一种新能源汽车热管理控制方案与开发策略

2023年12月19日发(作者：奥迪q3为什么买的人不多)

Design & Application设计应用一种新能源汽车热管理控制方案与开发策略A new energy vehicle thermal management control scheme and strategy development王春丽，肖小城，倪绍勇，沙文瀚，陆?训，周?旗(奇瑞新能源汽车技术有限公司?新能源研究院，安徽?芜湖?241000)摘?要：本文介绍了一种新能源汽车的热管理系统的方案，并阐述了各关键零部件在汽车中所起的重要作用。重点介绍了热管理系统的基本功能及其在控制上的实现方法。关键词：新能源；热管理系统；控制策略0 前言对于新能源汽车而言能耗是一项极其关键参数，动力电池的充放电效率，驱动电机的热损耗，以及高压负载的热性能都是影响能耗的重要因素，而新能源汽车热管理系统能够影响整车的动力性能以及经济性，以及能耗，因此好的热管理系统方案以及热管理控制策略能够降低能耗，提高电池的放电性能，延长续航，同时提高驱动系统的效率，同时随着人们对新能源汽车大续航里程的需求，动力电池的液冷也成为必然，因此新能源汽车热管理系统方案以及控制策略就成为工程师研究的重点。1）：保证各系统工作在最优温度点，提高系统输出效率；2）：电池系统可以不受地域，环境温度影响，高性能功率输出；3）：充电系统最高效率充电，缩短充电时间；动力性方面：1)：驱动系统始终工作在最优温度点，整车不受环境温度影响，保证满足客户的功率需求；导通阀1除气管Tank1压缩机导通阀3充电机水泵1HVAC加热芯1 系统控制方案该热管理系统包括对整车四大模块，电池放电热管理模块，乘员舱热管理模块，驱动系统热管理模块，充电热管理模块。经济性方面的优势如下。补水管DC/DC膨胀阀Chiller电子比例阀2过水加热器泠凝器电机控制器压力开关电机水泵2导通阀2水泵3图1??系统方案示意图作者简介：王春丽（1985-），硕士，工程师，负责新能源汽车整车控制策略开发。肖小城（1984-），硕士，工程师，负责新能源汽车整车控制策略开发，整车控制科科长。倪绍勇（1972-），高级工程师，奇瑞汽车股份有限公司旗云汽车工程研究二院常务副院长、奇瑞新能源汽车技术有限公司副总经理。沙文瀚（1980-），高级工程师，奇瑞新能源汽车技术有限公司电控及架构部部长。陆训（1984-），工程师，负责整车系统集成及整车性能仿真。34ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2020.3Copyright?博看网 . All Rights Reserved.

责任编辑：毛烁１．１　电池热管理模块电池热管理模块实现电池系统的冷却与加热功能。COV=Kcov2*(Tin2?Treq2)+bcov2

2COV=Kcov3*(Tin3?Treq3)+bcov3

3COV=Kcov4*(Tin4?Treq4)+bcov4

4(3)(4)(5)１．１．１　电池系统冷却电池系统的冷却利用压缩机的空调制冷功能通过chiller实现热交换功能，带走电池的热量，实现电池系统的冷却。导通阀1除气管式中：bcov1、bcov2、bcov3 、bcov4为比例阀1、2、3、4初始设定值；KCOV1、KCOV2、KCOV3、KCOV4为四个水路热比例系数。主控单元控制导通阀3开启，导通阀1关闭，导通阀2关闭，水泵2最大开度持续工作。Tank1压缩机导通阀3充电机水泵1HVAC加热芯补水管DC/DC风扇1电机控制器压力开关电机膨胀阀Chiller电子比例阀2过水加热器１．１．２　电池系统加热电池系统的加热利用开启导通阀2，加热过水PTC，水泵3实现水路循环，电池系统加热需关闭导通阀1、导通阀3，防止水流向其他回路。泠凝器1234水泵3水泵2导通阀2导通阀1除气管图２　电池冷却模块示意图Tank1电池包水路布置采用四进一出的水循环，电池包的出口有出水口水温传感器，四路输入口位置各有一个入户水口水温传感器，1、2、3、4各有一个比例阀，比例阀可调节开度，调整四路水流量，保证电池单体的温升一致性。出水口温度Tout，进水口1的温度Tn1，进水口2的温度Tin2，进水口3的温度Tin3，进水口4的温度Tin4，电池包内水路1目标需求温度Treq1，电池包内水路2目标需求温度Treq2，电池包内水路3目标需求温度Treq3，电池包内水路4目标需求温度Treq4。系统压缩机需求功率T+T+T+T??Pbattery=Kbattery*?Tout+req1req2req3req4+b? (1)4??式中：Kbattery 为电池包平均热比例系数，根据系统标定可调整；b为预设功率值；Pbattery >0说明电池系统有冷却需求，系统主控制单元开启压缩机，设定以Pbattery功率输出，chiller的电子比例阀2开启最大开度。其中，比例阀1开度值COV1，比例阀2开度值COV2，比例阀3开度值COV3，比例阀4开度值COV4设定：COV=Kcov1*(Tin1?Treq1)+bcov1

1(2)补水管压缩机导通阀3充电机水泵1HVAC加热芯Chiller电子比例阀2过水加热器DC/DC风扇1电机控制器膨胀阀泠凝器1234水泵3压力开关电机水泵2导通阀2图３　电池加热系统示意图系统制热需求功率：T+T+T+T??Pptc=Kptc*?Tout+req1req2req3req4+bptc?

