电池热管理系统以动力电池的温度控制为目标，目前以液冷系统为主[1] 。直冷系统使用冷媒作为介质进行直接换热，相比于液冷系统的间接换热，具有更高的换热效率、更轻的系统质量、更小的系统体积。随着电池能量密度的提高与快充技术的发展，直冷系统逐渐成为动力电池热管理领域的研究热点。电池快充技术可在安全健康的前提下缩短充电时长，众多学者对其进行了研究。锂电池充电过程受到荷电状态（State of Charge，SOC）、健康状态（State of Health，SOH）、温度与充电电流等因素影响，且这些因素具有强耦合性[2] 。提高充电电流倍率可缩短充电时间，但电流倍率受到温度、充电量与 SOC影响，温度越高，充电量越小，电池的 SOC越低，可以接受的充电电流越大，反之则越小。为了在不影响电池寿命与安全的前提下缩短充电时长，众多学者改进了充电策略，主要可分为以下 3 种类型[3] ：改变充电电流波形或电压模型[4-7] ，通过优化恒流恒压充电策略、台阶充电策略、脉冲充电策略等方法缩短充电时间；结合热模型与等效电路模型或电化学模型，给定最高温度的限制条件来限制最大充电电流，从而缩短充电时间[8-9] ；通过先加热电池改变电芯化学反应速率，从而消除大倍率电流带来的影响[10-11] 。然而，以上研究以电池单体作为研究对象，未考虑电池包与电池热管理系统、乘员舱空调系统的耦合作用。本文基于AMESim软件建立电池与热管理系统模型，分析典型液冷、直冷系统的电池高温快充过程，最后提出一种耦合乘员舱空调系统与电池直冷热管理系统的热管理控制策略。![]()
在AMESim中使用等效电路模型建立电池一维模型，将电池简化为电阻、电容与电压源模块所形成的闭合电路。如图 1 所示，考虑电芯在竖直方向上的温度梯度，将单个电芯分成3个单元，每个单元占 1/3 体积，分别设置电阻、电容元件，使用信号复制器（Signal Duplicator）将单一信号复制给 3个电芯单元。电池产热使用贝尔纳迪（Bernadi）方程[12] 计算，将获得的平均温度代入等效电路模型，从而得到电压随时间的变化数据。具体方程可参考文献[13]。![]()
图2展示了直冷板流道与电芯的相对位置和流道结构。流道主要分为4个支路，采用并联设计，根据流道与电芯的相对位置，将电池包简化为如图 3所示的模型。模型的输入变量为制冷剂压力、温度、流量和电池充电电流，使用节流孔模拟冷板支路流道的阻力，通过对标一维与三维仿真的流道制冷剂流量与电芯温度，调整模型流道阻力系数，图中m为冷媒质量流量，ρ为冷媒密度，P为冷媒压力，K为输入值，为常数。![]()
图 4 所示为耦合乘员舱空调的直冷系统模型，电池直冷板与乘员舱板式换热器并联，分别由 2 个电子膨胀阀控制。系统执行部件为压缩机、电子膨胀阀和电子风扇，电池包为信号发出部件。![]()
直冷系统的边界条件为耦合乘员舱空调系统后的典型工况，并非系统最大制冷能力，液冷系统的边界条件参考行业典型系统工况，如表 2所示。![]()
电池充电 MAP如图 5所示，电池最大充电电流由电池温度与 SOC决定，最大充电电流随 SOC的增大而减小，随温度上升先增大后减小，允许的最大充电电流为245 A。建模时将MAP图转化为以温度和 SOC 为坐标轴的二维图，输入 AMESim 电池模型中，温度步长为 5 ℃，SOC 步长为 10%，通过插值方法获得中间值。仿真过程中电池温度与 SOC 决定充电电流，从而影响电池产热速率。![]()
在直冷电池热管理系统基础上耦合乘员舱空调系统，压缩机转速响应电芯顶部最高温度、最大温差与乘员舱温度，系统控制目标如表3所示。![]()
系统控制部件为压缩机和电子膨胀阀。电池目标温度采用查表方式控制，通过电芯顶面温差与顶面最高温度对应响应制冷等级；在电池与乘员舱需同时制冷的情况下，采用耦合方式定义控制策略。![]()
表5所示为电池制冷需求等级与压缩机转速的对应关系，制冷需求等级越高，压缩机转速越大。![]()
乘员舱控制方式较为复杂，且非本文研究的重点，采用PID控制方式对目标温度进行控制，目标温度为22 ℃，温度小于目标温度时断开支路。当乘员舱与电池同时存在制冷需求时，需要对两者进行控制策略的耦合，耦合策略制冷等级定义如表 6所示，与表 5电池制冷等级需求相比，耦合策略制冷等级的数量减少，且制冷需求在 3 级及以上时具有更高的压缩机转速。![]()
