電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玲，董瑞新，張紅濤

（長安汽車股份有限公司北京研究院，北京 100000）

電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玲，董瑞新，張紅濤

（長安汽車股份有限公司北京研究院，北京 100000）

介紹一種電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)裝置及控制方法。確保電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件工作在適宜的溫度下，車輛能夠安全運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能控制、增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的目的。

電動(dòng)汽車；冷卻系統(tǒng)；控制方法

在電動(dòng)汽車中，電機(jī)及電機(jī)控制器取代常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)，將高壓電池中的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，提供給整車以驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。增加充電機(jī)及DC／DC變換器，使用充電機(jī)給高壓電池充電；通過DC／DC變換器將高壓交流電轉(zhuǎn)換成低壓直流電，供整車低壓用電設(shè)備使用。車輛行駛或制動(dòng)時(shí)，在電機(jī)進(jìn)行能量回收過程中，電機(jī)和電機(jī)控制器中的逆變器產(chǎn)生大量熱量。熱量過多堆積使部件的溫度上升，嚴(yán)重影響部件的工作效率以及使用壽命。因此，需根據(jù)電機(jī)、電機(jī)控制器、充電機(jī)、DC／DC變換器的工作溫度范圍區(qū)間及車輛運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)一套電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行冷卻，保證電機(jī)、電機(jī)控制器、充電機(jī)、DC／DC變換器的溫度在允許設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。由于電動(dòng)汽車?yán)m(xù)時(shí)里程備受關(guān)注，電動(dòng)汽車能耗成為研究對(duì)象。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)冷卻方式分為風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷卻系統(tǒng)的效率低，溫度控制不精準(zhǔn)；水冷卻系統(tǒng)效率高，溫度控制精準(zhǔn)。本文主要介紹某車型動(dòng)力系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)，闡述電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的水冷卻系統(tǒng)構(gòu)成及控制，保證電動(dòng)汽車動(dòng)力部件在適合的工作范圍內(nèi)安全運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。某車型動(dòng)力系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)部件位置圖見圖1。

1 電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)零部件構(gòu)成

電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)零部件構(gòu)成見圖2。主要包括由冷卻管路依次連接在一起的散熱器、電動(dòng)水泵、水溫傳感器、充電機(jī)、DC／DC變換器、電機(jī)控制器、電機(jī)、補(bǔ)償水壺。其中冷卻管路內(nèi)充滿冷卻液，散熱器上裝有加強(qiáng)冷卻的電動(dòng)風(fēng)扇。

圖1 某車型動(dòng)力系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng)部件位置圖

散熱器的作用是冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的冷卻液；電動(dòng)水泵的作用是為系統(tǒng)內(nèi)部冷卻液提供動(dòng)力；電動(dòng)風(fēng)扇的作用是加強(qiáng)散熱器的冷卻能力；水溫傳感器的作用是檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部冷卻液溫度。

1.2 冷卻系統(tǒng)控制部件構(gòu)成

冷卻系統(tǒng)控制包含熱管理模塊控制器及整車控制器，它們通過CAN進(jìn)行通信，隸屬于整車CAN。電機(jī)、電機(jī)控制器、充電機(jī)及DC／DC變換器則隸屬于動(dòng)力CAN部分。熱管理模塊控制器通過硬線與電動(dòng)水泵、水溫傳感器、電動(dòng)風(fēng)扇連接，進(jìn)行信息傳遞。冷卻系統(tǒng)控制原理見圖3。

圖2 冷卻系統(tǒng)零部件構(gòu)成

圖3 冷卻系統(tǒng)控制原理

2 冷卻系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)功能：①驅(qū)動(dòng)電動(dòng)水泵，控制電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速，采集電動(dòng)水泵反饋信號(hào)，將電動(dòng)水泵運(yùn)行情況上報(bào)整車。②驅(qū)動(dòng)電動(dòng)風(fēng)扇，控制風(fēng)扇高低轉(zhuǎn)速。③溫度信號(hào)采集，對(duì)故障信息采集及判定。④實(shí)現(xiàn)與整車控制器的CAN通信。

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)汽車有所不同，整車不同的運(yùn)行狀態(tài)，控制方式不同。電動(dòng)汽車工作模式分為：車輛運(yùn)行模式和車輛充電模式。模式不同，動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)冷卻系統(tǒng)控制的溫度及流量便不同。

2.1 車輛運(yùn)行時(shí)冷卻系統(tǒng)控制

車輛起動(dòng)運(yùn)行，鑰匙打到ON，儀表上指示燈“ready”燈開始閃爍時(shí)，熱管理模塊控制器控制電動(dòng)水泵開始以X占空比運(yùn)行。熱管理模塊控制器通過水溫傳感器檢測(cè)冷卻系統(tǒng)水循環(huán)散熱器出水溫度；通過CAN通信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整車控制器發(fā)出的電機(jī)、電機(jī)控制器、逆變器的溫度；通過檢測(cè)水溫傳感器、電機(jī)、電機(jī)控制器、逆變器的溫度，來調(diào)整電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇高低速切換。

