一種新能源汽車熱管理控制方案與策略開發(fā)
加入技術(shù)交流群
王春麗，肖小城，倪紹勇，沙文瀚，陸? 訓(xùn)，周? 旗 (奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司?新能源研究院，安徽?蕪湖?241000)
摘? 要：本文介紹了一種新能源汽車的熱管理系統(tǒng)的方案，并闡述了各關(guān)鍵零部件在汽車中所起的重要作用。 重點介紹了熱管理系統(tǒng)的基本功能及其在控制上的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：新能源；熱管理系統(tǒng)；控制策略
0 前言
對于新能源汽車而言能耗是一項極其關(guān)鍵參數(shù)，動 力電池的充放電效率，驅(qū)動電機的熱損耗，以及高壓負 載的熱性能都是影響能耗的重要因素，而新能源汽車熱 管理系統(tǒng)能夠影響整車的動力性能以及經(jīng)濟性，以及能 耗，因此好的熱管理系統(tǒng)方案以及熱管理控制策略能夠 降低能耗，提高電池的放電性能，延長續(xù)航，同時提高 驅(qū)動系統(tǒng)的效率，同時隨著人們對新能源汽車大續(xù)航里 程的需求，動力電池的液冷也成為必然，因此新能源汽 車熱管理系統(tǒng)方案以及控制策略就成為工程師研究的 重點。
1 系統(tǒng)控制方案
該熱管理系統(tǒng)包括對整車四大模塊，電池放電熱管 理模塊，乘員艙熱管理模塊，驅(qū)動系統(tǒng)熱管理模塊，充 電熱管理模塊。
經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢如下。
1）：保證各系統(tǒng)工作在最優(yōu)溫度點，提高系統(tǒng)輸 出效率；
2）：電池系統(tǒng)可以不受地域，環(huán)境溫度影響，高 性能功率輸出；
3）：充電系統(tǒng)最高效率充電，縮短充電時間；
動力性方面：
1)：驅(qū)動系統(tǒng)始終工作在最優(yōu)溫度點，整車不受環(huán) 境溫度影響，保證滿足客戶的功率需求；
1.1 電池?zé)峁芾砟K
電池?zé)峁芾砟K實現(xiàn)電池系統(tǒng)的冷卻與加熱功能。
1.1.1 電池系統(tǒng)冷卻
電池系統(tǒng)的冷卻利用壓縮機的空調(diào)制冷功能通過 chiller實現(xiàn)熱交換功能，帶走電池的熱量，實現(xiàn)電池系 統(tǒng)的冷卻。
電池包水路布置采用四進一出的水循環(huán)，電池包的 出口有出水口水溫傳感器，四路輸入口位置各有一個入 戶水口水溫傳感器，1、2、3、4各有一個比例閥，比例 閥可調(diào)節(jié)開度，調(diào)整四路水流量，保證電池單體的溫升 一致性。
出水口溫度Tout，進水口1的溫度Tn1，進水口2的溫 度Tin2，進水口3的溫度Tin3，進水口4的溫度Tin4，電池包 內(nèi)水路1目標(biāo)需求溫度Treq1，電池包內(nèi)水路2目標(biāo)需求溫 度Treq2，電池包內(nèi)水路3目標(biāo)需求溫度Treq3，電池包內(nèi)水 路4目標(biāo)需求溫度Treq4。
系統(tǒng)壓縮機需求功率
式中：Kbattery 為電池包平均熱比例系數(shù)，根據(jù)系統(tǒng) 標(biāo)定可調(diào)整；b為預(yù)設(shè)功率值；Pbattery >0說明電池系統(tǒng)有 冷卻需求，系統(tǒng)主控制單元開啟壓縮機，設(shè)定以Pbattery 功率輸出，chiller的電子比例閥2開啟最大開度。
其中，比例閥1開度值COV1，比例閥2開度值 COV2，比例閥3開度值COV3，比例閥4開度值COV4 設(shè)定：
式中：bcov1、bcov2、bcov3 、bcov4為比例閥1、2、3、4 初始設(shè)定值；KCOV1、KCOV2、KCOV3、KCOV4為四個水路熱 比例系數(shù)。
主控單元控制導(dǎo)通閥3開啟，導(dǎo)通閥1關(guān)閉，導(dǎo)通閥 2關(guān)閉，水泵2最大開度持續(xù)工作。
1.1.2 電池系統(tǒng)加熱
電池系統(tǒng)的加熱利用開啟導(dǎo)通閥2，加熱過水 PTC，水泵3實現(xiàn)水路循環(huán)，電池系統(tǒng)加熱需關(guān)閉導(dǎo)通 閥1、導(dǎo)通閥3，防止水流向其他回路。
系統(tǒng)制熱需求功率：
式中：Kptc過水加熱器的熱容比；bptc預(yù)設(shè)功率值； 其中，比例閥1開度值COV1，比例閥2開度值 COV2，比例閥3開度值COV3，比例閥4開度值COV4。 設(shè)定：
1.2 乘員艙熱管理模塊
乘員艙熱管理模塊實現(xiàn)電池系統(tǒng)的冷卻與加熱 功能。
1.2.1 乘員艙制冷
乘員艙制冷回路包括：壓縮機、HVAC、膨脹閥、 冷凝器以及壓力開關(guān)等等。
壓力開關(guān)用于控制冷卻風(fēng)扇的速度調(diào)節(jié)。主控單元 控制Chiller熱交換器處于關(guān)閉狀態(tài)。
（1）壓縮機的轉(zhuǎn)速控制：
空調(diào)控制單元通過對設(shè)定溫度、車內(nèi)溫度、環(huán)境溫 度、陽光強度進行采集，計算出車內(nèi)所需要求的控制溫 度信息，最終確定模式風(fēng)門、溫度風(fēng)門、鼓風(fēng)機風(fēng)速、 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門位置，從而達到出風(fēng)溫度TD的控制。
