新能源汽車電池熱管理控制系統(tǒng)設計

關 賀,呂 艷,張元良

(1.大連理工大學機械工程學院,遼寧大連 116024;2.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院,遼寧大連 116034)

0 引言

目前,新能源汽車得到大力發(fā)展,其電池需要處于恒溫狀態(tài)才能夠保持最高的能量效率,因此需要有高效且能適應多種工況的熱管理系統(tǒng)來保證新能源汽車電池處于恒溫狀態(tài)。針對新能源汽車電池熱管理控制的需求,本文設計了一套集成控制雙電子水泵、雙電子水閥,三溫度傳感器以及單液位傳感器的熱管理系統(tǒng)。因為永磁同步電機(PMSM)具有功率密度高的優(yōu)點,選擇由PMSM驅(qū)動的電子水泵;而無刷直流電機(BLDCM)具有體積小的優(yōu)點,因此選擇由BLDCM驅(qū)動的電子水閥。為了適應多種工況,2臺PMSM既需要能夠獨立運行,也需要能夠以相同的轉(zhuǎn)速同步運行。因此,需要采用先進的同步控制算法,以保證同步精度。

目前,國內(nèi)外主流的雙電機同步控制算法包括主從、并行、虛擬主軸與交叉耦合控制,其中主從控制結(jié)構雙電機之間只有單向信息交互,同步精度低[1];并行控制各自獨立運行無信息交互;虛擬主軸控制所需計算量過大,對芯片算力要求較高;交叉耦合控制可以在2臺電機之間實現(xiàn)雙向信息交互,因此能夠顯著提升雙電機同步精度。但是傳統(tǒng)的交叉耦合控制魯棒性差,無法滿足系統(tǒng)需求。

針對以上問題,本文設計了一種將超前同步補償與二階全局快速終端滑?？刂葡嘟Y(jié)合的二重交叉耦合控制算法并將其部署于熱管理系統(tǒng)域控制器,最終有效提高了同步精度以及抗干擾性。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 底層域控制器硬件設計

熱管理系統(tǒng)硬件上采用一主多從的域控制器設計方案,核心架構由一個主MCU和3個從MCU組成,主MCU選用S12ZVM芯片,3個從MCU分別為2片MLX81315,1片MLX81325。圍繞4顆核心MCU的功能模塊主要包括CAN通信模塊、LIN通信模塊、PMSM驅(qū)動模塊、BLDCM驅(qū)動模塊、溫度傳感器模塊、液位傳感器模塊。熱管理系統(tǒng)整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 熱管理系統(tǒng)硬件框圖

1.2 通信電路設計

主MCU與汽車車身控制模塊(BCM)通過CAN通訊。根據(jù)系統(tǒng)需求選擇TJA1044芯片,它為CAN協(xié)議控制器提供發(fā)送和接收差分信號的功能[2]。CAN通訊電路圖如圖2所示。

圖2 CAN通信電路設計

熱管理系統(tǒng)中主MCU和3個從MCU通過LIN通訊進行數(shù)據(jù)傳輸。LIN通訊的電路設計如圖3所示,其中上拉電阻R127將MCU引腳的TTL電平和LIN總線上的顯隱電平進行相互轉(zhuǎn)換。

圖3 LIN通信電路設計

1.3 電機驅(qū)動電路設計

MLX81315芯片內(nèi)部集成預驅(qū)芯片,可以直接驅(qū)動BLDCM。S12ZVM和MLX81325需要通過外圍電路來驅(qū)動PMSM,S12ZVM和MLX81325的PMSM驅(qū)動電路采用相同結(jié)構,S12ZVM輸出的6路PWM控制6個MOSFET來驅(qū)動電機U、V、W三相電流進而控制PMSM,驅(qū)動電路如圖4所示。

2 熱管理系統(tǒng)軟件設計

熱管理系統(tǒng)軟件程序整體結(jié)構如圖5所示,熱管理系統(tǒng)域控制器的主MCU通過CAN總線接收來自BCM的命令,并且將收集到的各電機的狀態(tài)信息、異常報告、溫度傳感器及液位傳感器檢測數(shù)據(jù)通過CAN總線報告給BCM;主MCU根據(jù)收到的命令通過矢量控制(FOC)來控制PMSM并通過LIN總線轉(zhuǎn)發(fā)來自BCM的命令至3個從MCU,3個從MCU各自根據(jù)命令通過FOC或六步換相來控制PMSM或BLDCM。

