純電動(dòng)汽車非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的控制方法

王偉民，汪毛毛，瞿愛敬，韓 楊，張中亞，施 睿，石 琳，徐人鶴

（東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，武漢 430058）

隨著純電動(dòng)汽車越來越普及，使用過程中的諸多問題也逐漸暴露出來，高低溫環(huán)境下的續(xù)駛里程衰減是當(dāng)前用戶的一大痛點(diǎn)。與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿偝上到y(tǒng)（動(dòng)力電池、電機(jī)、控制器、充電機(jī)等）工作溫度范圍小，工作性能受溫度影響大，過高或過低的工作溫度會(huì)影響電池的容量、使用壽命和電機(jī)的工作效率。因此，電池低溫環(huán)境下需要合理加熱，高溫環(huán)境下需要適當(dāng)降溫，以保證電池始終處于合理的溫度范圍內(nèi)[1]。

部分純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)，特別是成本壓力較大的純電動(dòng)汽車運(yùn)營車型，目前大多采用PTC 水加熱器對乘員艙及電池包進(jìn)行加熱，該系統(tǒng)可以有效地滿足電池包及乘員艙熱管理功能需求。但是由于PTC 耗能較高，嚴(yán)重影響低溫環(huán)境下的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，采用熱泵系統(tǒng)又會(huì)大大增加成本，所以非常有必要對整車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化能量管理[2]。電機(jī)余熱利用原理是在低溫情況下，當(dāng)電機(jī)出口水溫達(dá)到一定條件之后，將利用電機(jī)余熱加熱的冷卻液通過板式換熱器給電池回路進(jìn)行加熱，提高電池溫度，恢復(fù)電池放電性能，提升電動(dòng)汽車低溫續(xù)駛能力。

本文面向某量產(chǎn)電動(dòng)汽車，按照V字形開發(fā)流程，開發(fā)滿足整車熱管理需求的熱管理控制策略，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，驗(yàn)證電機(jī)余熱回收等措施的改善效果。

1 非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)簡介

為了改善純電動(dòng)汽車低溫續(xù)駛里程的衰減，非熱泵型和熱泵型兩種整車熱管理系統(tǒng)都已經(jīng)被廣泛采用，實(shí)際開發(fā)中可以根據(jù)純電動(dòng)汽車的車型級別和性價(jià)比，選擇整車熱管理系統(tǒng)的類型。

本文研究的原車整車熱管理系統(tǒng)為一種非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)，低溫條件下的加熱功能主要為：采用PTC對乘員艙進(jìn)行加熱，行車工況下電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)無加熱功能，電驅(qū)動(dòng)（含電機(jī)）熱管理回路和電池?zé)峁芾砘芈藩?dú)立運(yùn)行。該方案可將電池能量直接轉(zhuǎn)化為用戶所要求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，滿足用戶對行車及乘員艙加熱的需求，控制系統(tǒng)及熱管理回路相對簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但是由于并未考慮行車工況的電池包低溫加熱需求，電池包本體電容量在低溫下有很大衰減，導(dǎo)致低溫環(huán)境下續(xù)駛里程衰減較為嚴(yán)重，對電池包使用壽命也存在一定影響。

針對以上問題，本文在原車整車熱管理回路的基礎(chǔ)上增加部分管路及控制水閥，把電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池、空調(diào)的水回路在低溫下聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)余熱回收并給電池包進(jìn)行行車加熱等功能，同時(shí)對乘員艙及電池溫度實(shí)施智能控制，如圖1所示。此外，還采用效率較高的水加熱PTC，并對其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升低溫續(xù)駛里程。

圖1 帶余熱回收的非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)回路

2. 控制系統(tǒng)開發(fā)

目前汽車控制系統(tǒng)開發(fā)都是基于模型設(shè)計(jì)的，這樣能提高開發(fā)效率，而且都基于V字形開發(fā)流程。V字形開發(fā)流程強(qiáng)調(diào)軟件功能的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證的有機(jī)結(jié)合，具體開發(fā)流程如圖2所示。本文開發(fā)的控制系統(tǒng)在裝車前先進(jìn)行了模型在環(huán)測試、硬件在環(huán)測試驗(yàn)證，減少控制系統(tǒng)裝車后的標(biāo)定及調(diào)試工作量。

圖2 控制系統(tǒng)V字形開發(fā)流程

2.1 整車熱管理控制系統(tǒng)功能模式

純電動(dòng)汽車整車熱管理控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)乘員艙及電池包的制熱、制冷、電機(jī)余熱利用、乘員艙除濕功能。根據(jù)整車使用狀態(tài)以及環(huán)境溫度等條件，判斷整車對熱管理的功能需求。在基本功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對熱管理系統(tǒng)的控制細(xì)節(jié)進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化。整車熱管理系統(tǒng)各功能模式需求見表1。此外，控制系統(tǒng)還需要保證各功能模式切換正常，各零部件工作正常。