4??(6)式中：Kptc过水加热器的热容比；bptc预设功率值；其中，比例阀1开度值COV1，比例阀2开度值COV2，比例阀3开度值COV3，比例阀4开度值COV4。设定：COV=Kcov1*(Tin1?Treq1)+bcov1

1COV=Kcov2*(Tin2?Treq2)+bcov2

2COV=Kcov3*(Tin3?Treq3)+bcov3

3COV=Kcov4*(Tin4?Treq4)+bcov4

D功能。esign & Application设计应用１．２　乘员舱热管理模块乘员舱热管理模块实现电池系统的冷却与加热的区间前对应值。K3取值如下表：表１　Ｋ３的取值１．２．１　乘员舱制冷乘员舱制冷回路包括：压缩机、HVAC、膨胀阀、冷凝器以及压力开关等等。压力开关用于控制冷却风扇的速度调节。主控单元控制Chiller热交换器处于关闭状态。导通阀1除气管TambK3Tank1压缩机导通阀3充电机水泵1HVAC加热芯Chiller电子比例阀2过水加热器DC/DC风扇1电机控制器膨胀阀<-30-123-30 -115-20 -103-10 -810 -2010 -3820 -725

030

1035

2040

3250

42K4取值：K4=Kamb*Ksun，Kamb阳光补偿系数；Ksun阳光补偿基值阳光补偿值与外温和阳光辐射强度有关，不同辐照度对应阳光传感器端电压V和Ksun的关系如下：Tamb=20℃表２　Ｋ４的取值泠凝器压力开关电机水泵2导通阀2水泵3图４　乘员舱制冷示意图（1）压缩机的转速控制：空调控制单元通过对设定温度、车内温度、环境温度、阳光强度进行采集，计算出车内所需要求的控制温度信息，最终确定模式风门、温度风门、鼓风机风速、内外循环风门位置，从而达到出风温度TD的控制。=TDK1*(Tset?25)+K2*(Tset?Tin)?K3?K4+OFFSET(117) (7)式中：Tset 为设定温度,即默认温度旋钮位置；Tin 为室内温度；K1 为设定温度偏差增益，以设定25℃为基准，控制升温和降温的水平；K2为室内温度偏差增益，控制升温和降温至25℃的水平；K3 为外界温度补偿偏移，不同的外温进行不同的外温补偿；K4 :日照量补偿偏移，不同的外温进行不同的阳光补偿；OFFSET :固定常数，越小，制冷性能越强；越大，采暖能力越强，暂取117。各参数取值：K1取值：8；K2取值：10取值方式：K1、K2在（Tamb-5，Tamb+5）区间内进行取值。当温度在两个区间的临界值时，取进入该温度外温

<-25-20-1001102030>35V5~4.984.98~1.94.9~4.54.5~44~3.53.5~3<3Ksun不同的外温下，阳光补偿系数按下表执行：Kamb的取值方式与K1、K2相同。表３　Ｋａｍｂ的取值Kabm0.50.50.5111111.536ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2020.3Copyright?博看网 . All Rights Reserved.

责任编辑：毛烁当TD值≥140时，控制压缩机关闭；当TD值≤135时，控制压缩机开启；在回差区间时，保持上一状态；表４　ＴＤ的取值１．３　驱动系统热管理模块驱动系统热管理模块能够实现，电机系统的冷却，充电机系统冷却以及DC/DC冷却。该冷却回路通过可调速水泵以及可调速风扇实现。导通阀1除气管Tank1TD1压缩机转速 /

