基于Dymola一維仿真軟件的電池熱管理系統(tǒng)設計

摘要

電池熱管理的主要功能包括：電池溫度的準確測量和監(jiān)控；電池組溫度過高時的有效散熱；低溫條件下的快速加熱；保證電池組溫度場的均勻分布；電池散熱系統(tǒng)與其他散熱單元的匹配。

圖1 電池熱管理關系圖

電池包的冷卻有風冷和液冷兩種方式。研究表明風冷方式易實現(xiàn)，但電池包溫度梯度變化較大，不利于電池穩(wěn)定工作。通過冷卻液與空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進行換熱的液冷方式逐漸成為主流。對新能源汽車電池熱問題的科學管理，需要考慮多個系統(tǒng)的相互影響。各系統(tǒng)之間的影響關系如圖 1所示，電池包冷卻與汽車空調(diào)系統(tǒng)、電機冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)等多個系統(tǒng)存在不同程度的耦合。這樣在做電池系統(tǒng)溫度控制策略、熱管理時就要同時分析與其他系統(tǒng)的影響關系。

解決方案

為了解決電池熱管理中，流體系統(tǒng)之間復雜的耦合系，可以采用Dymola軟件的蒸發(fā)循環(huán)庫、液冷庫、電池庫等搭建一維仿真模型。去模擬整個模型系統(tǒng)，分析不同系統(tǒng)之間的耦合關系，從而實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的化控制。

圖2 Dymola 模型庫

Dymola軟件具有豐富的模型庫，采用基礎庫與商業(yè)庫可以方便的搭建電池熱管理系統(tǒng)。蒸發(fā)循環(huán)庫涵蓋了市面上幾乎所有主流的制冷劑，有著精確的兩相流模型和根據(jù)結構建模的換熱器模型；考慮元件生熱和溫度對元件電氣性能影響的電阻、二極管、晶閘管、電機等基礎元件模型；具有熱容、熱傳導、對流、輻射、溫度、熱流邊界條件等的傳熱元件模型。

可用于電池液流管路建模、部件選型、系統(tǒng)性能研究的液冷庫中包括管路、控制閥、恒溫閥、泵、風機、換熱器、膨脹箱等模型；考慮電池單體的差異和溫度對電池容量、外特性影響的Modelon電池庫，可用于分析電池的電、熱、壽命等方面的特性。

對于電池熱管理而言，控制系統(tǒng)是必不可少。Dymola基礎庫中包含用于控制、邏輯建模的模型庫，可用于搭建控制系統(tǒng)。另外也可以通過FMI接口導入控制模型對應的FMU通過Simulink搭建控制律模型，并將模型轉(zhuǎn)為FMU導入Dymola中，可與電池系統(tǒng)模型、加熱/冷卻系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真。

圖3 控制系統(tǒng)模型

采用Dymola軟件提供的蒸發(fā)循環(huán)庫，可搭建熱管理系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)模型；采用Dymola軟件中的液冷庫可以搭建電池冷卻循環(huán)、發(fā)動機冷卻循環(huán)和功率電子元件冷卻循環(huán)等；采用Dymola軟件中的電池庫可以搭建電機、電池等組成的電池驅(qū)動系統(tǒng)。蒸發(fā)循環(huán)庫、液冷庫及其他模型庫可以無縫連接組成大系統(tǒng)，便于熱管理模型系統(tǒng)仿真分析。

Dymola還可搭建控制算法，同時其也可以通過Simulink接口，調(diào)用Matlab/Simulink軟件的控制算法，實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)控制模型與仿真物理模型之間的聯(lián)合仿真，用于控制策略的設計、驗證，使工程師更好的設計熱管理系統(tǒng)模型。

應用案例

圖4為采用Dymola軟件搭建的電池熱管理一維仿真模型。左側紅色點劃線區(qū)域為采用蒸發(fā)循環(huán)庫搭建的空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)循環(huán)；中間紅色點劃線區(qū)域為采用液冷庫搭建的電池冷卻循環(huán)；蒸發(fā)循環(huán)與冷卻循環(huán)之間黑色實線區(qū)域為冷卻液與制冷劑之間的換熱單元；最右邊紅色實線區(qū)域為電機電池等元件組成的驅(qū)動系統(tǒng)。

圖4 電池管理系統(tǒng)一維仿真

電池電機供電、電機驅(qū)動負載，電池產(chǎn)生的熱量通過液冷循環(huán)與空調(diào)系統(tǒng)之間的換熱器實現(xiàn)冷卻液與制冷劑之間的熱量交換，然后通過空調(diào)系統(tǒng)傳到發(fā)動機艙，最后熱量被空氣帶走。圖 5為不同泵的轉(zhuǎn)速下電池包溫度變化曲線。改變冷卻循環(huán)中泵的轉(zhuǎn)速可以將流過電池包的冷卻液溫度保持在所需要的溫度范圍。

圖5 液冷泵不同轉(zhuǎn)速下電池包溫度變化曲線

圖6為在搭建的模型系統(tǒng)基礎上添加簡單控制系統(tǒng)模型，模型運行中可實時查看蒸發(fā)循環(huán)壓焓圖，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。藍色區(qū)域檢測蒸發(fā)器出口溫度，通過控制變排量壓縮機排量保證蒸發(fā)器出口溫度恒定。黑色區(qū)域通過調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)中泵的轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)循環(huán)中冷凝器空氣側空氣流量使電池溫度保持在所需的溫度范圍內(nèi)。

圖6 簡單控制模型

圖7 不同散熱功率下電池包溫度變化曲線

圖7所示，電池包設定溫度（紅色）與實際溫度（綠色）變化關系，在100s時電池包發(fā)熱功率突然降低，電池包溫度也發(fā)生變化，但通過調(diào)節(jié)發(fā)冷卻泵轉(zhuǎn)速與冷凝器側風扇轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的散熱量，從而使電池包溫度穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。

總結

采用Dymola一維仿真軟件可以完成仿真模型系統(tǒng)搭建與仿真分析。所搭建模型既可以用于模型匹配設計、元件選型也可以用于系統(tǒng)仿真進行模型系統(tǒng)能量分配分析。還可以作為仿真模型可以提升工程師對系統(tǒng)性能的理解，作為被控對象用于控制策略設計、驗證控制模型的準確度及控制效果。