混動(dòng)重卡熱管理系統(tǒng)性能與控制邏輯研究

張文博，楊志剛，王磊

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混動(dòng)重卡熱管理系統(tǒng)性能與控制邏輯研究

張文博，楊志剛，王磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

混動(dòng)重卡上冷卻系統(tǒng)更為復(fù)雜，共有三套冷卻系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，電機(jī)冷卻系統(tǒng)，電池冷卻系統(tǒng)，各自控制溫度不同。統(tǒng)一由整車控制器VCU控制，三套冷卻系統(tǒng)溫度控制邏輯都在VCU中提前定義，在整車設(shè)計(jì)時(shí)要分別設(shè)計(jì)計(jì)算各系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行最終整車溫度控制。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（Battery Temperature Management System，BTMS）后續(xù)還要進(jìn)行智能化，全天候的開發(fā)，已經(jīng)成為汽車總成設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。

混動(dòng)重卡；電池?zé)峁芾斫M；冷卻

前言

車輛熱管理技術(shù)是車輛開發(fā)過程中兼顧各種系統(tǒng)問題與系統(tǒng)需求的關(guān)鍵技術(shù)之一?；靹?dòng)重卡上冷卻系統(tǒng)更為復(fù)雜，共有三套冷卻系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，電機(jī)冷卻系統(tǒng)，電池冷卻系統(tǒng)，各自控制溫度不相同[1]。統(tǒng)一由整車控制器VCU控制，三套冷卻系統(tǒng)溫度控制都在VCU中提前定義。在整車設(shè)計(jì)時(shí)要分別設(shè)計(jì)計(jì)算各系統(tǒng)的冷卻能力進(jìn)行最終整車VCU上的溫度控制。

混動(dòng)重卡冷卻系統(tǒng)主要功能模塊包括：高性能芯片主控模塊VCU、電池模塊、電機(jī)模塊、電流過載診斷保護(hù)模塊、通訊端口、外接端口等。同時(shí)，VCU控制器提供CAN總線接口，通過CAN總線獲取發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電機(jī)等相關(guān)信號(hào)，通過相應(yīng)的信號(hào)通訊進(jìn)行信息傳遞，控制各冷卻系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)

利用熱管理模擬計(jì)算分析軟件“KULI”對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字建模，需結(jié)合整車設(shè)計(jì)參數(shù)和零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)作為數(shù)字化模型的零部件模型參數(shù)，同時(shí)需利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)?shù)，全面合理的建立一個(gè)面向?qū)嶋H運(yùn)用的數(shù)字模型。因此，這種模型實(shí)際上是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)實(shí)施工況的仿真整車性能試驗(yàn)的數(shù)字模型。后續(xù)還需進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算準(zhǔn)確度及一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。

圖1 熱管理3D數(shù)模

對(duì)冷卻系統(tǒng)冷卻能力進(jìn)行校核計(jì)算，為熱管理及冷卻的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)。通過對(duì)車輛不同工況的測(cè)試對(duì)比，從而得到一個(gè)基于理論建模和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證的、較為合理且適合企業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用的數(shù)字化模型。此混動(dòng)車型發(fā)動(dòng)機(jī)采用500馬力，通過計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)。

功率點(diǎn)1900rpm 扭矩點(diǎn) 1000rpm

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度計(jì)算結(jié)果

通過仿真計(jì)算，冷卻系統(tǒng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻要求，在混動(dòng)重卡的冷卻設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)滿足最大散熱量要求。

2 BTMS熱管理系統(tǒng)

2.1 BTMS冷卻管理

一般電池組是由多個(gè)電池模塊組成，一個(gè)電池模塊又由多個(gè)電池單體組成。這個(gè)裝載有電池模塊、電控系統(tǒng)以及其它部件的箱體通常被稱作“電池組”。由于組成電池組的電池形狀各異，數(shù)量不一，電池單體組成模塊的方式不同，另外電池固定的方式，散熱、加熱系統(tǒng)，以及車輛內(nèi)可供擺放電池組的有效空間也各不相同，這就使電池組的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化，需結(jié)合實(shí)際工況設(shè)計(jì)。因此為使電池組發(fā)揮最佳性能和壽命，需要優(yōu)化電池組的結(jié)構(gòu)，對(duì)它進(jìn)行熱管理開發(fā)，設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（Battery Temperature Management System），BTMS用液體來冷卻。使電池組達(dá)到最優(yōu)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[2]。

本文使用電池工作溫度范圍充電時(shí)為0-55℃，放電時(shí)為-20-55℃。電池的冷卻系統(tǒng)采用冷卻液散熱器冷卻，設(shè)計(jì)為兩個(gè)電子風(fēng)扇和一個(gè)冷卻水泵冷卻，工作模式都只有1檔。電子風(fēng)扇與電子水泵控制邏輯分為充電冷卻與放電冷卻，充電時(shí)考慮冷卻余量，冷卻液溫度高于45℃時(shí)，風(fēng)扇與水泵同時(shí)工作；當(dāng)水溫低于45℃時(shí)，風(fēng)扇與水泵同時(shí)停止工作。放電邏輯同上。

