电动汽车电池热泵直冷热管理性能控制研究

随着电动汽车技术的发展,电池热安全的越来越受到关注,新的热管理技术不断应运而生。其中,热泵直冷热控技术凭借其高效快速响应和过热应急管控等显著优势正在成为热管理的重要方案之一。本文以电动汽车整包电池为热管理对象开展热泵直冷实验研究,探索热管理控制过程中主要控制信号的热性能应对与管控效果,并进一步以热泵直冷系统中的压缩机为主控对象,重点研究电动汽车热工况下的控制策略及其方案的实验性能验证。研究的首要工作是搭建一套独立的热泵直冷电池热管理系统实验台。实验台的热管理对象是全尺寸的模拟电池包,热管理系统满足电池包的最大产热量匹配能力,将NI设备热工数据采集系统与车用原型控制器RapidECU结合应用,保证对热管理控制过程的实时精准测控。在实验系统上,开展基本控制及其热特征的实验研究。主要探究了电池包不同放电倍率下压缩机转速的冷却效能,以及热管理过程延时特性。实验结果表明,在恒放电倍率下,压缩机转速增高,功耗增加的同时制冷量在增加,过高转速往往会引起系统COP的下降,并伴随电池冷却温度下降的减缓,吻合电池产热及系统和电池内部的传热环境。当电池放电倍率线性动态变化时,为了达到最佳的电池降温效果,压缩机转速的变化斜率应与电池放电倍率变化斜率趋于一定的增益关系,从而实现获取最优效能。事实上,一定的热管理体系具有一定的由于热传输惯性导致不同的传热延时性,正如本实验所表现的,延时时长与电池放电倍率成正相关,却与压缩机转速成逆相关。再者,以压缩机的回馈控制方案为例,针对电动汽车行驶过程热管理需求,开展诸如以匀速行驶条件下的基于电池包平均温度的反馈控制压缩机转速的热特性研究,以及加速条件下增设油门踏板位置前馈控制的压缩机启动时刻的超控性研究实验。结果表明,实验系统的反馈控制算法能根据电池温度实现良好的压缩机转速实时冷却控制,并寻求降低压缩机功耗;同时再加入汽车行驶速度作为修正变量,达到反馈算法优化,使得反馈算法能应对不同车速工况的热管理,并可大幅减小电池在不同产热工况下达到热管理目标温度的时长差异,提升热响应的管控能力。此外,前馈控制算法通过油门踏板位置信号对不同的电池产热情况进行初步的预判,从而控制热管理系统在电池温度激增前启动,大大减小了电池因产热突增而引起热失控的风险。研究工作还以电动汽车测试行驶工况——“新标欧洲循环测试”(即NEDC)为背景,针对客观工况条件设计了一套综合热管理压缩机控制方案,研究直冷方式的实时工况过程热管理控制效能。它主要包括测试行驶工况下热管理系统的启动时机,以及启动后压缩机转速的调整两部分主要环节。压缩机启动是由油门踏板位置信息经前馈算法所确定的启动阈值温度和实时反馈回来的电池包平均温度协同决定的,即电池温度达到当前时刻的阈值温度,热管理系统启动,启动后压缩机转速的调整由电池实时温度与目标温度差值信号,以及放电倍率的模糊算法来决定。通过实验对比分析综合热管理压缩机控制方案、压缩机启动后恒为较高转速3500rpm以及较低转速1500rpm在2个NEDC循环工况实验下的结果可得:在综合热管理压缩机控制方案和实验室环境条件下,热泵系统的启动时刻约为工况启动后820s,此时已经进入了后段高速工况,电池温升开始加快,这也是由于客观传热滞后所致。模拟实验工况结束时,实验控制方案下的电池温度达到了目标温度,功耗处于较低水平。比较简单的非实时压缩机控制方案,在压缩机恒定较高转速下,电池温度低于目标温度,功耗大增,出现了过余现象;恒定较低转速下,电池温度将会升高,长期工况下不能满足热管理需求。因此,仅以压缩机控制的综合控制方案能进一步有效应对实时的行驶工况变化,在满足热管理响应需求的同时对节能有利。此外,该研究也为热泵直冷的进一步综合协同控制提供指导。