探析新能源汽車的動力電池?zé)峁芾砜刂破鞯脑O(shè)計(jì)要點(diǎn)及思路

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200082)

0 引 言

我國的汽車行業(yè)以燃油汽車為主，在汽車保有量增高的現(xiàn)下，尾氣排放帶來的環(huán)境污染也越來越重，基于保護(hù)環(huán)境，推動節(jié)能減排戰(zhàn)略的目的，新能源電動汽車逐漸成為未來汽車發(fā)展的導(dǎo)向標(biāo)桿?，F(xiàn)在的電動汽車所使用的動力電池包以鋰離子蓄電池為主，這種電池的優(yōu)點(diǎn)在于其使用先進(jìn)的清潔能源，幾乎不會產(chǎn)生任何廢氣，但因?yàn)樵隍?qū)動時會產(chǎn)生大量的熱量，如果沒有配套的散熱系統(tǒng)，將會極大損害汽車的組件壽命，故而研究如何有效散熱，是推動電動汽車發(fā)展中極為必要的一環(huán)。

1 熱管理系統(tǒng)的常用方案

新能源電動汽車的熱管理系統(tǒng)由壓縮機(jī)、電子水泵、電子風(fēng)扇、PTC加熱器、溫度傳感器、三態(tài)壓力開關(guān)等幾個部件，其動力電池有預(yù)加熱和制冷兩路循環(huán)降溫系統(tǒng)，預(yù)加熱循環(huán)是通過在電子水泵的進(jìn)水口處和出水口處設(shè)置溫度傳感器，這個傳感器與PTC加熱器用外部接口電源相連，當(dāng)汽車開始運(yùn)作時，傳感器檢測電子水泵的水溫，加熱器接受CAN信息，如果電池包的溫度降低至標(biāo)準(zhǔn)界限下，加熱器開始工作，讓流經(jīng)的水溫升高，熱水通過電子水泵的作用流經(jīng)汽車的動力電池包，這樣就對電池起到一個加熱的效果，而如果加熱器接受到電池包溫度過低的信息便會停止工作，這樣流經(jīng)電池包的便是可以起到降溫效果的涼水[1]。另一種散熱系統(tǒng)叫做制冷劑循環(huán)，這種散熱系統(tǒng)吸取了空調(diào)的制冷原理，用氣態(tài)制冷劑或者是液態(tài)制冷劑實(shí)現(xiàn)高低壓變化，然后在壓縮機(jī)和蒸發(fā)器等組件的配合下進(jìn)行熱量吸收或者釋放，來起到平衡電池包溫度的作用。

2 動力電池?zé)峁芾砜刂破鞯脑O(shè)計(jì)要點(diǎn)

從電池包的散熱原理可見，熱管控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于信號的穩(wěn)定性，信號如果能夠快速接受，那么散熱系統(tǒng)就可以及時作出反應(yīng)，確保汽車駕駛中動力系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定。那么基于此種思路，動力電池的熱管理控制器應(yīng)當(dāng)要囊括溫度處理模塊、反饋模塊、單片機(jī)模塊、通訊模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊和輸出模塊，其中電源模塊是基礎(chǔ)模塊，用于向其它模塊提供電能，是支持所有模塊運(yùn)作的根本，溫度處理模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行電壓值采樣，驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)風(fēng)扇和水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)控，反饋模塊用于接收風(fēng)扇及水泵的故障反饋信號，并將信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)模塊獲取到反饋模塊的故障反饋信號，又對傳感器電壓值展開ADC采樣，最終向通訊模塊輸出PWM信號，通訊模塊根據(jù)接收到的PWM信號就可以實(shí)現(xiàn)外界交互，從而決定散熱系統(tǒng)是否運(yùn)行。

根據(jù)這個運(yùn)作結(jié)構(gòu)來看，除了支持各模塊運(yùn)行的電源模塊外，通訊模塊是整個結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的模塊之一，它是控制壓縮機(jī)、單機(jī)片和PTC實(shí)現(xiàn)與外界信息交互的橋梁，如果通訊模塊發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致散熱系統(tǒng)無法正常運(yùn)作。因?yàn)榭刂破麝P(guān)鍵點(diǎn)在于信號接收，預(yù)加熱循環(huán)和制冷循環(huán)并非是直接根據(jù)電池?zé)岫戎悄芑\(yùn)行，而是根據(jù)通訊模塊發(fā)出的PWM信號決定是否開始散熱，因此整個控制器的運(yùn)作思路可以歸納為通電開起主程序，主程序接受電池包報文信息，確定是否接受報信息，收到報文信息給出指令，散熱系統(tǒng)了解電池包溫度，散熱系統(tǒng)開展運(yùn)作[2]。但其中的問題在于，如果控制器沒有接受到報文信息，系統(tǒng)應(yīng)該盡入何種循環(huán)？為此筆者認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)完備的散熱設(shè)計(jì)，系統(tǒng)至少應(yīng)該擁有兩套循環(huán)，即在散熱循環(huán)之外還應(yīng)該有一套失效循環(huán)，失效循環(huán)的作用便是在報文信息未被接受的情況下可以被執(zhí)行，從而避免故障的發(fā)生。

