







摘要:隨著國(guó)家碳達(dá)峰和碳中和工作的推進(jìn),汽車(chē)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)日益受到各主機(jī)廠的重視。輕卡混合動(dòng)力汽車(chē)相比燃油車(chē)更節(jié)能,相比純電動(dòng)汽車(chē)又解決了用戶的里程焦慮問(wèn)題,是未來(lái)輕卡的重要發(fā)展方向。由于插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的電池容量普遍偏小,而充放電賠率又偏高,所以多采用液冷電池技術(shù)。以某2.0排量的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)匹配PS技術(shù)路線的混動(dòng)箱為例,從輕卡熱管理的架構(gòu)、信號(hào)交互、各功能零部件的系統(tǒng)控制策略等多方面系統(tǒng)講解,并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)乘員艙、電池、電機(jī)等相關(guān)部件進(jìn)行冷卻和加熱控制,避免整車(chē)發(fā)生熱害風(fēng)險(xiǎn)以及節(jié)約電耗,提升純電里程。研究結(jié)論可為熱管理設(shè)計(jì)人員提供一定參考和借鑒。
關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力;熱管理;控制策略
中圖分類號(hào):U469.74" 收稿日期:2024-01-10
DOI:10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.008
1 熱管理概述
混合動(dòng)力汽車(chē)的熱管理與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)有很大的差別,其部件更多,系統(tǒng)更復(fù)雜,控制更精準(zhǔn)。傳統(tǒng)燃油車(chē)只需對(duì)駕駛室乘員艙和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻或加熱,而混動(dòng)汽車(chē)熱管理不僅要控制座艙和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度,更要對(duì)電池、混動(dòng)箱溫度以及高壓控制器等部件進(jìn)行控制[1]。一個(gè)好的熱管理系統(tǒng)不僅能提升駕駛員和乘客的舒適性,還能有效降低混合動(dòng)力汽車(chē)的油耗。本文適用于輕卡混動(dòng)平臺(tái)搭載PS混動(dòng)箱的技術(shù)路線。
1.1 熱管理策略設(shè)計(jì)原則
a.所有動(dòng)力部件、功能部件及控制部件應(yīng)具備超溫自保護(hù)功能。
b.熱管理系統(tǒng)需滿足熱管理工況下零部件需求工作溫度要求。
c.空調(diào)系統(tǒng)匹配應(yīng)滿足乘員艙降溫、采暖、除霜、除霧基本需求。
d.空調(diào)系統(tǒng)匹配應(yīng)滿足在電池一定溫度之下優(yōu)先滿足乘員艙降溫需求,之上時(shí)優(yōu)先滿足動(dòng)力電池冷卻要求。
e.以整車(chē)熱管理模型為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)合理的控制邏輯以最大程度地降低伺服能耗。
1.2 熱管理策略設(shè)計(jì)目標(biāo)
本文主要是輕卡混動(dòng)平臺(tái)搭載PS混動(dòng)箱的技術(shù)路線的熱管理系統(tǒng),其設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)如下:
a.制定整車(chē)熱管理控制策略,在最小的熱管理伺服能耗下使熱管理系統(tǒng)滿足零部件熱管理需求。
b.為保證乘員艙基本采暖、制冷及動(dòng)力電池冷卻,基于整車(chē)角度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)提出要求。
c.為保證整車(chē)動(dòng)力性,基于整車(chē)角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提出要求。
d.制定整車(chē)熱管理策略,確保實(shí)時(shí)使用熱管理系統(tǒng)為整車(chē)最佳能耗方案[2]。
1.3 專業(yè)術(shù)語(yǔ)縮略詞
功能規(guī)范中包含的專業(yè)術(shù)語(yǔ)縮略詞如表1所示。
2 熱管理架構(gòu)
2.1 熱管理功能架構(gòu)
熱管理控制策略與熱管理架構(gòu)息息相關(guān),熱管理策略是基于功能架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,本文所設(shè)計(jì)的功能架構(gòu)基于輕卡柴油混動(dòng)平臺(tái),柴油機(jī)與汽油機(jī)特性決定了其熱管理架構(gòu)有一定的區(qū)別。