rpm48off压缩机导通阀3充电机水泵1HVAC加热芯补水管DC/DC风扇1电机控制器压力开关电机膨胀阀Chiller电子比例阀2过水加热器泠凝器水泵3１．２．２　乘员舱制热乘员舱制热回路通过控制过水PTC输出功率加热水，开启导通阀1，关闭导通阀2，关闭导通阀3，关闭chille，调节水泵3的转速，实现水路循环加热芯，通过HVAC实现乘员舱的制热。导通阀1除气管Tank1水泵2导通阀2图６　驱动系统热管理示意图１．３．１　电机系统冷却主控子单元采集电机本体温度Tmotor，inveter温度Tinveter，当电机当前温度超过目标温度值时首先开启水泵，水循环带走驱动电机的热量，若电机温度持续升高，调节水泵转速，同时开启冷却风扇，风扇转速根据电机温度与目标温度差值线性调节；压缩机导通阀3充电机水泵1HVAC加热芯补水管DC/DC风扇1电机控制器压力开关电机膨胀阀Chiller电子比例阀2过水加热器当inveter当前温度超过目标温度值时首先开启水泵，水循环带走inveter的热量，若inveter温度持续升高，调节水泵转速，同时开启冷却风扇，风扇转速根据inveter温度与目标温度差值线性调节；冷却水泵转速=Ndriverpumpmax[K1pump*(Tmotor?T1target+b1pump,K2pump*(Tinveter?T2target+b2pump)?? (8)泠凝器水泵3水泵2导通阀2图５　乘员舱制热示意图PTC的输出功率控制：当TD值≥115时，控制PTC开启；当TD值≤109时，控制PTC关闭；在回差区间时，保持上一状态；表４　ＴＤ的取值式中：K1pump为电机影响水泵转速调节系数；T1target为电机满功率输出的目标温度；b1pump为转速预设初值（电机）；K2pump为inveter影响水泵转速调节系数；T2target为inveter满功率输出的目标温度；b2pump为inveter影响水泵转速预设初值；冷却风扇转速=Ndriverfanmax[K1fan*(Tmotor?T1target+b1fan,K2fan*(Tinveter?T2target+b2fan)?? (9)TD3235255PTC功率 /

Design & Application设计应用式中：K1fan为电机影响风扇转速调节系数；T1target2 系统仿真以某一纯电车型为例，进行系统仿真。车型散热需求以及系统选型如下。为电机满功率输出的目标温度；b1fan为电机影响转速预设初值；K2fan为inveter风扇转速调节系数；T2target为inveter满功率输出的目标温度；b2fan为inveter影响风扇转速预设初值；２．１　系统散热需求２．１．１　电池系统冷却分析该车电池基本参数：37

AH；

散热量：3

kW；最佳工作温度（℃）：25～45；进水温度（℃）：36；报警温度（℃）：50；故障温度（℃）：55；水流量（L/min）:12；水道容积（L）：4.5；进水口型式：4进1出；加热方式：过水PTC；水阻曲线：几个进水口，流量3

L/min，流阻分别为3.13m、3.24m、4.74m、5.37m。☆电池需求：电池发热量：3

000

W；散热量需求：3

000

W；冷却循环量：12

L/min；按电池热量由底部热源传递计算；总传热温差需求6.72℃；１．３．２　充电机系统冷却主控单元采集充电机进水口温度Tincm以及出水口温度Toutcm，充电机的冷却通过控制水泵与风扇的转速带走充电机热量来完成。充电机对水泵的转速需求：Ncm=K1cm*Toutcm?Tincm+b1cm

_pump充电机对风扇的转速需求：N=K2cm*Toutcm?Tincm+b2cm

cm_fan(11)(10)式中：K1cm为充电机影响水泵转速调节系数；K2cm为充电机影响风扇转速调节系数；b1cm为充电机影响水泵转速预设初值；b2cm为充电机影响风扇转速预设初值；１．３．３　ＤＣ／ＤＣ系统冷却主控单元采集DC/DC进水口温度Tindc以及出水口温度Toutdc，充电机的冷却通过控制水泵与风扇的转速带走DC/DC热量来完成。DC/DC对水泵的转速需求Ndc=K1dc*Toutdc?Tindc+b1dc

_pumpDC/DC对风扇的转速需求N=K2dc*Toutdc?Tindc+b2dc

dc_fan(13)式中：K1dc为DC/DC影响水泵转速调节系数；K2dc为DC/DC影响风扇转速调节系数；b1dc为DC/DC影响水泵转速预设初值；b2dc为DC/DC影响风扇转速预设初值。(12)进水温度36.16℃；进出水温差约为4.23℃。☆整车目标：在环境40℃条件下，快充、最高车速行驶交替进行；电池要求：环境40℃，1C充放电，电池在45℃温度时，保持热平衡，温度不上升。１．３．４　风扇与水泵的控制需求基于电机系统，DC/DC系统，充电机系统在同一冷却回路中，共用水泵和风扇，因此：水泵控制转速Npump=max(Ndriver_pump,Ncmpump,Ndcpump)

风扇控制转速Nfan=max(Ndriver_fan,Ncmfan,Ndcfan) (15)(14)２．１．２　电驱系统冷却分析电机散热需求(kW):6.8；电机控制器散热需求(kW)：4.5；DC/DC与充电机散热需求（kW）:0.2；进水口温度（℃）：65；需求水流量（L）：8~12。38ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2020.3Copyright?博看网 . All Rights Reserved.

责任编辑：毛烁２．２　整车热平衡仿真分析3 结论本文是一种新能源汽车的热管理进行了详细功能划分并提出设计思想，并经过仿真验证初步达到设计目的。为了详细验证系统控制策略，奇瑞新能源公司试装了一台MuleCar用于测试验证，并结合实测数据对控制策略进行修改和完善，目前车辆已经能够达到试乘试驾水平，证明控制策略在实际运用中具有较强的可行性。参考文献:[1] LI Y,ANG K H,YHONG G C,Patents,software and

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