電池冷卻系統(tǒng)與空調(diào)制冷系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

趙繼嶺　彭君　馬香明　王金航

摘 要：電動(dòng)汽車(chē)電池冷卻系統(tǒng)和空調(diào)制冷系統(tǒng)共用壓縮機(jī)的制冷劑實(shí)現(xiàn)電池的冷卻功能 ，針對(duì)這一系統(tǒng)提出了電池冷卻系統(tǒng)和空調(diào)制冷系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方法。在滿(mǎn)足乘員艙空調(diào)制冷需求的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)電池冷卻回路電子膨脹閥的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的冷卻功能。試驗(yàn)結(jié)果表明提出的控制策略既滿(mǎn)足了電池的冷卻需求也有效防止了乘員艙的溫度的突變，保證了乘員艙的舒適性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 動(dòng)力電池 冷卻系統(tǒng) 空調(diào)制冷系統(tǒng) 協(xié)調(diào)控制

Coordinated Control Strategy of Battery Cooling System and Air-conditioning Refrigeration System

Zhao Jiling Peng Jun Ma Xiangming Wang Jinhang

Abstract：The electric vehicle battery cooling system and the air conditioning refrigeration system share the refrigerant of the compressor to realize the battery cooling function. For this system， a method of coordinated control of the battery cooling system and the air conditioning refrigeration system is proposed. Under the condition of meeting the air conditioning and refrigeration requirements of the passenger compartment， the battery cooling function is realized by adjusting the opening of the electronic expansion valve of the battery cooling circuit. The test results show that the proposed control strategy not only meets the cooling demand of the battery， but also effectively prevents the sudden change in the temperature of the passenger compartment， and ensures the comfort of the passenger compartment.

Key words：electric vehicle， power battery， cooling system， air conditioning and refrigeration system， coordinated control

1 前言

2019中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量達(dá)到120.6萬(wàn)輛，電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)遍布全國(guó)各地。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，其性能的好壞直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)性能。但是在我國(guó)南方以及新疆等地區(qū)的炎熱夏季動(dòng)力電池長(zhǎng)期工作在高溫的環(huán)境下，其壽命會(huì)大大縮短并且存在高溫?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。因此在高溫環(huán)境下需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，這對(duì)提高動(dòng)力電池壽命和整車(chē)運(yùn)行安全具有重要的意義。

目前電池的冷卻方式主要分為：風(fēng)冷式、液冷式、相變材料冷卻和空調(diào)制冷劑冷卻。風(fēng)冷式主要是通過(guò)流動(dòng)的空氣帶走電池表面的熱量，該方式控制簡(jiǎn)單并且成本低廉，但是容易造成電池冷卻不均勻，在環(huán)境溫度比較高時(shí)換熱效果也會(huì)變差。液冷式是通過(guò)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)冷卻液流經(jīng)電池內(nèi)部，之后冷卻液將電池的熱量帶出到車(chē)輛前端的散熱器。液冷式可以均勻冷卻電池有利于電池溫度的一致性，并且整體散熱效果要遠(yuǎn)好于風(fēng)冷方式，但是在外界壞境溫度高的情況下，高溫冷卻液帶走的熱量也很難散發(fā)出去。相變材料冷卻是利用相變材料的特性實(shí)現(xiàn)電池的散熱，但是成本很高，在汽車(chē)上應(yīng)用較少?？照{(diào)制冷劑冷卻是在液冷式的基礎(chǔ)上采用空調(diào)制冷劑通過(guò)熱交換器實(shí)現(xiàn)冷卻液的降溫，該制冷方式不再依賴(lài)于外界環(huán)境溫度，即使在外界環(huán)境溫度高的情況下也可以帶走冷卻液的熱量，從而實(shí)現(xiàn)電池的降溫。

本文的電池冷卻系統(tǒng)采用的是空調(diào)制冷劑式冷卻，壓縮機(jī)產(chǎn)生的制冷劑流經(jīng)電池冷卻回路通過(guò)熱交換器帶走電池冷卻液的熱量。

