一种新能源汽车热管理控制方案与策略开发
原标题:一种新能源汽车热管理控制方案与策略开发
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 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。
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;
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。
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。
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
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:
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。
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。
系统制热需求功率:
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:
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 功能。
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。
(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。
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,取进入该温度的区间前对应值。
K3取值如下表:
K4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℃
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。
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;
1.2.2 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。
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;
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。
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;
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
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
式中:K1fan为电机影响风扇转速调节系数;T1target 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;
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:
充电机对风扇的转速需求:
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
DC/DC对风扇的转速需求
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。
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
风扇控制转速
2 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。
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℃;
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。
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。
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。
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