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原文传递锂离子动力电池低温特性与整车热管理系统协同控制研究

论文题名：	锂离子动力电池低温特性与整车热管理系统协同控制研究
关键词：	纯电动汽车;锂离子动力电池;低温特性;热管理系统;协同控制
摘要：	随着能源短缺及环境污染问题的日益严重，以纯电动汽车为代表的新能源汽车成为当今汽车行业发展的重要方向。然而，低温环境下，锂离子动力电池性能衰减严重导致纯电动汽车低温环境适应性变差、续驶里程大幅降低、快充速度及能效明显下降，严重影响了整车的示范推广和产业化应用。系统突破和掌握新能源汽车热管理关键技术，有效提升锂离子动力电池低温适应性，切实保障整车关键部件运行性能与乘员舱热舒适性已成为新能源汽车领域的研究热点之一。因此，从机理上探索低温环境下锂离子动力电池的性能变化，面向整车不同应用场景开展以环境适应性提升为目标的热管理系统协同控制技术研究，是现阶段促进新能源汽车产业化发展的重要技术路径。　　本文聚焦纯电动汽车低温工况热管理系统关键控制技术研究，首先从理论和实际角度对锂离子动力电池低温性能衰减机理及其充放电特性进行分析，为热管理系统合理控制提供了理论支撑；而后，根据整车低温热管理需求，设计了一种集成式热管理系统结构方案并搭建了仿真模型，对低温行驶和低温快充工况下整车性能进行了仿真与试验研究；在此基础上，提出了一种低温行驶工况下温度-电流协同调节的热管理系统控制方案，开发了相应控制策略，可在保障乘员舱热舒适性的同时减缓电池寿命衰减速率；针对低温快充工况，提出了一种热管理系统多阶段加热控制策略，并采用遗传算法进行了控制策略优化，实现了整车快充综合能效的提升。本文的具体研究内容如下：　　（1）锂离子动力电池低温性能衰减机理分析。在对锂离子动力电池工作原理深入研究的基础上，搭建电池电化学-热-老化机理耦合模型，从微观的角度分析低温充放电过程中电池内部固、液相离子浓度变化、电势变化及老化机理等，并对电池低温宏观特性变化进行解释，为后续仿真模型搭建及低温下热管理系统控制策略的研究奠定理论基础。　　（2）锂离子动力电池低温特性试验与建模研究。在对电池低温性能衰减机理分析的基础上，通过试验手段对电池低温特性进行研究，从宏观角度重点分析电池低温下容量、开路电压以及内阻的变化情况。在此基础上，为满足整车仿真与实际应用需求，综合考虑低温下电池特性，搭建适用于低温工况的锂离子动力电池模型，并通过试验验证模型精度，为后续热管理系统仿真及控制策略开发提供必要的研究手段。　　（3）整车热管理系统建模与仿真分析。以低温环境整车热管理需求及各部件生热、传热特性为基础，对某型纯电动汽车及其热管理系统进行模型搭建，通过试验验证模型精度，并对不同应用场景下整车性能进行分析。在此基础上，提出一种集成式热管理系统结构方案以实现电机余热的充分利用，从而解决原有热管理系统结构能量综合利用率低的问题。通过仿真与试验，验证所提出热管理系统结构的优越性，为后续热管理系统控制策略开发提供控制基础。　　（4）低温行驶工况热管理系统控制策略研究。在对低温行驶工况热管理系统性能与电池寿命衰减特性进行综合分析后，提出一种温度-电流协同调节的热管理系统控制方案，并基于模糊控制理论对控制策略进行开发。所提出的策略在对热管理系统加热功率控制的过程中，综合考虑乘员舱制热需求与电池电流，能够在满足乘员舱温度调节需求的同时对电池电流“削峰填谷”，从而减少低温行驶过程中的电池寿命衰减。通过仿真手段对所提出控制策略的可行性和有效性进行了验证，结果表明，相比原有策略，所提出的控制策略能够在保障乘员舱热舒适性的前提下减少3.02%~3.59%的电池寿命衰减。　　（5）低温快充工况热管理系统控制策略研究。针对低温快充工况热管理系统能耗与充电时间难以兼顾的技术难题，对工况下系统加热与电池充电性能进行深入研究，提出一种热管理系统多阶段加热控制策略以实现加热与充电过程的协同控制。在此基础上，以充电时间与加热能耗作为优化目标，基于遗传算法对控制策略进行多目标优化，提出了能够兼顾充电速度和综合能效的热管理系统最优控制策略。相比仅关注充电时间的热管理系统控制策略，所提出的策略能够在保障充电时间基本一致的情况下，降低11.61%的系统加热能耗并提升1.2%的充电效率。　　本文以电池低温特性与热管理系统性能为基础，面向纯电动汽车关键应用场景有针对性的开发热管理系统控制策略，实现了热管理系统加热与电池充放电过程的协同控制，为综合提升纯电动汽车低温环境适应性提供了一种技术途径。
作者：	张照普
专业：	车辆工程
导师：	闵海涛
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022