液冷动力电池系统热管理控制策略优化探究

摘要：以某纯电动商用车 65kWh 磷酸铁锂液冷动力电池系统为研究对象，自主设计搭建热管理试验台架，重点探究了不同环境温 度和工况下热管理系统对电池温度的冷却效果对比。该热管理系统能够将电池温度控制在适宜范围内，但高温环境能耗较高，遂 开展热管理控制策略优化，优化后的控制策略在电池冷却效果和能耗方面均优于原控制策略，高温高速工况和城市综合工况分别 节能 37.78%和 78.63%，热管理能效明显提升。 

关键词：液冷动力电池系统；台架试验；控制策略优化；

热管理能效引言 动力电池是决定电动汽车动力性与安全性的关键部件，其性能与寿命受温度的影响严重 ,在高温和高倍率 充放电时容易造成电池过热的现象，严重时导致热失控，甚至起火爆炸Sato 等研究发现，电池温度超过50℃后电池效率明显降低，工作寿命也出现加快衰减的迹象。因此，需要对动力电池进行热管理，保证动力电 池在合适的温度范围内工作。热管理试验台架的主要功能是模拟实车系统的热管理，为验证热管理系统控制 策略提供基础试验手段，尽早发现问题和解决问题，缩短电池热管理控制策略标定试验周期，并对研究和评 价电池热管理系统性能具有重要意义。目前，针对动力电池常用的散热方式主要包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。空气冷却 不能满足能量密度越来越高的锂电池散热需求，在复杂工况下，液冷比空冷性能更佳，液体介质的换热系数高， 热容量大冷却速度也更快。相变材料冷却，其中相变材料的物理性质对系统的冷却效果有着重要的影响，因此 对于相变材料的选择具有很高的要求，且相变材料本身导热系数较低，需添加金属材料增强导热能力。热管冷 却很少单独使用，高效的换热效果使热管多出现于复合散热冷却方式中，成本过高、结构复杂、不易维修等缺 点使它很少出现在大众视野。综上，从成本、散热效果及加工工艺、材料选择等方面综合比较，液体冷却综合 优势较为明显，现已被广泛应用于电动汽车领域。但液冷系统中压缩机等大功率附件使电池热管理系统的 能耗增大，因此控制系统能耗，提升热管理能效成为液冷技术的关键。本文以某纯电动商用车用 65kWh 磷酸铁 锂液冷动力电池系统为研究对象，自主设计搭建热管理台架试验，通过不同温度和不同工况对比试验，对热管 理能效进行评估，在此基础上通过多种方式优化控制策路，提升电池热管理系统的效果。1 台架试验搭建 1.1 试验对象 选取某商用车用 65kWh 液冷动力电池系统为试验对象，其基本参数如表 1 所示。

表 1 65kWh 液冷动力电池系统基本特性参数

1.2 试验原理 电池热管理系统试验台架主要包括被测液冷动力电池系统、整车控制器（以下简称 VCU）、高低压供电模 块、低温散热器、冷凝器、冷却水路、冷媒管路、热交换器（Chiller）、风扇、水泵、高低压线束、温度/压力传 感器、电磁阀等，试验台架示意图如图 1 所示。充放电测试设备模拟整车充放电工况，被测系统中空调压缩机 由外部高压电源供电，电子水泵、风扇、温度传感器、控制器等由外部低压电源供电。电池管理系统（以下简 称 BMS）实时采集电芯温度和电压电流等参数，VCU 与 BMS 进行信息实时交互，并通过 CAN 总线实时发送 至控制平台，观测实时动态数据，同时上位机也可通过软件动态修改标定参数进行控制对应节点工作.

图 1 电池热管理系统试验台架示意图

1.3 试验方法

为了考察液冷系统不同模式以及热管理控制策略的冷却效果，分别进行低温散热模式试验和工况试验。低 温散热模式试验分别在 40℃、25℃和 10℃环境温度下，对比两种模式下电池平均温度表现情况。工况试验选取 40℃、25℃、0℃和-7℃环境温度下四种不同工况开展试验。为接近实车实际运行工况，除了城市综合工况为功 率路谱跟随，其余工况根据车辆参数换算为电池输出端需求功率开展放电测试，放电完成后均执行 0.8C 倍率快 充。在充放电测试设备进行整个模拟充放电过程中，考察液冷动力电池系统在不同环境温度、不同工况下的表 现，记录电池容量、能量、电流、电压、温度、热管理系统耗电量、电池进出水口的温度、散热器进出风口的 温度信息，结合系统能耗和电池冷却效果，综合评估液冷动力电池系统热管理能效，从而针对性优化控制策略。

