汽车空调制冷剂直冷动力电池热管理系统的PID 控制研究

摘 要：

电池热管理对电动汽车的安全和寿命至关重要。本文采用铝翅片铜管作为基础结构，设计一种结构紧凑、 轻量型的 18650 型锂离子电池模组，采用基于 PID 原理的算法作为电动汽车空调系统电子膨胀阀的控制方案，实 验研究 R134a 制冷剂直接气液两相流冷却电池模组的换热性能。结果表明：所提出的电池热管理系统能够快速响 应温度的变化，并降低电池模组的温度。此外，当控制方案为动态温度 PID 算法时，电池模组以 1 C 倍率放电过 程中电池之间的最大温差小于 4℃，并且电池模组的最高温度低于 36℃。

0 引 言

电动汽车由于环保和能耗经济性高等原因而成 为新能源汽车发展的首选。锂离子电池具有能量密 度高、循环寿命长和自放电率低等优点，被认为是 电动汽车动力电池系统的最佳选择[1]。动力电池系 统的温度随着充/放电过程而逐渐升高，而过高的温 度会影响电池系统的性能，甚至可能因电池的热失 控导致电动汽车发生自燃事故[2-3]。PESARAN 等[2] 推荐锂离子电池最佳工作温度范围为 20 ~ 40℃；而PARK 等[4]建议将锂离子电池之间的温差控制在 5℃ 以内。电池热管理系统（battery thermal management system, BTMS）有助于提高电动汽车动力系统的性 能（本文的性能是指电池的工作温度范围和电池组 之间的温度差）、寿命和热安全性[5]。控制电池系统温度的策略有空气冷却、液体冷 却、相变材料（phase change material, PCM）冷却和 热管冷却[6-7]。无功耗 PCM 热管理主要通过 PCM 的 固液相变潜热吸收电池产生的热量，降低电池包的 温度和温度差；在低温条件下，又可以利用 PCM 储 存的热量来加热电池，改善电池的充放电性能。由 于 PCM 的导热系数和比热容较小，使其不能满足电 池系统在恶劣工况（高温环境、高倍率充/放电）的 冷却要求。PCM 中掺杂石墨或泡沫金属等可以提高 PCM 的导热性，但会降低电池系统的能量密度[7]。基于热管的电池热管理系统充分利用热管的导热与 相变介质的快速传热特性来实现高效换热，而其双 向传热特性可满足电池系统的冷却和加热需求，但 热管成本较高且性能受重力影响[8]。空气的热容和 导热系数低，限制了其在高性能电池系统中的应用[9]。液体的热容和导热系数相对较大，具有比空气 更好的热管理性能。ZHAO 等[10-11]模拟多通道蛇形 板液体冷却 71 节三元 18650 电池模组的结果表明， 电池模组以 5 C（C：电流/额定容量）放电时温差小 于 2.2℃。CAO 等[12]对由 180 节电池组成的电池模组 以 0.5 C/1 C 进行充放电实验，流体流量为 18 L/min 时，电池组具有较好的热性能。JIN 等[13]设计的斜 翅片结构液冷板有益于电动汽车电池的热管理。液体的热容和导热系数相对较大，具有比空气 更好的热管理性能。ZHAO 等[10-11]模拟多通道蛇形 板液体冷却 71 节三元 18650 电池模组的结果表明， 电池模组以 5 C（C：电流/额定容量）放电时温差小 于 2.2℃。CAO 等[12]对由 180 节电池组成的电池模组 以 0.5 C/1 C 进行充放电实验，流体流量为 18 L/min 时，电池组具有较好的热性能。JIN 等[13]设计的斜 翅片结构液冷板有益于电动汽车电池的热管理。主动相变是一种高效的热管理方案。电动汽车 空调系统的制冷剂直接用于电池包的热管理有益于 整车热管理系统的集成[14]，且制冷剂比 PCM 的热 管理性能好[15]。此外，直冷（制冷剂与电池直接换 热）在 20 ~ 40℃环境温度下具有良好的冷却性能[16]。欧阳东[17]根据 E6 电动汽车在不同工况下车舱和电 池包的热特性测试结果，设计电动汽车热泵空调与 电池包交互热管理系统。ATAUR 等[18]研发的模糊控 制蒸发式 BTMS 将电池的温度控制在 25 ~ 40℃，但 并未研究电池的温度不均匀性。CEN 等[19]研究电动 汽车空调系统制冷剂直冷一种 8P8S（8 节电池先并 联成一个电池组，8 组电池再串联）的铝框翅片管 结构 18650 型锂离子电池热管理系统，电池包置于 40℃的环境温度中，且其放电初始温度为 28℃左右。实验结果表明，电池包的温度被控制在 35℃以内，温差小于 4℃。电动汽车动力电池热管理系统要求结构紧凑、 系统能量密度高、安全可靠、效率高和成本低。为 了满足电动汽车电池热管理系统的要求，还需要深 入研究电池系统的结构和冷却策略。采用模组级设 计思想可以根据不同车型及动力要求灵活组装紧凑 型电池包，本文设计了一种结构紧凑、轻量化的铝 翅片铜管结构换热器模块，并与电池装配成 10P24S 的电池模组。同时还开发基于比例、积分、微分 （proportional integral differential, PID）原理的算法 自动控制电动汽车空调系统电子膨胀阀的开关状 态，实验研究电动汽车空调系统制冷剂直接对电池 模组在充电/放电过程中温度的自动控制能力。