3 雙PMSM轉(zhuǎn)速同步控制算法

3.1 PMSM數(shù)學模型

表貼式PMSM的d軸電感和q軸電感相等(Ld=Lq),因此PMSM定子的α-β軸坐標系下的電流的狀態(tài)方程為[3]

(1)

(2)

式中:ωje和θje分別為第j臺PMSM的電角速度和電角度[4]。

表貼式PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩表示為

(3)

式中:ψ為三相繞組的磁鏈;pj、Tje和ijq分別是第j臺電機的定子極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和q軸電流。

3.2 單PMSM速度控制器設計

為了保證雙PMSM的同步精度,需要設計性能優(yōu)良的單PMSM速度控制器。選擇矢量控制(FOC)作為驅(qū)動算法,因為熱管理系統(tǒng)要求PMSM轉(zhuǎn)速高,工作時間長,如果采用位置傳感器來獲取電機位置會增加成本并且隨著位置傳感器的損耗會降低精度,因此采用無感FOC算法,即通過觀測器來推導出電機角度,滑膜觀測器(SMO)對參數(shù)變化和外部干擾具有較強的魯棒性,且比起拓展卡爾曼濾波等方法,SMO需要的芯片算力更小,適合部署在嵌入式設備上[4]。因此本文選擇SMO來實現(xiàn)無感FOC控制。2臺PMSM采用相同的SMO來實現(xiàn)無感FOC控制。

3.2.1 改進型滑膜觀測器設計

SMO算法基于定子的α-β軸坐標系,其原理為:由于EMF中包含電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息,所以通過EMF可以解算出電機的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速,設計如下SMO以獲取EMF[5]:

(4)

定子電流的誤差方程為

(5)

傳統(tǒng)SMO采用符號函數(shù)sgn(s)來設計,為了提高SMO的控制性能,采用準滑膜動態(tài)中的飽和函數(shù)sat(s)來代替滑動模態(tài)中的符號函數(shù),并且由于在單PMSM控制系統(tǒng)中的控制量是一個不連續(xù)的高頻切換信號,為了提取連續(xù)的EMF估計值,通過低通濾波器進一步處理,并且通過鎖相環(huán)(PLL)來提取轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速信息,最終所設計的滑膜控制率為

(6)

3.2.2 單PMSM速度控制器穩(wěn)定性分析

根據(jù)滑膜控制率所設計的滑膜面函數(shù)如下:

(7)

定義單PMSM速度控制系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)并對其求微分結(jié)果如式(8)、式(9):

(8)

(9)

3.3 雙PMSM二重交叉耦合控制算法

二重交叉耦合控制算法在傳統(tǒng)交叉耦合控制算法的基礎上將超前同步補償器與二階全局快速終端滑?？刂?2-GFTSMC)相結(jié)合,在保證控制精度、魯棒性的基礎上降低了對MCU算力的依賴,有效降低了成本。雙PMSM的同步誤差信號在單電機速度控制器的輸入端反饋;由二階全局快速終端滑?？刂扑惴ㄌ幚淼碾娏餍盘栐诟倪M型滑膜觀測器的輸出端反饋,雙重反饋機制能夠有效提高同步精度以及魯棒性,算法整體框架如圖6所示。

圖6 二重交叉耦合控制算法框圖

3.3.1 超前同步補償器

當PMSM的負載劇烈變化時,固定增益同步補償器將引起速度的超調(diào)波動,并且需要較長時間才能消除波動。為了消除時變干擾對系統(tǒng)輸出特性的影響,采用校正控制縮短調(diào)節(jié)時間[7]。具有預期控制的超前同步補償器如圖7所示。

圖7 超前同步補償器

圖7中,K是同步補償系數(shù),為了加速動態(tài)響應,校正控制器Fg采用了超前校正,即

(10)

式中:T為超前時間常數(shù);η為衰減因子,η>1。

2臺PMSM通過超前同步補償控制器來處理對方的干擾進而補償各自的輸出速度[8]。通過使用超前校正的相位超前特性來獲得系統(tǒng)所需的超前量,從而增加截止頻率,并最終抵消干擾的影響[9]。

