純電動客車自適應(yīng)水冷機(jī)組控制系統(tǒng)的開發(fā)

楊福清， 徐一凡

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司， 福建 廈門 361023)

在電動汽車行駛過程中，電池在充放電過程中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，特別是在加速或爬坡時，容易在電池內(nèi)部積累大量的熱量，導(dǎo)致電池工作溫度上升，造成轉(zhuǎn)換效率、循環(huán)壽命等電池性能指標(biāo)下降[1]。而現(xiàn)有的電動汽車結(jié)構(gòu)中，電池冷卻系統(tǒng)一般采用自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷等技術(shù)，通常因?yàn)殡姵匕鼉?nèi)部有死角位置，風(fēng)不能到達(dá)或冷卻不均勻，且冷卻風(fēng)與電池壁面的換熱系數(shù)低，冷卻速度慢，極易造成電池性能下降，直接影響車輛的行駛性能。隨著動力電池功率不斷增大，電池充放電所產(chǎn)生的熱量急劇增大，傳統(tǒng)的電池冷卻技術(shù)已不能完全滿足高功率電池的使用要求，嚴(yán)重影響電池自身的熱管理系統(tǒng)及安全性能。

為了更加有效地控制動力電池的熱管理系統(tǒng)，讓電池內(nèi)部溫度控制在最佳溫度范圍，本文設(shè)計(jì)一套純電動客車動力電池水冷機(jī)組系統(tǒng)，采用模糊PI控制算法，根據(jù)當(dāng)前電池單體溫度及充電功率自適應(yīng)調(diào)整水冷機(jī)組的制冷量，同時減少水冷機(jī)組頻繁啟動的次數(shù)，降低系統(tǒng)自身功耗，有效提高純電動客車的續(xù)駛里程。

1 水冷機(jī)組控制系統(tǒng)

1.1 水冷機(jī)組系統(tǒng)架構(gòu)

水冷機(jī)組系統(tǒng)是基于整車獨(dú)立式的制冷循環(huán)系統(tǒng)，主要由冷卻液和制冷劑雙支路循環(huán)系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 獨(dú)立式水冷機(jī)組系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)系統(tǒng)滿足制冷條件時，電子水泵開啟水路進(jìn)行冷卻液循環(huán)，冷卻液經(jīng)過板式換熱器后，進(jìn)入高壓電池包底部的水冷板進(jìn)行熱交換，系統(tǒng)再開啟冷凝器風(fēng)扇和壓縮機(jī)，水冷機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)開始工作。根據(jù)電池包的熱負(fù)荷大小，系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)的制冷量。其中板式換熱器的作用是將空調(diào)系統(tǒng)中的制冷劑在膨脹閥節(jié)流后蒸發(fā)，吸收并帶走電池冷卻回路中冷卻液的熱量，從而給電池降溫。板式換熱器的冷卻液管道兩端均安裝有溫度傳感器，用于檢測水冷機(jī)組出水溫度和回水溫度。

1.2 水冷機(jī)組模糊控制

由于電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱量受整車行駛工況、環(huán)境溫度、電池箱體結(jié)構(gòu)、整車總布置、單體內(nèi)阻變化等因素影響[2-4]，且這些因素具有不確定性，被控對象實(shí)時變化，無法通過理論公式精確計(jì)算電池的產(chǎn)熱量，因此，采用模糊控制具有很大的優(yōu)越性。相對傳統(tǒng)的控制方式而言，模糊控制抗干擾能力更強(qiáng)，實(shí)時控制性更好，并對系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定具有更強(qiáng)的魯棒性。

水冷機(jī)組模糊控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示，首先通過CAN接收BMS發(fā)送的電池溫度信號，計(jì)算當(dāng)前電池溫度與目標(biāo)制冷設(shè)定溫度的溫差及溫差變化率，并離散化處理，分成幾個離散區(qū)間，每個區(qū)間對應(yīng)一個模糊子集，這樣就完成精確量的模糊化，得到模糊量值，再根據(jù)預(yù)先試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定模糊規(guī)則，做出模糊決策。通過解模糊處理后得到控制對象的精確控制值，如圖3所示，再乘以比例因子K得到控制量[5]，水冷機(jī)組根據(jù)模糊控制系統(tǒng)輸出的控制量，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 模糊控制系統(tǒng)工作原理

