新能源車型熱管理控制策略逆向解析方案＊

汪琳琳，焦鵬飛，王偉

（1.天津大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300072；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

隨著新能源技術(shù)的興起以及國家政策的大力扶持，國內(nèi)外越來越多的整車企業(yè)致力于新能源車型的研發(fā)。到目前為止國內(nèi)的新能源車型的研發(fā)技術(shù)已趨于成熟，但是針對不同的品牌的車型，其控制策略也是良莠不齊，因此通過解析這些優(yōu)秀車型的控制策略，并將其借鑒于新車型的控制策略開發(fā)，能大大減少企業(yè)研發(fā)經(jīng)費的投入，同時企業(yè)能夠了解和對標一下其他暢銷車型的控制邏輯和熱管理設(shè)計方案，有助于提高企業(yè)的設(shè)計開發(fā)能力，縮短設(shè)計開發(fā)周期，同時能夠準確把握自己的市場定位和未來的發(fā)展方向。

因此，本文提出了通過總線解析和整車測試兩個方面對新能源車型進行熱管理的策略解析的方案，通過對其總線信號的破解，同時利用測試的手段監(jiān)測關(guān)鍵部件的閾值及其控制邏輯，最終逆向解析出此車型的控制策略。

1 熱管理控制策略解析流程

新能源汽車的熱管理控制策略解析流程詳見圖1，其主要分為以下幾個方面：

①車輛參數(shù)調(diào)研；

②解析車輛熱管理系統(tǒng)架構(gòu)；

③確認關(guān)鍵解析部件；

④解析控制原理；

⑤制定解析方案；

⑥分析測試結(jié)果；

⑦解析控制策略。

圖1 新能源汽車熱管理控制策略解析流程

1.1 車輛參數(shù)調(diào)研

表1 某PHEV車型的車輛參數(shù)

車輛的配置參數(shù)、行駛模式、動力結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)都會影響車輛的熱管理控制策略，因此在控制策略的解析前期，需要就解析車輛進行深入調(diào)研，通過車輛說明書、4S店、專業(yè)論壇、網(wǎng)站等途徑對這款車型的所有與熱管理控制策略相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)進行收集整理，這些關(guān)鍵參數(shù)將關(guān)系到后期的制定解析方案的制定和工況的選擇。如表1所示為某PHEV車型熱管理系統(tǒng)解析時的車輛調(diào)研參數(shù)表，它主要包含：車輛基本信息、動力結(jié)構(gòu)參數(shù)信息、動力電池信息、空調(diào)系統(tǒng)信息以及車輛的各種運行模式。這些信息的獲取將作為后期測試工況的重要信息輸入，并影響整個控制策略解析方案的制定。因此，車輛參數(shù)調(diào)研是熱管理控制邏輯解析的先決條件。

1.2 解析熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

解析熱管理控制架構(gòu)首先就需要對對標車輛進行拆解，針對動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)進行重點解析，這幾個系統(tǒng)是熱管理系統(tǒng)解析的關(guān)鍵，其直接影響到后期的策略解析方法和解析工況的制定。圖2和圖3分別為某PHEV車型的冷卻系統(tǒng)架構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)。

如圖2所示的熱管理系統(tǒng)架構(gòu)主要包含發(fā)動機冷卻回路、電驅(qū)冷卻回路、電池冷卻回路、充電機冷卻回路四個熱管理系統(tǒng)回路。這套冷卻系統(tǒng)是國內(nèi)比較常見，也比較成熟的混動車型冷卻形式：發(fā)動機冷卻形式與傳統(tǒng)冷卻形式相同,都采用了風(fēng)冷式散熱器的冷卻形式；電驅(qū)系統(tǒng)通過低溫散熱器串聯(lián)冷卻的形式進行冷卻；而充電機冷卻區(qū)別于其他冷卻系統(tǒng)，由于電池容量小，充電時發(fā)熱量小，此車型采用了風(fēng)冷式的冷卻形式，完全可以滿足充電機的冷卻需求；電池冷卻采用了板式換熱器的冷卻形式，通過空調(diào)系統(tǒng)間接冷卻的形式給電池冷卻。

圖2 某PHEV車型的熱管理冷卻系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 某PHEV車型的空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