鑰匙打到OFF，整車下電后，電動(dòng)水泵延時(shí)幾秒后關(guān)閉。

2.2 車輛充電時(shí)冷卻系統(tǒng)控制

車輛充電時(shí)，整車控制器硬線喚醒熱管理模塊控制器，控制電動(dòng)水泵以Z%占空比工作。

整車充電完畢，電動(dòng)水泵延時(shí)幾秒后關(guān)閉。

上述溫度閥值和電動(dòng)水泵占空比可以根據(jù)不同的動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)。

2.3 冷卻系統(tǒng)診斷流程控制

電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)故障時(shí)，熱管理模塊可檢測(cè)故障信息，并通過CAN信號(hào)發(fā)給整車控制器。

熱管理模塊控制器在檢測(cè)水溫傳感器短路或斷路時(shí)，可控制電動(dòng)水泵以Y占空比運(yùn)轉(zhuǎn)，通過CAN發(fā)送水溫傳感器故障。整車控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行限制功率控制。

熱管理模塊控制器通過電動(dòng)水泵的輸出信號(hào)來檢測(cè)電動(dòng)水泵是否正常工作。若未正常，風(fēng)扇高速開啟。熱管理模塊控制器通過CAN信號(hào)發(fā)送電動(dòng)水泵故障信號(hào)，整車控制器對(duì)電機(jī)進(jìn)行限制功率控制，直至車輛停止。整車報(bào)三級(jí)故障，此時(shí)儀表故障燈點(diǎn)亮。熱管理模塊控制器通過電動(dòng)水泵的輸出信號(hào)來判定電動(dòng)水泵故障模式，電動(dòng)水泵故障模式有過壓、欠壓、過溫保護(hù)、電流故障、堵轉(zhuǎn)或空轉(zhuǎn)、電動(dòng)水泵損壞或外圍電路故障（插件松動(dòng)、熔斷絲燒毀）等。

熱管理模塊控制器可以記憶水溫傳感器及電動(dòng)水泵的故障模式，通過整車的診斷接口，利用診斷儀讀取故障信息，以便維修時(shí)快速鎖定故障原因。

3 應(yīng)用結(jié)果

3.1 仿真分析結(jié)論

圖4是某電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)水流量仿真分析。水泵占空比在X%時(shí)，系統(tǒng)水流量＞12 L／min，滿足電機(jī)及電機(jī)控制器的流量要求。

圖5是某電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)溫度仿真分析。環(huán)境溫度在40℃，車速45km／h，電動(dòng)水泵占空比在X%時(shí)，風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻系統(tǒng)水溫度47.9℃。滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)水溫度要求。

圖4 流量仿真

圖5 溫度仿真

圖6是某電動(dòng)汽車風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)溫度的關(guān)系仿真分析。環(huán)境溫度在40℃，車速45km／h，電動(dòng)水泵占空比在X%。用來確定風(fēng)扇高速擋與低速擋電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)溫度關(guān)系

圖7是某電動(dòng)汽車風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)溫度的關(guān)系仿真分析。環(huán)境溫度在38℃，車速45km／h，電動(dòng)水泵占空比在X%。用來確定風(fēng)扇高速擋與低速擋電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖7 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)溫度關(guān)系

3.2 整車實(shí)際驗(yàn)證結(jié)論

圖8是某電動(dòng)汽車在高溫環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)工況環(huán)境溫度40℃，模擬1000W陽光日照，滿足整車動(dòng)力部件進(jìn)水溫度＜60℃要求；通過CAN工具接收到動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部部件溫度滿足設(shè)計(jì)要求。車輛行駛工況見表2。

圖8 環(huán)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 車輛行駛工況

4 結(jié)論

本文介紹了一款電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)構(gòu)成及控制流程，保證電動(dòng)汽車動(dòng)力部件在適合的工作范圍內(nèi)安全運(yùn)行。通過電動(dòng)風(fēng)扇的擋位控制和電動(dòng)水泵的PWM控制，使得兩種用電部件在適宜的情況開啟，減少電器部件的用電功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，整車增加5km的續(xù)時(shí)里程。

本文控制難點(diǎn)在于溫度閥值及電動(dòng)水泵運(yùn)行占空比確定，需要做大量仿真模擬、臺(tái)架試驗(yàn)、環(huán)境艙模擬標(biāo)定試驗(yàn)及道路標(biāo)定試驗(yàn)來確定。

（編輯 張每文）

Cooling System Design of Electric Vehicle

ZHANG Ling，DONG Rui-xin，ZHANG Hong-tao

（Beijing Changan Auto R&D Center，Changan Automobile Co.，Ltd.，Beijing 100000，China）

This article describes an electric vehicle cooling system and its control methods，which ensure electric vehicle power system components operating at the appropriate temperature；in turn realizes vehicle operating safety，energy saving and better driving endurance.

electric vehicle；cooling system；control methods

U463.234.93

A

1003－8639（2017）02－0001－04

2016-01-05；

2016-12-07

張玲（1981-），女，工程師，主要從事整車熱管理領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)工作；董瑞新（1982-），男，工程師，主要從事整車NVH設(shè)計(jì)與開發(fā)；張紅濤（1983-），男，工程師，主要從事整車原理設(shè)計(jì)及線束設(shè)計(jì)相關(guān)工作。