純電動汽車非熱泵型整車熱管理系統的控制方法

王偉民，汪毛毛，瞿愛敬，韓 楊，張中亞，施 睿，石 琳，徐人鶴

（東風汽車集團有限公司技術中心，武漢 430058）

隨著純電動汽車越來越普及，使用過程中的諸多問題也逐漸暴露出來，高低溫環境下的續駛里程衰減是當前用戶的一大痛點。與傳統燃油車相比，純電動汽車的主要動力總成系統（動力電池、電機、控制器、充電機等）工作溫度范圍小，工作性能受溫度影響大，過高或過低的工作溫度會影響電池的容量、使用壽命和電機的工作效率。因此，電池低溫環境下需要合理加熱，高溫環境下需要適當降溫，以保證電池始終處于合理的溫度范圍內[1]。

部分純電動汽車熱管理系統，特別是成本壓力較大的純電動汽車運營車型，目前大多采用PTC 水加熱器對乘員艙及電池包進行加熱，該系統可以有效地滿足電池包及乘員艙熱管理功能需求。但是由于PTC 耗能較高，嚴重影響低溫環境下的純電動汽車續駛里程，采用熱泵系統又會大大增加成本，所以非常有必要對整車熱管理系統進行精細化能量管理[2]。電機余熱利用原理是在低溫情況下，當電機出口水溫達到一定條件之后，將利用電機余熱加熱的冷卻液通過板式換熱器給電池回路進行加熱，提高電池溫度，恢復電池放電性能，提升電動汽車低溫續駛能力。

本文面向某量產電動汽車，按照V字形開發流程，開發滿足整車熱管理需求的熱管理控制策略，并對控制系統進行實車驗證，驗證電機余熱回收等措施的改善效果。

1 非熱泵型整車熱管理系統簡介

為了改善純電動汽車低溫續駛里程的衰減，非熱泵型和熱泵型兩種整車熱管理系統都已經被廣泛采用，實際開發中可以根據純電動汽車的車型級別和性價比，選擇整車熱管理系統的類型。

本文研究的原車整車熱管理系統為一種非熱泵型整車熱管理系統，低溫條件下的加熱功能主要為：采用PTC對乘員艙進行加熱，行車工況下電池熱管理系統無加熱功能，電驅動（含電機）熱管理回路和電池熱管理回路獨立運行。該方案可將電池能量直接轉化為用戶所要求實現的目標，滿足用戶對行車及乘員艙加熱的需求，控制系統及熱管理回路相對簡單，容易實現。但是由于并未考慮行車工況的電池包低溫加熱需求，電池包本體電容量在低溫下有很大衰減，導致低溫環境下續駛里程衰減較為嚴重，對電池包使用壽命也存在一定影響。

針對以上問題，本文在原車整車熱管理回路的基礎上增加部分管路及控制水閥，把電驅動系統和電池、空調的水回路在低溫下聯通，實現電機余熱回收并給電池包進行行車加熱等功能，同時對乘員艙及電池溫度實施智能控制，如圖1所示。此外，還采用效率較高的水加熱PTC，并對其控制系統進行優化，進一步提升低溫續駛里程。

圖1 帶余熱回收的非熱泵型整車熱管理系統回路

2. 控制系統開發

目前汽車控制系統開發都是基于模型設計的，這樣能提高開發效率，而且都基于V字形開發流程。V字形開發流程強調軟件功能的實現和驗證的有機結合，具體開發流程如圖2所示。本文開發的控制系統在裝車前先進行了模型在環測試、硬件在環測試驗證，減少控制系統裝車后的標定及調試工作量。

圖2 控制系統V字形開發流程

2.1 整車熱管理控制系統功能模式

純電動汽車整車熱管理控制系統需要實現乘員艙及電池包的制熱、制冷、電機余熱利用、乘員艙除濕功能。根據整車使用狀態以及環境溫度等條件，判斷整車對熱管理的功能需求。在基本功能實現的基礎上對熱管理系統的控制細節進行了進一步的細化。整車熱管理系統各功能模式需求見表1。此外，控制系統還需要保證各功能模式切換正常，各零部件工作正常。

