一种新能源汽车热管理控制方案与策略开发

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 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T_out，进水口1的温度T_n1，进水口2的温 度T_in2，进水口3的温度T_in3，进水口4的温度T_in4，电池包 内水路1目标需求温度T_req1，电池包内水路2目标需求温 度T_req2，电池包内水路3目标需求温度T_req3，电池包内水 路4目标需求温度T_req4。

系统压缩机需求功率

式中：K_battery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；P_battery>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P_battery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：b_cov1、b_cov2、b_cov3、b_cov4为比例阀1、2、3、4 初始设定值；K_COV1、K_COV2、K_COV3、K_COV4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：K_ptc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T_D的控制。

式中：T_set为设定温度,即默认温度旋钮位置；T_in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（T_amb-5，T_amb+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=K_amb*K_sun，K_amb阳光补偿系数；K_sun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K_sun的关系如下：

T_amb=20℃

不同的外温下，阳光补偿系数按下表执行：K_amb的 取值方式与K1、K2相同。

当T_D值≥140时，控制压缩机关闭；当T_D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T_D值≥115时，控制PTC开启；当T_D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T_motor，inveter温度 T_inveter，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：K1_pump为电机影响水泵转速调节系数；T1_target为电机满功率输出的目标温度；b1_pump为转速预设初 值（电机）；K2_pump为inveter影响水泵转速调节系数； T2_target为inveter满功率输出的目标温度；b2_pump为inveter 影响水泵转速预设初值；

冷却风扇转速

式中：K1_fan为电机影响风扇转速调节系数；T1_target为电机满功率输出的目标温度；b1_fan为电机影响转速 预设初值；

K2_fan为inveter风扇转速调节系数；T2_target为 inveter满功率输出的目标温度；b2_fan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T_outcm，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：K1_cm为充电机影响水泵转速调节系数；K2_cm为充电机影响风扇转速调节系数；b1_cm为充电机影响 水泵转速预设初值；b2_cm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T_indc以及出水口温 度T_outdc，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：K1_dc为DC/DC影响水泵转速调节系数；K2_dc为DC/DC影响风扇转速调节系数；b1_dc为DC/DC影响 水泵转速预设初值；b2_dc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。

参考文献:

[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.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3] 陈清泉.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.

[4] 先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工 业出版社,2011.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第34页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。