[发明专利]新能源汽车动力电池组液冷系统模糊滑模优化方法

权利要求书

1.一种新能源汽车动力电池组液冷系统模糊滑模优化方法，其特征在于：其步骤是：

S1、建立新能源汽车动力电池组液体冷却系统模型；

(1)建立动力电池组热模型：

动力电池总生热为：

其中，Q_c为动力电池总生热，Q_s为动力电池内部化学反应生热，Q_j,p为动力电池内阻生热，I为动力电池的负载电流，R₀为动力电池的内阻，T_b为动力电池的温度，为动力电池的熵热系数；

动力电池内阻R₀和温度的关系为：

其中，p₁、p₂、p₃为常数；

则动力电池的总生热为：

动力电池向周围冷却液传递的热量为：

Q_s＝hA_b(T_b-T_l) (4)

其中，Q_s为动力电池向冷却液传递的热量，h为传热系数，A_b为动力电池和冷却液的热交换面积，T_l为冷却液的温度；

对流换热系数h为：

其中，ρ为冷却液的密度，Pr_f为普朗特数，λ为冷却液的导热系数，L为冷却管道的当量直径；μ_f为管道内冷却液的动力粘度，μ_ω为近壁面冷却液的动力粘度，v为冷却液流速；

令动力电池向冷却液传递的热量Q_s为：

Q_s＝a₁A_b(T_b-T_l)v^0.8 (6)

动力电池热量的变化Q_b和动力电池温度T_b之间的关系为：

其中，c_b为动力电池的比热容，m_b为动力电池的质量；

则动力电池热量的变化和负载电流和冷却液流速的关系为：

令u＝v^0.8，液冷散热条件下的动力电池的热模型为：

第一个动力电池模组的热模型通过式(9)得到：

其中，T_b,1为动力电池组中第一个电池模组中动力电池的温度；

由能量守恒定律可知，冷却液从冷却管道入口到出口吸收的热量Q₁等于各个动力电池模组散失的热量Q₂，即：

Q₁＝Q₂ (11)

冷却液吸收的热量为：

Q₁＝ρc_hS_gv(T_l,n-T_l,1) (12)

其中，ρ为冷却液的密度，c_h为冷却液的比热容，S_g为冷却管道的入口面积，v为冷却液的流动速度，T_l,1为动力电池组中第一个动力电池模组中冷却液的温度，第一个动力电池模组中冷却液的温度等于动力电池组入口冷却液的温度，即T_l,1＝T_l，T_l,n为动力电池组中第n个动力电池模组冷却液的温度；

动力电池组中各个动力电池模组散失的热量为：

其中，Q_s,n为第n个动力电池模组散失的热量，T_b,n为第n个动力电池模组的温度；

相邻动力电池模组之间动力电池的温度是等幅递增的，相邻动力电池模组中的冷却液的温度也是等幅递增的，即：

令M＝(T_b,1-T_l,1)+(T_b,2-T_l,2)+…+(T_b,n-T_l.n)，得到：

动力电池组中第n个动力电池模组中冷却液的温度，即动力电池组出口冷却液温度为：

动力电池组中第n个动力电池模组单位时间散失的热量为：

其中，ξ＝2ρcSv^0.2+na₁A_b，η＝2ρcSa₁A_bv，

则动力电池组中第n个动力电池模组的温度为：

动力电池组热模型的输入为动力电池组的负载电流，冷却管道入口冷却液的温度和冷却液的流速，输出为动力电池组中每一个动力电池模组中动力电池的温度；

(2)建立水泵模型：

水泵的转动方程为：

其中，T_e是水泵的主动力矩，T_L是阻力矩，B是阻尼系数，ω是水泵转动的角速度，J是水泵转动惯量；

主动力矩和水泵控制电流i的关系为：

T_e＝K_ti (21)

其中，K_t为水泵转矩系数，i为稳态时绕组相电流；

转动力矩T_J为：

其中，GD²为飞轮惯量，n为水泵的转速，g为重力加速度；

冷却液的体积流量和水泵转速之间的关系为：

其中，为水泵的体积流量，V为水泵的容积，η_p为水泵容积系数；

水泵输出的冷却液的质量流量为：

其中，ρ为冷却液的密度；

冷却液的流速v为：

其中，S为水泵的出口截面积；

(3)建立板式换热器模型：

板式换热器的输入输出关系用函数形式来表示为：

其中，为经过动力电池组温度升高的冷却液，为对冷却液进行冷却的冷流体质量流量，冷流体为温度恒定的低温液体，T_hi为板式换热器入口冷却液的温度，T_ci为板式换热器入口冷流体的温度，T_ho为板式换热器出口冷却液的温度，T_co为板式换热器出口冷流体的温度；

板式换热器出口冷却液的温度变化ΔT_ho和入口的温度变化ΔT_hi、入口冷却液质量流量的关系为：

其中，α为冷流体的传热系数，F为板式换热器冷流体和冷却液的换热面积，c_h为冷却液的比热容，c_c为冷流体的比热容；

板式换热器输出的冷却液的温度T_ho为：

T_ho＝T_ho,0+ΔT_ho (28)

其中，T_ho,0为冷却液的初始温度；

(4)建立面向控制需求的动力电池组液冷系统模型：

设c₁＝K_t、c₂＝T_L、c₃＝B、c₄＝J、c₅＝ρ、c₇＝S、c₈＝c_h、c₉＝αF、c₁₆＝T_ho,0，c_i为常数，(i＝1…10,15,16)，动力电池组液冷系统模型的输入为控制电流i，其与水泵的角速度ω和输出的冷却液的质量流量m_h和冷却液流速v有如下关系：

其中，x₁＝ω，x₂＝m_h，x₃＝v；

水泵输出的冷却液质量流量x₂又作为换热器输入：

其中，x₄＝T_ho，x₅＝ΔT_hi；

板式换热器输出的冷却液的温度x₄和水泵输出的冷却液流速x₃进而影响动力电池组的温度：

电池液冷系统的输入控制电流i，通过调节冷却液的流速x₃，对液冷系统的输出量电池温度x₆进行调节；

S2、水泵参考转速ω_r求解：

水泵的参考转速通过PID控制器求解，PID控制器求解水泵的参考转速如下：

其中，ω_r为PID控制器求解的水泵参考转速，K_p、T_i、T_d分别为PID控制器中的比例、积分和微分环节的系数，e(t)为根据动力电池组设定的目标温度T_br和实际温度T_b的偏差；

S3、动力电池组液冷系统模糊滑模优化方法设计；

水泵转动的角速度x₁与控制电流i之间的关系为：

模糊指数趋近律为：

其中，δ、k是根据水泵转动角速度偏差变化的数值，通过模糊算法进行确定；α₁和α₂为常数，可以根据电池液冷系统的实际控制需求选取；

令状态量

其中，x₈为水泵转速偏差；x₉为水泵转速偏差的导数；ω_r为水泵参考转速；ω为水泵实际转速；

对式(35)进行微分得到：

选取积分型滑模面切换函数：

s＝x₈+c∫x₈dt (38)

对式(38)进行微分，可得：

将式(33)和(37)带入(39)得到：

将式(34)和式(40)联立得到控制电流i为：

对动力电池组液冷系统模糊滑模优化方法进行李雅普诺夫稳定性判据有：

其中，α₁和α₂大于0，由模糊控制规则可知，δs≤0；

因为α₁δs-α₂ks²≤0，由李雅普诺夫稳定性判据可知，系统稳定。