NEDC和US06工况下,通过CFD模型中获取的电池组核芯温度验证了卡尔曼滤波器估计的电池组核芯温度的准确性。然后使用ANSYS和MATLAB联合仿真验证反演滑模温度控制器的有效性。最后分别比较PID控制器和反演滑模控制器的核芯温度控制效果,结果表明,反演滑模控制器控制效果更好,温度波动小,跟踪误差也很小,改变工况不调整参数也可以达到很好的控制效果。本文通过分析电池生热和传热特性,建立了内阻时变的电池组ROM,采用遗忘最小二乘法辨识了电池组ROM中的热参数,并且和CFD模型对比验证了模型精确度。然后,结合电池热模型中存在干扰,参数时变的特点,提出了反演滑模温度控制器。最后,通过ANSYS和MATLAB联合仿真,验证了温度控制器的有效性。