式中：Tset 為設(shè)定溫度,即默認(rèn)溫度旋鈕位置；Tin 為 室內(nèi)溫度；K1 為設(shè)定溫度偏差增益，以設(shè)定25℃為基 準(zhǔn)，控制升溫和降溫的水平；K2為室內(nèi)溫度偏差增益， 控制升溫和降溫至25℃的水平；K3 為外界溫度補償偏 移，不同的外溫進行不同的外溫補償；K4 :日照量補償 偏移，不同的外溫進行不同的陽光補償；OFFSET :固 定常數(shù)，越小，制冷性能越強；越大，采暖能力越強， 暫取117。
各參數(shù)取值：K1取值：8；K2取值：10
取值方式：K1、K2在（Tamb-5，Tamb+5）區(qū)間內(nèi)進 行取值。當(dāng)溫度在兩個區(qū)間的臨界值時，取進入該溫度的區(qū)間前對應(yīng)值。
K3取值如下表：
K4取值： K4=Kamb*Ksun，Kamb陽光補償系數(shù)；Ksun陽光補償 基值 陽光補償值與外溫和陽光輻射強度有關(guān)，不同輻照 度對應(yīng)陽光傳感器端電壓V和Ksun的關(guān)系如下：
Tamb=20℃
不同的外溫下，陽光補償系數(shù)按下表執(zhí)行：Kamb的 取值方式與K1、K2相同。
當(dāng)TD值≥140時，控制壓縮機關(guān)閉；當(dāng)TD值≤135 時，控制壓縮機開啟；在回差區(qū)間時，保持上一狀態(tài)；
1.2.2 乘員艙制熱
乘員艙制熱回路通過控制過水PTC輸出功率加熱 水，開啟導(dǎo)通閥1，關(guān)閉導(dǎo)通閥2，關(guān)閉導(dǎo)通閥3，關(guān)閉 chille，調(diào)節(jié)水泵3的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)水路循環(huán)加熱芯，通過 HVAC實現(xiàn)乘員艙的制熱。
PTC的輸出功率控制：
當(dāng)TD值≥115時，控制PTC開啟；當(dāng)TD值≤109時， 控制PTC關(guān)閉；在回差區(qū)間時，保持上一狀態(tài)；
1.3 驅(qū)動系統(tǒng)熱管理模塊
驅(qū)動系統(tǒng)熱管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)，電機系統(tǒng)的冷卻， 充電機系統(tǒng)冷卻以及DC/DC冷卻。
該冷卻回路通過可調(diào)速水泵以及可調(diào)速風(fēng)扇實現(xiàn)。
1.3.1 電機系統(tǒng)冷卻
主控子單元采集電機本體溫度Tmotor，inveter溫度 Tinveter，當(dāng)電機當(dāng)前溫度超過目標(biāo)溫度值時首先開啟水 泵，水循環(huán)帶走驅(qū)動電機的熱量，若電機溫度持續(xù)升 高，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，同時開啟冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù) 電機溫度與目標(biāo)溫度差值線性調(diào)節(jié)；
當(dāng)inveter當(dāng)前溫度超過目標(biāo)溫度值時首先開啟水 泵，水循環(huán)帶走inveter的熱量，若inveter溫度持續(xù)升 高，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，同時開啟冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù) inveter溫度與目標(biāo)溫度差值線性調(diào)節(jié)；
冷卻水泵轉(zhuǎn)速
式中：K1pump為電機影響水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；T1target 為電機滿功率輸出的目標(biāo)溫度；b1pump為轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初 值（電機）；K2pump為inveter影響水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)； T2target為inveter滿功率輸出的目標(biāo)溫度；b2pump為inveter 影響水泵轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初值；
冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速
式中：K1fan為電機影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；T1target 為電機滿功率輸出的目標(biāo)溫度；b1fan為電機影響轉(zhuǎn)速 預(yù)設(shè)初值；
K2fan為inveter風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；T2target為 inveter滿功率輸出的目標(biāo)溫度；b2fan為inveter影響風(fēng)扇 轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初值；
1.3.2 充電機系統(tǒng)冷卻