3.3.2 二階全局快速終端滑?？刂?/p>

定義2臺PMSM之間的同步誤差如下[10]:

δ=ω1-ω2

(11)

定義二階全局快速終端滑?？刂频幕瑒幽Ｊ揭约霸O計雙PMSM的二階全局快速終端滑模控制器如下:

(12)

(13)

式中:ijqs為第j臺PMSM對q軸電流的補償值;ψ為電機的永磁磁鏈;a為增益;α,β,q,p為滑模逼近參數(shù)。

二階全局快速終端滑模控制器框圖如圖8所示。

圖8 二階全局快速終端滑模控制器框圖

4 仿真分析與實驗

4.1 雙PMSM轉(zhuǎn)速同步控制器仿真分析

為了確定雙PMSM轉(zhuǎn)速同步控制器的性能,在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下搭建模型,對傳統(tǒng)交叉耦合控制算法和二重交叉耦合控制算法分別仿真分析,以驗證二重交叉耦合控制算法的有效性,二重交叉耦合控制算法的仿真模型如圖9所示。

圖9 二重交叉耦合控制算法仿真模型

SIMULINK仿真模型中的2臺PMSM參數(shù)一致,如表1所示。

表1 PMSM參數(shù)表

設定目標轉(zhuǎn)速ωr=1 000 r/min,在所搭建的雙永磁同步電機SIMULINK模型上進行仿真實驗,傳統(tǒng)交叉耦合控制算法和本文設計的二重交叉耦合控制算法在空載啟動時2臺永磁同步電機的轉(zhuǎn)速波形分別如圖10(a)、圖10(b)所示,2臺永磁同步電機的同步誤差如圖10(c)、圖10(d)所示。

(a)傳統(tǒng)交叉耦合控制空載啟動轉(zhuǎn)速波形

(b)二重交叉耦合控制空載啟動轉(zhuǎn)速波形

(c)傳統(tǒng)交叉耦合控制空載啟動同步誤差

(d)二重交叉耦合控制空載啟動同步誤差圖10 雙PMSM空載啟動仿真分析

由圖10(a)、圖10(b)分析可得,相比于傳統(tǒng)交叉耦合控制算法,本文所設計的二重交叉耦合控制算法能夠有效降低超調(diào)以及更快進入穩(wěn)態(tài)。由圖10(c)、圖10(d)分析可知二重交叉耦合控制算法能夠?qū)㈦pPMSM的同步誤差由1.8%降至0.2%。

4.2 雙PMSM二重交叉耦合控制算法實驗驗證

為對雙PMSM二重交叉耦合控制算法進行有效驗證,結(jié)合上文的仿真分析,通過SIMULINK的Embedded Coder模塊生成算法的C語言代碼并結(jié)合底層軟件驅(qū)動程序,進一步將該算法部署于熱管理系統(tǒng)域控制器進行實驗驗證,熱管理系統(tǒng)平臺如圖11所示。

圖11 熱管理系統(tǒng)實驗平臺

設定目標轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,當電機進入穩(wěn)態(tài)之后,通過對拖電機對兩臺永磁同步電機分別施加10 N·m的擾動負載,持續(xù)時間均為10 ms,傳統(tǒng)交叉耦合控制算法和本文所設計的二重交叉耦合控制算法的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖12(a)、圖12(b)所示。

(a)傳統(tǒng)交叉耦合控制

根據(jù)圖12分析可知,相較于傳統(tǒng)交叉耦合控制算法,二重交叉耦合控制算法對于施加的負載擾動,能夠更快適應并且在更短的時間內(nèi)回歸穩(wěn)態(tài),回歸穩(wěn)態(tài)時間縮短了30%。

5 結(jié)束語

本文設計了一種集成4片MCU的熱管理系統(tǒng),完成了熱管理系統(tǒng)底層硬件電路的設計以及軟件系統(tǒng)和架構的開發(fā)。該系統(tǒng)可以滿足多種工況需求,達成新能源汽車電池熱管理目標。提出了一種將超前同步補償器與二階全局快速終端滑膜控制相結(jié)合的二重交叉耦合控制算法,在保證雙PMSM同步精度及抗干擾能力的基礎上降低了對芯片算力的需求,有效降低了成本。最后通過仿真以及實驗證明了該熱管理系統(tǒng)有效提高了熱管理效率,并且有效提升了新能源汽車的供電效率。