表1 整車熱管理系統的功能模式

為了確保熱管理控制系統順利裝車，本次熱管理控制系統開發內容包括電氣架構開發、軟件開發和測試。

2.2 整車熱管理控制系統電氣架構

本次開發中采用TTC200作為熱管理控制器[3]，該控制器主要用來采集車輛傳感器信息以及CAN總線上空調系統、電池系統、VCU以及MCU的相關信息，并通過一系列的算法，控制熱管理系統各零部件正常工作，其具體的電氣架構如圖3所示。

傳感器：將熱管理控制系統的傳感器將各種工況的信息轉換為電訊號，傳遞給控制系統，其中主要是制冷劑和冷卻液系統的溫度和壓力信號。

執行器：整車控制器的執行器，主要包括四通閥、三通閥、電磁閥、水泵、PTC以及壓縮機等，需要保證這些執行器能夠按照要求進行可靠穩定的工作。

CAN通訊：從BMS獲取電池溫度信息；從VCU獲取車速信號、請求允許信號；從MCU獲取電機出口水溫信號。

2.3 整車熱管理控制系統軟件開發和測試

為了滿足整車熱管理控制系統的功能和性能需求，必須按照熱管理控制算法對傳感器的信號進行處理，保證執行器的正常工作，從而實現乘員艙制熱制冷、電池制熱制冷、電機余熱利用以及除濕等功能。

本文采用基于模型的設計方法，以Matlab/Simulink為開發平臺，進行模型設計、測試，并編譯成C代碼，最終生成的.s19文件刷寫到TTC200，后續根據模型設計硬件在環測試案例。硬件測試完畢后進行實車策略驗證。通過驗證后進行實車環模低溫續駛試驗。

本研究采用的控制器TTC200價格較高，將來在量產開發中要選用性價比較好的控制器。

2.3.1 功能模塊設計

根據整車熱管理的需求分析結果，對整車熱管理控制系統的功能模塊進行設計，主要包括3個部分：模式判定功能模塊、制熱控制功能模塊、制冷控制功能模塊，如圖4所示。

圖3 熱管理控制系統電氣架構

圖4 功能模塊

模式判定模塊：通過空調請求信號和電池溫度信號對熱管理系統的工作模式進行判定，實現工作模式的智能控制。

制熱控制模塊：通過模式判定的信號進行智能控制，當系統有制熱請求，通過控制PTC功率、三通閥和四通閥的開度控制乘員艙溫度和電池溫度，保證乘員艙的舒適性，也保證電池工作在最佳溫度范圍內。

制冷控制模塊：通過模式判定的信號進行智能控制，當系統有制冷請求，通過控制壓縮機轉速、三通閥的開度、膨脹閥開度以及電池閥開閉實現智能控制乘員艙溫度、電池溫度，保證乘員艙的舒適性以及電池工作在最佳溫度范圍內。

2.3.2 電機余熱控制策略

在低溫行駛情況下，電機出口水溫在明顯高于電池包溫度的時候，可以通過向電池包引入電機余熱對電池包進行加熱，降低動力電池的低溫性能衰減。電機余熱利用的主要流程：（1）在電機出口水溫比較低的情況下，通過對三通閥的控制對電機回路進行蓄熱。（2）當電機出口水溫滿足余熱利用要求，通過對三通閥以及四通閥的控制實現電機余熱給電池加熱。電機余熱的請求模式采用Simulink/Stateflow進行開發，如圖5所示。

圖5 電機余熱控制策略

2.3.3 CAN報文、傳感器信號解析

不同控制器之間通過CAN總線進行通訊，需要按照整車的CAN總線通訊協議，對接收來的信號進行解析，并通過From、Goto模塊提供給相應的功能模塊，如圖6所示。

圖6 CAN報文解析模型

根據傳感器的類型選擇管腳定義，并在模型設計過程中選擇不同的解析方式轉換為對應的溫度以及壓力值，如圖7所示。

2.3.4 控制策略單元測試

電機余熱請求模型創建完成以后，在模型集成之前，需要對模型進行測試，保證電機余熱模型的準確性，其初步的功能測試方案和信號注釋見表2，測試模型如圖8所示，測試結果如圖9所示。

