探析新能源汽車的動力電池熱管理控制器的設計要點及思路

(同濟大學，上海 200082)

0 引 言

我國的汽車行業以燃油汽車為主，在汽車保有量增高的現下，尾氣排放帶來的環境污染也越來越重，基于保護環境，推動節能減排戰略的目的，新能源電動汽車逐漸成為未來汽車發展的導向標桿。現在的電動汽車所使用的動力電池包以鋰離子蓄電池為主，這種電池的優點在于其使用先進的清潔能源，幾乎不會產生任何廢氣，但因為在驅動時會產生大量的熱量，如果沒有配套的散熱系統，將會極大損害汽車的組件壽命，故而研究如何有效散熱，是推動電動汽車發展中極為必要的一環。

1 熱管理系統的常用方案

新能源電動汽車的熱管理系統由壓縮機、電子水泵、電子風扇、PTC加熱器、溫度傳感器、三態壓力開關等幾個部件，其動力電池有預加熱和制冷兩路循環降溫系統，預加熱循環是通過在電子水泵的進水口處和出水口處設置溫度傳感器，這個傳感器與PTC加熱器用外部接口電源相連，當汽車開始運作時，傳感器檢測電子水泵的水溫，加熱器接受CAN信息，如果電池包的溫度降低至標準界限下，加熱器開始工作，讓流經的水溫升高，熱水通過電子水泵的作用流經汽車的動力電池包，這樣就對電池起到一個加熱的效果，而如果加熱器接受到電池包溫度過低的信息便會停止工作，這樣流經電池包的便是可以起到降溫效果的涼水[1]。另一種散熱系統叫做制冷劑循環，這種散熱系統吸取了空調的制冷原理，用氣態制冷劑或者是液態制冷劑實現高低壓變化，然后在壓縮機和蒸發器等組件的配合下進行熱量吸收或者釋放，來起到平衡電池包溫度的作用。

2 動力電池熱管理控制器的設計要點

從電池包的散熱原理可見，熱管控制器的設計要點在于信號的穩定性，信號如果能夠快速接受，那么散熱系統就可以及時作出反應，確保汽車駕駛中動力系統的溫度穩定。那么基于此種思路，動力電池的熱管理控制器應當要囊括溫度處理模塊、反饋模塊、單片機模塊、通訊模塊、電源模塊、驅動模塊和輸出模塊，其中電源模塊是基礎模塊，用于向其它模塊提供電能，是支持所有模塊運作的根本，溫度處理模塊負責進行電壓值采樣，驅動模塊負責風扇和水泵的運轉速度調控，反饋模塊用于接收風扇及水泵的故障反饋信號，并將信號傳輸給單片機，單片機模塊獲取到反饋模塊的故障反饋信號，又對傳感器電壓值展開ADC采樣，最終向通訊模塊輸出PWM信號，通訊模塊根據接收到的PWM信號就可以實現外界交互，從而決定散熱系統是否運行。

根據這個運作結構來看，除了支持各模塊運行的電源模塊外，通訊模塊是整個結構中最關鍵的模塊之一，它是控制壓縮機、單機片和PTC實現與外界信息交互的橋梁，如果通訊模塊發生故障，可能會導致散熱系統無法正常運作。因為控制器關鍵點在于信號接收，預加熱循環和制冷循環并非是直接根據電池熱度智能化運行，而是根據通訊模塊發出的PWM信號決定是否開始散熱，因此整個控制器的運作思路可以歸納為通電開起主程序，主程序接受電池包報文信息，確定是否接受報信息，收到報文信息給出指令，散熱系統了解電池包溫度，散熱系統開展運作[2]。但其中的問題在于，如果控制器沒有接受到報文信息，系統應該盡入何種循環？為此筆者認為，要實現完備的散熱設計，系統至少應該擁有兩套循環，即在散熱循環之外還應該有一套失效循環，失效循環的作用便是在報文信息未被接受的情況下可以被執行，從而避免故障的發生。

3 動力電池熱管理控制器的設計思路

控制器的設計顧及兩個方面，收到電池包報文信息的情況下選擇執行的模式和未收到報文信息的情況下選擇執行的模式。前文提到過，未收到報文信息時系統需要進入失效循環，而收到報文信息便進入散熱循環，散熱循環中根據報文信息展示的電池包溫度又分成制冷、制熱和待機等幾個子循環模式。如果無法判斷報文信息，便跳出子循環，重新判斷，直到軟件確定溫度后再啟動相應模式。歸結而言，控制器系統要具備如下幾個程序系統：判斷溫度和選擇循環類型的主程序；在沒有接受報文信息情況根據出水口溫度進行循環選擇的失效循環系統；根據電池溫度進行平衡調控的制冷制熱系統；在電池包溫度處于適當區間時利用水循環消解余熱的自循環系統；只接受電源模塊供電，不調動其它模塊運轉的待機程序。

整個系統由CAN控制器局域網絡來實現協調，加入ZigBee作混合開發，以嵌入式Linux環境為開發環境，以ZigBee協議為組網設計，主程序的數據交叉編譯控制可以采用QOS技術研發，Linux的內核觸發則由ARM模塊完成，在通訊信息進行交互行為，其需要的脈沖信號用MPLL鎖相環產生。除程序加載外，所有模塊直接連接主程序，其中信息采集模塊、底層數據庫為信息輸入模塊，信息自適應處理模塊和功能組件模塊為信息輸出模塊，傳輸總線與主程序保持輸出/輸入的雙向交互功能，程序加載和傳輸總線保持輸出/輸入的雙向交互功能[3]。通過這樣的設計方式可以提高主程序的響應速度[3]。CAN和壓縮機的轉速直接相連，根據通訊信號決定壓縮機之前的打開狀態。在開機之前，CAN系統會先打開電子風扇，以防系統壓力過高，造成壓縮機的自我保護而自動停機。壓縮機打開之后，會首先對系統的三態開關狀態進行讀取，如果當前壓力的高于或者低于標準值，三態開關就會向控制器主板傳輸對應的信號，得到信號之后電子風扇的轉速會適當做出調整，保證壓力值可以控制在適當的范圍之中。系統通過對失效標志位狀態的讀取來確定需要采取的措施，措施共有兩種，一種是選擇報文信息，這樣制冷制熱系統會啟動，另一種措施是根據出水口的溫度判斷是否跳出當前循環返回主程序。

在啟動制熱循環的情況下，主要根據CAN來控制PTC加熱器的功率，在打開PTC加熱器之前，系統會先執行開放水泵的命令，這種工作順序的目的在于如果-直給加熱器管道內的水加熱，會導致水溫一直上升，PTC加熱器也會在達到最高溫后停止工作，因此讓水泵先于PTC加熱器開放，有助于減少控制器突然停機的情況。在散熱完成之后，控制器會進入自循環模式，此時啟動水路循環，利用水流將電池包的多余熱量帶走。在溫度達到理想狀態時，網絡會再發送報文信息，主程序便能根據報文溫度信息選擇下一個子循環。

4 結束語

總結而言，該控制器的設計是基于電池包溫度做適當調整，它擁有除制冷制熱外的其它循環系統，在系統信號故障的情況下依然能有序工作，同時在平常的汽車駕駛中也能為電池包溫度控制起到良好的平衡作用。