2 電池高溫冷卻系統(tǒng)介紹

本文設(shè)計(jì)的電池高溫冷卻系統(tǒng)主要是由動(dòng)力電池、水泵、熱交換器、壓縮機(jī)、電子膨脹閥（Electronic Pxpansion Valve，EXV）以及配套的溫度傳感器（Temperature Sensor，T）和壓力傳感器（Pressure Sensor，P）組成，見(jiàn)圖1?？照{(diào)壓縮機(jī)出來(lái)的制冷劑分成兩條支路，一條流經(jīng)乘員艙空調(diào)制冷回路給乘員艙制冷，另外一條流經(jīng)電池冷卻回路用來(lái)冷卻電池。當(dāng)電池溫度升高進(jìn)入冷卻模式后，電池冷卻系統(tǒng)請(qǐng)求水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻液流經(jīng)電池內(nèi)部帶走電池的熱量，同時(shí)根據(jù)電池溫度請(qǐng)求壓縮機(jī)的制冷功率，壓縮機(jī)產(chǎn)生的制冷劑流經(jīng)電池冷卻回路通過(guò)熱交換器帶走電池冷卻液的熱量。

在電池冷卻回路和空調(diào)制冷回路同時(shí)工作時(shí)，通過(guò)P、T傳感器采集到的壓力值和溫度值計(jì)算出當(dāng)前過(guò)熱度，以過(guò)熱度為控制目標(biāo)調(diào)節(jié)電池冷卻支路EXV的開(kāi)度，進(jìn)行空調(diào)制冷回路和電池冷卻回路制冷劑的分配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，在滿(mǎn)足乘員艙空調(diào)需求的前提下實(shí)現(xiàn)電池的冷卻功能。

3 EXV介紹

EXV已經(jīng)成為新型制冷系統(tǒng)的重要元件，被應(yīng)用在了很多領(lǐng)域中。本文采用的EXV集成了LIN接收器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，量程是0-480步，具體參數(shù)見(jiàn)表1。在EXV通過(guò)LIN線接收到開(kāi)度指令后，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)針閥上升或者下降，實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)度的調(diào)節(jié)。

EXV開(kāi)度的大小是根據(jù)過(guò)熱度來(lái)確定的，過(guò)熱度是通過(guò)P、T采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的。所以控制EXV的開(kāi)度首先需要設(shè)置一個(gè)合理的目標(biāo)過(guò)熱度，通過(guò)調(diào)節(jié)EXV的開(kāi)度將實(shí)際過(guò)熱度控制在目標(biāo)值附近。當(dāng)實(shí)際過(guò)熱度高于目標(biāo)值，代表制冷劑的流量過(guò)少，起不到冷卻的作用，此時(shí)應(yīng)該增大EXV的開(kāi)度;實(shí)際過(guò)熱度低于目標(biāo)值，代表流過(guò)的制冷劑較多，可能會(huì)發(fā)生制冷劑因未充分吸熱蒸發(fā)，被壓縮機(jī)吸入造成壓縮機(jī)液擊，所以此時(shí)應(yīng)該減小EXV的開(kāi)度。

4 與空調(diào)制冷系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

本節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略主要針對(duì)如下三種工況：1、在空調(diào)制冷系統(tǒng)工作的工況下，電池進(jìn)入冷卻模式EXV開(kāi)度的控制策略;2、在電池冷卻系統(tǒng)工作的工況下，空調(diào)制冷系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)EXV開(kāi)度的控制策略;3、異常工況下EXV開(kāi)度的控制策略。

4.1 電池冷卻模式下EXV的控制

在乘員艙空調(diào)工作過(guò)程中，當(dāng)動(dòng)力電池的溫度升高到35℃后，電池系統(tǒng)進(jìn)入冷卻模式。在電池進(jìn)入冷卻模式后根據(jù)電池的最高溫度請(qǐng)求壓縮機(jī)的制冷功率，此時(shí)壓縮機(jī)的制冷功率等于電池系統(tǒng)請(qǐng)求的制冷功率加上空調(diào)系統(tǒng)請(qǐng)求的制冷功率。在壓縮機(jī)響應(yīng)電池系統(tǒng)請(qǐng)求的制冷功率后，制冷劑開(kāi)始流經(jīng)電池冷卻回路，此時(shí)調(diào)節(jié)電池冷卻回路EXV的開(kāi)度，從而控制制冷劑的流量。EXV的控制流程圖見(jiàn)圖2。

