電池冷卻系統與空調制冷系統的協調控制策略

趙繼嶺　彭君　馬香明　王金航

摘 要：電動汽車電池冷卻系統和空調制冷系統共用壓縮機的制冷劑實現電池的冷卻功能 ，針對這一系統提出了電池冷卻系統和空調制冷系統協調控制的方法。在滿足乘員艙空調制冷需求的條件下，通過調節電池冷卻回路電子膨脹閥的開度來實現電池的冷卻功能。試驗結果表明提出的控制策略既滿足了電池的冷卻需求也有效防止了乘員艙的溫度的突變，保證了乘員艙的舒適性。

關鍵詞：電動汽車 動力電池 冷卻系統 空調制冷系統 協調控制

Coordinated Control Strategy of Battery Cooling System and Air-conditioning Refrigeration System

Zhao Jiling Peng Jun Ma Xiangming Wang Jinhang

Abstract：The electric vehicle battery cooling system and the air conditioning refrigeration system share the refrigerant of the compressor to realize the battery cooling function. For this system， a method of coordinated control of the battery cooling system and the air conditioning refrigeration system is proposed. Under the condition of meeting the air conditioning and refrigeration requirements of the passenger compartment， the battery cooling function is realized by adjusting the opening of the electronic expansion valve of the battery cooling circuit. The test results show that the proposed control strategy not only meets the cooling demand of the battery， but also effectively prevents the sudden change in the temperature of the passenger compartment， and ensures the comfort of the passenger compartment.

Key words：electric vehicle， power battery， cooling system， air conditioning and refrigeration system， coordinated control

1 前言

2019中國電動汽車的銷量達到120.6萬輛，電動汽車已經遍布全國各地。動力電池作為電動汽車的動力源，其性能的好壞直接影響到電動汽車的整車性能。但是在我國南方以及新疆等地區的炎熱夏季動力電池長期工作在高溫的環境下，其壽命會大大縮短并且存在高溫熱失控的風險。因此在高溫環境下需要對動力電池進行冷卻，這對提高動力電池壽命和整車運行安全具有重要的意義。

目前電池的冷卻方式主要分為：風冷式、液冷式、相變材料冷卻和空調制冷劑冷卻。風冷式主要是通過流動的空氣帶走電池表面的熱量，該方式控制簡單并且成本低廉，但是容易造成電池冷卻不均勻，在環境溫度比較高時換熱效果也會變差。液冷式是通過水泵運轉帶動冷卻液流經電池內部，之后冷卻液將電池的熱量帶出到車輛前端的散熱器。液冷式可以均勻冷卻電池有利于電池溫度的一致性，并且整體散熱效果要遠好于風冷方式，但是在外界壞境溫度高的情況下，高溫冷卻液帶走的熱量也很難散發出去。相變材料冷卻是利用相變材料的特性實現電池的散熱，但是成本很高，在汽車上應用較少。空調制冷劑冷卻是在液冷式的基礎上采用空調制冷劑通過熱交換器實現冷卻液的降溫，該制冷方式不再依賴于外界環境溫度，即使在外界環境溫度高的情況下也可以帶走冷卻液的熱量，從而實現電池的降溫。

本文的電池冷卻系統采用的是空調制冷劑式冷卻，壓縮機產生的制冷劑流經電池冷卻回路通過熱交換器帶走電池冷卻液的熱量。

2 電池高溫冷卻系統介紹

本文設計的電池高溫冷卻系統主要是由動力電池、水泵、熱交換器、壓縮機、電子膨脹閥（Electronic Pxpansion Valve，EXV）以及配套的溫度傳感器（Temperature Sensor，T）和壓力傳感器（Pressure Sensor，P）組成，見圖1。空調壓縮機出來的制冷劑分成兩條支路，一條流經乘員艙空調制冷回路給乘員艙制冷，另外一條流經電池冷卻回路用來冷卻電池。當電池溫度升高進入冷卻模式后，電池冷卻系統請求水泵運轉，冷卻液流經電池內部帶走電池的熱量，同時根據電池溫度請求壓縮機的制冷功率，壓縮機產生的制冷劑流經電池冷卻回路通過熱交換器帶走電池冷卻液的熱量。

