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(diǎn)介紹了熱管理系統(tǒng)的基本功能及其在控制上的實(shí)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(xiàng)極其關(guān)鍵參數(shù)，動(dòng) 力電池的充放電效率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱損耗，以及高壓負(fù) 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(dòng)力性能以及經(jīng)濟(jì)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(shí)提高 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，同時(shí)隨著人們對新能源汽車大續(xù)航里 程的需求，動(dòng)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(diǎn)。
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(dòng)系統(tǒng)熱管理模塊，充 電熱管理模塊。
經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，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(shí)間；
動(dòng)力性方面：
1)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)始終工作在最優(yōu)溫度點(diǎn)，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(shí)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(jī)的空調(diào)制冷功能通過 chiller實(shí)現(xiàn)熱交換功能，帶走電池的熱量，實(shí)現(xiàn)電池系 統(tǒng)的冷卻。
電池包水路布置采用四進(jìn)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(gè)入 戶水口水溫傳感器，1、2、3、4各有一個(gè)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(jìn)水口1的溫度Tn1，進(jìn)水口2的溫 度Tin2，進(jìn)水口3的溫度Tin3，進(jìn)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(jī)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(jī)，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(gè)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(shí)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(shí)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(jī)、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(jī)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(qiáng)度進(jìn)行采集，計(jì)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(jī)風(fēng)速、 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門位置，從而達(dá)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(bǔ)償偏 移，不同的外溫進(jìn)行不同的外溫補(bǔ)償；K4 :日照量補(bǔ)償 偏移，不同的外溫進(jìn)行不同的陽光補(bǔ)償；OFFSET :固 定常數(shù)，越小，制冷性能越強(qiáng)；越大，采暖能力越強(qiáng)， 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(jìn) 行取值。當(dāng)溫度在兩個(gè)區(qū)間的臨界值時(shí)，取進(jìn)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(bǔ)償系數(shù)；Ksun陽光補(bǔ)償 基值 陽光補(bǔ)償值與外溫和陽光輻射強(qiáng)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(bǔ)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(shí)，控制壓縮機(jī)關(guān)閉；當(dāng)TD值≤135 時(shí)，控制壓縮機(jī)開啟；在回差區(qū)間時(shí)，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(shí)現(xiàn)水路循環(huán)加熱芯，通過 HVAC實(shí)現(xiàn)乘員艙的制熱。
PTC的輸出功率控制：
當(dāng)TD值≥115時(shí)，控制PTC開啟；當(dāng)TD值≤109時(shí)， 控制PTC關(guān)閉；在回差區(qū)間時(shí)，保持上一狀態(tài)；
1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理模塊
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)，電機(jī)系統(tǒng)的冷卻， 充電機(jī)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(shí)現(xiàn)。
1.3.1 電機(jī)系統(tǒng)冷卻
主控子單元采集電機(jī)本體溫度Tmotor，inveter溫度 Tinveter，當(dāng)電機(jī)當(dāng)前溫度超過目標(biāo)溫度值時(shí)首先開啟水 泵，水循環(huán)帶走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱量，若電機(jī)溫度持續(xù)升 高，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，同時(shí)開啟冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù) 電機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)影響水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；T1target 為電機(jī)滿功率輸出的目標(biāo)溫度；b1pump為轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初 值（電機(jī)）；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(jī)影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；T1target 為電機(jī)滿功率輸出的目標(biāo)溫度；b1fan為電機(jī)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(jī)系統(tǒng)冷卻
主控單元采集充電機(jī)進(jìn)水口溫度Tincm以及出水口溫 度Toutcm，充電機(jī)的冷卻通過控制水泵與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速帶走 充電機(jī)熱量來完成。
充電機(jī)對水泵的轉(zhuǎn)速需求：
充電機(jī)對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求：
式中：K1cm為充電機(jī)影響水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；K2cm 為充電機(jī)影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)；b1cm為充電機(jī)影響 水泵轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)初值；b2cm為充電機(jī)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(jìn)水口溫度Tindc以及出水口溫 度Toutdc，充電機(jī)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(jī)系統(tǒng)，DC/DC系統(tǒng)，充電機(jī)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(jìn)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(jìn)水溫度（℃）：36；
報(bào)警溫度（℃）：50；
故障溫度（℃）：55；
水流量（L/min）:12；
水道容積（L）：4.5；
進(jìn)水口型式：4進(jìn)1出；
加熱方式：過水PTC；
水阻曲線：幾個(gè)進(jìn)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(jì)算；
總傳熱溫差需求6.72℃；
進(jìn)水溫度36.16℃；
進(jìn)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(jìn)行；
電池要求：環(huán)境40℃，1C充放電，電池在45℃溫度 時(shí)，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(jī)散熱需求(kW):6.8；
電機(jī)控制器散熱需求(kW)：4.5；
DC/DC與充電機(jī)散熱需求（kW）:0.2；
進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)功能劃 分并提出設(shè)計(jì)思想，并經(jīng)過仿真驗(yàn)證初步達(dá)到設(shè)計(jì)目 的。為了詳細(xì)驗(yàn)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(yàn)證，并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)對控制 策略進(jìn)行修改和完善，目前車輛已經(jīng)能夠達(dá)到試乘試駕 水平，證明控制策略在實(shí)際運(yùn)用中具有較強(qiáng)的可行性。
參考文獻(xiàn):
[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(jī)械工業(yè)出版社,2003.
[3] 陳清泉.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2002.
[4] 先進(jìn)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(shí)引用，并注明出處。
評論