混合动力汽车用锂电池组温升控制策略研究＊

张文俊 喜冠南 朱建新 储爱华

（1.南通大学，南通 226019；2.上海交通大学，汽车电子技术研究所，上海 200240；3.科力远混合动力技术有限公司，上海 201500）

主题词：混合动力汽车 锂电池组 温升控制策略 联合仿真

1 前言

近年来，我国传统能源对外的依赖程度日益增强[1]，混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）凭借着节能减排、驾驶模式多变、输出动力较足等优势在新能源汽车体系中脱颖而出[2]，锂离子电池因电压平台高、比能量高、自放电率低、无记忆效应等特点成为混合动力汽车动力电池的主流[3]。

温度是影响动力电池性能、寿命及安全的关键因素[4]，因而电池温升控制策略作为电池热管理系统（Battery Thermal Management System，BTMS）中关键的一环已成为当下研究热点[5-6]。Peng Q 等[7]依据计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件得到的锂电池组温度场设计了温升控制策略，并验证了其可靠性。程子洋等[8]基于MATLAB/Simulink软件并结合混合动力汽车的降噪目标建立了镍氢动力电池组热管理控制策略，该控制策略可以在满足镍氢电池组温度控制需求的同时降低车内噪声声压级1～3 dB(A)。张军等[9]基于MATLAB/Simulink建立锂电池组温升模型，并设计了一种针对电池温升的整车控制策略，通过限制电机功率达到控制电池温升的目的，并通过试验验证了控制策略的可行性。王健等[10]基于AMESim 软件建立了纯电动汽车的热管理系统模型，结合仿真结果，对制定的热管理系统控制策略进行了优化。

为适应混合动力汽车复杂的运行工况，保证动力电池温度处于安全温度范围，本文采用AMESim 与MATLAB/Simulink的联合仿真调试，分别对加速、爬坡、故障、NEDC 工况下以及环境温度为0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃时锂电池组的温升特性进行研究，从而验证并改进相应的温升控制策略。

2 锂电池组热管理系统

2.1 冷却方案

本文所研究的锂电池组由4个模组串联而成，每个模组由21 个镍钴锰三元锂电芯串联构成，基本参数如表1所示。

表1 电芯参数

假设电池内部分布均匀，则Bernadi 等[11]建立的电池生热模型可简化为：

式中，Φ为生热功率；I为电流强度；R为内阻；E0为开路电压；T为热力学温度。

由式（1）可得冷却介质的温升ΔT为：

式中，ρ为冷却介质密度；CP为冷却介质比热容；q为冷却介质流量。

经理论计算可知，强制风冷可满足该电池组在大倍率充放电情况下的安全运行需求，且强制风冷具有结构简单、成本低、无漏液风险等优势，有利于降低研发成本和提高产品安全性[9]。

锂离子电池在高温下热失控现象较为严重，因此本文主要对电池温升控制策略中冷却与均热模块进行研究。电池组冷却系统回路如图1 所示，其基本原理为：冷却风机将乘员舱中的空气吸入电池组内，空气流经风道，以强制对流的方式将各单体产生的热量排至车外，达到冷却的目的。由于冷却气体来自乘员舱，所以空调系统回路在开启时间接参与了电池组冷却。

2.2 温升控制策略目标

锂离子电池的工作温度一般为-10～60 ℃，而在最优工作温度25～40 ℃范围内能保证性能与寿命最佳，且电芯最大温差长时间大于5 ℃会导致电芯间的不一致性加剧，最终引发安全事故。综合考虑，将温升控制策略的目标设定为：保证电池组内电芯的最高温度小于45 ℃，且尽量保持在最佳工作温度区间内；保证电池组内各电芯间的温差小于5 ℃。

图1 冷却系统结构

3 锂电池组联合仿真模型

3.1 联合仿真模型的建立

本文基于AMESim 仿真软件[12]建立额定电压为306 V，额定容量为6 A·h，强制风冷冷却方式的锂电池组半物理模型，如图2 所示，并借助MATLAB/Simulink搭建热管理控制逻辑模块，如图3 所示，最后将AMESim 模型以S 函数的形式导入Simulink，实现联合仿真[13]。图3 中，T1～T4分别为4 个模组内电芯的最高温度，Tmax、Tmin分别为电池组电芯的最高、最低温度。

图2 锂电池组半物理模型

图3 热管理控制模型

3.2 基于AMESim的锂电池组模型验证

锂离子电池模型作为整个锂电池组半物理模型的核心部分，其子模型的准确度直接影响仿真结果。因此，需要将三元锂离子电池AMESim半物理模型仿真结果与台架试验结果进行对比验证。台架结构如图4 所示，恒温箱为电芯提供恒温恒湿环境，借助Digatron 电池测试系统对电池进行充放电，充放电相关工况及数据采集由上位机发送、接收，并使用热电偶通过日置LR8401数据记录仪对电芯温度进行实时采集。