在電池冷卻回路和空調制冷回路同時工作時，通過P、T傳感器采集到的壓力值和溫度值計算出當前過熱度，以過熱度為控制目標調節電池冷卻支路EXV的開度，進行空調制冷回路和電池冷卻回路制冷劑的分配，從而實現對空調制冷系統和電池冷卻系統的協調控制，在滿足乘員艙空調需求的前提下實現電池的冷卻功能。

3 EXV介紹

EXV已經成為新型制冷系統的重要元件，被應用在了很多領域中。本文采用的EXV集成了LIN接收器和步進電機驅動模塊，量程是0-480步，具體參數見表1。在EXV通過LIN線接收到開度指令后，控制步進電機驅動針閥上升或者下降，實現不同開度的調節。

EXV開度的大小是根據過熱度來確定的，過熱度是通過P、T采集的數據計算出來的。所以控制EXV的開度首先需要設置一個合理的目標過熱度，通過調節EXV的開度將實際過熱度控制在目標值附近。當實際過熱度高于目標值，代表制冷劑的流量過少，起不到冷卻的作用，此時應該增大EXV的開度;實際過熱度低于目標值，代表流過的制冷劑較多，可能會發生制冷劑因未充分吸熱蒸發，被壓縮機吸入造成壓縮機液擊，所以此時應該減小EXV的開度。

4 與空調制冷系統的協調控制策略

本節的協調控制策略主要針對如下三種工況：1、在空調制冷系統工作的工況下，電池進入冷卻模式EXV開度的控制策略;2、在電池冷卻系統工作的工況下，空調制冷系統開啟時EXV開度的控制策略;3、異常工況下EXV開度的控制策略。

4.1 電池冷卻模式下EXV的控制

在乘員艙空調工作過程中，當動力電池的溫度升高到35℃后，電池系統進入冷卻模式。在電池進入冷卻模式后根據電池的最高溫度請求壓縮機的制冷功率，此時壓縮機的制冷功率等于電池系統請求的制冷功率加上空調系統請求的制冷功率。在壓縮機響應電池系統請求的制冷功率后，制冷劑開始流經電池冷卻回路，此時調節電池冷卻回路EXV的開度，從而控制制冷劑的流量。EXV的控制流程圖見圖2。

在EXV調節的初始階段，由于沒有制冷劑流經電池冷卻回路，由傳感器計算的過熱度會偏大，此時如果以過熱度為控制目標會請求EXV一個很大的開度，從而有大量的制冷劑流入電池冷卻回路，而流入空調制冷回路的制冷劑會相對減小，這就會導致乘員艙的溫度上升，嚴重影響乘員艙的舒適性。所以在電子膨脹閥調節的初始階段，不以過熱度為目標進行EXV開度控制，改為請求EXV以每秒5步的速率緩慢開啟。EXV緩慢開啟流經電池冷卻回路的制冷劑流量也緩慢增加，從而避免了乘員艙溫度的跳變，在乘員艙溫度有升高趨勢時，由于EXV的開度小且開度的調節速率足夠慢壓縮機也有足夠的時間根據乘員艙溫度增大制冷功率。

在EXV緩慢開啟的過程中，過熱度會逐漸下降，當過熱度下降到10℃左右時，轉為以過熱度為目標控制EXV的開度。設定目標過熱度為8℃，根據實際計算出來的過熱度與目標過熱度的差值進行PI調節：在實際過熱度高于目標設定值時，增加EXV的開度;在實際過熱度低于目標設定值時，減小EXV的開度。

在電池冷卻過程中，當電池溫度下降到30℃以下，電池已經接近正常工作溫度，電池的冷卻需求降低，此時可以通過增大目標過熱度來優先保證乘員艙的舒適性，將目標過熱度由8℃增大到11℃。目標過熱度增大后，在目標值所對應的EXV開度會相對減小，對應的制冷劑流量也會相應的減少，這樣就會有更多的制冷劑流經空調制冷回路，從而滿足空調制冷優先的需求。