2 结果与讨论2.1 低温散热模式试验 

本文中液冷散热系统包括两种模式，一种是低温散热模式，采用散热器搭载风扇的方式，通过风扇抽取自 然风对冷却液流经的低温散热器进行散热，达到降温的目的。另一种是制冷模式，依靠压缩机制冷，使流经 热交换器后的冷却液温度降低，再通过对流传热带走电池产生的热量。为了验证低温散热模式相对于自然冷却模式（无热管理参与）对动力电池系统的冷却效果，选取高速＋ 0.8C 快充工况（快充时长约 4500s，下同），分别在 40℃、25℃和 10℃环境温度下，对比两种模式下电池平均 温度表现情况，如图 2 所示

图 2 三种环境温度两种模式电池温升对比

从以上三种不同环境温度下电池温度曲线对比发现，在放电阶段，两种模式下没有明显的差异，当温度逐 渐升高并且进入快充阶段，低温散热模式下电池温升速率低于自然冷却模式。环境温度为 10℃和 25℃时，动 力电池在两种模式下均可完成高速＋0.8C 快充工况测试，而环境温度为 40℃时，动力电池在两种模式下均由于 温度保护无法完成测试，充电终止时 SOC 分别为 79.6%和 72.8%。因此，低温散热模式的散热效果有限，而且受 环境温度的影响较大，仅在环境温度较低且与电池有较大温差时才会有一定的冷却效果，温差越大，效果越好。因此，较低环境温度时，可采取低温散热模式对电池进行散热；高温时不建议采取低温散热模式，为了满足电 池的散热需求，应根据热管理控制策略开启压缩机制冷模式。

2.2 工况对比试验 为了验证电池热管理系统性能及控制策略的有效性，根据实车工况设计需求，选取四种工况（高速＋0.8C 快充、60 km·h -1＋0.8C 快充、40 km·h -1＋0.8C 快充以及城市综合工况＋0.8C 快充）进行测试，测试工况如表 2 所示。

表 2 测试工况一览表

针对以上四种工况，开启热管理控制策略，分别考察环境温度为 40℃、25℃、0℃、-7℃时电池的温度表 现，试验结果如图 3 所示。

图 3 不同环境温度下四种工况电池温升对比

从室温和高温工况放电阶段温度曲线来看，温度先升后降最后又上升是由于：在放电开始时，电池温度和 冷却液温度较为接近，换热量较小，电池产热量大于对流换热带走的热量，因此电池温度随着放电的进行有所 升高；随着放电的进行，电池与冷却液的温差逐渐增大，对流换热量增加。当对流换热量等于电池产热量时，系统达到热平衡，温度趋于稳定，曲线表现较为平稳；此时热管理系统以制冷模式持续运行，冷却液温度继续 下降，带走电池自身更多的热量，电池温度开始下降；到放电后期，随着 SOC 逐渐减小，电池内阻不断增大， 导致动力电池产热量迅速增加，放电后期产热速率增加，产热量的增加大于对流换热带走的热量，电池内部吸 收热量积累速度变大，造成电池温度的持续攀升。而低温环境温度下放电时，同步执行加热策略，待电池 温度加热至规定阈值时停止加热，并在工况过程中根据控制策略启停加热，在放电阶段均未达到制冷模式开启 条件。以上无论低温、室温和高温环境下，四种工况均能使电池温度稳定在适宜的温度范围内，说明该热管理控 制策略能够满足电池的制冷需求，但从实车角度出发，需在兼顾电池冷却效果的同时，也应衡量车辆的续驶里 程是否满足设计需求。因此，进一步结合能耗对热管理能效进行综合评估。选取 25℃和 40℃环境温度下四种工况重点进行放电阶段能耗对比，如图 4 所示。虽然热管理系统原控制策 略基本可满足设计要求，但 40℃环境温度 4 种工况下热管理系统耗能普遍较 25℃工况下高，特别是 40℃城市 综合工况，能耗高达 11.5kWh，约占电池系统总放电容量的 16.9%，严重影响车辆夏季续驶里程。因此，需进 一步优化控制策略，在保证冷却效果的同时降低热管理系统能耗，提升车辆续驶里程及系统可靠性。