在EXV調(diào)節(jié)的初始階段，由于沒(méi)有制冷劑流經(jīng)電池冷卻回路，由傳感器計(jì)算的過(guò)熱度會(huì)偏大，此時(shí)如果以過(guò)熱度為控制目標(biāo)會(huì)請(qǐng)求EXV一個(gè)很大的開(kāi)度，從而有大量的制冷劑流入電池冷卻回路，而流入空調(diào)制冷回路的制冷劑會(huì)相對(duì)減小，這就會(huì)導(dǎo)致乘員艙的溫度上升，嚴(yán)重影響乘員艙的舒適性。所以在電子膨脹閥調(diào)節(jié)的初始階段，不以過(guò)熱度為目標(biāo)進(jìn)行EXV開(kāi)度控制，改為請(qǐng)求EXV以每秒5步的速率緩慢開(kāi)啟。EXV緩慢開(kāi)啟流經(jīng)電池冷卻回路的制冷劑流量也緩慢增加，從而避免了乘員艙溫度的跳變，在乘員艙溫度有升高趨勢(shì)時(shí)，由于EXV的開(kāi)度小且開(kāi)度的調(diào)節(jié)速率足夠慢壓縮機(jī)也有足夠的時(shí)間根據(jù)乘員艙溫度增大制冷功率。

在EXV緩慢開(kāi)啟的過(guò)程中，過(guò)熱度會(huì)逐漸下降，當(dāng)過(guò)熱度下降到10℃左右時(shí)，轉(zhuǎn)為以過(guò)熱度為目標(biāo)控制EXV的開(kāi)度。設(shè)定目標(biāo)過(guò)熱度為8℃，根據(jù)實(shí)際計(jì)算出來(lái)的過(guò)熱度與目標(biāo)過(guò)熱度的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)：在實(shí)際過(guò)熱度高于目標(biāo)設(shè)定值時(shí)，增加EXV的開(kāi)度;在實(shí)際過(guò)熱度低于目標(biāo)設(shè)定值時(shí)，減小EXV的開(kāi)度。

在電池冷卻過(guò)程中，當(dāng)電池溫度下降到30℃以下，電池已經(jīng)接近正常工作溫度，電池的冷卻需求降低，此時(shí)可以通過(guò)增大目標(biāo)過(guò)熱度來(lái)優(yōu)先保證乘員艙的舒適性，將目標(biāo)過(guò)熱度由8℃增大到11℃。目標(biāo)過(guò)熱度增大后，在目標(biāo)值所對(duì)應(yīng)的EXV開(kāi)度會(huì)相對(duì)減小，對(duì)應(yīng)的制冷劑流量也會(huì)相應(yīng)的減少，這樣就會(huì)有更多的制冷劑流經(jīng)空調(diào)制冷回路，從而滿(mǎn)足空調(diào)制冷優(yōu)先的需求。

4.2 空調(diào)開(kāi)啟時(shí)EXV的控制

當(dāng)電池工作在冷卻模式時(shí)，打開(kāi)乘員艙空調(diào)，此時(shí)空調(diào)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)乘員艙的設(shè)定溫度請(qǐng)求壓縮機(jī)的制冷功率。壓縮機(jī)增大制冷功率后產(chǎn)生的制冷劑會(huì)流經(jīng)空調(diào)制冷回路用來(lái)降低乘員艙溫度，同時(shí)新增的制冷劑也會(huì)有部分流到電池冷卻回路。對(duì)于電池冷卻回路制冷劑的突然增加會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱度快速下降，如果過(guò)熱度下降到0℃后會(huì)造成壓縮機(jī)液擊的風(fēng)險(xiǎn)。為避免乘員艙空調(diào)開(kāi)啟過(guò)程對(duì)電池冷卻控制系統(tǒng)造成的沖擊，在檢測(cè)到空調(diào)按鈕開(kāi)啟且壓縮機(jī)的制冷功率還未增大時(shí)，立刻請(qǐng)求EXV開(kāi)度降低到70步并且保持20s，以避免空調(diào)開(kāi)啟后壓縮機(jī)產(chǎn)生的制冷劑對(duì)電池冷卻回路穩(wěn)定性造成影響。20s過(guò)后空調(diào)制冷系統(tǒng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，EXV的開(kāi)度控制再次轉(zhuǎn)為根據(jù)過(guò)熱度進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