表1 整車熱管理系統(tǒng)的功能模式

為了確保熱管理控制系統(tǒng)順利裝車，本次熱管理控制系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)容包括電氣架構(gòu)開發(fā)、軟件開發(fā)和測試。

2.2 整車熱管理控制系統(tǒng)電氣架構(gòu)

本次開發(fā)中采用TTC200作為熱管理控制器[3]，該控制器主要用來采集車輛傳感器信息以及CAN總線上空調(diào)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、VCU以及MCU的相關(guān)信息，并通過一系列的算法，控制熱管理系統(tǒng)各零部件正常工作，其具體的電氣架構(gòu)如圖3所示。

傳感器：將熱管理控制系統(tǒng)的傳感器將各種工況的信息轉(zhuǎn)換為電訊號，傳遞給控制系統(tǒng)，其中主要是制冷劑和冷卻液系統(tǒng)的溫度和壓力信號。

執(zhí)行器：整車控制器的執(zhí)行器，主要包括四通閥、三通閥、電磁閥、水泵、PTC以及壓縮機(jī)等，需要保證這些執(zhí)行器能夠按照要求進(jìn)行可靠穩(wěn)定的工作。

CAN通訊：從BMS獲取電池溫度信息；從VCU獲取車速信號、請求允許信號；從MCU獲取電機(jī)出口水溫信號。

2.3 整車熱管理控制系統(tǒng)軟件開發(fā)和測試

為了滿足整車熱管理控制系統(tǒng)的功能和性能需求，必須按照熱管理控制算法對傳感器的信號進(jìn)行處理，保證執(zhí)行器的正常工作，從而實(shí)現(xiàn)乘員艙制熱制冷、電池制熱制冷、電機(jī)余熱利用以及除濕等功能。

本文采用基于模型的設(shè)計(jì)方法，以Matlab/Simulink為開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行模型設(shè)計(jì)、測試，并編譯成C代碼，最終生成的.s19文件刷寫到TTC200，后續(xù)根據(jù)模型設(shè)計(jì)硬件在環(huán)測試案例。硬件測試完畢后進(jìn)行實(shí)車策略驗(yàn)證。通過驗(yàn)證后進(jìn)行實(shí)車環(huán)模低溫續(xù)駛試驗(yàn)。

本研究采用的控制器TTC200價(jià)格較高，將來在量產(chǎn)開發(fā)中要選用性價(jià)比較好的控制器。

2.3.1 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)整車熱管理的需求分析結(jié)果，對整車熱管理控制系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括3個(gè)部分：模式判定功能模塊、制熱控制功能模塊、制冷控制功能模塊，如圖4所示。

圖3 熱管理控制系統(tǒng)電氣架構(gòu)

圖4 功能模塊

模式判定模塊：通過空調(diào)請求信號和電池溫度信號對熱管理系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行判定，實(shí)現(xiàn)工作模式的智能控制。

制熱控制模塊：通過模式判定的信號進(jìn)行智能控制，當(dāng)系統(tǒng)有制熱請求，通過控制PTC功率、三通閥和四通閥的開度控制乘員艙溫度和電池溫度，保證乘員艙的舒適性，也保證電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。

制冷控制模塊：通過模式判定的信號進(jìn)行智能控制，當(dāng)系統(tǒng)有制冷請求，通過控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、三通閥的開度、膨脹閥開度以及電池閥開閉實(shí)現(xiàn)智能控制乘員艙溫度、電池溫度，保證乘員艙的舒適性以及電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。

2.3.2 電機(jī)余熱控制策略

在低溫行駛情況下，電機(jī)出口水溫在明顯高于電池包溫度的時(shí)候，可以通過向電池包引入電機(jī)余熱對電池包進(jìn)行加熱，降低動(dòng)力電池的低溫性能衰減。電機(jī)余熱利用的主要流程：（1）在電機(jī)出口水溫比較低的情況下，通過對三通閥的控制對電機(jī)回路進(jìn)行蓄熱。（2）當(dāng)電機(jī)出口水溫滿足余熱利用要求，通過對三通閥以及四通閥的控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)余熱給電池加熱。電機(jī)余熱的請求模式采用Simulink/Stateflow進(jìn)行開發(fā)，如圖5所示。

圖5 電機(jī)余熱控制策略

2.3.3 CAN報(bào)文、傳感器信號解析

不同控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通訊，需要按照整車的CAN總線通訊協(xié)議，對接收來的信號進(jìn)行解析，并通過From、Goto模塊提供給相應(yīng)的功能模塊，如圖6所示。

圖6 CAN報(bào)文解析模型

根據(jù)傳感器的類型選擇管腳定義，并在模型設(shè)計(jì)過程中選擇不同的解析方式轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度以及壓力值，如圖7所示。

2.3.4 控制策略單元測試

電機(jī)余熱請求模型創(chuàng)建完成以后，在模型集成之前，需要對模型進(jìn)行測試，保證電機(jī)余熱模型的準(zhǔn)確性，其初步的功能測試方案和信號注釋見表2，測試模型如圖8所示，測試結(jié)果如圖9所示。