在進(jìn)行熱管理架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),首先需要對(duì)各主要零部件的熱管理需求進(jìn)行了解,本文提到的輕卡混動(dòng)熱管理的各主要零部件的需求見(jiàn)表2所示。
因熱管理策略中涉及高壓部件冷卻等級(jí)的劃分以及在某些工況下零部件超溫的熱保護(hù)策略,故需明確高壓部件的降功率閥值、過(guò)溫保護(hù)閥值、存儲(chǔ)溫度條件等,本文設(shè)計(jì)的熱管理架構(gòu)的高壓部件見(jiàn)表3。
本文熱管理架構(gòu)是同時(shí)控制駕駛室乘員艙、電池、高壓部件等,同步考慮熱害、管路布置方便性、性能及成本,具體布置如圖1所示。
熱管理主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(PEU冷卻、混動(dòng)箱冷卻)、傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)(發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻)、電池回路(電池冷卻、制熱、均溫),以及乘員艙制冷和采暖[3]。
2.2 熱管理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
根據(jù)熱管理架構(gòu),本文整理了輕卡混動(dòng)平臺(tái)熱管理控制部件,熱管理控制元件共有水泵三個(gè)、冷卻風(fēng)扇三個(gè)、蒸發(fā)器截止閥一個(gè)、chiller一個(gè)、鼓風(fēng)機(jī)一個(gè)、蒸發(fā)器度傳感器一個(gè)、空調(diào)三態(tài)開(kāi)關(guān)一個(gè)、溫度壓強(qiáng)傳感器一個(gè)、暖風(fēng)斷水閥一個(gè)、WPTC一個(gè)、電動(dòng)壓縮機(jī)一個(gè),如表4所示。
由于混動(dòng)熱管路信號(hào)的交互主要與電池水泵等高壓部件相關(guān),故其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用三路CAN,熱管理控制器與BMS、電動(dòng)壓縮機(jī)等熱管理主要零部件同屬一路,如圖2所示。
熱管理相關(guān)零部件信號(hào)交互如表5所示。
3 熱管理控制策略
整車(chē)熱管理系統(tǒng)分為低溫回路熱管理子系統(tǒng)、傳統(tǒng)動(dòng)力系熱管理子系統(tǒng)、電池?zé)峁芾碜酉到y(tǒng)、駕駛室熱管理子系統(tǒng)、駕駛室和電池協(xié)調(diào)子系統(tǒng),如圖3所示。
a.低溫回路熱管理子系統(tǒng):保證高壓部件滿足工作溫度需求。
b.傳統(tǒng)動(dòng)力系熱管理子系統(tǒng):發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻功能,低溫時(shí)快速暖機(jī)及高溫條件下的冷卻功能,保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效的溫度環(huán)境下。
c.電池?zé)峁芾碜酉到y(tǒng):保證電池在設(shè)計(jì)工況下滿足安全工作溫度(極限工況熱保護(hù),確保安全;極寒工況下加熱,滿足低溫充、放電需求)。
d.駕駛室熱管理子系統(tǒng):保證乘員艙降溫、采暖、除霜、除霧需求。
e.駕駛室與電池協(xié)調(diào)子系統(tǒng):針對(duì)雙制冷及雙加熱工況下,定義相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)策略,使電池?zé)峁芾砼c駕駛室熱管理協(xié)調(diào)工作。
3.1 低溫回路熱管理系統(tǒng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括MCU、DCDC、OBC、PTC這些高壓部件,當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行或充電時(shí),如果這些高壓部件的溫度大于標(biāo)定量時(shí),則需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻,根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度與工作溫度的差值,來(lái)決定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大冷卻需求,根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱的最大需求來(lái)判斷水泵的占空比和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,直到達(dá)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最佳的工作溫度。
當(dāng)混動(dòng)箱溫度過(guò)高時(shí),控制新能源回路的水泵和風(fēng)扇,使低溫冷卻水通過(guò)水油換熱器把混動(dòng)箱里的熱量帶走,經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán),使混動(dòng)箱降溫到正常工作狀態(tài)。