圖3 模糊控制系統(tǒng)輸出量曲面觀測窗

1.3 水冷機(jī)組PI控制

在整車行駛過程中，根據(jù)當(dāng)前整車所需功率的要求，電池充放電功率變化范圍很大，電池單體溫度也隨著快速地升溫。為了及時有效地控制電池溫升，保持電池系統(tǒng)內(nèi)部的熱平衡，水冷機(jī)組控制系統(tǒng)針對充放電功率采用PI控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)預(yù)先感知被控對象的變化趨勢，預(yù)測壓縮機(jī)未來的工作頻率，從而保持系統(tǒng)溫度場的穩(wěn)態(tài)平衡。

圖4 PI控制系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)性能測試

項(xiàng)目組試制出一套獨(dú)立式水冷機(jī)組系統(tǒng)樣機(jī)，自主開發(fā)一套模糊PI自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，匹配在一輛12 m純電動城市客車上。試驗(yàn)前期，通過系統(tǒng)調(diào)試，CAN網(wǎng)絡(luò)、傳感器、控制器和被控對象均能按照設(shè)計(jì)要求正常工作；并在冷卻液循環(huán)管道上安裝流量計(jì)，檢測電子水泵的流量是否符合設(shè)計(jì)需求；同時根據(jù)現(xiàn)有車型電池的布置方案，多處設(shè)置采樣溫度傳感器，檢測電池箱循環(huán)管路冷卻液溫度的一致性。圖5為水冷機(jī)組試驗(yàn)樣機(jī)出水口溫度采樣圖片,圖中圓圈所示為溫度采樣傳感器。

圖5 水冷機(jī)組試驗(yàn)樣機(jī)

水冷機(jī)組系統(tǒng)測試主要在整車上集成測試，控制系統(tǒng)實(shí)時采集BMS發(fā)送的電池溫度CAN信號，根據(jù)模糊PI控制方法，自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷量，而整車測試則在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺架上動態(tài)運(yùn)行。

此次水冷機(jī)組性能測試采用中國典型城市循環(huán)工況[7]，持續(xù)行駛時間為1 314 s，全程5.83 km，平均車速16.10 km/h，最高車速為60 km/h，速度跟隨曲線如圖6所示，將此路譜導(dǎo)入轉(zhuǎn)轂Profile中，建立在中國典型城市公交工況下的試驗(yàn)任務(wù)。

圖6 中國典型城市工況路譜

在32 ℃～34 ℃環(huán)境溫度下，轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺設(shè)定水平路面，車輛處于滿載，并按照設(shè)定的工況運(yùn)行，通過CAN診斷儀采集數(shù)據(jù)分析如圖7所示。

試驗(yàn)開始前期，水冷機(jī)組尚未開始運(yùn)行，當(dāng)電池溫度及電池箱體進(jìn)出水溫度達(dá)到制冷開啟閾值，水冷機(jī)組開始按模糊PI控制自適應(yīng)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整系統(tǒng)的制冷量。為了控制電池與冷卻液的溫差范圍，保持最大的換熱效率，當(dāng)電池箱體進(jìn)水溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，水冷機(jī)組開始降低制冷量。因中國典型城市工況的運(yùn)行特性，在工況后段需要進(jìn)行大功率的充放電，電池的產(chǎn)熱量大于制冷量，電池箱體進(jìn)出水溫度開始回升，但仍處于較低溫度，此時水冷機(jī)組調(diào)節(jié)壓縮機(jī)維持在較低功耗運(yùn)行。由于冷卻液與電池的溫差控制在設(shè)定的合理范圍，熱交換效率高，工況后期電池單體溫度再度下降，整車運(yùn)行完一個循環(huán)工況后，該鋰電池溫度維持在最佳工作溫度15～35 ℃之間，單體溫差控制在5 ℃內(nèi)[8]，且電池單體平均溫度降低2.5 ℃，水冷機(jī)組系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)電池的溫升，且壓縮機(jī)無需頻繁啟動，相比市場上開關(guān)量控制的水冷機(jī)組功耗低30%。同時從進(jìn)出水溫升數(shù)據(jù)和流量計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，電子水泵的流速能夠滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)出水溫差較小。

圖7 中國典型城市工況溫升數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

本文對水冷機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用模糊PI控制方法，通過整車在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺上運(yùn)行特定工況，測試水冷機(jī)組性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能夠自適應(yīng)地控制電池溫升，水冷機(jī)組熱交換的效率高達(dá)85%，相比市場上開關(guān)量控制的水冷機(jī)組功耗低30%，從而在相同路況百公里下，延長整車的續(xù)航里程至少2 km，為后續(xù)產(chǎn)品的量產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

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