重卡辅助动力电池加热系统能耗对比及优化_赵立禹.pdf
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1、第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology重卡辅助动力电池加热系统能耗对比及优化赵立禹1,孙桓五1,2,刘世闯1,闫志远1(1太原理工大学机械与运载工程学院;2太原理工大学煤炭资源开采利用与装备工程国家级实验教学示范中心,山西 太原 030024)摘要:清洁能源的重卡汽车因其零排放、长续航等特性近年来得到了迅速发展,其动力驱动配置多采用燃料电池为主动力电池为辅的形式。低温环境下,重卡辅助动力电池性能衰减不足以承担辅助动力源削峰填谷的重担。因此,加热辅助动力电池使其恢复
2、充电放电性能对重卡汽车应对寒冷环境显得尤为重要。本工作以方形磷酸铁锂电池组为研究对象,通过实验测试单体磷酸铁锂电池10、0、10、20 的放电工况,得出电池的低温热特性,建立单体电池的热模型并验证其模型有效性。基于该模型提出了一种以石墨烯加热膜为主要热源,整车车载热源余热为辅助热源的加热升温系统。同时,为了降低该加热系统能耗,基于传热原理建立了电池加热系统线性时变模型预测控制器(MPC)。结果表明,重卡在C-WTVC的行驶工况下,电池加热系统通过换热器利用车载热源余热能够提升动力电池组升温速率,使用加热膜和换热器的加热系统比传统PTC加热系统能耗降低了30%。采用MPC控制策略的加热系统比PI
3、D控制的加热系统能耗降低了14%。关键词:氢燃料电池重卡;锂离子电池;低温加热方法;模型预测控制doi:10.19799/ki.2095-4239.2022.0598 中图分类号:TM 912 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(XXXX)XX-1-09Energy consumption comparison and optimization of auxiliary power-battery heating system of heavy truckZHAO Liyu1,SUN Huanwu1,2,LIU Shichuang1,YAN Zhiyuan1(1College of
4、Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology;2National Demonstration Center for Experimental Coal Resource and Mining Equipments Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China)Abstract:In recent years,clean-energy heavy trucks have undergone rapid devel
5、opment because of their zero emission,long endurance,and other suitable characteristics.In addition,their fuel cells serve as their auxiliary power cell.In low-temperature environments,the performance degradation of auxiliary power batteries of heavy trucks is insufficient to bear the role of the au
6、xiliary power source in peak shaving and valley filling.Therefore,to cope with cold environments,heavy trucks should consider heating the auxiliary power battery to recover their charge and discharge performance.In this paper,a square lithium-iron phosphate battery pack was considered as the researc
7、h object,and the discharge conditions of a single lithium-iron phosphate battery at-10,0,10,and 20 were tested through 储能系统与工程收稿日期:2022-10-17;修改稿日期:2023-01-08。基金项目:山西省科技重大专项项目(20181102009)。第一作者:赵立禹(1995),男,硕士研究生,研究方向为燃料电池重卡动力系统热管理,E-mail:zly_liyu_;通讯作者:孙桓五,博士,教授,博士生导师,研究方向为现代汽车设计,E-mail:。引用本文:赵立禹,孙桓
8、五,刘世闯,等.重卡辅助动力电池加热系统能耗对比及优化J.储能科学与技术,2023,12(4):1139-1147.Citation:ZHAO Liyu,SUN Huanwu,LIU Shichuang,et al.Energy consumption comparison and optimization of auxiliary power-battery heating system of heavy truckJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1139-1147.2023 年第 12 卷储能科学与技术experimen