當(dāng)車(chē)輛停止運(yùn)行時(shí),伺服部件仍然有冷卻需求,此時(shí)通過(guò)冷卻液溫度查出水泵運(yùn)行時(shí)間和水泵占空比,以此解決因停車(chē)而導(dǎo)致伺服部件溫度失控的問(wèn)題。若VCU退出ready并且電機(jī)控制器進(jìn)口冷卻液、DCDC冷卻液、OBC入水溫度大于設(shè)定溫度或IGBT溫度,電機(jī)定子溫度大于設(shè)定溫度,冷卻系統(tǒng)伺服部件進(jìn)入后運(yùn)行狀態(tài),VCU 應(yīng)持續(xù)檢測(cè)對(duì)應(yīng)工況下冷卻液溫度,按照驅(qū)動(dòng)工況、慢充工況、快充工況執(zhí)行對(duì)應(yīng)的冷卻策略,若冷卻液溫度降低至設(shè)定溫度后,則終止后運(yùn)行策略。
3.2 傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下運(yùn)行時(shí),節(jié)溫器溫度與冷卻液溫度相差較大時(shí),節(jié)溫器大循環(huán)關(guān)閉,冷卻液經(jīng)過(guò)小循環(huán)流經(jīng)水泵入口,發(fā)動(dòng)機(jī)迅速暖機(jī)。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫下運(yùn)行時(shí),節(jié)溫器溫度與冷卻液溫度相差較小時(shí),節(jié)溫器的開(kāi)度占比30%,一部分流向散熱器進(jìn)行大循環(huán),剩下的冷卻液通過(guò)水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)節(jié)溫器的溫度小于冷卻液的溫度時(shí),節(jié)溫器閥門(mén)全部打開(kāi),同時(shí)關(guān)閉流向水泵的閥門(mén),冷卻液流向散熱器,根據(jù)PWM控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫,降溫后的冷卻液經(jīng)過(guò)管路流回水泵,如此反復(fù)循環(huán),直到發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到適宜的工作溫度。
當(dāng)冷卻液溫度低于設(shè)定溫度時(shí),控制電路使風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。當(dāng)冷卻液溫度高于設(shè)定溫度時(shí),控制電路使風(fēng)扇低速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)冷卻液溫度高設(shè)定溫度時(shí),控制電路使風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)汽車(chē)高速行駛時(shí),迎風(fēng)面足以達(dá)到冷卻效果,這時(shí)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。
根據(jù)節(jié)溫器的溫度與冷卻液的溫度的差值,調(diào)節(jié)節(jié)溫器的開(kāi)度,根據(jù)開(kāi)度判斷冷卻液是流向散熱器還是水泵,水泵根據(jù)占空比來(lái)控制流量流向發(fā)動(dòng)機(jī),風(fēng)扇轉(zhuǎn)速是根據(jù)占空比及作用在電機(jī)上電壓的大小,冷卻液經(jīng)過(guò)散熱器在冷卻風(fēng)扇的作用下進(jìn)行降溫。
3.3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)
當(dāng)BMS接收到TMS發(fā)送的信號(hào)為Run時(shí),判斷車(chē)輛處于駕駛狀態(tài),TMS選擇行車(chē)?yán)鋮s模式。TMS依據(jù)電池溫度判斷是否進(jìn)行冷卻。當(dāng)電池溫度滿足冷卻條件時(shí),TMS根據(jù)指令開(kāi)啟水泵,AC控制壓縮機(jī)、電子膨脹閥開(kāi)啟,電子膨脹閥的開(kāi)度取決于電池的最大冷卻需求,也可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量來(lái)對(duì)電池進(jìn)行冷卻,板式換熱器將動(dòng)力電池冷卻液和發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液進(jìn)行熱交換,將動(dòng)力電池冷卻液中的熱量轉(zhuǎn)移到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液中。電動(dòng)水泵主要是對(duì)冷卻液進(jìn)行加壓,保證其在冷卻系統(tǒng)中能夠不間斷的循環(huán)流動(dòng),直到達(dá)到電池正常工作溫度。
