电动汽车动力电池热管理液冷先进控制方法研究

摘 要：动力电池是电动汽车最重要的能源供给装置，热管理系统是提高动力电池性能，确保动力电池安全的重要部件。针对大功率动力电池由散热失效引起安全性能下降的问题，在电动汽车动力电池热效应模型基础上，设计了热管理系统架构和液冷拓扑结构，采用动态规划算法作为液冷先进控制方法，利用构建好的热管理实验台架进行策略验证，结果表明，所设计的液冷先进控制方法能够快速地响应动力电池的热管理请求，提升热管理系统性能。

关键词：动力电池；热管理系统；散热失效；液冷；动态规划

０　引言

随着汽车电子技术的高速发展，呈现出多种不同动力源的汽车，其中，电动汽车的快速发展也得益于动力电池技术的不断完善。动力电池是电动汽车最为关键的能量存储装置，为电动汽车提供驱动能量，其安全性、容量以及使用寿命等能够直接影响电动汽车的性能 。

电动汽车在面对复杂工况时，需要频繁地切换车辆的行驶模式，大功率需求情况下，需要动力电池输出大功率输送到驱动电机，以此满足整车的大功率需求；频繁制动过程中，动力电池需要频繁地在输出能量和回收能量之间切换，大电流地冲击着动力电池。诸多因素都会严重地影响动力电池的性能和使用寿命，尤其是在车辆处于大功率、高转速的行驶工况下，动力电池的内部温度和环境温度都会急剧上升，如果温度一直没有下降，动力电池容易爆炸；同样面对低温状态，会影响动力电池的性能导致输出功率受限制，无法满足整车的功率需求。动力电池热管理系统是一种具备高效调节动力电池环境温度的控制系统，通过感知动力电池内部温度、整车环境温度来执行系统控制单元的散热或加热指令，驱动散热风扇或加热装置从而实现整车动力电池的热管理。针对车用动力电池的热管理技术，通过改进动力电池冷却系统流体域的几何结构模型从而改善动力电池散热性能；优化动力电池反向分层风冷结构；构建动力电池液冷控制系统改善动力电池散热性能等。本文在动力电池热效应模型基础上，设计动力电池液冷拓扑结构以及采用动态规划算法对动力电池进行先进热管理，在实验台架中验证先进控制方法的可靠性。

１　动力电池热效应模型

动力电池是电动汽车驱动系统最重要的能源供给装置，在面对复杂的行驶工况，比如长时间的大功率运行、高温环境中运行等都会导致动力电池的升温，在极寒工作条件下，动力电池的温度也会下降，上述都会导致动力电池的性能下降，影响整车的驾驶性能。动力电池是一种温度敏感部件，其实质就是一个升温降温产生热量的载体，其热效应模型采用单位体积生热模型 。

２　热管理系统部件设计

电动汽车的动力电池热管理系统是一个非常重要的系统，通过相关的控制逻辑可以确保动力电池保持在合适的工作温度范围内。主要包括冷却功能和加热功能，其中，冷却功能主要通过压缩机、热交换器和空调系统进行换热作用来实现；加热功能主要由PTC加热器和热交换器集成化实现，电动汽车动力电池热管理系统部件构成如图 １ 所示。

图 １　热管理系统部件

当动力电池热管理系统收到电池冷却指令时，动力电池的冷却回路会通过热交换器与整车的空调系统连接，空调的冷却可以将动力电池的热量带走，与此同时，如果冷却需求更大将会加入冷却水泵，另外可以通过电磁阀的通断来控制电动汽车机舱和动力电池冷却的切换。

动力电池的工作温度是一个非常重要的参数，当电动汽车行驶处于在低温状态下，动力电池受环境温度的影响，自身温度会下降，导致放电性能下降，影响整车的动力性。 因此需要给动力电池加热，动力电池的加热主要通过 ＰＴＣ 加热器来实现，当动力电池热管理系统接收到加热请求时，会打开三通阀，启动 ＰＴＣ 加热器进行动力电池加热，检测到动力电池温度达到目标温度时，ＰＴＣ 加热器停止工作。

