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原文传递提升混合动力电池寿命的主动热管理及能量管理系统研究

论文题名：	提升混合动力电池寿命的主动热管理及能量管理系统研究
关键词：	混合动力汽车;电池热管理系统;能量管理系统;控制策略
摘要：	混合动力技术因节能减排作用明显，是我国汽车行业实现“双碳”战略目标的关键技术路线之一。混合动力汽车在不断提高节油率的同时，还希望动力电池与整车同寿命。本文针对一款具有多种工作模式的功率分流式混合动力汽车，以降低整车油耗、延缓电池衰减为目标，围绕电池循环寿命与整车应用的内在影响关系，开展了电池热管理和整车能量管理方面的主动控制策略研究。　　（1）通过电池寿命研究提出电池热管理和整车能量管理目标。　　针对混合动力汽车的工况特点，提取了包含电池温度、荷电状态(State of Charge,SOC)、放电深度(Depth of Discharge,DOD)、有效电流在内的电池循环寿命影响特征参数，制定了正交矩阵循环寿命试验方案。通过试验周期内定期的电池性能测试和试验结束后进一步的理化分析，得到了各种特征参数对电池寿命的影响及寿命衰减的电化学机理，并提出了电池系统热管理目标以及基于荷电状态、功率状态(State of Power,SOP)、健康状态(State of Health,SOH)等状态参数的能量管理主动控制要求。　　（2）基于液冷方案设计兼顾温度和温差控制的电池热管理系统。　　针对高倍率圆柱形镍氢电池，对镍氢电池工作时的生热和传热过程进行了详细的分析。设计了一款由蛇形扁管支路并联的液体冷却结构，建立了冷却回路水头损失与冷却剂流量之间的数学关系，在电池的生热模型以及电池界面到冷却液的一维传热模型基础上，计算得到了不同位置的电池温升和温差分布。综合研究了冷却回路主支路横截面比δ对流量偏差β和温度偏差Tdiff的影响，以及管路内支撑壁数N对最高温度Tmax和管道压降Δp的影响，提出了一种兼顾性能和工程实现的液体冷却热管理系统，相较于第一代风冷系统将冷却能力大幅提升。在此基础上，对不同边界条件下电池整包的最高温度和温差分布进行了仿真分析，并通过试验验证了仿真结果的正确性，为制定电池管理系统(Battery Management System,BMS)主动热管理控制策略提供了基础数据。　　（3）制定电池主动热管理控制策略，并实时估算和监控电池状态。　　基于二阶RC等效电路模型设计了SOCi与SOCv相结合的融合SOC估算方法，避免了卡尔曼滤波、神经网络等算法的运算复杂度和许多的待定参数，又能确保估算结果的合理精度，使算法能更好地实时快速投入嵌入式工程应用场景；在功率查表法和端电压实时计算法基础上，追溯电池历史平均功率影响和特殊情况下的功率限制，设计了基于多约束条件下的电池SOP可用功率估算方法；基于标准循环工况的电池寿命加速老化试验数据，建立了半经验寿命模型。在此基础上，利用累计安时将随机工况等效转化为标准循环数，并对温度、放电倍率、DOD深度采用移动平均值等效，从而设计了用于实时随机工况的电池循环寿命SOH的估算方案；建立了基于基尔霍夫等效电路热模型的电池内部及表面温度的在线预测模型，制定了兼顾控制电池最高温度和电池间温差的主动热管理模糊控制策略，使每个电池的温度始终维持在最佳的温度范围内；通过不同路径的冗余策略实现了绝缘漏电、车辆碰撞、高压短路、高温起火四种功能安全目标，以及针对SOC、SOP和SOH三个关键控制量的状态监控，有效保证了BMS上报状态的准确性和自主处理的主动性，并符合ISO26262的功能安全要求。　　（4）基于电池实时反馈状态制定整车自适应能量管理策略。　　建立了四轴功率分流混合动力系统动力学方程和功率平衡方程，设计了基于规则(Rule Based,RB)的工作模式切换策略；在准确估算电池状态的基础上，以电池功率精确受控为目标，设计了基于SOC反馈的A-ECMS(Adaptive-Equivalent Consumption Minimization Strategy)自适应能量主动管理策略，实现了发动机最佳工作点优化和电池SOC平衡两个控制目标，兼顾电池寿命和燃油经济性。该策略基于系统机械功率和电气功率平衡方程，预先计算高压部件的消耗功率、旋转件的转动惯量消耗功率、变速箱阻力消耗的功率和变速箱的驱动功率，再匹配发动机功率，并以燃油消耗最少为目标对功率分配进行微调和对发动机工作点进行优化。该A-ECMS可以满足实时嵌入式计算，而不需要离线计算后再依赖于工程标定调整。结果表明，相对于传统的RB+ECMS策略，基于功率优先和SOC反馈的A-ECMS能量管理策略可将DOD波动范围减少44.3%，等效因子接近系统最优解，达到了预先设定的优化控制效果。　　联合仿真和实车试验表明系统控制策略在达到总体节油目标的同时实现了对电池功率和荷电状态的精确控制，主要部件的仿真曲线与试验曲线基本吻合，工作点分布基本一致，关键指标的偏差在5%以内。混合动力汽车公告油耗为5.41L/100km，相对于原型车节油率达到31%，并能将SOC保持在9.8%的DOD波动范围以内。电池系统一次性无维护地通过23万公里实车耐久考核，累计充放电86150Ah，使用寿命达到80%DOD标准循环工况的两倍以上。耐久试验后电池模块间的OCV最大偏差0.129V，容量衰减2~15%之间，内阻增加0.97mΩ，相关指标仍在合理值范围，电池性能一致性较好。该结果证明系统控制策略很好的保护了电池，未出现电池过充过放状况；电池热管理系统使得电池工作在最佳的温度环境中，保持了电池的良好状态，延长了电池的寿命。所得研究成果对于其他类型电池的寿命衰减研究、冷却系统设计、电池系统管理，以及不同构型混合动力系统的集成和控制，同样具有一定的指导意义。
作者：	储爱华
专业：	动力机械及工程
导师：	袁银男
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022