混動重卡熱管理系統性能與控制邏輯研究

張文博，楊志剛，王磊

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混動重卡熱管理系統性能與控制邏輯研究

張文博，楊志剛，王磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

混動重卡上冷卻系統更為復雜，共有三套冷卻系統，發動機冷卻系統，電機冷卻系統，電池冷卻系統，各自控制溫度不同。統一由整車控制器VCU控制，三套冷卻系統溫度控制邏輯都在VCU中提前定義，在整車設計時要分別設計計算各系統的冷卻能力進行最終整車溫度控制。電池熱管理系統（Battery Temperature Management System，BTMS）后續還要進行智能化，全天候的開發，已經成為汽車總成設計中的一個重要組成部分。

混動重卡；電池熱管理組；冷卻

前言

車輛熱管理技術是車輛開發過程中兼顧各種系統問題與系統需求的關鍵技術之一。混動重卡上冷卻系統更為復雜，共有三套冷卻系統，發動機冷卻系統，電機冷卻系統，電池冷卻系統，各自控制溫度不相同[1]。統一由整車控制器VCU控制，三套冷卻系統溫度控制都在VCU中提前定義。在整車設計時要分別設計計算各系統的冷卻能力進行最終整車VCU上的溫度控制。

混動重卡冷卻系統主要功能模塊包括：高性能芯片主控模塊VCU、電池模塊、電機模塊、電流過載診斷保護模塊、通訊端口、外接端口等。同時，VCU控制器提供CAN總線接口，通過CAN總線獲取發動機、電池、電機等相關信號，通過相應的信號通訊進行信息傳遞，控制各冷卻系統進行溫度調節。

1 發動機熱管理系統

利用熱管理模擬計算分析軟件“KULI”對發動機冷卻系統進行數字建模，需結合整車設計參數和零部件結構參數作為數字化模型的零部件模型參數，同時需利用發動機冷卻系統性能試驗的數據作為模型的輸入參數，全面合理的建立一個面向實際運用的數字模型。因此，這種模型實際上是基于試驗數據和試驗實施工況的仿真整車性能試驗的數字模型。后續還需進行整車冷卻系統性能試驗驗證，計算準確度及一些關鍵參數的設置。

圖1 熱管理3D數模

對冷卻系統冷卻能力進行校核計算，為熱管理及冷卻的設計及驗證提供數據。通過對車輛不同工況的測試對比，從而得到一個基于理論建模和實車試驗驗證的、較為合理且適合企業設計開發應用的數字化模型。此混動車型發動機采用500馬力，通過計算得到以下數據。

功率點1900rpm 扭矩點 1000rpm

表1 發動機出水溫度計算結果

通過仿真計算，冷卻系統滿足發動機冷卻要求，在混動重卡的冷卻設計中，發動機冷卻系統應滿足最大散熱量要求。

2 BTMS熱管理系統

2.1 BTMS冷卻管理

一般電池組是由多個電池模塊組成，一個電池模塊又由多個電池單體組成。這個裝載有電池模塊、電控系統以及其它部件的箱體通常被稱作“電池組”。由于組成電池組的電池形狀各異，數量不一，電池單體組成模塊的方式不同，另外電池固定的方式，散熱、加熱系統，以及車輛內可供擺放電池組的有效空間也各不相同，這就使電池組的結構呈現多樣化，需結合實際工況設計。因此為使電池組發揮最佳性能和壽命，需要優化電池組的結構，對它進行熱管理開發，設計電池熱管理系統（Battery Temperature Management System），BTMS用液體來冷卻。使電池組達到最優的動力性和經濟性[2]。

本文使用電池工作溫度范圍充電時為0-55℃，放電時為-20-55℃。電池的冷卻系統采用冷卻液散熱器冷卻，設計為兩個電子風扇和一個冷卻水泵冷卻，工作模式都只有1檔。電子風扇與電子水泵控制邏輯分為充電冷卻與放電冷卻，充電時考慮冷卻余量，冷卻液溫度高于45℃時，風扇與水泵同時工作；當水溫低于45℃時，風扇與水泵同時停止工作。放電邏輯同上。