當(dāng)TMS檢測(cè)電池最高溫度大于35 ℃且小于等于42 ℃,同時(shí)車(chē)輛模式為運(yùn)行時(shí),TMS控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn),并按照設(shè)計(jì)的占空比運(yùn)行,AC開(kāi)啟壓縮機(jī)和電子膨脹閥,由Chiller為電池包提供散熱;當(dāng)電池最高溫度小于等于30℃或車(chē)輛停止時(shí),停止冷卻請(qǐng)求。
當(dāng)TMS檢測(cè)到電池最高溫度大于42 ℃且小于等于48 ℃,同時(shí)車(chē)輛狀態(tài)為運(yùn)行模式時(shí),此時(shí)電池包采用主動(dòng)冷卻方式,TMS控制水泵開(kāi)啟,并按照設(shè)計(jì)占空比運(yùn)行,AC開(kāi)啟壓縮機(jī)、膨脹閥等,由Chiller為電池包提供散熱,當(dāng)車(chē)輛停止,則直接停止主動(dòng)冷卻。
TMS根據(jù)電池包本體溫度和接收到HCU反饋車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài),BMS發(fā)出主動(dòng)加熱請(qǐng)求,根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行模式不同,通過(guò)AC控制PTC或發(fā)動(dòng)機(jī)兩種加熱方式的切換。TMS根據(jù)電池包實(shí)際入口水溫,控制電控?cái)嗨y通斷,保證流入電池水溫在安全范圍內(nèi)。增加行車(chē)加熱功能,能保證電池溫度快速到達(dá)最佳溫度區(qū)間。
當(dāng)TMS接收到HCU發(fā)送的信號(hào)為Run時(shí),判斷車(chē)輛處于行駛狀態(tài),TMS選擇行車(chē)加熱模式。TMS依據(jù)電池溫度判斷是否進(jìn)行加熱。當(dāng)電池溫度滿足加熱條件時(shí),冷卻液先由水泵抽取動(dòng)力電池冷卻水道內(nèi)的冷卻液進(jìn)PTC加熱器總成進(jìn)行加熱,加熱后的冷卻液再回到動(dòng)力電池內(nèi)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱。如此循環(huán),將動(dòng)力電池的溫度提高到正常的溫度。當(dāng)電池的溫度達(dá)到一定限值時(shí),則停止加熱。
當(dāng)TMS接收到HCU發(fā)送的信號(hào)為充電時(shí),判斷車(chē)輛處于充電狀態(tài),TMS選擇充電加熱模式。TMS依據(jù)電池溫度判斷是否進(jìn)行加熱。當(dāng)電池溫度滿足加熱條件時(shí),冷卻液先由水泵抽取動(dòng)力電池冷卻水道內(nèi)的冷卻液進(jìn)PTC加熱器總成進(jìn)行加熱,加熱后的冷卻液再回到動(dòng)力電池內(nèi)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱。如此循環(huán),將動(dòng)力電池的溫度提高到正常的工作溫度。
3.4 駕駛室熱管理系統(tǒng)
駕駛室熱管理功能對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的功能要求如下:
a.預(yù)約空調(diào)過(guò)程中,駕駛室的冷卻策略由實(shí)車(chē)進(jìn)行標(biāo)定。
b.充電過(guò)程中,駕駛室的冷卻策略應(yīng)該與正常行駛過(guò)程一致且滿足整車(chē)降溫指標(biāo)要求。
c.充電過(guò)程中,駕駛室如果有降溫請(qǐng)求,開(kāi)啟壓縮機(jī)。
d.預(yù)約空調(diào)過(guò)程中,如果電池SOC低于設(shè)定值,且此時(shí)車(chē)輛擋位為P擋或N擋,充電槍未連接,整車(chē)高壓系統(tǒng)無(wú)故障,則可判斷用戶是否允許啟動(dòng)壓縮機(jī)。駕駛室制冷功能由AC負(fù)責(zé)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到TMS的要求,TMS負(fù)責(zé)控制電子膨脹閥。TMS控制器負(fù)責(zé)空調(diào)回路的駕駛室及電池之間的冷卻協(xié)調(diào)功能。
當(dāng)存在駕駛室采暖需求時(shí),TMS根據(jù)乘員艙設(shè)定溫度,調(diào)節(jié)PTC的功率,當(dāng)單獨(dú)PTC無(wú)法滿足乘員艙采暖需求,則TMS啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與PTC出口水溫相同時(shí),PTC關(guān)閉,直接使用發(fā)動(dòng)機(jī)采暖即可;在沒(méi)有PTC時(shí),當(dāng)TMS接收到駕駛員想要制熱的請(qǐng)求,則TMS發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)給ECU,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液循環(huán)的余熱來(lái)進(jìn)行供暖。預(yù)約空調(diào)過(guò)程中,駕駛室的加熱策略應(yīng)該與正常行駛過(guò)程一致且需要符合整車(chē)采暖性能指標(biāo)要求;充電過(guò)程中,駕駛室的加熱策略由實(shí)車(chē)進(jìn)行標(biāo)定。
