电动汽车用锂离子电池组温升控制策略研究

李飞飞

（运城职业技术大学，山西 运城 044000）

电动汽车用锂离子电池组温升控制策略的研究背景如下：随着城市化进程的不断推进与经济社会的迅速发展，大量消耗能源所造成的废气污染以及能源紧缺等问题已经严重影响到了社会整体发展与人们的实际生活品质。因此环保低碳经济成为各领域创新与开发的重要目标，而电动汽车凭借其自身具备的多种优势迅速成为很多人出行的新选择[1]。作为一种新能源汽车，其使用的电池主要是锂离子电池组，锂离子电池组具备低自放电率、高比能量、高电压平台等特征，然而锂离子电池组一直存在热失控问题，影响了其整体性能。为了解决该问题，需要制订电动汽车用锂离子电池组温升控制策略。国内外对于电动汽车用锂离子电池组温升控制策略的研究都十分重视，国外有学者提出一种基于储能系统的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略；国内有学者提出一种基于寻优算法的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略。

由于在利用以上策略进行电动汽车用锂离子电池组温升控制时，在电池组的实际充电功率为30kW到40kW的范围内，存在最大温度上升值过大的问题，因此提出一种新的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略。

1 设计电动汽车用锂离子电池组温升控制策略

1.1 构建锂离子电池组对应热模型

基于生热率模型构建电动汽车用锂离子电池组对应热模型。其中生热率模型具体如下式所示：

式（1）中Qc代表电动汽车用锂离子电池组的实际产热；EOCV代表锂离子电池组的对应开路电压；R代表锂离子电池组的实际内阻，包括极化内阻与欧姆内阻；Tbat代表锂离子电池组的实际温度；代表锂离子电池组的对应温度系数；I代表锂离子电池组的实际电流；E代表锂离子电池组的实际电压[2]。

对于公式（1）而言，I2R代表电动汽车用锂离子电池组中的那些不可逆热；而则代表锂离子电池组中的那些可逆热，由于这些可逆热非常微小，因此对其忽略不计，在构建电动汽车用锂离子电池组对应热模型时仅对不可逆热进行考虑。

根据温度变化时锂离子电池组中欧姆内阻的变化曲线获取温度和欧姆内阻之间的关系式，具体如下式：

式（2）中R0代表欧姆内阻。

基于上式构建电动汽车用锂离子电池组对应热模型，具体如下式所示：

式（3）中Qcom代表对流散热的实际热量；h代表对流传热系数；Abat代表锂离子电池组实际表面积；Tair代表空气温度[3]。

其中对流传热系数的具体计算公式如下：

式（4）中ρα代表空气密度；L代表锂离子电池组中两个相邻电池之间的距离；D代表锂离子电池组具体厚度；μ代表空气粘度；Prw代表电池组表面空气的对应普朗特数；Pr代表人风口处空气的对应普朗特数；v代表风速；ka代表空气导热系数。

式（4）中各个参数的具体取值如表1所示。

表1 各个参数的具体取值

1.2 锂离子电池温升预测

基于构建的电动汽车用锂离子电池组对应热模型对电动汽车用锂离子电池组实施温升预测。以能量守恒定理为依据获取入风口至出风口空气的总吸收热量，具体如下式所示：

式（5）中Tair,n代表第n块电池周围的空气温度；Tair,1代表初始环境温度；ca代表空气比热容；Sa代表入风口面积；Q散热代表入风口至出风口空气的总吸收热量；Tbat,i代表代表第i块锂离子电池的实际温度；Tair,i代表第i块锂离子电池周围的空气温度。

根据电池组的具体排列，具体如图1所示，将电池周围温度的递增幅度假设为等幅。并根据上式获取第n块电池周围的空气温度，从而计算第n块电池的实际温度。

根据计算结果，在Matlab中利用电动汽车用锂离子电池组对应热模型对各电池的温升进行预测。

1.3 锂离子电池组温升控制

根据锂离子电池温升预测结果，构建一个电动汽车用锂离子电池组温升控制模型，实现锂离子电池组的温升控制。构建的电动汽车用锂离子电池组温升控制模型为一种多目标控制模型，具体如下式：

式（6）中f(x)代表电动汽车用锂离子电池组温升控制总体的目标函数；f1(x)代表发动机分配功率；f2(x)代表总发动机耗油量；f3(x)代表回收电池的对应制动能量；Ω代表控制约束条件。

2 实验验证

2.1 实验设计

对设计的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略进行实验验证。实验中的电动汽车用锂离子电池组中共包含八块锂离子电池。利用设计的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略对该电动汽车用锂离子电池组进行温升控制实验。在实验中获取电池组实际充电功率为30kW到40kW范围内的最大温度上升值数据作为实验数据。为避免实验结果过于单一，将两种原有策略作为实验中的对比策略，包括基于储能系统、基于寻优算法的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略。分别利用这两种策略对实验电动汽车用锂离子电池组进行温升控制，并获取该充电功率范围内的最大温度上升值数据作为对比实验数据。

2.2 实验结果分析

设计的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略与原有策略的最大温度上升值实验数据对比结果如表2所示。

表2 最大温度上升值实验数据对比结果

根据表2的最大温度上升值实验数据对比结果可知，设计的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略的最大温度上升值低于基于储能系统、基于寻优算法的电动汽车用锂离子电池组温升控制策略。

3 结束语

电动汽车用锂离子电池组温升控制策略实现了最大温度上升值的降低，对于电动汽车用锂离子电池组热失控问题的解决有很大意义。