基于风冷散热的电动汽车电池组电热耦合模型及温度控制研究

全球能源短缺问题日渐严重,电动汽车作为一种清洁、能源利用率高的出行工具被广泛推广。电池为电动汽车提供动力,影响着汽车性能。锂离子电池具有能量密度高、自放电率低等优点,被广泛用于电动汽车。电动汽车运行过程中,锂离子电池持续放电,放出大量的热,温度升高。锂离子电池适宜的工作温度为15-35°C,当工作在高温环境中,电池寿命和电池容量快速下降,同时大量的热积聚在电池内部,锂离子电池可能会发生热失控甚至是爆炸。因此有必要有效估计并控制电池温度。由于电池内核温度与表面温度存在不一致性,在极端工况下,内核温度会先于表面温度达到热失控临界点,且内核温度无法通过传感器直接测量,因此,建立电池组热模型实时估计电池表面及内核温度变化,并通过控制入口处冷却空气温度,改变电池散热情况,将电池内核温度维持在目标温度附近,有利于提高电池性能,保证电池安全。在选择风冷散热的基础下,本文研究内容为:建立单体电池的电热耦合模型估计电池表面及内核温度。电池电热耦合模型由等效电路模型和热模型组成。将电池等效为电池表面与内核两部分,分别对电池表面与内核进行生热特性和散热特性分析,建立电池表面与内核的热平衡方程,组成电池热模型。热模型参数采用最小二乘法辨识。等效电路模型部分采用二阶等效电路模拟电池充放电特性。等效电路模型参数通过充放电实验离线辨识。独立辨识等效电路模型及热模型参数,大大降低了模型参数辨识的复杂度。通过等效电路模型计算电池生热量,并传递给热模型。热模型在得到电池生热量后,估计得到电池表面及内核温度,并将电池温度传递给等效电路模型,决定等效电路模型中与温度相关的参数。等效电路模型和热模型之间通过生热量及电池温度的传递耦合组成电池电热耦合模型。基于单体电池的电热耦合模型,分析电池组模块中单体电池间的热量传递,建立了电池组的电热耦合模型。在ANSYS中建立对实际电池系统结构和散热条件高仿真的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,采用实验关联式对CFD模型进行可靠性验证,说明CFD模型仿真得到的温度数据可代替实验数据,用于验证电池组电热耦合模型的精度。在恒流工况、新欧洲驾驶循环工况(New European Driving Cycle,NEDC)、高速工况(High Speed/Load Transient Control Cycle,US06)下,验证电池组电热耦合模型精度,结果表明,提出的电热耦合模型可以准确估计电池表面及内核温度变化。基于电池组电热耦合模型线性、时变、存在约束的特点,设计模型预测控制器(Model Predictive Control,MPC),通过控制入口处冷却空气温度,改变电池散热,进而将电池组内核温度维持在目标温度附近。通过ANSYS-MATLAB联合仿真,验证模型预测温度控制器有效性。ANSYS模拟在一定冷却空气温度下,电池表面及内核温度变化,并将温度数据传递给MATLAB。基于得到的电池温度数据,MATLAB中的温度控制器计算得出冷却空气温度,并传递给ANSYS。ANSYS仿真得到此冷却空气温度下的电池温度。分别在恒流,NEDC,US06工况下,比较恒定冷却空气温度,PID温度控制器及MPC温度控制器对电池散热的影响,观测电池内核温度变化,验证模型预测温度控制器的有效性。本文通过建立由等效电路模型和热模型组成的电热耦合模型估计电池组表面温度及内核温度。分别通过充放电实验及最小二乘法辨识等效电路模型和热模型参数,降低模型参数辨识复杂度。设计模型预测温度控制器通过控制入口处冷却空气温度,进而将电池内核温度维持在目标温度附近。利用ANSYS-MATLAB联合仿真,验证了模型预测温度控制器的有效性。