一種新能源汽車(chē)熱管理控制方案與策略開(kāi)發(fā)

王春麗，肖小城，倪紹勇，沙文瀚，陸? 訓，周? 旗 (奇瑞新能源汽車(chē)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(chē)的熱管理系統的方案，并闡述了各關(guān)鍵零部件在汽車(chē)中所起的重要作用。 重點(diǎn)介紹了熱管理系統的基本功能及其在控制上的實(shí)現方法。 

關(guān)鍵詞：新能源；熱管理系統；控制策略

0  前言 

對于新能源汽車(chē)而言能耗是一項極其關(guān)鍵參數，動(dòng) 力電池的充放電效率，驅動(dòng)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(chē)熱 管理系統能夠影響整車(chē)的動(dòng)力性能以及經(jīng)濟性，以及能 耗，因此好的熱管理系統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(cháng)續航，同時(shí)提高 驅動(dòng)系統的效率，同時(shí)隨著(zhù)人們對新能源汽車(chē)大續航里 程的需求，動(dòng)力電池的液冷也成為必然，因此新能源汽 車(chē)熱管理系統方案以及控制策略就成為工程師研究的 重點(diǎn)。

1  系統控制方案 

該熱管理系統包括對整車(chē)四大模塊，電池放電熱管 理模塊，乘員艙熱管理模塊，驅動(dòng)系統熱管理模塊，充 電熱管理模塊。 

經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢如下。

1）：保證各系統工作在最優(yōu)溫度點(diǎn)，提高系統輸 出效率； 

2）：電池系統可以不受地域，環(huán)境溫度影響，高 性能功率輸出； 

3）：充電系統最高效率充電，縮短充電時(shí)間； 

動(dòng)力性方面： 

1)：驅動(dòng)系統始終工作在最優(yōu)溫度點(diǎn)，整車(chē)不受環(huán) 境溫度影響，保證滿(mǎn)足客戶(hù)的功率需求；

1.1 電池熱管理模塊 

電池熱管理模塊實(shí)現電池系統的冷卻與加熱功能。 

1.1.1 電池系統冷卻 

電池系統的冷卻利用壓縮機的空調制冷功能通過(guò) chiller實(shí)現熱交換功能，帶走電池的熱量，實(shí)現電池系 統的冷卻。

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(hù)水口水溫傳感器，1、2、3、4各有一個(gè)比例閥，比例 閥可調節開(kāi)度，調整四路水流量，保證電池單體的溫升 一致性。 

出水口溫度T_out，進(jìn)水口1的溫度T_n1，進(jìn)水口2的溫 度T_in2，進(jìn)水口3的溫度T_in3，進(jìn)水口4的溫度T_in4，電池包 內水路1目標需求溫度T_req1，電池包內水路2目標需求溫 度T_req2，電池包內水路3目標需求溫度T_req3，電池包內水 路4目標需求溫度T_req4。 

系統壓縮機需求功率

式中：K_battery 為電池包平均熱比例系數，根據系統 標定可調整；b為預設功率值；P_battery >0說(shuō)明電池系統有 冷卻需求，系統主控制單元開(kāi)啟壓縮機，設定以P_battery 功率輸出，chiller的電子比例閥2開(kāi)啟最大開(kāi)度。 

其中，比例閥1開(kāi)度值COV1，比例閥2開(kāi)度值 COV2，比例閥3開(kāi)度值COV3，比例閥4開(kāi)度值COV4 設定：

式中：b_cov1、b_cov2、b_cov3 、b_cov4為比例閥1、2、3、4 初始設定值；K_COV1、K_COV2、K_COV3、K_COV4為四個(gè)水路熱 比例系數。 

主控單元控制導通閥3開(kāi)啟，導通閥1關(guān)閉，導通閥 2關(guān)閉，水泵2最大開(kāi)度持續工作。 

1.1.2 電池系統加熱

電池系統的加熱利用開(kāi)啟導通閥2，加熱過(guò)水 PTC，水泵3實(shí)現水路循環(huán)，電池系統加熱需關(guān)閉導通 閥1、導通閥3，防止水流向其他回路。

