纯电动汽车非热泵型整车热管理系统的控制方法

2021年12月14日汽车技术评论201阅读模式
摘要:基于V字形开发模式,开发了满足整车热管理需求的非热泵型整车热管理系统,取得了良好的改善效果。在此系统中采用了低温下的电机余热利用等改善措施,与目前电动汽车普遍采用的PTC电加热方式(不带电机余热)相比,能够显著地增加电动汽车低温续驶里程。
随着纯电动汽车越来越普及,使用过程中的诸多问题也逐渐暴露出来,高低温环境下的续驶里程衰减是当前用户的一大痛点。与传统燃油车相比,纯电动汽车的主要动力总成系统(动力电池、电机、控制器、充电机等)工作温度范围小,工作性能受温度影响大,过高或过低的工作温度会影响电池的容量、使用寿命和电机的工作效率。因此,电池低温环境下需要合理加热,高温环境下需要适当降温,以保证电池始终处于合理的温度范围内
部分纯电动汽车热管理系统,特别是成本压力较大的纯电动汽车运营车型,目前大多采用PTC 水加热器对乘员舱及电池包进行加热,该系统可以有效地满足电池包及乘员舱热管理功能需求。但是由于PTC 耗能较高,严重影响低温环境下的纯电动汽车续驶里程,采用热泵系统又会大大增加成本,所以非常有必要对整车热管理系统进行精细化能量管理。电机余热利用原理是在低温情况下,当电机出口水温达到一定条件之后,将利用电机余热加热的冷却液通过板式换热器给电池回路进行加热,提高电池温度,恢复电池放电性能,提升电动汽车低温续驶能力。
本文面向某量产电动汽车,按照V字形开发流程,开发满足整车热管理需求的热管理控制策略,并对控制系统进行实车验证,验证电机余热回收等措施的改善效果。

1 非热泵型整车热管理系统简介

为了改善纯电动汽车低温续驶里程的衰减,非热泵型和热泵型两种整车热管理系统都已经被广泛采用,实际开发中可以根据纯电动汽车的车型级别和性价比,选择整车热管理系统的类型。
本文研究的原车整车热管理系统为一种非热泵型整车热管理系统,低温条件下的加热功能主要为:采用PTC对乘员舱进行加热,行车工况下电池热管理系统无加热功能,电驱动(含电机)热管理回路和电池热管理回路独立运行。该方案可将电池能量直接转化为用户所要求实现的目标,满足用户对行车及乘员舱加热的需求,控制系统及热管理回路相对简单,容易实现。但是由于并未考虑行车工况的电池包低温加热需求,电池包本体电容量在低温下有很大衰减,导致低温环境下续驶里程衰减较为严重,对电池包使用寿命也存在一定影响。
针对以上问题,本文在原车整车热管理回路的基础上增加部分管路及控制水阀,把电驱动系统和电池、空调的水回路在低温下联通,实现电机余热回收并给电池包进行行车加热等功能,同时对乘员舱及电池温度实施智能控制,如图1所示。此外,还采用效率较高的水加热PTC,并对其控制系统进行优化,进一步提升低温续驶里程。
纯电动汽车非热泵型整车热管理系统的控制方法
图1 带余热回收的非热泵型整车热管理系统回路

2. 控制系统开发

目前汽车控制系统开发都是基于模型设计的,这样能提高开发效率,而且都基于V字形开发流程。V字形开发流程强调软件功能的实现和验证的有机结合,具体开发流程如图2所示。本文开发的控制系统在装车前先进行了模型在环测试、硬件在环测试验证,减少控制系统装车后的标定及调试工作量。
纯电动汽车非热泵型整车热管理系统的控制方法
图2 控制系统V字形开发流程