圖3 電池冷卻系統(tǒng)構(gòu)型

2.2 BTMS加熱管理

在低溫(低于-10℃)環(huán)境下啟動(dòng)車輛時(shí)，由于低溫動(dòng)力電池的放電性能比較差，電池的能量和功率難以發(fā)揮出來，導(dǎo)致整車性能下降，這時(shí)需要通過加熱系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱，使其達(dá)到允許的工作溫度范圍。對(duì)于混合動(dòng)力重卡汽車而言，電池組需要增加加熱系統(tǒng)，目前解決方案就是電加熱，用來滿足環(huán)境溫度較低時(shí)的電池使用性能，如環(huán)境溫度過低，就需持續(xù)給電池加熱，保證電池放電性能，沖電過程同樣也需給電池組加熱，保證電池的充電性能[5]。

2.3 BTMS設(shè)計(jì)趨勢(shì)

BTMS設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工程成本、電池組結(jié)構(gòu)、車輛裝載空間等實(shí)際因素、電池電流密度等[3,4]。BTMS設(shè)計(jì)需要進(jìn)行整車布置，性能測(cè)試，開發(fā)控制策略，如果有整車?yán)鋮s系統(tǒng)就更加復(fù)雜，當(dāng)前BTMS控制邏輯開發(fā)需綜合考慮；

（1）充放電模式的加熱控制；

（2）單獨(dú)冷卻還是與電機(jī)共用一套冷卻模式；

（3）多種冷卻并存模式或單一冷卻模式；

（4）全天候熱管理系統(tǒng)；

圖4 全天侯熱管理智能系統(tǒng)

3 電機(jī)熱管理系統(tǒng)

電機(jī)的冷卻系統(tǒng)類似于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻，采用冷卻液散熱器冷卻，設(shè)計(jì)為兩個(gè)電子風(fēng)扇冷卻和一個(gè)電子水泵。電機(jī)工作時(shí)最高溫度不能超過60℃，故在控制邏輯上考慮冷卻余量，當(dāng)電機(jī)冷卻液溫度傳感器反饋給VCU電機(jī)冷卻液高于50℃時(shí)，進(jìn)行風(fēng)扇及水泵的工作，且風(fēng)扇和水泵都為1個(gè)檔位；當(dāng)電機(jī)冷卻液溫度傳感器反饋給VCU低于50℃時(shí)，VCU控制風(fēng)扇與水泵同時(shí)停轉(zhuǎn)，控制能量消耗。電機(jī)控制邏輯比電池簡(jiǎn)單。

圖5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)構(gòu)型

4 結(jié)論

混動(dòng)重卡設(shè)計(jì)先進(jìn)的車輛熱管理系統(tǒng)必須考慮動(dòng)力艙內(nèi)外流場(chǎng)、環(huán)境和動(dòng)力裝置冷卻系統(tǒng)之間的相互影響，同時(shí)，隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，采用了電控技術(shù)的散熱風(fēng)扇、冷卻水泵等部件，通過高性能控制芯片和傳感器根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況調(diào)節(jié)冷卻模塊溫度，提供精確的熱量散失與保存，實(shí)現(xiàn)智能化熱量控制[5]。同時(shí)與汽車整車控制系統(tǒng)相匹配，改善了駕駛舒適性和車輛的整體性能，達(dá)到節(jié)能減排的效果。目前，車輛熱管理技術(shù)正在趨于多元化、多方向發(fā)展。未來的多冷卻模式及全天候熱管理系統(tǒng)是主流研究與發(fā)展方向。

[1] 馬驍.電動(dòng)汽車鋰離子電池溫度特性與加熱管理系統(tǒng)研究[M].北京:北京理工大學(xué),2010:47-52.

[2] 焦洪杰.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池冷卻裝置的研制[J].汽車技術(shù),2003,(1):23-25.

[3] 楊毅夫.從EVS-17看國(guó)際電動(dòng)車及動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)[J].電池, 2011,31(4):192-194.

[4] 陳清泉,孫逢春.混合電動(dòng)車輛基礎(chǔ)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.27-79.

[5] 楊裕生,陳清泉,陳立泉,鄭綿平.關(guān)于我國(guó)電動(dòng)車的技術(shù)發(fā)展路線建議[J].新材料產(chǎn)業(yè),2010,3:11-17.

Study on thermal management and control logic of hybrid heavy truck

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Wang Lei

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

The cooling system on the mixed moving heavy card is more complex. There are three cooling systems, engine cooling system, motor cooling system and battery cooling system, each of which controls different temperatures. Unified control by the vehicle controller VCU, the temperature control logic of the three cooling systems is defined in advance in VCU. In the vehicle design, the cooling capacity of each system should be designed and calculated for the final vehicle temperature control. Battery Temperature Management System (BTMS) will be further developed in an intelligent, all-weather manner, which has become an important part of the automobile assembly design.

Hybrid heavy duty truck; Battery thermal management group; Cooling

A

1671-7988(2018)18-43-03

U469.7

A

1671-7988(2018)18-43-03

CLC NO.: U469.7

張文博，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.016