3.5 電池與駕駛室熱管理協(xié)調(diào)功能
當(dāng)電池冷卻請(qǐng)求為主動(dòng)冷卻或瞬態(tài)冷卻或不冷卻時(shí),TMS應(yīng)控制EXV及壓縮機(jī)滿足冷卻需求。電池包降溫與駕駛室降溫的協(xié)調(diào)應(yīng)遵循乘員艙降溫及電池入口水溫、入口水流量要求,如不能滿足目標(biāo)要求,正常駕駛(電池非緊急模式)模式下,以乘員降溫優(yōu)先;電池進(jìn)入緊急模式時(shí),以電池降溫優(yōu)先的原則進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
當(dāng)電池包和乘員艙同時(shí)有降溫需求時(shí),為避免電池包降溫對(duì)乘員艙降溫產(chǎn)生較大沖擊,要求電池包水泵應(yīng)依據(jù)PWM水泵20%/s(TBD)占空比速率的等級(jí)進(jìn)行調(diào)速,不應(yīng)直接進(jìn)入水泵最大占空比,以保證乘員艙出風(fēng)口溫度波動(dòng)在可接收范圍內(nèi);同時(shí),電子膨脹閥開(kāi)啟時(shí)需以兩點(diǎn)式開(kāi)啟,避免過(guò)多制冷劑流過(guò)Chiller側(cè),以保證乘員艙舒適性。
雙制冷時(shí)控制電池進(jìn)口目標(biāo)溫度,具體原則是以水溫為目標(biāo)溫度進(jìn)行控制,同時(shí)側(cè)重于乘員艙優(yōu)先,為避免系統(tǒng)頻繁波動(dòng),電池本體最高溫度進(jìn)行回滯區(qū)設(shè)定,涉及的溫度值為標(biāo)定值,需要實(shí)車(chē)進(jìn)行標(biāo)定確定。
TMS接收乘員艙溫度信號(hào)和電池本體溫度信號(hào),當(dāng)檢測(cè)到電池本體溫度≤45 ℃時(shí),TMS不允許電池冷卻,反饋“冷卻抑制信號(hào)”給BMS和GW,BMS停止發(fā)冷卻請(qǐng)求,TMS控制電池電子膨脹閥暫不能打開(kāi);直到TMS判定乘員艙溫度<30 ℃,或48 ℃≥電池溫度>45 ℃,TMS反饋“允許冷卻”給BMS和GW,由TMS開(kāi)啟電子膨脹閥,此時(shí)BMS發(fā)電池包入口水溫請(qǐng)求為15 ℃。
電池本體溫度>48 ℃時(shí)電池包狀態(tài)進(jìn)入緊急狀態(tài),為保證電池包安全性,BMS直接向TMS控制器發(fā)送電子膨脹閥常開(kāi)信號(hào)實(shí)現(xiàn)截止閥進(jìn)入常開(kāi)狀態(tài),且此時(shí)發(fā)送電池包入口水溫請(qǐng)求為10 ℃。
當(dāng)電池包和乘員艙同時(shí)有采暖請(qǐng)求,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱可以給乘員艙采暖、除霜、除霧等,根據(jù)駕駛員所調(diào)節(jié)的溫度大小,來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)電機(jī)占空比來(lái)達(dá)到駕駛員想要的溫度,電池也通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱進(jìn)行升溫,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱只能提供給空調(diào)采暖時(shí),電池可以利用WPTC來(lái)進(jìn)行升溫[4]。
4 結(jié)語(yǔ)
本文主要介紹了柴油混動(dòng)熱管理系統(tǒng)的架構(gòu)和控制策略,詳細(xì)闡述了各工況下熱管理控制器如何對(duì)各零部件進(jìn)行精準(zhǔn)控制,以實(shí)現(xiàn)輕卡混動(dòng)車(chē)型的節(jié)能降耗,提升混動(dòng)車(chē)型的舒適性和安全性,研究結(jié)論可為熱管理設(shè)計(jì)人員提供一定參考和幫助。
參考文獻(xiàn):
[1]鐘玉靈.新能源汽車(chē)在我國(guó)的發(fā)展研究[M].北京:科技信息出版社,2021.
[2]馬浩然.新能源汽車(chē)熱管理研究綜述[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2023(8):1-9.
[3]劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2020.
[4]羅康林.膨脹箱在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車(chē)技術(shù),2019(5):27-30.
作者簡(jiǎn)介:
章志才,男,1983年生,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槠?chē)電器電子、汽車(chē)線束、電器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、熱管理等平臺(tái)產(chǎn)品。