电子膨胀阀用可变节流孔元件建模，直冷板支路电子膨胀阀控制策略为：开度采用PID控制，目标冷板出口过热度为 1 ℃。乘员舱蒸发器支路电子膨胀阀控制策略为：开度采用 PID 控制，比例系数P=2、积分系数I=0.1、微分系数D=0。目标蒸发器出口过热度为3 ℃。用软件元件简化建模，快充模式下保证风量最大，从而保证空气侧的换热能力处于最佳状态，风扇风量设为2 396 m3/h。图 6 所示为直冷与液冷系统电芯顶面最高温度变化情况：直冷条件下，顶部最高温度出现在第1 102 s，为 46.3 ℃，然后迅速降低；液冷条件下，顶面温度先上升后下降，温度下降速率较直冷系统小，顶面最高温度在第 662~3 025 s 时段内均大于46 ℃，最大值为 46.5 ℃。液冷系统温度下降速率低于直冷系统，主要原因是：冷却液与制冷剂的进口温度分别为 25 ℃和 21 ℃，液冷系统的传热温差较直冷系统小；直冷系统通过冷媒汽化潜热降温，且控制冷板出口过热度为 1 ℃，使冷媒温度始终接近蒸发温度，而液冷系统中随着冷却液吸收电池热量，温度不断升高，降低了传热温差。图 7 所示为直冷与液冷系统电芯顶面最大温差变化情况：直冷条件下，最大温差值出现在第 1 993 s，为3.8 ℃，然后逐渐降低；液冷条件下，最大温差持续上升，结束时为 4.3 ℃。在给定快充条件下，直冷系统在最大温差与最高温度控制方面均优于液冷系统。图 8所示为电池 SOC 变化情况，初始阶段，2个系统SOC上升速率相同，在第16 min，直冷系统充电速率明显较液冷系统快，直冷和液冷系统高温快充充满时间分别为3 923 s、4 246 s，直冷系统比液冷系统时间缩短了7.6%。图9所示为充电电流随时间的变化情况，直冷条件下，电芯温度超过45 ℃后，迅速冷却到45 ℃以下，从而能以较高电流倍率继续充电过程，而液冷系统与直冷系统相比，换热温差更小、效率更低，无法快速降低电芯温度，电流倍率受限，增加了充电时长。![]()
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3.2 耦合空调系统仿真结果
图 10 所示为耦合与未耦合工况下电芯顶面最高温度变化情况，耦合乘员舱空调策略相比未耦合策略，由于制冷剂流量增加，电芯顶部温度更快下降。耦合策略控制下电芯顶面最高温度出现在第1 118 s，最高温度为45.3 ℃，满足最高温度要求。图11 所示为耦合与未耦合策略控制下电芯顶面最大温差变化情况：耦合策略控制初期，由于制冷剂流量较大，冷板局部区域温度迅速下降，电池温差增大，最大温差达到 6.7 ℃；随着冷板、电池水平方向的热传导，温差逐渐下降；第3 100 s后，由于最高温度低于35 ℃，压缩机转速下降，制冷剂流量减小，导致温差上升。
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图12所示为电池SOC随时间变化情况，采用耦合策略控制相比于采用未耦合策略控制时，充电时间缩短 194 s。图 13所示为充电电流随时间变化情况，充电电流差别主要在第 500~1 500 s 的时间段，耦合策略控制下电芯顶面温度达到 45 ℃后迅速下降，因此可以保持较大充电电流。![]()
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本文基于 AMESim 软件建模，分析了直冷与液冷系统在电池高温快充工况下的性能表现，进一步耦合直冷系统与乘员舱空调系统，设计了以控制乘员舱温度和电芯最高温度为目标的热管理策略并分析系统性能，主要结论如下：a. 40 ℃高温快充工况下，直冷与液冷电池热管理系统均可满足电池最高温度与最大温差要求，且直冷系统相比液冷系统可缩短充电时长7.6%以上。b. 耦合乘员舱空调系统的直冷热管理系统因制冷剂流量增加而具有更大的电池降温速率，充电时长可缩短 4.9%。耦合带来的制冷剂流量波动导致电池最大温差从3.8 ℃上升至6.7 ℃。
电池资料
