基于最低能耗的动力电池空气冷却控制策略

研究背景

适宜的工作温度是电动汽车动力电池具有良好使用性能的重要保证，一旦电池温度超过40℃，不仅影响汽车的动力性，还可能使电池包出现热失控等安全问题。因此必须对运行过程中的动力电池包进行有效地散热。在众多的电池包散热方法中，风冷散热由于其结构简单，成本低，是目前电动汽车上常见的一种散热方法。

风机控制策略对风冷散热效果有重要影响。目前有两类控制策略，一类是风机全程开启型控制策略，即强制风的流向、流速等状态参数会随着动力电池状态的变化而实时调整的策略。Fuping Jiang、Rajib Mahamud、Yuping Gao等人对策略进行了相关研究。这类策略虽可有效满足电池包的散热要求，但风机全程开启能耗较高。另一类是基于温度开关型的风机控制策略，即依据电池温度决定风机的开闭状态及风速大小。Tao Wang、郭阳东、Fan He等人对该种控制策略进行了相关研究。这类控制策略因风冷系统散热的滞后效应而存在散热不及时的风险。为此，SC Yong等人设计了一种可以预估动态工况下电池温度的热模型，根据充电/放电状态、SOC和电池温度等参数，预测电池包温升情况，为后期制定风扇工作策略和逻辑提供依据。针对由风冷与液冷构成的混合冷却系统，Chong Zhu等人在基于车辆功率需求的基础上，采用动态规划算法确定该系统的最小能耗，在随后的研究中，又提出了一种基于有限集模型预测控制的热管理控制策略以提高冷却系统求解最小能耗的效率。然而目前智能网联汽车的普及还很难实现，因此如何利用现有的技术水平获得汽车未来的工况信息，建立合理有效的动力电池温升模型是研究难点。

基于Fluent仿真平台的三组控制策略温升效果

基于此，本文提出一种普遍适用的动力电池风冷控制策略，根据车载导航系统预测未来路段的平均车速、坡度等信息建立动力电池在未来路段的温升模型，并采用分段式动态规划算法以风机的能耗最小为目标提前确定风机的最优风速及开启时机。最后对动力电池未来温升的精度进行硬件在环的试验验证，对基于最小能耗的动力电池风冷控制策略的散热与节能效果进行仿真对比。

创新点及解决的问题

针对目前电动汽车动力电池风冷散热能耗高、散热滞后的问题，提出了一种基于最小能耗的动力电池风冷控制策略，该策略根据车载导航系统预报的工况信息预测动力电池的未来温升，在满足动力电池散热需求的前提下，以风机能耗最少为目标，运用分段式动态规划算法确定风机在未来路段的开启时机与最优风速。

重点内容导读

1.动力电池未来温升模型：本节根据动力电池包的结构，未来路段动力电池充放电电流的数学模型，建立动力电池在未来路段的温升数学模型。

2.基于最小能耗的风冷控制策略与控制算法：本节提出基于最小能耗的动力电池风冷控制策略，设计了相应的控制逻辑与控制算法。

3.基于最小能耗的风机最佳开启时机与风速的实例分析：本节根据分段式动态规划算法，通过实例分析风机的最佳开启时间与最佳风速的确定方法。

4. 温升模型精度检验与散热效果仿真验证：本节利用动力电池组硬件在环的仿真试验法检验动力电池未来温升模型的精度，以验证动力电池未来温升模型的可行性；并以流体力学仿真软件Fluent15.0为分析平台，对比分析本文策略、风机全程开启型和温度开关型策略的散热能力与节能效果。

结论

1）动力电池组硬件在环仿真试验表明，实际工况的动力电池组试验温度与预报工况的试验温度的最大差值为0.3℃，最大偏差率为0.7%，二者误差很小，说明基于车载导航的动力电池组未来温升模型精度较高。

2）仿真结果表明，基于最小能耗的风冷控制策略不但能有效控制电池组温度，而且风机能耗是风机全程开启型控制策略的77.2%，是温度开关型控制策略的53.7%。