圖3為此PHEV車型的空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)圖，在采暖時利用發(fā)動機和PTC兩種能源形式同時采暖，來有效保證低溫采暖時的舒適性；而在制冷時，采用了乘員艙制冷和電池冷卻回路并聯(lián)的形式，通過電磁閥切換兩個回路不同的制冷需求。

1.3 確認關(guān)鍵解析部件

通過前兩個階段的調(diào)研和分析，基本已經(jīng)將車輛的熱管理系統(tǒng)的架構(gòu)解析清楚，下面需要根據(jù)架構(gòu)中每一個冷卻系統(tǒng)的冷卻原理，對其中會影響熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件和需要執(zhí)行相應(yīng)動作的關(guān)鍵執(zhí)行部件進行區(qū)分。如表2所示為某PHEV車型的熱管理控制策略解析關(guān)鍵部件列表。

表2 某PHEV車型的熱管理控制策略解析關(guān)鍵零部件列表

1.4 解析控制原理

根據(jù)不同系統(tǒng)的冷卻原理，解析出關(guān)鍵執(zhí)行部件控制的所有輸入信號和輸出信號，并畫出冷卻系統(tǒng)控制架構(gòu)，以便給下階段的解析方案的制定提供測試依據(jù)，只有將所有的輸入和輸出信號全部解析清楚，才能指導(dǎo)下階段的方案制定，因此此階段為整個策略解析方案的基礎(chǔ)。以空調(diào)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)為例，圖4所示為空調(diào)系統(tǒng)的控制架構(gòu)，它的輸入信號主要包含六大類，分別為開關(guān)信號、陽光信號、壓力信號、溫度信號、濕度信號和車速信號，這些因素都會影響或控制空調(diào)系統(tǒng)的運行或切換，這些信號上傳到空調(diào)控制器，控制器會根據(jù)接受的信號進行反饋并發(fā)送對應(yīng)控制信號到關(guān)鍵執(zhí)行部件，從而實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下的實時控制。圖5為冷卻系統(tǒng)的控制架構(gòu)，冷卻系統(tǒng)的主要目的是為了給發(fā)動機、三電系統(tǒng)、動力電池等發(fā)熱部件散熱降溫，從而保證這些器件和系統(tǒng)的正常運行，因此，其輸入信號包含環(huán)境的溫度信號、車速信號、發(fā)動機、電機、動力電池等的溫度信號、風(fēng)扇當時的轉(zhuǎn)速信號以及空調(diào)系統(tǒng)的壓力信號，將這些信號反饋到整車控制器，通過控制計算，發(fā)送對應(yīng)的控制信號到冷卻關(guān)鍵部件，從而達到預(yù)期冷卻的目的。

圖4 空調(diào)系統(tǒng)控制架構(gòu)

圖5 冷卻系統(tǒng)控制架構(gòu)

1.5 制定解析方案

系統(tǒng)的控制架構(gòu)解析清楚后，就可以針對不同系統(tǒng)控制架構(gòu)的控制原理制定相對應(yīng)的解析方案，首先需要對所有的信號進行分類，目前車輛當中的信號種類基本分成兩類：CAN信號和LIN信號，CAN（Controller Area Network），又稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。它將各個單一的控制單元以某種形式連接起來，形成一個完整的系統(tǒng)。車輛當中大部分信號都是CAN信號，這也是我們解析重點關(guān)注的信號。而 LIN信號（Local Interconnect Network）是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，主要應(yīng)用于壓縮機、PTC、方向盤、座椅等器件的控制。根據(jù)之前確認的需要解析的關(guān)鍵部件和相應(yīng)執(zhí)行部件清單，有針對性的在報文中尋找解析相關(guān)信號。由于不同品牌不同車型的總線信號都是不同的，這些信號都經(jīng)過了偏移或倍數(shù)因子的加密，采集到的信號只能是一堆毫無規(guī)律的報文，因此需要專用工具對這些信號進行分析，通過制定一些特殊工況，排除干擾因子，反復(fù)觸發(fā)某個信號或通過設(shè)計特定的解析工況，來確認報文與器件的對應(yīng)關(guān)系，同時通過觸發(fā)已知量信號與對應(yīng)報文中的信號數(shù)值進行換算，從而計算出對應(yīng)偏移量和倍數(shù)因子，最終破解相應(yīng)報文。例如PTC相關(guān)信號的破解，再排除其他干擾信號的前提下，通過反復(fù)觸發(fā)采暖需求，強制PTC開啟，結(jié)合報文的響應(yīng)，確認PTC的開啟報文。再通過設(shè)定不同溫度需求，結(jié)合外部的功率計測量和報文反饋，確認PTC的檔位或功率的相應(yīng)報文，通過測量的數(shù)據(jù)和反饋的信號換算，最終破解出PTC相應(yīng)報文。圖6為PTC報文破解的解析文件。