圖3 電池冷卻系統構型

2.2 BTMS加熱管理

在低溫(低于-10℃)環境下啟動車輛時，由于低溫動力電池的放電性能比較差，電池的能量和功率難以發揮出來，導致整車性能下降，這時需要通過加熱系統對電池進行預熱，使其達到允許的工作溫度范圍。對于混合動力重卡汽車而言，電池組需要增加加熱系統，目前解決方案就是電加熱，用來滿足環境溫度較低時的電池使用性能，如環境溫度過低，就需持續給電池加熱，保證電池放電性能，沖電過程同樣也需給電池組加熱，保證電池的充電性能[5]。

2.3 BTMS設計趨勢

BTMS設計時要考慮工程成本、電池組結構、車輛裝載空間等實際因素、電池電流密度等[3,4]。BTMS設計需要進行整車布置，性能測試，開發控制策略，如果有整車冷卻系統就更加復雜，當前BTMS控制邏輯開發需綜合考慮；

（1）充放電模式的加熱控制；

（2）單獨冷卻還是與電機共用一套冷卻模式；

（3）多種冷卻并存模式或單一冷卻模式；

（4）全天候熱管理系統；

圖4 全天侯熱管理智能系統

3 電機熱管理系統

電機的冷卻系統類似于發動機冷卻，采用冷卻液散熱器冷卻，設計為兩個電子風扇冷卻和一個電子水泵。電機工作時最高溫度不能超過60℃，故在控制邏輯上考慮冷卻余量，當電機冷卻液溫度傳感器反饋給VCU電機冷卻液高于50℃時，進行風扇及水泵的工作，且風扇和水泵都為1個檔位；當電機冷卻液溫度傳感器反饋給VCU低于50℃時，VCU控制風扇與水泵同時停轉，控制能量消耗。電機控制邏輯比電池簡單。

圖5 電機冷卻系統構型

4 結論

混動重卡設計先進的車輛熱管理系統必須考慮動力艙內外流場、環境和動力裝置冷卻系統之間的相互影響，同時，隨著智能控制技術的發展，采用了電控技術的散熱風扇、冷卻水泵等部件，通過高性能控制芯片和傳感器根據實際的運行工況調節冷卻模塊溫度，提供精確的熱量散失與保存，實現智能化熱量控制[5]。同時與汽車整車控制系統相匹配，改善了駕駛舒適性和車輛的整體性能，達到節能減排的效果。目前，車輛熱管理技術正在趨于多元化、多方向發展。未來的多冷卻模式及全天候熱管理系統是主流研究與發展方向。

[1] 馬驍.電動汽車鋰離子電池溫度特性與加熱管理系統研究[M].北京:北京理工大學,2010:47-52.

[2] 焦洪杰.并聯式混合動力汽車用鎳氫電池冷卻裝置的研制[J].汽車技術,2003,(1):23-25.

[3] 楊毅夫.從EVS-17看國際電動車及動力電池發展趨勢[J].電池, 2011,31(4):192-194.

[4] 陳清泉,孫逢春.混合電動車輛基礎[M].北京:北京理工大學出版社,2001.27-79.

[5] 楊裕生,陳清泉,陳立泉,鄭綿平.關于我國電動車的技術發展路線建議[J].新材料產業,2010,3:11-17.

Study on thermal management and control logic of hybrid heavy truck

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Wang Lei

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

The cooling system on the mixed moving heavy card is more complex. There are three cooling systems, engine cooling system, motor cooling system and battery cooling system, each of which controls different temperatures. Unified control by the vehicle controller VCU, the temperature control logic of the three cooling systems is defined in advance in VCU. In the vehicle design, the cooling capacity of each system should be designed and calculated for the final vehicle temperature control. Battery Temperature Management System (BTMS) will be further developed in an intelligent, all-weather manner, which has become an important part of the automobile assembly design.

Hybrid heavy duty truck; Battery thermal management group; Cooling

A

1671-7988(2018)18-43-03

U469.7

A

1671-7988(2018)18-43-03

CLC NO.: U469.7

張文博，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.016