圖7 傳感器信號解析

表2 信號注釋

圖8 電機(jī)余熱請求功能測試模型

圖9 電機(jī)余熱請求功能測試結(jié)果

根據(jù)電機(jī)余熱功能測試圖進(jìn)行分析整理，對模型測試結(jié)果進(jìn)行分析，電機(jī)余熱測試結(jié)果顯示模型能夠按照預(yù)期輸出測試結(jié)果，具體的測試結(jié)果見表3。

為了保證電機(jī)余熱請求模型的準(zhǔn)確性，需要更多的測試用例保證100%的覆蓋度測試結(jié)果，本文用Simulink的Test Hardness進(jìn)行測試用例的輸入，根據(jù)輸出結(jié)果優(yōu)化模型，如圖10所示。

表3 電機(jī)余熱請求功能測試結(jié)果

圖10 電機(jī)余熱請求模型的覆蓋度測試

3 控制系統(tǒng)模型在環(huán)、硬件在環(huán)測試

3.1 模型在環(huán)測試

根據(jù)原車熱管理系統(tǒng)原理圖搭建GT-Suite仿真模型，如圖11所示。仿真模型包括整車行駛模塊、電驅(qū)動(dòng)回路、電池回路、PTC加熱回路、空調(diào)回路、前艙散熱回路、乘員艙及控制模塊，控制策略采用前面完成的智能溫控控制策略。

圖11 熱管理系統(tǒng)模型在環(huán)仿真模型

仿真工況按照EV-TEST低溫續(xù)駛（環(huán)境：-7℃，車速：CLTC-P工況）試驗(yàn)進(jìn)行仿真，仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，帶電機(jī)余熱利用相比不帶電機(jī)余熱利用，低溫續(xù)駛里程提升了7.8%。EV-TEST低溫續(xù)駛里程試驗(yàn)的全過程中，需要經(jīng)過表1中的功能模式4和8的切換。

3.2 硬件在環(huán)測試

本文選用了德國DSPACE硬件在環(huán)測試系統(tǒng)為測試平臺(tái)，模擬整車熱管理零部件的運(yùn)行狀態(tài)，對熱管理控制器進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測試，如圖12所示。

圖12 硬件在環(huán)測試

乘員艙和電池的混合制熱模式下的硬件在環(huán)測試結(jié)果如圖13所示：

圖13 電機(jī)余熱利用的功能測試結(jié)果

電池加熱：此時(shí)滿足電機(jī)余熱利用條件，通過控制電機(jī)回路四通閥，用電機(jī)余熱加熱電池。

乘員艙加熱：采用PTC給乘員艙進(jìn)行加熱，PTC功率依據(jù)乘員艙目標(biāo)水溫與實(shí)際水溫差值進(jìn)行設(shè)定。

4 整車熱管理系統(tǒng)環(huán)模試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制策略的實(shí)際效果，進(jìn)行了實(shí)車環(huán)模試驗(yàn)。按照EV-TEST低溫續(xù)駛試驗(yàn)（環(huán)境：-7℃，車速：CLTC-P工況）要求進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用電機(jī)余熱回收等改善措施的整車熱管理系統(tǒng)的低溫續(xù)駛里程改善效果明顯。

試驗(yàn)過程中，電池包溫度在整個(gè)低溫續(xù)駛試驗(yàn)過程中有了明顯的提升。試驗(yàn)過程中改制樣車（帶電機(jī)余熱）電池溫度從0℃升高到12℃，相比原車（不帶電機(jī)余熱，從0℃升高到2℃）提高了10℃，降低了動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的容量衰減，低溫續(xù)駛里程有了明顯的提高，整車低溫續(xù)駛里程提升了7.3%，與模型在環(huán)仿真結(jié)果趨勢一致，具體的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 低溫續(xù)駛改善效果

5 結(jié)論

本文闡述了采用電機(jī)余熱利用的純電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)的控制方法，特別是根據(jù)V字形開發(fā)流程對控制策略進(jìn)行制訂、測試和優(yōu)化的全過程。采用GT-Suite對控制策略進(jìn)行模型在環(huán)測試，按照熱管理策略進(jìn)行了整車高低溫性能的模型在環(huán)仿真，從而預(yù)測整車熱管理系統(tǒng)性能。采用DSPACE進(jìn)行硬件在環(huán)測試，驗(yàn)證控制策略的準(zhǔn)確性，最后通過基于電機(jī)余熱回收的純電動(dòng)汽車整車熱管理環(huán)模試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)整車能量的精細(xì)化管理對整車低溫續(xù)駛里程提升有顯著作用。

（1）電機(jī)余熱回收可以給電池包加熱，恢復(fù)電池容量，有利于提升低溫續(xù)駛里程，通過控制系統(tǒng)與整車模型聯(lián)合仿真提出合適的控制策略，對于改善和優(yōu)化最終整車性能具有重要意義。

（2）整車熱管理控制系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)通過V字形開發(fā)流程才能確保完整和正確。