液冷式电池组热管理系统建模与温度控制策略研究

近年来随着全球气候变暖、能源短缺与环境污染等问题逐渐凸显,电动汽车以其低污染、低噪音、高能效、结构简单、使用和维修方便等优点逐渐成为汽车行业的主要研究热点。在电动汽车行驶过程中,动力电池组会持续放电,特别是在加速,爬坡等特殊情况下,电流幅值会迅速上升。当电池组处于放电过程时,其内部的化学物质相互作用,随着时间会积累大量的热,造成电池温度的升高,使电池的容量下降,寿命衰减,严重时更会导致电池组燃烧爆炸。因此,就需要设计一种合理的热管理系统对电池组进行有效的温度控制,这对维持电池组的安全性等性能以及电动汽车的高效稳定运行具有重要意义。本文以锂离子电池组作为研究对象,在设计了冷却流道回路的基础上,采用液冷方式对电池组进行散热,同时结合锂离子电池组充放电过程中的生热特性,进行了锂离子电池组的模型建立方法和温度控制算法的研究。主要研究内容如本文下:首先根据Bernardi生热速率模型建立了电池生热模型,然后根据牛顿冷却定律建立了基于管道内液体流速,且流速与换热系数相关联的电池散热模型,并利用能量守恒定律建立了单体电池热模型。之后,结合液冷散热方式下管道中液体进入散热管道的流体温度特性,对电池组热模型进行简化,建立电池组热模型。在AMESim中搭建电池散热系统的仿真模型,设计优化散热系统结构,对电池组热模型进行了可靠性验证。仿真结果说明建立的电池组热模型可以精准的描述电池组的温度变化情况。然后设计了基于迭代动态规划(Iterative Dynamic Programming,IDP)算法的电池组温度控制策略,以液体流速作为控制量,以电池温度作为状态量,针对温度对电池性能的影响设计温度代价函数,以电池温度和能量消耗作为系统的性能指标,达到控制电池组温度一致性和能耗最小的目标。同时,在相同实验条件下设计基于PID的电池组温度控制器,在选定欧洲NEDC标准工况和日本JC08工况两种循环工况下,将迭代动态规划算法与PID控制算法进行了对比分析。最后通过Matlab和AMESim的联合仿真,搭建液冷系统管道模型、电动汽车整车模型和空调回路系统模型。同时,在选定欧洲NEDC标准工况和日本JC08工况两种循环工况下,将迭代动态规划算法与PID控制策略进行对比分析,比较两者的能耗大小和电池温度控制效果,验证了迭代动态规划最优控制策略的有效性和优越性。