1 实验部分 

1.1 电池模组结构设计

CAI 等[20]研究证明蛇形管道结构比空腔和并联 通道的性能更好，而电池模组制冷剂进出口在同侧 的温差比异侧的低 60%[19]。高明等[21]采用纯铜翅片 式电池热管理系统可有效控制电池组的温升和温度 梯度。本实验设计基于商业 18650 型三元锂离子电 池（如表 1）的管片式换热器，管道采用蛇形逆流 进出口同侧布置。电池模组制作流程如下：①采用 胀管工艺将翅片和铜管加工成翅片管模块；②用设 计的 18650 型电池模具将翅片管挤压成模具形状；③将电池外形结构翅片管模块组装成电池模组热交 换器，并把铜管焊接成蛇形结构；④将电池组和热 交换器装配成 10P24S 的实验电池热管理模组（如 图 1）。在电池和 18650 型翅片接触表面之间涂导热 膏，降低两者间的接触热阻，增强电池与制冷剂之间 换热。而通过在电池模组外包裹一层保温棉来降低 电池模组与环境的换热对电池模组热特性的影响。

电动汽车轻量化设计有助于降低车轮滚动阻力 和减少加速所需的电量，提升电动汽车的续航里程。实验通过采用轻量化的翅片管（铜管铝片材料）设 计紧凑型电池换热器，提高电池包的体积利用率， 并降低电池换热器重量。而电池包与车舱并联作为 电动汽车空调系统的温度控制对象，利用空调系统 的制冷剂流入换热器与电池直接换热。因此，采用 本文设计的电池热管理方案是通过减轻电池热管理 系统的重量来提高电池系统能量密度，并有效降低 整车热管理系统的复杂性。在新欧洲驾驶测试循环 工况下，R134a 和 R1234yf 制冷剂都能将电池的温 度控制 40℃以内，但 R134a 的能耗是 R1234yf 的 40%[22]。因此，本实验系统采用 R134a 制冷剂。

1.2 实验系统

实验系统主要由电动汽车空调系统、电池测试 系统和控制系统组成（如图 2）。电池测试系统控制 电池模组的充/放电过程，空调系统由车内热管理模 块和电池系统热管理模块并联设置。使用电子膨胀 阀（electronic expansion valve, EEV）的空调系统效 率高且制冷剂流量分配更均匀[23]。因此，实验用电 子膨胀阀 1 和 2（记为 EEV1、EEV2）分别控制流 入两个热交换器的制冷剂流量。汽车空调系统采用 Modbus 通讯协议自动控制 EEV 开度，0 步表示 EEV 全关，500 步表示 EEV 全开。

1.3 电池模组充/放电设置

电池模组采用恒流恒压模式充电，采用恒流模 式放电。电池模组以 10 A 电流恒流充电至 100.8 V 时转恒压充电，至充电电流降至 0.2 A 时停止充电；以 10 A 恒流放电到电压为 66 V。分析实验数据可 知，电池模组的充电截止电压为 102.425 V，充电容 量为 22.981 A·h；放电截止电压为 79.446 V，放电容 量为 22.529 A·h。为防止电池出现过充过放损坏电池 模组，实验设定电池模组充电截止电压为 100.8 V， 放电截止电压为 80 V。 图 3 为电池模组以 0.5 C 恒流恒压充电及 0.5 C、 1.0 C 和 1.5 C 恒流模式放电的容量状况。随着放电 倍率的增加，电池模组可放电容量明显降低。电池 模组用 0.5 C 充电时，可储存容量为 22.981 A·h，以 0.5 C 放电时，可放电容量是 22.529 A·h；电池模组 用 1 C 放电时，可放电容量降为 79.49%，而放电倍 率为 1.5 C 时，其可放电容量仅为 0.5 C 放电容量时的 59%左右。动力电池系统高倍率连续放电会降低 电池可充/放电容量和循环寿命，甚至因热失控触发 安全事故。基于电池系统的安全和性能考虑，推荐 18650 锂离子电池正常最大连续放电倍率为 1 C[24-25]。因此，本实验主要研究基于 PID 原理设计的算法控 制 EEV 开关状态，电池模组以 0.5 C 充/放电和 1 C 放电过程中恒定制冷剂流量直接两相流冷却电池模 组的热管理性能。暂不考虑电池模组高倍率放电热 管理特性和空调系统能耗及热泵功能。