4.2 空調開啟時EXV的控制

當電池工作在冷卻模式時，打開乘員艙空調，此時空調系統會根據乘員艙的設定溫度請求壓縮機的制冷功率。壓縮機增大制冷功率后產生的制冷劑會流經空調制冷回路用來降低乘員艙溫度，同時新增的制冷劑也會有部分流到電池冷卻回路。對于電池冷卻回路制冷劑的突然增加會導致過熱度快速下降，如果過熱度下降到0℃后會造成壓縮機液擊的風險。為避免乘員艙空調開啟過程對電池冷卻控制系統造成的沖擊，在檢測到空調按鈕開啟且壓縮機的制冷功率還未增大時，立刻請求EXV開度降低到70步并且保持20s，以避免空調開啟后壓縮機產生的制冷劑對電池冷卻回路穩定性造成影響。20s過后空調制冷系統已經趨于穩定，EXV的開度控制再次轉為根據過熱度進行PI調節。

4.3 異常工況下EXV的控制

當在電池冷卻過程中電池溫度信號異常或者丟失，由于無法判斷電池冷卻需求，需要關閉EXV退出電池冷卻模式。當EXV上報故障例如：Lin通訊故障、線圈短路故障等，也需要退出電池冷卻模式關閉EXV，避免電池制冷回路異常對乘員艙空調制冷造成影響。

在EXV開度調節過程中如果發生了過熱度低于0℃的情況，應該立即請求EXV關閉，防止制冷劑流入快冷回路過多壓縮機產生液擊。等到過熱度恢復到0℃以上后再次根據過熱度進行EXV開度的控制。

5 試驗驗證

針對上述電池冷卻系統與空調制冷系統協調控制策略在實車進行驗證，首先在高溫環境下靜置車輛6小時，試驗開始后打開乘員艙空調設定溫度24℃，等到乘員艙溫度穩定后控制電池系統進入冷卻模式，電池冷卻模式下EXV開度控制的初始階段試驗結果見圖3。

從試驗結果可以看出電池進入冷卻模式之前沒有制冷劑流經電池冷卻回路，由傳感器計算出的過熱度很高，電池進入冷卻模式后EXV緩慢開啟制冷劑開始流入，過熱度緩慢下降，過熱度下降到10℃后，不再控制EXV緩慢開啟，EXV控制的初始階段結束。在EXV控制的初始階段過熱度沒有發生大幅度跳變，乘員艙的溫度也維持在27℃附近，既保證了電池冷卻系統的穩定性也防止了乘員艙溫度的突變。

在EXV控制的初始階段結束后，EXV開度控制開始進入以過熱度為目標的PI控制，試驗結果如圖4。從試驗結果可以看出電池的整個冷卻過程中，過熱度一直控制在8℃附近，保證了電池冷卻系統的穩定運行。整個試驗過程乘員艙的溫度維持在24℃附近沒有發生大幅度溫度的跳變，保證了乘員艙的舒適性。

針對空調開啟時EXV開度控制策略的驗證：首先控制電池系統進入冷卻模式之后開啟乘員艙空調，針對該工況的試驗結果如圖5。由試驗結果可以看出，在開啟乘員艙空調后過熱度快速下降，為防止過熱度降低到0℃以下，在檢測到空調按鈕開啟后控制EXV開度迅速降低到70步，之后過熱度開始緩慢上升并趨于穩定。在過熱度穩定后，EXV控制策略恢復為PI調節。通過識別空調按鈕的開啟，迅速控制EXV降低到一個很小的開度，有效的防止了過熱度的快速下降，保證了電池冷卻系統的穩定性。

6 結束語

針對本文采用的電池冷卻裝置，提出了三種工況下電池冷卻系統與空調制冷系統的協調控制策略，結合實車驗證表明提出的控制策略滿足了電池冷卻的需求同時保證了電池冷卻系統工作的穩定性，也有效防止了乘員艙的溫度的突變保證了乘員艙的舒適性。

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