系統制熱需求功率：

式中：K_ptc過(guò)水加熱器的熱容比；bptc預設功率值； 其中，比例閥1開(kāi)度值COV1，比例閥2開(kāi)度值 COV2，比例閥3開(kāi)度值COV3，比例閥4開(kāi)度值COV4。 設定：

1.2 乘員艙熱管理模塊 

乘員艙熱管理模塊實(shí)現電池系統的冷卻與加熱 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(kāi)關(guān)等等。 

壓力開(kāi)關(guān)用于控制冷卻風(fēng)扇的速度調節。主控單元 控制Chiller熱交換器處于關(guān)閉狀態(tài)。

（1）壓縮機的轉速控制： 

空調控制單元通過(guò)對設定溫度、車(chē)內溫度、環(huán)境溫 度、陽(yáng)光強度進(jìn)行采集，計算出車(chē)內所需要求的控制溫 度信息，最終確定模式風(fēng)門(mén)、溫度風(fēng)門(mén)、鼓風(fēng)機風(fēng)速、 內外循環(huán)風(fēng)門(mén)位置，從而達到出風(fēng)溫度T_D的控制。

式中：T_set 為設定溫度,即默認溫度旋鈕位置；T_in 為 室內溫度；K1 為設定溫度偏差增益，以設定25℃為基 準，控制升溫和降溫的水平；K2為室內溫度偏差增益， 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(jìn)行不同的外溫補償；K4 :日照量補償 偏移，不同的外溫進(jìn)行不同的陽(yáng)光補償；OFFSET :固 定常數，越小，制冷性能越強；越大，采暖能力越強， 暫取117。 

各參數取值：K1取值：8；K2取值：10 

取值方式：K1、K2在（T_amb-5，T_amb+5）區間內進(jìn) 行取值。當溫度在兩個(gè)區間的臨界值時(shí)，取進(jìn)入該溫度的區間前對應值。 

K3取值如下表：

K4取值： K4=K_amb*K_sun，K_amb陽(yáng)光補償系數；K_sun陽(yáng)光補償 基值 陽(yáng)光補償值與外溫和陽(yáng)光輻射強度有關(guān)，不同輻照 度對應陽(yáng)光傳感器端電壓V和K_sun的關(guān)系如下： 

T_amb=20℃

不同的外溫下，陽(yáng)光補償系數按下表執行：K_amb的 取值方式與K1、K2相同。

當T_D值≥140時(shí)，控制壓縮機關(guān)閉；當T_D值≤135 時(shí)，控制壓縮機開(kāi)啟；在回差區間時(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(guò)控制過(guò)水PTC輸出功率加熱 水，開(kāi)啟導通閥1，關(guān)閉導通閥2，關(guān)閉導通閥3，關(guān)閉 chille，調節水泵3的轉速，實(shí)現水路循環(huán)加熱芯，通過(guò) HVAC實(shí)現乘員艙的制熱。

PTC的輸出功率控制： 

當T_D值≥115時(shí)，控制PTC開(kāi)啟；當T_D值≤109時(shí)， 控制PTC關(guān)閉；在回差區間時(shí)，保持上一狀態(tài)；

1.3 驅動(dòng)系統熱管理模塊 

驅動(dòng)系統熱管理模塊能夠實(shí)現，電機系統的冷卻， 充電機系統冷卻以及DC/DC冷卻。 

該冷卻回路通過(guò)可調速水泵以及可調速風(fēng)扇實(shí)現。

1.3.1 電機系統冷卻 

主控子單元采集電機本體溫度T_motor，inveter溫度 T_inveter，當電機當前溫度超過(guò)目標溫度值時(shí)首先開(kāi)啟水 泵，水循環(huán)帶走驅動(dòng)電機的熱量，若電機溫度持續升 高，調節水泵轉速，同時(shí)開(kāi)啟冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇轉速根據 電機溫度與目標溫度差值線(xiàn)性調節； 