圖6 PTC報文破解的解析文件

由于總線信號有上千條報文，工程師的工作量會很大，在很多情況下很難通過以上手段解析出相應(yīng)信號，這時就需要通過測試的手段來獲得這些關(guān)鍵信號。例如溫度信號、電流信號、電壓信號、轉(zhuǎn)速信號等，通過測量的手段能夠簡單有效的獲得目標信號，減少工作量，提高破解效率。

圖7 信號破解測點照片

圖8 電池包關(guān)鍵位置測量照片

如圖7和圖8所示，為某車型信號破解時的測點照片，其中包含了電流、電壓的測量、溫度的測量以及壓力測量照片。

當所有信號破解完成后，根據(jù)不同車輛的工作模式設(shè)計控制策略的解析工況。例如某車型電機冷卻系統(tǒng)的解析案例中，此混動車型包含三種動力模式，燃油模式、混動模式、純電動模式，同時每種模式下又有三種行駛模式，分別為運動模式、舒適模式以及經(jīng)濟模式。不同的行駛模式和動力模式都會影響其測試結(jié)果和測試精度。由于此次主要解析的是電機冷卻系統(tǒng)，因此本次解析采用的是純電動模式下進行，分別對三種行駛模式下，不同溫度的控制策略進行解析，通過設(shè)計不同的環(huán)境溫度和電機測試的起始溫度，來還原車輛在相應(yīng)環(huán)境下的響應(yīng)策略。如圖9和圖10所示分別為某車型電機冷卻系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)的解析工況。

圖9 某車型電機冷卻系統(tǒng)解析工況

圖10 某車型電池冷卻系統(tǒng)解析工況

1.5 分析測試結(jié)果

將在特定解析工況下測量的到的解析數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合環(huán)境條件和工況設(shè)定條件，對關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵執(zhí)行部件的動作進行分析，從控制原理上進行剖析并歸納總結(jié)所以執(zhí)行動作的控制原理和閾值，生成MAP圖。如圖11所示為某車型電機和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在特定工況下的解析曲線。

圖11 某車型電機和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在特定工況下的解析曲線

根據(jù)不同工況下的測試曲線，最終解析出關(guān)鍵零部件在不同條件下的控制響應(yīng)策略，并最終形成MAP圖。如圖12和圖13所示為某車型風(fēng)扇控制策略響應(yīng)表和MAP圖。

圖12 某車型風(fēng)扇控制策略響應(yīng)表

圖13 某車型風(fēng)扇控制響應(yīng)MAP圖

1.6 解析控制策略

解析控制策略是策略解析的方案的最后一步，同時也是至關(guān)重要的一步，我們基于零部件的控制策略響應(yīng)表，結(jié)合實際工況條件和整車測試結(jié)果，綜合考察所有執(zhí)行部件的執(zhí)行動作，并最終破解出不同冷卻和空調(diào)系統(tǒng)在不同條件下的控制邏輯，并繪制系統(tǒng)控制策略框架圖。

圖14 電機冷卻系統(tǒng)控制策略框架圖

圖15 電池冷卻系統(tǒng)控制策略框架圖

如圖14和15所示為電機和電池冷卻系統(tǒng)控制策略框架，其中包含所有電機和電池冷卻所需關(guān)鍵零部件的控制邏輯順序以及觸發(fā)閾值。

2 結(jié)論

本文提出了一種新能源汽車控制策略逆向解析的方案并列舉了相關(guān)案例，新能源汽車熱管理控制策略是車輛穩(wěn)定運行的核心和前提條件，因此通過此方案可以有效獲得優(yōu)秀車型的控制策略，從而優(yōu)化現(xiàn)有控制策略，彌補不足，縮減開發(fā)周期和成本，提高車輛的經(jīng)濟型和舒適性。