2.1 整车热管理控制系统功能模式

纯电动汽车整车热管理控制系统需要实现乘员舱及电池包的制热、制冷、电机余热利用、乘员舱除湿功能。根据整车使用状态以及环境温度等条件,判断整车对热管理的功能需求。在基本功能实现的基础上对热管理系统的控制细节进行了进一步的细化。整车热管理系统各功能模式需求见表1。此外,控制系统还需要保证各功能模式切换正常,各零部件工作正常。
表1 整车热管理系统的功能模式
纯电动汽车非热泵型整车热管理系统的控制方法
为了确保热管理控制系统顺利装车,本次热管理控制系统开发内容包括电气架构开发、软件开发和测试。

2.2 整车热管理控制系统电气架构

本次开发中采用TTC200作为热管理控制器,该控制器主要用来采集车辆传感器信息以及CAN总线上空调系统、电池系统、VCU以及MCU的相关信息,并通过一系列的算法,控制热管理系统各零部件正常工作,其具体的电气架构如图3所示。
传感器:将热管理控制系统的传感器将各种工况的信息转换为电讯号,传递给控制系统,其中主要是制冷剂和冷却液系统的温度和压力信号。
执行器:整车控制器的执行器,主要包括四通阀、三通阀、电磁阀、水泵、PTC以及压缩机等,需要保证这些执行器能够按照要求进行可靠稳定的工作。
CAN通讯:从BMS获取电池温度信息;从VCU获取车速信号、请求允许信号;从MCU获取电机出口水温信号。

2.3 整车热管理控制系统软件开发和测试

为了满足整车热管理控制系统的功能和性能需求,必须按照热管理控制算法对传感器的信号进行处理,保证执行器的正常工作,从而实现乘员舱制热制冷、电池制热制冷、电机余热利用以及除湿等功能。
本文采用基于模型的设计方法,以Matlab/Simulink为开发平台,进行模型设计、测试,并编译成C代码,最终生成的.s19文件刷写到TTC200,后续根据模型设计硬件在环测试案例。硬件测试完毕后进行实车策略验证。通过验证后进行实车环模低温续驶试验。
本研究采用的控制器TTC200价格较高,将来在量产开发中要选用性价比较好的控制器。
2.3.1 功能模块设计
根据整车热管理的需求分析结果,对整车热管理控制系统的功能模块进行设计,主要包括3个部分:模式判定功能模块、制热控制功能模块、制冷控制功能模块,如图4所示。
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图3 热管理控制系统电气架构
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图4 功能模块
模式判定模块:通过空调请求信号和电池温度信号对热管理系统的工作模式进行判定,实现工作模式的智能控制。
制热控制模块:通过模式判定的信号进行智能控制,当系统有制热请求,通过控制PTC功率、三通阀和四通阀的开度控制乘员舱温度和电池温度,保证乘员舱的舒适性,也保证电池工作在最佳温度范围内。
制冷控制模块:通过模式判定的信号进行智能控制,当系统有制冷请求,通过控制压缩机转速、三通阀的开度、膨胀阀开度以及电池阀开闭实现智能控制乘员舱温度、电池温度,保证乘员舱的舒适性以及电池工作在最佳温度范围内。
2.3.2 电机余热控制策略
在低温行驶情况下,电机出口水温在明显高于电池包温度的时候,可以通过向电池包引入电机余热对电池包进行加热,降低动力电池的低温性能衰减。电机余热利用的主要流程:(1)在电机出口水温比较低的情况下,通过对三通阀的控制对电机回路进行蓄热。(2)当电机出口水温满足余热利用要求,通过对三通阀以及四通阀的控制实现电机余热给电池加热。电机余热的请求模式采用Simulink/Stateflow进行开发,如图5所示。
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图5 电机余热控制策略
2.3.3 CAN报文、传感器信号解析
不同控制器之间通过CAN总线进行通讯,需要按照整车的CAN总线通讯协议,对接收来的信号进行解析,并通过From、Goto模块提供给相应的功能模块,如图6所示。
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图6 CAN报文解析模型
根据传感器的类型选择管脚定义,并在模型设计过程中选择不同的解析方式转换为对应的温度以及压力值,如图7所示。
2.3.4 控制策略单元测试
电机余热请求模型创建完成以后,在模型集成之前,需要对模型进行测试,保证电机余热模型的准确性,其初步的功能测试方案和信号注释见表2,测试模型如图8所示,测试结果如图9所示。
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图7 传感器信号解析
表2 信号注释
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图8 电机余热请求功能测试模型
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图9 电机余热请求功能测试结果
根据电机余热功能测试图进行分析整理,对模型测试结果进行分析,电机余热测试结果显示模型能够按照预期输出测试结果,具体的测试结果见表3。
为了保证电机余热请求模型的准确性,需要更多的测试用例保证100%的覆盖度测试结果,本文用Simulink的Test Hardness进行测试用例的输入,根据输出结果优化模型,如图10所示。
表3 电机余热请求功能测试结果
纯电动汽车非热泵型整车热管理系统的控制方法
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图10 电机余热请求模型的覆盖度测试

