插電混合動力汽車整車控制器熱管理控制分析

陳志鵬， 孫 興， 楊俊偉

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241009）

由于能源危機和環境污染問題日益嚴重，人們對生態環境保護意識愈發強烈，迫切期望有效的技術發展來改善現狀。發展節能與新能源汽車能有效改善能源環境問題，是實現節能減排目標的有效途徑，也是實現國家生態文明建設的有力舉措。為實現節能減排目標，工信部頒布了《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，大力推進節能減排和新能源汽車技術的推廣［1］，使得各企業面對未來五階段的油耗指標的壓力變得更為嚴峻。由于我國雙積分政策的實施，節能與新能源汽車技術成為企業面對未來油耗壓力的有效手段，發展節能與新能源汽車已經變得至關重要。2019年工信部發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》 （征求意見稿） 中，提出發展插電混合動力（含增程式） 汽車是節能與新能源汽車技術的重要技術路線之一［2］。所以插電混合動力車型將是未來幾年的重要技術發展方向。

插電混合動力 （PHEV） 汽車，包含了多個動力源，可實現發動機驅動、純電動驅動以及混動驅動，由于多動力源的存在，使得插電混動的整車熱管理系統較純電和傳統內燃機車復雜很多。整車控制器承接整車熱管理控制的部分控制功能，是整車熱管理控制的重要組成部分，在保證各子系統可靠安全、最優環境下運行同時，滿足整車對冷熱的性能要求以及實現整車能耗的最優控制。本文從整車控制的熱管理需求分析、控制方案設計、硬件需求以及策略實現等方面，對插電混動整車控制單元的熱管理控制進行分析。

1 插電混合動力熱管理控制需求

如圖1所示，插電混動汽車熱管理系統開發的整車需求，包括5個主要單元需求，發動機和執行器冷卻、變速器冷卻、電力和驅動熱管理、駕駛艙熱管理以及電池熱管理［3］。電力驅動熱管理包括車載充電機OBC （On Board Charger）、直流轉換單元DC-DC （Direct Current）、電機及其控制MCU（Motor Control Unit）；駕駛艙熱管理包括艙內制冷和采暖的要求；電池熱管理包括電池加熱和冷卻需求［4］。

2 熱管理控制方案設計

基于熱管理原理設計，結合各零部件的選型，確定控制系統的實現方案。

1） 高溫回路：發動機冷卻與混動模式采暖，沿用傳統車控制方式，包括機械水泵、節溫器、散熱器。

2） 低溫回路：將發動機增壓器與中冷器冷卻回路與電力電子回路交叉，采用一個電子水泵驅動，變流量閥控制流往增壓中冷的流量。包括增壓中冷、電機及控制器、車載充電機、直流轉換單元、變流量水閥，低溫回路的控制信號通過CAN通信交互。

3） 駕駛艙熱循環：空調系統由空調控制模塊 （CLM）控制，增加純電運行下駕駛艙內采暖控制。CLM、電動壓縮機（EAC） 相關控制信號通過CAN與HCU進行交換。

4） 電池冷卻通過Chiller與空調冷卻回路交換，電池采暖通過內置HVH進行加熱。包括電子水泵、Chiller、內置HVH。電池內部溫度與出水口溫度由電池管理系統BMS通過CAN進行交互。

5） 變速器油冷回路溫度信號由變速器控制單元TCU通過CAN進行交互，變速器油泵由TCU控制。

6） 執行器控制：①風扇由HCU控制，HCU兼顧發動機系統、空調系統與低溫回路系統對風扇的需求；②低溫水閥由HCU控制；③低溫水泵由HCU控制；④電池內水泵、電池內HVH以及Chiller由HCU控制，HCU根據電池發出的熱管理狀態，控制3個執行器工作。插電混動熱管理控制實現方案示意圖如圖2所示。