3 動力電池?zé)峁芾砜刂破鞯脑O(shè)計(jì)思路

控制器的設(shè)計(jì)顧及兩個方面，收到電池包報文信息的情況下選擇執(zhí)行的模式和未收到報文信息的情況下選擇執(zhí)行的模式。前文提到過，未收到報文信息時系統(tǒng)需要進(jìn)入失效循環(huán)，而收到報文信息便進(jìn)入散熱循環(huán)，散熱循環(huán)中根據(jù)報文信息展示的電池包溫度又分成制冷、制熱和待機(jī)等幾個子循環(huán)模式。如果無法判斷報文信息，便跳出子循環(huán)，重新判斷，直到軟件確定溫度后再啟動相應(yīng)模式。歸結(jié)而言，控制器系統(tǒng)要具備如下幾個程序系統(tǒng)：判斷溫度和選擇循環(huán)類型的主程序；在沒有接受報文信息情況根據(jù)出水口溫度進(jìn)行循環(huán)選擇的失效循環(huán)系統(tǒng)；根據(jù)電池溫度進(jìn)行平衡調(diào)控的制冷制熱系統(tǒng)；在電池包溫度處于適當(dāng)區(qū)間時利用水循環(huán)消解余熱的自循環(huán)系統(tǒng)；只接受電源模塊供電，不調(diào)動其它模塊運(yùn)轉(zhuǎn)的待機(jī)程序。

整個系統(tǒng)由CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)，加入ZigBee作混合開發(fā)，以嵌入式Linux環(huán)境為開發(fā)環(huán)境，以ZigBee協(xié)議為組網(wǎng)設(shè)計(jì)，主程序的數(shù)據(jù)交叉編譯控制可以采用QOS技術(shù)研發(fā)，Linux的內(nèi)核觸發(fā)則由ARM模塊完成，在通訊信息進(jìn)行交互行為，其需要的脈沖信號用MPLL鎖相環(huán)產(chǎn)生。除程序加載外，所有模塊直接連接主程序，其中信息采集模塊、底層數(shù)據(jù)庫為信息輸入模塊，信息自適應(yīng)處理模塊和功能組件模塊為信息輸出模塊，傳輸總線與主程序保持輸出/輸入的雙向交互功能，程序加載和傳輸總線保持輸出/輸入的雙向交互功能[3]。通過這樣的設(shè)計(jì)方式可以提高主程序的響應(yīng)速度[3]。CAN和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相連，根據(jù)通訊信號決定壓縮機(jī)之前的打開狀態(tài)。在開機(jī)之前，CAN系統(tǒng)會先打開電子風(fēng)扇，以防系統(tǒng)壓力過高，造成壓縮機(jī)的自我保護(hù)而自動停機(jī)。壓縮機(jī)打開之后，會首先對系統(tǒng)的三態(tài)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行讀取，如果當(dāng)前壓力的高于或者低于標(biāo)準(zhǔn)值，三態(tài)開關(guān)就會向控制器主板傳輸對應(yīng)的信號，得到信號之后電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速會適當(dāng)做出調(diào)整，保證壓力值可以控制在適當(dāng)?shù)姆秶?。系統(tǒng)通過對失效標(biāo)志位狀態(tài)的讀取來確定需要采取的措施，措施共有兩種，一種是選擇報文信息，這樣制冷制熱系統(tǒng)會啟動，另一種措施是根據(jù)出水口的溫度判斷是否跳出當(dāng)前循環(huán)返回主程序。

在啟動制熱循環(huán)的情況下，主要根據(jù)CAN來控制PTC加熱器的功率，在打開PTC加熱器之前，系統(tǒng)會先執(zhí)行開放水泵的命令，這種工作順序的目的在于如果-直給加熱器管道內(nèi)的水加熱，會導(dǎo)致水溫一直上升，PTC加熱器也會在達(dá)到最高溫后停止工作，因此讓水泵先于PTC加熱器開放，有助于減少控制器突然停機(jī)的情況。在散熱完成之后，控制器會進(jìn)入自循環(huán)模式，此時啟動水路循環(huán)，利用水流將電池包的多余熱量帶走。在溫度達(dá)到理想狀態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)會再發(fā)送報文信息，主程序便能根據(jù)報文溫度信息選擇下一個子循環(huán)。

4 結(jié)束語

總結(jié)而言，該控制器的設(shè)計(jì)是基于電池包溫度做適當(dāng)調(diào)整，它擁有除制冷制熱外的其它循環(huán)系統(tǒng)，在系統(tǒng)信號故障的情況下依然能有序工作，同時在平常的汽車駕駛中也能為電池包溫度控制起到良好的平衡作用。