3 控制系统模型在环、硬件在环测试

3.1 模型在环测试

根据原车热管理系统原理图搭建GT-Suite仿真模型,如图11所示。仿真模型包括整车行驶模块、电驱动回路、电池回路、PTC加热回路、空调回路、前舱散热回路、乘员舱及控制模块,控制策略采用前面完成的智能温控控制策略。
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图11 热管理系统模型在环仿真模型
仿真工况按照EV-TEST低温续驶(环境:-7℃,车速:CLTC-P工况)试验进行仿真,仿真试验结果显示,带电机余热利用相比不带电机余热利用,低温续驶里程提升了7.8%。EV-TEST低温续驶里程试验的全过程中,需要经过表1中的功能模式4和8的切换。

3.2 硬件在环测试

本文选用了德国DSPACE硬件在环测试系统为测试平台,模拟整车热管理零部件的运行状态,对热管理控制器进行全方面的、系统的测试,如图12所示。
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图12 硬件在环测试
乘员舱和电池的混合制热模式下的硬件在环测试结果如图13所示:
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图13 电机余热利用的功能测试结果
电池加热:此时满足电机余热利用条件,通过控制电机回路四通阀,用电机余热加热电池。
乘员舱加热:采用PTC给乘员舱进行加热,PTC功率依据乘员舱目标水温与实际水温差值进行设定。

4 整车热管理系统环模试验结果

为了进一步验证控制策略的实际效果,进行了实车环模试验。按照EV-TEST低温续驶试验(环境:-7℃,车速:CLTC-P工况)要求进行了试验,试验结果表明,采用电机余热回收等改善措施的整车热管理系统的低温续驶里程改善效果明显。
试验过程中,电池包温度在整个低温续驶试验过程中有了明显的提升。试验过程中改制样车(带电机余热)电池温度从0℃升高到12℃,相比原车(不带电机余热,从0℃升高到2℃)提高了10℃,降低了动力电池在低温环境下的容量衰减,低温续驶里程有了明显的提高,整车低温续驶里程提升了7.3%,与模型在环仿真结果趋势一致,具体的试验结果见表4。
表4 低温续驶改善效果
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5 结论

本文阐述了采用电机余热利用的纯电动汽车整车热管理系统的控制方法,特别是根据V字形开发流程对控制策略进行制订、测试和优化的全过程。采用GT-Suite对控制策略进行模型在环测试,按照热管理策略进行了整车高低温性能的模型在环仿真,从而预测整车热管理系统性能。采用DSPACE进行硬件在环测试,验证控制策略的准确性,最后通过基于电机余热回收的纯电动汽车整车热管理环模试验,发现整车能量的精细化管理对整车低温续驶里程提升有显著作用。
(1)电机余热回收可以给电池包加热,恢复电池容量,有利于提升低温续驶里程,通过控制系统与整车模型联合仿真提出合适的控制策略,对于改善和优化最终整车性能具有重要意义。
(2)整车热管理控制系统的软硬件开发通过V字形开发流程才能确保完整和正确。

作者:王伟民,汪毛毛,瞿爱敬,韩 杨,张中亚,施 睿,石 琳,徐人鹤

东风汽车集团有限公司技术中心

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