图 4 25℃和 40℃四种工况放电能耗对比

2.3 控制策略优化对比 

行之有效的控制策略能够保证在不同的行车工况下，压缩机、风扇等耗功零件工作在低转速范围内的情况 下就使电池等关键部件工作在合适的温度范围，对于提高整车的能量利用效率具有重要意义。从能耗来源分析，高压能耗和低压能耗主要分别来自压缩机和风扇、水泵；从策略优化方向分析，热管理 系统首先应满足高温大负荷工作状态下的冷却需求，该代表性工况为 40℃环境温度下的高速工况＋0.8C 快充。当环境温度不变时，机组制冷量随压缩机转速的增加而增加，但是当系统换热量达到饱和时，即使压缩机再提 高转速，制冷效果也不会有较大提升，而且会增加功耗。因此，为了提高能效，在放电阶段，压缩机转速标 定目标为将电池温度维持在 35～40℃左右并尽量降低转速，同时降低散热风扇转速来降低能耗；充电阶段，拟通过提高压缩机转速使电池在充电过程利用电网电能充分冷却，在满足快充的同时尽量降低充电后电池温度， 使后续行驶过程中热管理开启时间缩短，降低放电过程热管理能耗。而在室温环境下为进一步降低能耗，放电 阶段在综合考虑电池寿命及使用工况的基础上，拟将放电阶段电池目标控制温度提升 10℃，对应热管理系统开 启及关闭阈值亦提升 10℃，既保证电池工作在最佳温度范围，又延迟了热管理开启时间以降低能耗。综合以上思路，对热管理控制策略开展一系列标定优化试验，重点优化项包括：1）优化热管理系统启停阈 值；2）优化模式切换阈值；3）优化风扇转速档位；4）优化水泵占空比（冷却液流量）；5）根据电池温度合理 调节压缩机转速（充/放电区分策略）。优先选取 40℃高速工况＋0.8C 快充连续两轮测试与城市综合工况＋0.8C 快充测试，综合评估电池温度和能耗表现，将优化后的新策略和原控制策略在同种工况下进行对比，验证优化 效果。电池温度表现和能耗对比分别如图 5、6 所示。

图 5 40℃高速工况连续两轮新旧策略电池温度表现及能耗对比

图 6 40℃城市综合工况新旧策略电池温度表现及能耗对比

由图 5 可知，40℃高速工况+0.8C 快充连续两轮测试中电池温度及能耗表现皆优于原策略，两轮充放电全 过程节能率达 37.78%。第一轮放电完成后，电池平均温度仅为 37℃，比初始平均温度下降 2℃，快充结束电池 平均温度也仅为 43℃，并且第二轮和第一轮过程中电池能够维持几乎相同的温度水平，系统可靠性良好。由图 6 可知，40℃城市综合工况包含行车及制动能量回收过程，最接近实车使用工况。原策略放电阶段热 管理系统持续工作，能耗达 10.746kWh。新策略重点优化了热管理启停阈值，放电阶段热管理系统根据控制策 略间歇启停，能耗降低至 2.297kWh（节能 8.45 kWh，节能率达 78.63%）,优化后的控制策略始终能够将温度控 制在 36℃左右，电池放电平均温度仅高于原策略 0.18℃，能效显著提升。新控制策略通过提高热管理开启阈值、优化风扇和压缩机转速、寻求最优冷却液流量（水泵占空比）等重 点优化措施，实现了降低能耗和提升电池冷却能力的双重效果。通过对各策略优化重点项目试验分析发现，冷 却液流量的选择是影响冷却效果的关键因素。策略优化过程中，为研究不同流量对热管理系统能效影响，选取 40℃高速工况＋0.8C 快充，通过修改不同水泵占空比进行对比试验，无论从电池温升还是冷却液入口温度表现 来看，当水泵占空比为 30%时，热管理系统冷却效果最优；而在 90%占空比下，冷却效果最差，电池平均温度 和进水温度分别比 30%占空比时高 4℃和 8℃，影响效果显著。本台架试验中选取的水泵占空比与流量对应关 系如表 3 所示，不同水泵占空比下冷却液入口温度和电池平均温度表现如图 7、图 8 所示。

表 3 水泵占空比与流量关系实测数据

图 7 40℃高速工况不同水泵占空比下冷却液入口温度对比

图 8 40℃高速工况不同水泵占空比下电池平均温度对比因此，可通过试验对比，优选出可使冷却液温度相对较低的冷却液流量值（水泵占空比），以达到最佳的冷 却效果。综上，优化后的新策略实现了保证冷却效果的同时，大大降低了热管理系统能耗，能效明显提升，对 提升夏季车辆续驶里程具有重要意义。

3 结论1、设计搭建的某商用车用电池热管理系统试验台架，可模拟实车各工况下电池包热管理相关对象的工作 特性，系统稳定可靠。2、基于四种环境温度四种工况的电池热管理台架试验测试数据可以表明，热管理系统控制策略能够将电池 温度有效控制，除 40℃高速工况外，其余工况皆满足最佳工作温度要求。3、优化后新策略在 40℃高温环境下各工况电池温度及热管理能耗皆优于原策略，尤其是热管理能耗最高 的城市综合工况，单次工况节能率达 78.63%，节能 8.45 kWh，达电池额定能量的 10%，热管理能效显著提升， 对提升高温车辆续驶里程有积极的促进作用。4、冷却液流量（水泵占空比）对冷却效果影响显著，可通过试验对比寻求可使冷却液温度相对较低的最佳 冷却液流量值，以达到最佳的冷却效果，本试验中优选冷却液流量为 7.73 L·min-1（水泵占空比 30%）。
作者：张蕾，杨洋，马菁，李静作者单位：陕西汽车集团有限责任公司技术中心；长安大学汽车学院