电池热管理直冷基本控制特性研究

电动汽车热管理直冷技术高效紧凑和良好的低温应急冷却,以及可与车载空调耦合单一冷媒,成为具有热安全管控能力的发展潜力巨大的热管理方案,并受到关注。本文以直冷热管理实验为背景,探索控制过程的基本影响和作用特性,特别在基于直冷热管理运行工况研究基础上,探讨直冷热管理控制策略,并通过利用相应控制算法,分析界定电池热负荷变动的压缩机变速控制方案,为进一步直冷热管理性能优化和节能降耗提供依据。研究工作在搭建直冷热管理实验台架进行,模拟典型工况过程,制定控制模式,并同步利用基于模型的V流程实现控制器算法开发,达到实验台架的一定仿真控制模拟,以此开展相应的直冷控制过程研究。利用前馈强化预判能力,嵌入反馈目标修正,结合多种回馈信号进行热管理系统模式间的阈值调整。在设计的直冷热管理控制系统上,结合直冷热管理运行特性研究。首先认知直冷热管理过程主控因素中的压缩机转速、冷凝风扇转速变动性对直冷换热性能的影响,重点尝试选用标定调控强的压缩机转速作为主控量,研究控制特性。实验表明,在本实验的直冷过程中,应对热负荷匹配合理压缩机转速尤为关键,表现出较强的敏感性。若转速较低则电池将继续温升,相反转速偏高则直冷板表面温度较低和电池体温差加大,以及不利的系统COP。实验过程在满足抑制电池大幅温升的前提下,使用较高压缩机转速的电池纵向温差增幅超75%。在变负荷电池连续降温的压缩机超调实验中,进一步验证了直冷过程存在热/冷量传递的滞后性;以及界定了变负荷动态调控过程的压缩机转速控制,抑制电池温升同时更应避免电池大幅温降的超调。由此防止冷板温度过低而增大电池体温差,以及过余的能耗,即以维持电池温度稳定性为直冷过程调节的重要目标。研究工作进一步针对热管理过程中放电倍率变化的热滞后性及压缩机转速变化带来的冷量传递滞后性进行实验分析,实验表明热传输过程的延迟行为需要通过相应的标定实验,达成控制过程中压缩机冷量与电池产热和传输的相对匹配,形成必要的控制边界条件。在界定分析热管理行为延迟特性的基础上,本文利用对放电倍率升高/降低工况进行压缩机转速跟随实验,验证了放电倍率变化过程通过压缩机转速跟随变化,可以获得电池温度的相对稳定,体现出直冷过程由于电池组直冷板复杂的蒸发相变传热,其易于失稳的传热特征需要更加强有力的制冷剂流变性管控。结合直冷热管理系统实验台架,设计选型了 MPC5554热管理控制器硬件,并根据热管理控制功能需求,编程实现台架控制,同时使用Meca结合Labview、USBCAN强化直冷控制台架系统的监测、标定功能,完成直冷控制台架系统的构建。其中,控制模式和传感采集、管理决策与控制输出的热管理软件架构编程,利用模块化设计和V型流程开发,并置于直冷热管理控制器,实现实验验证与控制。最后,利用台架实验仿真典型路谱工况,并仅以直冷过程压缩机转速为主控量进行应对电池热负荷的控制实验。其中,设计压缩机变转速跟踪控制的直冷热管理方案,压缩机转速采用模糊控制算法,基于变直冷负荷下压缩机转速标定,通过判断电池放电倍率及电池温度选择合适的压缩机转速对该热负荷进行冷却。利用Matlab完成模糊控制器的设计并进行在线仿真,证明其转速调控的合理性并将控制策略写入直冷热管理控制器。仿真典型路谱工况类比选用具有NEDC特征的一段实验工况,比拟为电池复现的实验工况,进行控制性能分析,验证实验工况下直冷模糊变压缩机转速控制特性,该结构又与定压缩机转速实验工况的1200r/min和4000r/min进行比较分析。分析表明,模糊变压缩机转速控制方案在遏制电池大幅温升的同时,优化电池温差及节能降耗;而选用偏低压缩机转速不能有效防止电池温升,若选用偏高压缩机转速可以达到对电池快速冷却,但同时将造成直冷板表面温度过低,电池温度趋低能耗增加。数据表明模糊变转速方案电池纵向温差优化程度超30%,能源消耗低于高压缩机转速能耗的1/3。因此,合理适时的变压缩机转速控制策略可在抑制电池温升的同时,实现电池温度一致性优化和良好的节能降耗作用。