2 实验结果与讨论

2.1 温度测点布置

电动汽车动力电池系统充/放电过程中，电池热 负荷的变化会加剧电池组之间热梯度的演变。而锂 离子电池温度测量的时效性是发挥电动汽车电池热 管理职能的基本要求。LEE 等[26]将平面自制微热电 偶安装在锂离子电池模块中用以监测电池内部的 温度，实验结果表明，采用内部测温比表面温度快 45 ~ 90 s。LIN 等[27]基于在线参数化方法和通过测量 表面温度设计一种自适应温度观测器，并实验验证 该辨识算法和自适应观测器的有效性。但由于技术 成熟度原因，本实验采用动态响应快的 K 型热电偶 监测电池表面温度。

空调系统制冷剂直接与电池模组换热过程中， 制冷剂在蛇形管中气−液两相流流动与传热极其复 杂，导致电池模组发生最大温差的位置具有不确定 性，这给电池模组温度状态的监测带来挑战。本实 验利用每组电池预置的热电偶来研究电池模组温度 测点布局，通过实验优化后选择如图 4 所示的 6 个 温度测点表征电池模组热管理性能。

2.2 固定参数 PID 算法

电池的温度控制是一个动态过程，而 PID 算法 具有较好的温度控制能力[28]。基于此，本实验采用 基于 PID原理的算法控制电动汽车空调系统EEV的 开度。EEV 的控制策略如下：当测点的温度达到算 法设置的 EEV1 开启温度时，EEV2 关闭而 EEV1 全 开；测点的温度低于算法设置温度后，EEV2 全开而 EEV1 关闭，控制过程直到电池模组停止工作且温度 达到设计才结束。

电池模组置于约 24℃的环境中，采用固定参数 PID 算法控制电池冷却过程。如图 5，电池模组 0.5 C 充电的最大温差为 30.329℃，工作温度为 4 ~ 36℃；而以 0.5 C 放电时的最大温差为 21.195℃，工作温度 为 8 ~ 32℃。电池之间的温差大会加剧电池电性能 的不一致性；而电池工作温度过低又会降低电池可 充放电电量，并缩短电池的使用寿命。电池包在低 温条件工作会缩短电动汽车的续航里程。甚至可能 因电池的低温析锂触发安全事故。因此，需要优化 EEV的控制算法，使其满足电动汽车电池热管理要求。

制冷剂 R134a 在流动过程中不断吸收电池热 量后变成气液两相流，当 R134a 的干度较小时， 传热系数随着干度增加而增大；而 R134a 的干度 上升到转变点后，传热系数随着干度的增加而减 小，R134a 变为气态后传热系数会急剧下降。由此 可知，R134a 与电池模组的强制对流换热可能导致 电池组产生温度梯度。然而，电池的传热特性和 温度测量的滞后性，以及经典 PID 控制算法的惯 性延缓 EEV 的响应，从而加剧电池组温度的不一 致性。

2.3 限定温差 PID 算法

通过在算法中增加温度差限制条件，缩短 EEV 的延滞时间，降低电池模组的温度梯度和维持电池 的运行温度在推荐温度范围。环境温度为 24℃左右 时，电池模组以 0.5 C 充电，用限定温差 PID 算法 控制 EEV，电池模组的最大温差降低到 5.324℃，显 著提高控制算法对电池模组的温差管控能力。图 6 展示了电池模组荷电状态（state of charge, SOC）与 温度的关系。

2.4 动态温度 PID 算法

限定温差 PID 算法对电池模组的热管理能力有 质的提升，但电池模组的最大温差仍不能满足电动 汽车动力电池系统的热管理设计要求。为提高 EEV 对电池模组温度变化的灵敏性，设计了动态温度 PID 算法（图 7），并对三种算法进行比较（如表 2）。