３　液冷先进控制方法

动力电池管理系统需要有硬件的支持，同样需要有软件的支撑，通过采集到的电池温度和水温，ＢＭＳ 根据动力电池的温度来判断动力电池的冷却和加热请求 。通过信号接口获取到整车的相关信号，比如动力电池温度、整车行车模式、车速以及冷却液流速等，热管理系统通过算法来计算出动力电池的冷却请求使能、加热请求使能以及强控指令等，将如上信号发送到加热或冷却模块后计算出执行器的运行功率以及开关状态，驱动 ＰＴＣ 加热器或冷却水泵，从而实现动力电池的热管理，所设计的动力电池热管理系统拓扑结构如图 ２ 所示。

图 ２　系统拓扑结构

电动汽车的动力电池热管理工作模式将依据车辆的行驶模式以及动力电池的最大温度、最小温度。当车辆处于交流充电、直流充电模式下时，可以启动热管理系统的冷却功能，其中，热管理系统会依据动力电池最大温度和最小温度计算出此阶段所需冷却使能条件和冷却功能关闭条件，通常采用最大温度和一个可标定的温度阈值进行比较，随着温度的下降，冷却会经历好几个阶段直到动力电池的温度达到目标温度，关闭动力电池冷却回路的相关执行器。同理，在动力电池热管理启动加热功能时，也是通过最高的动力电池温度和相关条件的阈值进行比较，从而启动和关闭热管理系统的加热功能，其时序图大致如图 ３ 所示。

图 ３　液冷管理状态时序图

针对动力电池热管理系统确定了冷却和加热的开启关闭条件阈值，需要加入动态规划算法来合理地规划冷却回路和加热回路上相应执行器的输出功率以及反馈状态。动态规划算法的实质就是将状态任务进行不同阶段的分解，然后求解各个子阶段的最优解  ，因此可以将动态规划作为热管理系统的核心算法模块。

首先判断车辆的模式，随后根据动力电池的温度和ＢＭＳ 的状态进行冷却阈值判断和加热阈值判断，得出冷却目标水温、冷却使能和加热使能、ＰＴＣ 加热请求标志位等信息 ，进入热管理模式切换，如果冷却功能需要开启，将会把冷却请求、动力电池温度、冷却目标水温等信息输入核心算法模块进行计算出电子水泵、ＰＴＣ加热器、散热风扇等执行器的目标功率以及冷却加热时间等，求出最优解，实现热管理系统的动态优化，满足动力电池的加热或冷却需求，整体的先进控制原理结构如图 ４ 所示。

图 ４　液冷先进控制原理图

４　实验验证

为了验证所设计的电动汽车动力电池液冷控制方案的可靠性，设计了电动汽车动力电池热管理实验环境，主要由动力电池、控制上位机、热交换器、ＰＴＣ 加热泵、阀体、制冷剂管道以及电磁阀等部件构成，采集了动力电池在充电和放电两个阶段的热管理数据，并对实验数据进行分析，实验环境和数据如图 ５ 所示。

图 ５　动力电池热管理实验平台

表 １　动力电池性能参数

从图 ６ 可以看出，在识别车辆的行驶模式后，动力电池的温度经过短暂的升温，随后在 １０００ ｓ 时热管理系统开启冷却动力电池的使能，电子冷却水泵介入，温度开始下降，随后动力电池温度保持在一定温度，随着冷却功能的关闭，温度又开始上升。

图 ６　开启使能温度实验结果

同样，在图 ７ 中，随着热管理系统冷却和加热模式进行切换时，动力电池的温度随即发生相应趋势的变换，而且响应速度非常快，实验结果表明采用的先进控制方法能够很好地实现动力电池的冷却和加热。

图 ７　模式切换温度实验结果

５　结束语

针对电动汽车动力电池在复杂工况下的热管理失效问题，在动力电池热效应模型基础上， 构建了分布式的液冷热管理部件拓扑结构，采用动态规划算法作为其控制算法，并在电动汽车动力电池热管理实验平台对液冷设计方案进行了验证，实验结果表明，所设计的方法能够快速提升热管理系统的散热加热响应能力，确保动力电池工作在高效率区间。

作者：习　璐

作者单位：咸阳职业技术学院 汽车学院