图4 电池充放电台架

AMESim 电芯充放电仿真平台如图5 所示。在LIION_NMCC_HE 子模型的基础上，应用LMS_AMECustom 软件对其进行二次开发，将自定义子模型重新加载至电芯模块中，在环境温度Tamb=25 ℃、充放电倍率为1 C的条件下进行充放电试验，记录不同荷电状态（State of Charge，SOC）下所对应的开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）,并与台架试验结果进行对比，如图6a、图6b所示；在Tamb=25 ℃、充放电倍率为10 C条件下进行大倍率10 s充放电温升试验，并与台架试验结果进行对比，如图6c、图6d所示。

图5 电池充放电仿真模型

图6 锂电池仿真模型验证

对比结果表明，仿真结果与台架试验结果重合度均较好，充放电开路电压最大误差约为3%，电芯温升最大误差不超过1.4%，从而验证了AMESim锂离子电池模型的准确性。

3.3 控制逻辑的设计

为保证电池组最高温度处于安全温度范围，且能达到节能目的，根据电池组电芯最高温度Tmax，采用逻辑门限值法控制风机转速。温度控制逻辑如图7所示，此外，当Tmax≥45 ℃并持续30 s 或者Tmax-Tmin≥5 ℃并持续1 min，电池组停止运行。

图7 温度控制逻辑流程

4 锂电池组温升特性分析

4.1 道路工况对温升的影响研究

结合电池组搭载的整车参数以及路试经验，将急加速、爬坡、故障限功率7 kW运行时的放电倍率分别设为10 C、5 C、4 C。在Tamb=25 ℃、气压为0.101 3 MPa 状态下，对电池组荷电状态在10%～90%区间内进行不同道路工况下的仿真，结果如图8所示。

图8 不同工况下电池组最高温度和最大温差变化曲线

随放电倍率的增加，电池组产生的温升不断提高。由于爬坡工况下风机会由1挡向2挡过渡运行，而急加速工况下风机会由2挡向3挡过渡运行，由风机挡位的变化导致冷却效果不同，随着荷电状态的减小，急加速工况下电芯间的最大温差与爬坡工况下相比，呈现出由高向低的变化趋势。电池组放电过程中，3种道路工况下电池组最大温升小于8 ℃，电芯间最大温差约为1.3 ℃。

新欧洲标准行驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）及该工况下充放电电流、电池组最高温度和电芯间最大温差如图9所示。

图9 NEDC工况及仿真结果

由图9b可知，该工况下充放电倍率变化范围广，最高可达14 C。由图9c可知，经历了1个NEDC循环后，电池组温升约为2.5 ℃，且在后续3个NEDC循环中，温升只在1.2 ℃范围内小幅波动，电池组进入近似热平衡状态，不过在后段运行中由于荷电状态的影响，热平衡状态被打破，电池组温升较前段略有上升。整个NEDC循环测试中，电芯间的最大温差缓慢上升，最终稳定在3.5 ℃左右。

4.2 环境工况对温升的影响研究

为保证设计的温升控制策略使电池组在宽温度域内安全运行，在环境温度Tamb为0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃的条件下对锂电池组进行恒电流2 C放电仿真，在荷电状态10%～90%范围内研究电池组内电芯最高温度和电芯间最大温差的变化趋势，结果如图10所示。

图10 不同环境温度下电池组最高温度和最大温差变化曲线

当荷电状态不大于35%时，每个环境温度下电池组最高温度都呈现陡增趋势，这主要是电芯内阻在荷电状态较低时会迅速增大，导致发热量持续增加引起的。温度较高时电池单体之间的温差较温度较低时变化幅度更大，这是高温环境放大了电芯加工工艺误差导致的一致性差异所致。电池组放电过程中，在Tamb为0 ℃、10 ℃、20 ℃时，由于环境温度和放电倍率较低，电池组温升不足5 ℃，电芯间的最大温差不足0.1 ℃，达不到温度控制的阈值，不受温升控制策略的影响。当Tamb为30 ℃、40 ℃时，在温升控制策略的控制下，风机以相应风速对电池组进行冷却，电池组温升大约为1 ℃，电芯间的最大温差小于5 ℃。

5 结束语

本文主要依据电池组最高温度，采用逻辑门限值法，对温升控制策略进行设计。在验证仿真模型正确性的基础上，使用AMESim 与MATLAB/Simulink 联合仿真对电池组进行仿真分析。结果表明，设计的温升控制策略能保证电池组在不同道路工况及环境温度下，最高温度控制在安全温度范围内且电芯间的最大温差小于5 ℃，符合混合动力汽车用锂电池系统开发的可行性要求。