當inveter當前溫度超過(guò)目標溫度值時(shí)首先開(kāi)啟水 泵，水循環(huán)帶走inveter的熱量，若inveter溫度持續升 高，調節水泵轉速，同時(shí)開(kāi)啟冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇轉速根據 inveter溫度與目標溫度差值線(xiàn)性調節； 

冷卻水泵轉速

式中：K1_pump為電機影響水泵轉速調節系數；T1_target 為電機滿(mǎn)功率輸出的目標溫度；b1_pump為轉速預設初 值（電機）；K2_pump為inveter影響水泵轉速調節系數； T2_target為inveter滿(mǎn)功率輸出的目標溫度；b2_pump為inveter 影響水泵轉速預設初值； 

冷卻風(fēng)扇轉速

式中：K1_fan為電機影響風(fēng)扇轉速調節系數；T1_target 為電機滿(mǎn)功率輸出的目標溫度；b1_fan為電機影響轉速 預設初值；

K2_fan為inveter風(fēng)扇轉速調節系數；T2_target為 inveter滿(mǎn)功率輸出的目標溫度；b2_fan為inveter影響風(fēng)扇 轉速預設初值； 

1.3.2 充電機系統冷卻 

主控單元采集充電機進(jìn)水口溫度Tincm以及出水口溫 度T_outcm，充電機的冷卻通過(guò)控制水泵與風(fēng)扇的轉速帶走 充電機熱量來(lái)完成。 

充電機對水泵的轉速需求：

充電機對風(fēng)扇的轉速需求：

式中：K1_cm為充電機影響水泵轉速調節系數；K2_cm 為充電機影響風(fēng)扇轉速調節系數；b1_cm為充電機影響 水泵轉速預設初值；b2_cm為充電機影響風(fēng)扇轉速預設 初值； 

1.3.3 DC/DC系統冷卻 

主控單元采集DC/DC進(jìn)水口溫度T_indc以及出水口溫 度T_outdc，充電機的冷卻通過(guò)控制水泵與風(fēng)扇的轉速帶走 DC/DC熱量來(lái)完成。 

DC/DC對水泵的轉速需求

DC/DC對風(fēng)扇的轉速需求

式中：K1_dc為DC/DC影響水泵轉速調節系數；K2_dc 為DC/DC影響風(fēng)扇轉速調節系數；b1_dc為DC/DC影響 水泵轉速預設初值；b2_dc為DC/DC影響風(fēng)扇轉速預設 初值。 

1.3.4 風(fēng)扇與水泵的控制需求 

基于電機系統，DC/DC系統，充電機系統在同一冷 卻回路中，共用水泵和風(fēng)扇，因此： 

水泵控制轉速

風(fēng)扇控制轉速

2  系統仿真 

以某一純電車(chē)型為例，進(jìn)行系統仿真。車(chē)型散熱需 求以及系統選型如下。 

2.1 系統散熱需求 

2.1.1 電池系統冷卻分析 

該車(chē)電池基本參數：37 AH； 

散熱量：3 kW； 

最佳工作溫度（℃）：25～45； 

進(jìn)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(jìn)水口型式：4進(jìn)1出； 

加熱方式：過(guò)水PTC； 

水阻曲線(xiàn)：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； 

按電池熱量由底部熱源傳遞計算； 

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(chē)目標： 

在環(huán)境40℃條件下，快充、最高車(chē)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 電驅系統冷卻分析 

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(jìn)水口溫度（℃）：65； 

需求水流量（L）：8~12。

2.2 整車(chē)熱平衡仿真分析

3  結論 

本文是一種新能源汽車(chē)的熱管理進(jìn)行了詳細功能劃 分并提出設計思想，并經(jīng)過(guò)仿真驗證初步達到設計目 的。為了詳細驗證系統控制策略，奇瑞新能源公司試裝 了一臺MuleCar用于測試驗證，并結合實(shí)測數據對控制 策略進(jìn)行修改和完善，目前車(chē)輛已經(jīng)能夠達到試乘試駕 水平，證明控制策略在實(shí)際運用中具有較強的可行性。

參考文獻: 

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[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(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第34頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。