基于电池热效应分析的混合动力系统控制策略研究

在世界各国车企大力推广和研发新能源汽车的产业浪潮下,插电式混合动力汽车(PHEV)搭载发动机和电机双动力源,并且能够从电网补充能量,兼具节能减排和缓解续驶里程压力的优势,可作为全面电动化进程中的重要过渡车型。但相较于纯电动汽车,PHEV的电池组容量小,经常处于高倍率充放电工况,存在电池发热严重,温升较高现象,带来电池热损耗和寿命缩减,并影响整车纯电里程及输出性能。所以高效的电池热管理方式和能量管理策略对整车性能表现至关重要。于是本文依托于某国家自然基金项目,以串并联构型PHEV为研究对象,针对其电池温度适应性差、整车综合能耗高两大痛点问题,以提高整车经济性、保证全工况下电池适宜的工作温度为目标,开展电池热-电耦合特性、热管理系统控制及整车能量综合管理等关键技术研究。首先从核心技术和成型产品两个方面,对电池热管理系统和混合动力汽车的国内外研究现状进行调研,了解行业发展情况和趋势后,明确以液冷电池热管理及瞬时优化控制策略为系统方案和技术路线。针对动力总成系统架构,确定其关键部件型号和性能参数,并明确其工作模式。在对关键总成部件工作特性分析的基础上,利用MATLAB/Simulink完成了模块化的整车仿真平台搭建,提供模型支持。并通过分析典型工况下电池的发热情况,证明电池热效应研究的必要性。以某型号磷酸铁锂电池为研究对象,从理论分析和试验验证两个角度,对电池的生热机理、传热机制、以及输出性能的温度特性进行了深入研究,定性及定量地认识了锂电池的生热特性,随后搭建电池热效应模型,并验证了其准确性。基于电池生热特性的分析,结合目标车型性能指标,设计了一套空调辅助的电池散热系统。通过计算极限工况下的生热负荷,结合系统工作特性,对关键部件进行了匹配和选型。依据设计开发结果,在AMEsim软件中搭建了电池散热系统机理模型,并着重分析了冷却液流速和压缩机转速对降温效果及能耗的影响情况,为控制参数的选取范围提供指导。通过对规则能量管理与电池散热系统控制策略的仿真分析,发现电池只能“被动冷却”,综合能耗较高。针对规则控制的局限性,制定了考虑电池热效应的能量管理策略,通过仿真对比发现,该策略能够在保证动力性能前提下,减缓电池温升速率,减小电池热衰退损耗,提高整车经济性,验证了策略的有效性。本文的研究内容及成果可以为插电式混合动力汽车的电池散热系统设计,以及整车控制策略开发提供相应指导和参考。