圖7 傳感器信號解析

表2 信號注釋

圖8 電機余熱請求功能測試模型

圖9 電機余熱請求功能測試結果

根據電機余熱功能測試圖進行分析整理，對模型測試結果進行分析，電機余熱測試結果顯示模型能夠按照預期輸出測試結果，具體的測試結果見表3。

為了保證電機余熱請求模型的準確性，需要更多的測試用例保證100%的覆蓋度測試結果，本文用Simulink的Test Hardness進行測試用例的輸入，根據輸出結果優化模型，如圖10所示。

表3 電機余熱請求功能測試結果

圖10 電機余熱請求模型的覆蓋度測試

3 控制系統模型在環、硬件在環測試

3.1 模型在環測試

根據原車熱管理系統原理圖搭建GT-Suite仿真模型，如圖11所示。仿真模型包括整車行駛模塊、電驅動回路、電池回路、PTC加熱回路、空調回路、前艙散熱回路、乘員艙及控制模塊，控制策略采用前面完成的智能溫控控制策略。

圖11 熱管理系統模型在環仿真模型

仿真工況按照EV-TEST低溫續駛（環境：-7℃，車速：CLTC-P工況）試驗進行仿真，仿真試驗結果顯示，帶電機余熱利用相比不帶電機余熱利用，低溫續駛里程提升了7.8%。EV-TEST低溫續駛里程試驗的全過程中，需要經過表1中的功能模式4和8的切換。

3.2 硬件在環測試

本文選用了德國DSPACE硬件在環測試系統為測試平臺，模擬整車熱管理零部件的運行狀態，對熱管理控制器進行全方面的、系統的測試，如圖12所示。

圖12 硬件在環測試

乘員艙和電池的混合制熱模式下的硬件在環測試結果如圖13所示：

圖13 電機余熱利用的功能測試結果

電池加熱：此時滿足電機余熱利用條件，通過控制電機回路四通閥，用電機余熱加熱電池。

乘員艙加熱：采用PTC給乘員艙進行加熱，PTC功率依據乘員艙目標水溫與實際水溫差值進行設定。

4 整車熱管理系統環模試驗結果

為了進一步驗證控制策略的實際效果，進行了實車環模試驗。按照EV-TEST低溫續駛試驗（環境：-7℃，車速：CLTC-P工況）要求進行了試驗，試驗結果表明，采用電機余熱回收等改善措施的整車熱管理系統的低溫續駛里程改善效果明顯。

試驗過程中，電池包溫度在整個低溫續駛試驗過程中有了明顯的提升。試驗過程中改制樣車（帶電機余熱）電池溫度從0℃升高到12℃，相比原車（不帶電機余熱，從0℃升高到2℃）提高了10℃，降低了動力電池在低溫環境下的容量衰減，低溫續駛里程有了明顯的提高，整車低溫續駛里程提升了7.3%，與模型在環仿真結果趨勢一致，具體的試驗結果見表4。

表4 低溫續駛改善效果

5 結論

本文闡述了采用電機余熱利用的純電動汽車整車熱管理系統的控制方法，特別是根據V字形開發流程對控制策略進行制訂、測試和優化的全過程。采用GT-Suite對控制策略進行模型在環測試，按照熱管理策略進行了整車高低溫性能的模型在環仿真，從而預測整車熱管理系統性能。采用DSPACE進行硬件在環測試，驗證控制策略的準確性，最后通過基于電機余熱回收的純電動汽車整車熱管理環模試驗，發現整車能量的精細化管理對整車低溫續駛里程提升有顯著作用。

（1）電機余熱回收可以給電池包加熱，恢復電池容量，有利于提升低溫續駛里程，通過控制系統與整車模型聯合仿真提出合適的控制策略，對于改善和優化最終整車性能具有重要意義。

（2）整車熱管理控制系統的軟硬件開發通過V字形開發流程才能確保完整和正確。