9、ts.The low-temperature thermal characteristics of the battery were obtained;a single-battery thermal model was established,and its effectiveness was verified.Based on this model,a dual-heat source heating system was proposed,in which the graphene heating film was the main heat source and the waste h
10、eat of the vehicle-mounted heat source was the auxiliary heat source.A linear time-varying model predictive controller(MPC)was established based on the heat transfer principle to reduce energy consumption of the battery heating system.The results show that,under the driving condition of the China-wo
11、rld transient vehicle cycle,the battery heating system can improve the heating rate of the power battery pack using the waste heat of the vehicle-mounted heat source through the heat exchanger.By using the heating film and heat exchanger,the heating system can increase the energy efficiency by 30%co
12、mpared with the traditional PTC heating system.The heating system with MPC control strategy has 14%higher energy efficiency than that with the proportional-integral-derivative control.Keywords:hydrogen fuel cell heavy truck;lithium ion battery;low temperature heating method;model predictive control近
13、年来,能源需求的增加和燃油汽车产生的温室气体排放问题,使得发展和利用清洁能源成为当务之急。而在各类车型的氮氧化物排放物和微粒物排放物中,重型货车分别占比74%和52.4%1,因此,清洁的氢燃料电池重卡汽车是当前的研究热点2-4。目前,行业内多采用氢燃料电池和辅助动力电池并列驱动形式的重卡汽车5-6。锂离子电池作为氢燃料电池重卡的辅助动力源需要对燃料电池进行能量的补充和回收,电池两端电流变幅大、倍率大,如图1(a)所示。而低温环境下,锂离子电池充电放电性能差,制约着重卡的动力性,同时辅助动力电池间歇性工作,产热量小不足以达到正常工作所需的温度,如图1(b)所示,且低温下持续充放电会使锂电池性能恶
14、化7。考虑到重卡工作环境复杂且对电池的高安全要求,如何在严寒环境下维持锂离子电池的工作温度,同时保证整车动力性、经济性是亟待解决的问题。目前,电池组的加热方式主要分为内部加热和外部加热两种8。内部加热是对电池两端通电产生的焦耳热来加热电池。文献9研究了不同交流频率对电池加热的影响,在1337 Hz的交流激励下加热电池338 s温度从-15.4 上升到5.6;文献10用双向电流脉冲对锂电池进行了预热,该方法能降低20%的能耗;文献11研究了锂电池低温脉冲自放电加热的方法,在SOC大于80%时电池加热用时200 s温度从-10 达到了20。内部加热虽然能高效地加热电池,但在选择交流频率和电流幅值等
15、参数依然存在问题,保证快速加热的同时减少对0300600900120015001800-200-150-100-50050100150200250电流/A时间/s(a)电池电流0300600900120015001800-10-50510温度/时间/s(b)电池温度 单体 成组图1C-WTVC工况影响下重卡辅助动力电池的电流与温度Fig.1Current and temperature of auxiliary power battery under the influence of C-WTVC working condition of heavy truck1140第 4 期赵立禹等:重卡
16、辅助动力电池加热系统能耗对比及优化电池寿命的影响以及电池自加热的安全性是不可兼得的12。外部加热目前主要使用的加热源是PTC加热、热泵空调加热和加热膜加热等13。PTC加热器具有热阻小、换热效率高等优点,其加热电池需通过气体或液体等中介传热源,热能损失多,冬季运行能耗加剧,降低了汽车的行驶里程。热泵空调加热是将周围环境的热量吸收转移到车内释放,获得的热量大于其消耗的电能,是一种高效的加热装置,但是随着温度的降低,热泵空调的能效也会显著降低,一方面是温度降低换热量降低,另一方面是热泵空调在寒冷环境下车外换热器结霜后不能有效吸收热量,甚至无法提供制热功能14-15。而石墨烯加热膜加热具有发热迅速、