圖1 某款插電混動汽車熱管理原理圖

圖2 插電混動熱管理控制實現方案示意圖

3 整車控制器硬件需求

根據設計方案與執行器信息，確定資源需求見表1和表2。

表1 控制器硬件資源需求

表2 通信資源需求

4 關鍵策略

4.1 風扇控制

1） PWM占空比計算策略

圖3為風扇占空比計算示意圖。

圖3 風扇占空比計算示意圖

EMS_HCU_FanReq信號由發動機控制單元EMS根據車速、發動機水溫、發動機進氣溫度計算得出。

HCU_FanReq信號由混動控制單元HCU根據車速、OBC溫度、DC/DC溫度、電機與控制器溫度、空調壓力綜合計算得出。最終通過HCU進行綜合計算。

2） 風扇延時策略

風扇延時運行時間根據發動機進氣溫度、增壓器溫度、DC/DC溫度、電機及控制器溫度、空調壓力綜合計算得出。

4.2 低溫水泵占空比計算策略

1） PWM占空比計算策略

圖4為低溫水泵占空比計算示意圖。

圖4 低溫水泵占空比計算示意圖

EMS_HCU_PumpReq由發動機控制單元EMS根據發動機進氣溫度和水溫計算得出。

HCU_PumpReq由混動控制單元HCU根據OBC溫度、電機與控制器溫度、DC/DC溫度綜合計算得出。最終通過HCU進行綜合計算。

2） 水泵延時策略

在車輛停機時，水泵需要延時關閉，延時時間根據低溫回路各控制器溫度與增壓器溫度計算得出。

4.3 低溫水閥控制

水閥開度根據增壓器溫度計算得出。在整車模式從HEV和EV之間切換時，需要執行延時關閉策略，以保護執行器。在車輛停機時，需要根據增壓器溫度執行延時關閉策略。表3為風扇、低溫水泵與低溫水閥控制策略表。

表3 風扇、 低溫水泵與低溫水閥控制策略

4.4 電池水泵、HVH與Chiller控制

電池熱管理回路的執行器控制，可通過空調控制模塊控制、或者電池管理系統BMS控制。本車型由HCU根據BMS的熱管理狀態信號進行控制。電池水泵、HVH與Chiller控制策略詳見表4。

表4 電池水泵、 HVH與Chiller控制策略

4.5 PHEV整車控制器熱管理控制模型設計（圖5）

圖5 PHEV整車熱管理控制策略模型

使用MATLAB-Simulink設計軟件，對上述整車熱管理控制算法進行控制模型的開發。建模后的模型如圖5所示。

PHEV的整車熱管理控制策略模型主要包含有風扇控制、低溫水泵控制和電池控制3個子模塊。各個子模塊實現的功能如下。

1） 風扇控制模塊。通過增壓器溫度、電機控制器的實際溫度、電機的實際溫度、電子水泵的狀態、DC/DC的溫度和空調的壓力來判定出空調、電機和發動機的散熱轉速需求以及風扇的開啟狀態。

2） 低溫水泵控制模塊。根據增壓器溫度、實際車速、發動機的水溫、發動機的進氣溫度和發動機的實際溫度來判定出電機與發動機的散熱轉速需求以及水泵的開啟狀態。

3） 水閥控制模塊。根據增壓器溫度和汽車運行模式來確定水閥的開度與開啟狀態。

4） 電池的加熱和散熱控制模塊。根據電池內的溫度、電池外的溫度、節溫器的狀態判定電池內水泵，HVH和Chiller的開啟或關閉。

圖6 NEDC工況下整車熱管理控制電機轉速數據

圖7 NEDC工況下整車熱管理控制電機與DC/DC溫度數據

5 系統驗證

在完成PHEV控制策略軟件其他子模型開發，集成測試之后，使用自主快速原型工具作為PHEV整車的控制器硬件并對整車控制的相關功能進行實車的測試和驗證。

圖6是使用ETAS公司的INCA軟件工具分析在NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的電機工作數據；圖7是NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的電機和DC/DC運行時溫度數據；圖8是NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的風扇的轉速和水泵PWM控制，以及水閥的開啟狀態數據。如圖中所示車速是NEDC工況所要求的4個城市循環和1個城郊循環。從測試數據圖可以看出，電機TMF為前驅電機，在加速使用過程中溫度會上升，起始溫度為27℃左右，使用中最高溫度為54℃；電機TMR為后驅電機，起始溫度為25℃，使用中最高溫度為46℃；ISG電機為啟動/發電機，起始溫度為27℃，在 發動機啟動運行中最高溫度為51℃；DC/DC初始溫度為24℃，在加速使用過程中溫度為36℃。在散熱系統的工作下，上述零部件的溫度均維持在合適的范圍內。在整個NEDC的工況運行中，電子水泵在車速較低的城市循環轉速維持在峰值轉速的30%左右運行，在車速較高的城郊循環轉速維持在峰值轉速的45%左右運行；風扇在開始溫度較低時轉速為425 r/min，在中間城市循環以1100r/min轉速運行，最后在城郊高速循環下以2000r/min運行；電子水閥在車輛啟動時由于風扇轉速較低開始工作，之后停止工作，最后在高速散熱需求較高時開始工作。通過上述的測試和數據分析，整車的熱管理控制能夠滿足初始的控制需求，保證了各零部件工作溫度保持在安全的范圍之內，同時使散熱風扇和電子水泵的轉速維持在較低的范圍可以實現節能與減噪。

圖8 NEDC工況下整車熱管理控制風扇轉速、水泵PWM控制與水閥狀態

6 結論

本文綜合介紹了插電混動系統整車控制器熱管理控制開發各階段的開發內容，包括需求設計、方案設計、硬件需求分解、控制策略需求設計以及策略模型開發。控制系統在實車進行了測試驗證，滿足整車的運行要求。