純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻電子風(fēng)扇自適應(yīng)控制策略研究

方 媛

隨著環(huán)境和能源問(wèn)題的日益突出，在城市公共交通領(lǐng)域，節(jié)能、環(huán)保的純電動(dòng)客車(chē)日益受到人們的認(rèn)可。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力源，其性能直接影響著車(chē)輛行駛的安全與品質(zhì)。在車(chē)輛起步、加速、高速行駛時(shí)，電機(jī)工作在大電流的狀況下，電機(jī)控制器與電機(jī)內(nèi)耗會(huì)急劇增加，釋放大量的熱量，如果得不到有效的冷卻，電機(jī)控制器與電機(jī)內(nèi)部溫度就會(huì)急劇升高，影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率、效率及壽命，嚴(yán)重妨礙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常行駛。

純電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)智能冷卻裝置介紹

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能冷卻裝置采用電機(jī)與電機(jī)控制器一體化冷卻方式，該裝置包括：膨脹水箱、冷卻管路、水泵、散熱器、電子風(fēng)扇及電控系統(tǒng)。其工作原理為：冷卻液在水泵的帶動(dòng)下在冷卻管路中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)冷卻液帶走電機(jī)、電機(jī)控制器的熱量，為了使熱量散發(fā)更充分，在散熱器的后方設(shè)置風(fēng)扇，冷卻回路原理圖如圖1所示。

圖1 冷卻回路原理圖

冷卻系統(tǒng)自適應(yīng)控制策略研究

1.控制策略

冷卻系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度T1、電機(jī)控制器溫度T2、鑰匙信號(hào)（其中對(duì)鑰匙信號(hào)進(jìn)行了定義：1為OFF檔位、2為ACC檔位、3為ON檔位、4為START檔位）、整車(chē)行駛狀態(tài)等CAN信號(hào)。PWM為電控系統(tǒng)輸出的電子風(fēng)扇占空比，其中PWM1為針對(duì)電機(jī)溫度變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算所得占空比，PWM2為針對(duì)電機(jī)控制器溫度變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)計(jì)算所得占空比；Tmin1、Tmax1、Tb1分別為所標(biāo)定的電機(jī)工作溫度的下限值、上限值、最佳工作溫度值；Tmin2、Tmax2、Tb2為所標(biāo)定的電機(jī)控制器的工作溫度下限制值、上限值、最佳工作溫度值；PWM_lOW、PWM_HIGH、P1、P2、t1、t2分別為所標(biāo)定的電子風(fēng)扇最低轉(zhuǎn)速占空比、電子風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速控制占空比、遞增量、遞減量、遞增周期、遞減周期。圖1為冷卻系統(tǒng)電子風(fēng)扇控制原理圖，將電子風(fēng)扇工作模式分為：下電模式、喚醒模式、等待模式、工作模式、循環(huán)模式；圖2、圖3為循環(huán)模式下PWM1、PWM2的控制邏輯圖。

圖2 冷卻系統(tǒng)控制原理圖

圖3 PWM1循環(huán)控制邏輯

圖4 PWM2循環(huán)控制邏輯

具體控制策略如下。

（1）當(dāng)鑰匙信號(hào)=1時(shí)，冷卻系統(tǒng)處于下電模式，此時(shí)電子風(fēng)扇PWM=0，水泵不使能：Pumpenable=0。

（2）當(dāng)鑰匙信號(hào)=2時(shí)，冷卻系統(tǒng)進(jìn)入喚醒模式，此時(shí)電子風(fēng)扇PWM=0，Pumpenable=0。

（3）當(dāng)鑰匙信號(hào)≥3時(shí)，冷卻系統(tǒng)進(jìn)入自檢模式，電子風(fēng)扇按標(biāo)定的自檢時(shí)間t與自檢轉(zhuǎn)速PWM_CHECK進(jìn)行自檢，自檢結(jié)束后進(jìn)入等待模式。

（4）冷卻系統(tǒng)進(jìn)入等待模式后，當(dāng)監(jiān)測(cè)到整車(chē)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，冷卻系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，根據(jù)電機(jī)與電機(jī)控制的溫度變化自適應(yīng)計(jì)算PWM輸出值以控制電子風(fēng)扇來(lái)滿足散熱需求：PWM=max（PWM1，PWM2)，其中PWM1與PWM2的具體自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法如下。