4.3 異常工況下EXV的控制

當(dāng)在電池冷卻過(guò)程中電池溫度信號(hào)異?；蛘邅G失，由于無(wú)法判斷電池冷卻需求，需要關(guān)閉EXV退出電池冷卻模式。當(dāng)EXV上報(bào)故障例如：Lin通訊故障、線圈短路故障等，也需要退出電池冷卻模式關(guān)閉EXV，避免電池制冷回路異常對(duì)乘員艙空調(diào)制冷造成影響。

在EXV開(kāi)度調(diào)節(jié)過(guò)程中如果發(fā)生了過(guò)熱度低于0℃的情況，應(yīng)該立即請(qǐng)求EXV關(guān)閉，防止制冷劑流入快冷回路過(guò)多壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊。等到過(guò)熱度恢復(fù)到0℃以上后再次根據(jù)過(guò)熱度進(jìn)行EXV開(kāi)度的控制。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)上述電池冷卻系統(tǒng)與空調(diào)制冷系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略在實(shí)車(chē)進(jìn)行驗(yàn)證，首先在高溫環(huán)境下靜置車(chē)輛6小時(shí)，試驗(yàn)開(kāi)始后打開(kāi)乘員艙空調(diào)設(shè)定溫度24℃，等到乘員艙溫度穩(wěn)定后控制電池系統(tǒng)進(jìn)入冷卻模式，電池冷卻模式下EXV開(kāi)度控制的初始階段試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出電池進(jìn)入冷卻模式之前沒(méi)有制冷劑流經(jīng)電池冷卻回路，由傳感器計(jì)算出的過(guò)熱度很高，電池進(jìn)入冷卻模式后EXV緩慢開(kāi)啟制冷劑開(kāi)始流入，過(guò)熱度緩慢下降，過(guò)熱度下降到10℃后，不再控制EXV緩慢開(kāi)啟，EXV控制的初始階段結(jié)束。在EXV控制的初始階段過(guò)熱度沒(méi)有發(fā)生大幅度跳變，乘員艙的溫度也維持在27℃附近，既保證了電池冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性也防止了乘員艙溫度的突變。

在EXV控制的初始階段結(jié)束后，EXV開(kāi)度控制開(kāi)始進(jìn)入以過(guò)熱度為目標(biāo)的PI控制，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出電池的整個(gè)冷卻過(guò)程中，過(guò)熱度一直控制在8℃附近，保證了電池冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程乘員艙的溫度維持在24℃附近沒(méi)有發(fā)生大幅度溫度的跳變，保證了乘員艙的舒適性。

針對(duì)空調(diào)開(kāi)啟時(shí)EXV開(kāi)度控制策略的驗(yàn)證：首先控制電池系統(tǒng)進(jìn)入冷卻模式之后開(kāi)啟乘員艙空調(diào)，針對(duì)該工況的試驗(yàn)結(jié)果如圖5。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在開(kāi)啟乘員艙空調(diào)后過(guò)熱度快速下降，為防止過(guò)熱度降低到0℃以下，在檢測(cè)到空調(diào)按鈕開(kāi)啟后控制EXV開(kāi)度迅速降低到70步，之后過(guò)熱度開(kāi)始緩慢上升并趨于穩(wěn)定。在過(guò)熱度穩(wěn)定后，EXV控制策略恢復(fù)為PI調(diào)節(jié)。通過(guò)識(shí)別空調(diào)按鈕的開(kāi)啟，迅速控制EXV降低到一個(gè)很小的開(kāi)度，有效的防止了過(guò)熱度的快速下降，保證了電池冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)本文采用的電池冷卻裝置，提出了三種工況下電池冷卻系統(tǒng)與空調(diào)制冷系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，結(jié)合實(shí)車(chē)驗(yàn)證表明提出的控制策略滿(mǎn)足了電池冷卻的需求同時(shí)保證了電池冷卻系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，也有效防止了乘員艙的溫度的突變保證了乘員艙的舒適性。

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