主控單元采集充電機進水口溫度Tincm以及出水口溫 度Toutcm，充電機的冷卻通過控制水泵與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速帶走 充電機熱量來完成。
充電機對水泵的轉(zhuǎn)速需求：
充電機對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求：
式中：K1cm為充電機影響水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；K2cm 為充電機影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；b1cm為充電機影響 水泵轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初值；b2cm為充電機影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè) 初值；
1.3.3 DC/DC系統(tǒng)冷卻
主控單元采集DC/DC進水口溫度Tindc以及出水口溫 度Toutdc，充電機的冷卻通過控制水泵與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速帶走 DC/DC熱量來完成。
DC/DC對水泵的轉(zhuǎn)速需求
DC/DC對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求
式中：K1dc為DC/DC影響水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；K2dc 為DC/DC影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；b1dc為DC/DC影響 水泵轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初值；b2dc為DC/DC影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè) 初值。
1.3.4 風(fēng)扇與水泵的控制需求
基于電機系統(tǒng)，DC/DC系統(tǒng)，充電機系統(tǒng)在同一冷 卻回路中，共用水泵和風(fēng)扇，因此：
水泵控制轉(zhuǎn)速
風(fēng)扇控制轉(zhuǎn)速
2 系統(tǒng)仿真
以某一純電車型為例，進行系統(tǒng)仿真。車型散熱需 求以及系統(tǒng)選型如下。
2.1 系統(tǒng)散熱需求
2.1.1 電池系統(tǒng)冷卻分析
該車電池基本參數(shù)：37 AH；
散熱量：3 kW；
最佳工作溫度（℃）：25～45；
進水溫度（℃）：36；
報警溫度（℃）：50；
故障溫度（℃）：55；
水流量（L/min）:12；
水道容積（L）：4.5；
進水口型式：4進1出；
加熱方式：過水PTC；
水阻曲線：幾個進水口，流量3 L/min，流阻分別為 3.13m、3.24m、4.74m、5.37m。
☆電池需求：
電池發(fā)熱量：3 000 W；
散熱量需求：3 000 W；
冷卻循環(huán)量：12 L/min；
按電池?zé)崃坑傻撞繜嵩磦鬟f計算；
總傳熱溫差需求6.72℃；
進水溫度36.16℃；
進出水溫差約為4.23℃。
☆整車目標(biāo)：
在環(huán)境40℃條件下，快充、最高車速行駛交替 進行；
電池要求：環(huán)境40℃，1C充放電，電池在45℃溫度 時，保持熱平衡，溫度不上升。
2.1.2 電驅(qū)系統(tǒng)冷卻分析
電機散熱需求(kW):6.8；
電機控制器散熱需求(kW)：4.5；
DC/DC與充電機散熱需求（kW）:0.2；
進水口溫度（℃）：65；
需求水流量（L）：8~12。
2.2 整車熱平衡仿真分析
3 結(jié)論
本文是一種新能源汽車的熱管理進行了詳細功能劃 分并提出設(shè)計思想，并經(jīng)過仿真驗證初步達到設(shè)計目 的。為了詳細驗證系統(tǒng)控制策略，奇瑞新能源公司試裝 了一臺MuleCar用于測試驗證，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對控制 策略進行修改和完善，目前車輛已經(jīng)能夠達到試乘試駕 水平，證明控制策略在實際運用中具有較強的可行性。
參考文獻:
[1] LI Y,ANG K H,YHONG G C,Patents,software and hardware for PID control:an overview and analysis of the current art[J].IEEE control Systems Magazine,2006,26(1).
[2] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.
[3] 陳清泉.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2002.
[4] 先進PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工 業(yè)出版社,2011.
本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第34頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。
評論