冷卻系統(tǒng)進(jìn)入工作模式后，當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)溫度T1大于Tmin1時(shí)，PWM1進(jìn)入循環(huán)模式，PWM1=PWM_LOW；當(dāng)電機(jī)溫度T1大于Tmin1并且小于Tb1時(shí)，如果T1處于下降或不變狀態(tài)，則PWM1以遞減周期t2和遞減量P2的速度降低，否則PWM1以周期t1和遞增量P1的速度升高；當(dāng)電機(jī)溫度T1大于最佳工作溫度Tb1并且小于上限值Tmax1時(shí)，如果T1處于上升或不變狀態(tài)，則PWM1以周期t1和遞增量P1的速度升高，否則PWM1以周期t2和遞減量P2的速度降低；當(dāng)電機(jī)溫度T1等于平衡點(diǎn)溫度Tb1時(shí)，PWM1維持當(dāng)前值不變；當(dāng)電機(jī)溫度T1大于上限值Tmax1時(shí)，PWM1=PWM_HIGH；當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)溫度T1小于Tmin1時(shí)，PWM1退出循環(huán)模式，PWM1=0。

冷卻系統(tǒng)進(jìn)入工作模式后，當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)控制器溫度T2大于Tmin2時(shí)，PWM2進(jìn)入循環(huán)模式，PWM2=PWM_LOW；當(dāng)電機(jī)控制器溫度T2大于Tmin2并且小于Tb2時(shí)，如果T2處于下降或不變狀態(tài)，則PWM2以遞減周期t2和遞減量P2的速度降低，否則PWM2以周期t1和遞增量P1的速度升高；當(dāng)電機(jī)控制器溫度T2大于最佳工作溫度Tb2并且小于上限值Tmax2時(shí)，如果T2處于上升或不變狀態(tài)，則PWM2以周期t1和遞增量P1的速度升高，否則PWM2以周期t2和遞減量P2的速度降低；當(dāng)電機(jī)控制器溫度T2等于平衡點(diǎn)溫度Tb2時(shí)，PWM2維持當(dāng)前值不變；當(dāng)電機(jī)控制器溫度T2大于上限值Tmax2時(shí)，PWM2=PWM_HIGH；當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)控制器的溫度T2小于Tmin2時(shí)，PWM2退出循環(huán)模式，PWM2=0。

2.應(yīng)用層控制模型搭建

智能冷卻系統(tǒng)電控單元集成于32位雙核自主整車(chē)控制器中，基于MATLAB/SIMULINK Embedcode自動(dòng)代碼生成方式進(jìn)行應(yīng)用層程序的開(kāi)發(fā)，控制邏輯可視化程度高，圖5為所搭建的冷卻系統(tǒng)應(yīng)用層控制模型，智能冷卻系統(tǒng)控制模型與整車(chē)控制模型是相互獨(dú)立的。

圖5 SIMULINK控制模型

實(shí)車(chē)試驗(yàn)

1.轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)

基于公司動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)，對(duì)10m樣車(chē)（搭載集成智能冷卻系統(tǒng)的32位自主VCU）進(jìn)行了CCBC循環(huán)工況轉(zhuǎn)轂經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，該工況百公里耗電量降低了3.7%。

表1 集成ICS自主32位VCU能耗結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.可靠性試驗(yàn)

本項(xiàng)目于2019年6－9月完成了10m樣車(chē)可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)里程統(tǒng)計(jì)如表2所示，持續(xù)3個(gè)月的高熱天氣的可靠性試驗(yàn)并未出現(xiàn)電機(jī)與電機(jī)控制器高溫故障。

表2 集成ICS自主32位VCU可靠性里程統(tǒng)計(jì)

在樣車(chē)上外掛行車(chē)CAN記錄儀，設(shè)置存儲(chǔ)格式，實(shí)時(shí)采集可靠性試驗(yàn)的整車(chē)CAN數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于內(nèi)存卡內(nèi)。圖6為片段1CAN數(shù)據(jù)，記錄車(chē)輛從靜止至行駛智能冷卻系統(tǒng)工作模式的變化，由圖6可知工作模式按照策略設(shè)定正常切換；圖7為片段2CAN數(shù)據(jù)，記錄了冷卻系統(tǒng)處于工作模式時(shí)隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制溫度變化PWM占空比自適應(yīng)調(diào)節(jié)，將溫度控制在合理范圍內(nèi)。

圖6 片段1CAN數(shù)據(jù)

圖7 片段2CAN數(shù)據(jù)

結(jié)束語(yǔ)

基于整車(chē)行駛狀態(tài)結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度T1、電機(jī)控制器溫度T2的實(shí)時(shí)CAN信號(hào)，研究冷卻電子風(fēng)扇自適應(yīng)控制策略，通過(guò)對(duì)電子風(fēng)扇的控制滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)與電機(jī)控制器的散熱需求，確保電機(jī)與電機(jī)控制器工作在合適的溫度范圍內(nèi)；該控制方法簡(jiǎn)單、成本低、易實(shí)現(xiàn)，避免了冷卻系統(tǒng)過(guò)度耗能。