电池模组置于 22℃左右的环境中，EEV 用动态 温度 PID 算法控制，并预设 EEV1 开启温度为 30℃。电池模组以 0.5 C 倍率工作时，温度被控制在 24 ~ 32℃，电池组之间的最大温差小于 3℃，图 8a 和 图 8b 显示了 0.5 C 下 SOC 和放电深度（depth of discharge, DOD）与温度的关系。环境温度约为 23℃， EEV1 预设开启温度为 28℃，电池模组以 1 C 放电 时，电池模组温度升高到预设温度，动态温度 PID 算法输出控制信号开启 EEV1 而关闭 EEV 2。实验 结果如图 8c 所示，电池模组的温度被控制在 24 ~ 36℃，而最高温度为 35.552℃，最大温差为 3.974℃。电池模组以恒定倍率工作时，如果不采取冷却 策略，电池温度会持续上升。当 EEV1 开启后，制 冷剂流入电池模组，并将电池工作过程中产生和累 积的热量转移到制冷剂中，电池的温度受到突然的 抑制而迅速下降。由此可知，电池模组热管理过程 的温度随时间呈锯齿形变化。而从电池模组流出的 制冷剂与冷凝器内的水强制对流换热，将电池产生 的热量通过水散失到环境中，制冷剂的两相冷却性 能通过往复循环而保持不变。电池产生的欧姆热、 反应热和极化热随着充/放电倍率的增大而增加，导 致电池模组 1 C 放电比 0.5 C 的发热量多，温度升高 也更快，EEV1 开启次数也明显增多。说明随着电池 工作倍率的增大，电池系统对热管理的要求更严苛。

EEV 采用动态温度 PID 算法控制时，随着电池 模组充/放电过程的深入，电池模组的温差有所恶 化，但电池组之间的最大温差也小于 4℃，保持在 推荐的 5℃范围内，由此可知，动态温度 PID 算法 能将电池模组的温度控制在电池的最佳工作温度范 围内。分析实验结果可知，主要有四种因素造成电 池模组温度分布不均匀。首先，由于制造工艺导致 电池单体之间的不均匀物性引起电池发热量差异；其次，实验设计的电池模组热交换器是均匀结构， 而电池模组中不同位置换热量不同；再次，管道中 制冷剂的气液两相流动与传热剧烈变化；最后，控 制算法及 EEV 开关延时。制冷剂的相变温度应该等 于相应压力下的饱和温度并保持不变，但由于制冷 剂吸收电池释放的热量导致液态制冷剂质量降低， 及制冷剂流动在流动过程中的压力损失导致饱和压 力下降，所以饱和温度降低，最终因制冷剂冷却能 力随汽化潜热的降低而减少。当制冷剂处于过热状 态时，电池模组的温差会逐渐升高。因此，需要增 加制冷剂质量流量使热管理系统具有足够的两相冷 却性能，也有助于降低电池模组的温度梯度。此外， 根据实验结果优化管片式换热器结构及调整翅片与 电池之间的接触热阻也可以提高电池包温度一致 性。因此，电池模组必须采取有效的热管理策略解 决或延缓由温度梯度导致的不均衡性电性能衰退。

3 结 论

设计了一种结构紧凑、轻量化的电动汽车空调 系统制冷剂直冷动力电池的热管理方案，并研究 3 种基于 PID 原理的算法控制电动汽车空调系统 EEV 的开度，实验测试不同算法控制制冷剂直接流经该 结构电池模组的热管理性能。主要结论如下： （1）电池模组热交换器框架采用铝翅片铜管非 均匀设计能改善电池包的散热条件，提高电池系统 的温度均匀性和能量密度。 （2）电池模组以 0.5 C 工作时，固定参数 PID 算法和限定温差 PID 算法都不能将电池模组的最大 温差控制在 5℃以内，但限定温差 PID 算法将电池 模组的最大温差降低 75%左右。（3）EEV 用动态温度 PID 算法控制其开度，电 池模组置于 23℃左右的环境中，并以 0.5 C 工作时， 电池模组的最大温差小于 3℃；而电池模组以 1 C 放 电时，其最大温差被控制在 4℃以内，最高温度也 低于 36℃。因此，基于动态温度 PID 算法的制冷剂 直冷方案能将电池模组的热管理性能控制在推荐要 求范围内。本文提出的电动汽车空调系统直冷电池包自动 控制方法为电池包的热管理提供了一种有效的解决 方案。研究并解决 EEV 的精确控制策略、电池包在 快速充电模式的有效温度调控以及电池包和乘员舱 制冷剂流量分配问题对推动电动汽车空调系统直冷 电池包方案的商业应用具有重要意义。而研究电动 压缩机的变频控制方案不但可以根据热负荷变化调 节压缩机的工作频率，而且还可以和 EEV 实施联合 控制，最终实现降低电动压缩机寄生功耗和提高系 统控制性能的目的。

免责声明：文章来源 林必超,岑继文,蒋方明.汽车空调制冷剂直冷动力电池热管理系统的PID控制研究[J].新能源进展,2020,8(02):123-130.