17、温升均匀的特点,其工作温度范围广,适应低温环境,且加热膜侧置于电池表面直接加热电池,热量损失小,同时石墨烯柔性加热膜还可根据电池或者模组的结构任意弯曲,是一种非常适合电池加热的外部加热源16-17。对重卡辅助动力电池组而言,外部加热更能保证其安全性,同时也要考虑加热效率和能耗,虽然目前在电池加热方式和加热策略上有很多研究,但是大多数并不适用于间歇性充放电工作的动力电池。基于这些问题,本工作以石墨烯加热膜直接加热和整车余热间接加热的方法解决电池低温加热效率低、浪费能量等问题,并研究了不同加热策略对电池温升效率的影响。1 模型与方法1.1电池模型建立本工作选用某品牌3.2 V/50 Ah的方形磷酸
18、铁锂电池,电池信息见表1。1.1.1电池电特性模型等效电路模型是一种不考虑电池内部化学成分及相应的化学反应,根据电池的电特性,由电源、电感、电阻和电容构建的与电化学反应模型电特性一致的模型,本工作采用二阶RC电路模型,模型如图2所示。图中,Uocv为开路电压,Uo为端电压,Up为电化学极化电压,Us为浓差极化电压,Ro为欧姆内阻,Rp为电化学极化内阻,Rs为浓差极化电阻,Cp为电化学极化电容,Cs为浓差极化电容,根据图2可得变量解析式如式(1)。|Uo()t=Uocv-I()t Ro()t-Up()t-Us()tdUp()tdt=-Up()tRp()t Cp()t+I()tCp()tdUs()
19、tdt=-Us()tRs()t Cs()t+I()tCs()t(1)1.1.2电池电热耦合模型电池的产热主要分为3部分:化学反应产热、浓度差异产热、欧姆产热,其中浓度差异产热是由电池充放电过程中物质转移产生的,欧姆产热是由带电粒子的焦耳效应产热。因此可将电池的产热表示为Q=QJ+QP+QS=I2RO+I2RP+I2RS-IT(dUocvdt)(2)假设电池产热均匀,电池温度分布均匀,可将电池建立为集中参数热学等效电路模型,如图3所示。表1磷酸铁锂电池性能参数Table 1Performance parameters of lithium iron phosphate battery参数额定容量
20、/Ah工作电压/V内阻/m最佳充放电温度/最大持续放电电流/A最大允许充放电温度/数值502.53.62110353 C-1055 RpRsRoCpCsUocvIUoUp+-+-Us图2二阶RC模型Fig.2Second order RC model PbCb电池TRT环境Ta图3集中参数热学等效电路模型Fig.3Centralised parametric thermodynamic equivalent circuit model11412023 年第 12 卷储能科学与技术其中,Pb为电池产热功率,Cb为电池热容,T为电池温度,RT为电池与外界环境热交换的等效电阻,因此电池热模型可描述为
21、Pb(t)=CbdT()tdt+T()t-Ta()tRT(3)将电池的电模型与热模型耦合,如图4所示。当电池有电流通过时,可根据电模型得到电池的端电压Uo和产热功率Pb,再根据电池的热模型可以推导电池的温度,而温度的变化又会影响电池电模型的电压和产热功率,因此了解电池电模型与热模型的耦合关系是研究电池加热系统的基础。1.2加热膜模型建立石墨烯加热膜是一种高导电、高导热的加热材料,加热膜的加热元件布置与等效电路如图5所示。加热元件的电阻为 R=B/ah,其中 为电阻率,a、b、h分别为宽度、长度、厚度,c为加热元件间隔长度,根据并联电路的计算公式,并联电阻的阻值等于各分路电阻的倒数之和,可以得到
22、加热膜的等效电阻Rz计算公式:R-z=1N1R=ha+cabA(4)再由加热膜两端的加热功率P、加热电压U和电流I即可推导出单条加热元件加热热通量:q=PN=I2RzNabh(5)1.3有效性验证电池的参数通过混合功率脉冲特性(hybrid pulse power pharacteristic,HPPC)实验测试获取,通过对电池两端进行脉冲放电,记录电池在测试流程中的电流与电压值,获得不同SOC下电池充放电内阻。实验数据的采集和获取在电池测试平台上进行,该平台由锂电池综合测试仪、高低温试验箱、32路温度采集仪和上位机组成。电池测试实验台如图6所示。电池二阶等效电路模型电池集总参数热学等效电路模
23、型SOCI产热功率TUoTaPb图4锂离子电池电热耦合模型Fig.4Electrothermal coupling model for lithium-ion batteries电极加热元件(a)加热元件布置(b)等效电路BAabc UIRNR2R1图5加热膜加热元件布置与等效电路Fig.5Heated film heating element arrangement and equivalent circuit diagram图6电池测试实验台Fig.6Battery test bench1142第 4 期赵立禹等:重卡辅助动力电池加热系统能耗对比及优化为了证明单体电池的模型准确性,需仿真条
24、件与实验条件相一致,比较1 C倍率放电的仿真结果与实验数据。图7为仿真与实验结果的对比,数据显示仿真条件下的电池温升趋势与实验数据基本一致,同一时刻温度误差始终在0.5 以内。因此,本工作建立的电池模型有效。2 电池加热策略2.1系统构型考虑到使用单一加热手段能耗较高,本工作将石墨烯加热膜作为主加热源,当电池组温度较低有加热需求且整车车载热源有足够余热可以利用时,通过换热器引入燃料电池和驱动电机的余热加热电池组,构建如图8所示的加热系统。其中,电池组模块共由567节单体电池,3条支路组成,加热模块为电池与电池之间添加石墨烯加热膜加热,换热模块由换热器和氢燃料电池换热回路以及驱动电机换热回路组成
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