一種新型電動汽車動力熱管理系統(tǒng)的設(shè)計及驗證

汪璐　單志友

摘 要：文章闡述了在電動汽車中動力熱管理系統(tǒng)的重要性，列出了目前電動汽車動力熱管理系統(tǒng)存在的問題，介紹了一種新型電動汽車動力熱管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，并進(jìn)行了整車安裝與調(diào)試，適用于電動汽車三種回路的切換。關(guān)鍵詞：電動汽車;熱管理系統(tǒng);熱管理回路中圖分類號：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-15-03

Abstract：?This article describes the importance of thermal management system in electric power， listing the current problems of electric power and heat management system， introduced a new type of electric vehicle thermal management systems design， and vehicle installation and debugging for three circuits of electric vehicle switch.Keywords：?Electric vehicle; Thermal management system; Thermal management circuitCLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-15-03

前言

與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車除了車內(nèi)空調(diào)熱管理需求之外，對電池包和驅(qū)動電機(jī)及其控制器也需要進(jìn)行嚴(yán)格的熱管理控制。電池包和驅(qū)動電機(jī)及其控制器作為電動汽車的主要動力裝置，其性能直接影響電動汽車的性能。所以在電動汽車中，為了使電池包和驅(qū)動電機(jī)及其控制器發(fā)揮最佳的性能和壽命，必須進(jìn)行熱管理，將其溫度控制在合理的范圍內(nèi)。[1-5]

目前大部分電動汽車的動力熱管理系統(tǒng)為開環(huán)控制，即沒有冷卻液壓力、冷卻液流量、冷卻液溫度的反饋，動力熱管理系統(tǒng)無法根據(jù)實際工作狀態(tài)進(jìn)行實時控制，無法對電池和驅(qū)動電機(jī)及其控制器的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，而且在車輛運行中，驅(qū)動電機(jī)和控制器產(chǎn)生的熱量，也沒有充分利用，此部分能量有些浪費，不利于節(jié)能環(huán)保。本文將提出解決這些問題的改進(jìn)方案。[6-8]

1 新型熱管理系統(tǒng)的方案介紹

1.1?系統(tǒng)的組成及工作原理

本文提出的電動汽車動力新型熱管理系統(tǒng)，如圖1所示，通過設(shè)置在回路中的三通水閥1、3，可實現(xiàn)在多種回路的切換，以適應(yīng)電動汽車不同的工況。并在回路中增加了壓力傳感器1、2、3、4、流量傳感器1、2、水溫傳感器1、2，對冷卻液壓力、流量、溫度進(jìn)行實時反饋，解決了上述開環(huán)控制存在的問題。該新型熱管理系統(tǒng)包括電池包的加熱和冷卻，以及驅(qū)動電機(jī)/電控的冷卻子系統(tǒng)。[9-10]

該熱管理系統(tǒng)的工作原理為：通過各子系統(tǒng)設(shè)置的壓力、流量和溫度傳感器，實時測量各回路的壓力、流量、溫度，通過計算可得知各對應(yīng)電子水泵工作需提供的系統(tǒng)壓力、流量，并對電子水泵的工作溫度進(jìn)行實時控制，當(dāng)測量冷卻液溫度較低或較高時，整車VCU發(fā)出控制信號，降低或提高對應(yīng)電子水泵的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)壓力、流量同步降低或提高。[11-12]

1.2 各子系統(tǒng)的循環(huán)回路

1）電池包加熱回路。利用PTC加熱器給電池包加熱模式的冷卻液循環(huán)回路為：膨脹水壺→壓力傳感器3→電子水泵2→壓力傳感器4→流量傳感器2→水溫傳感器2→PTC加熱器→三通水閥3→電池包→三通水閥2→膨脹水壺。當(dāng)水溫傳感器2檢測到冷卻液溫度低于10℃時，即開始加熱，當(dāng)溫度到達(dá)30℃時，停止加熱。另外，該回路中，三通水閥2與三通水閥3之間還連接有車內(nèi)暖風(fēng)散熱器。

2）電池包恒溫回路。通過三通水閥1的位置切換，與驅(qū)動電機(jī)/電控的冷卻回路相組合，其冷卻液循環(huán)回路2為：膨脹水壺→驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)散熱器→壓力傳感器1→電子水泵1→壓力傳感器2→流量傳感器1→水溫傳感器1→驅(qū)動電機(jī)控制器→驅(qū)動電機(jī)→三通水閥1→電池包→膨脹水壺。該回路利用驅(qū)動電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)控制器產(chǎn)生的熱量，在電池包在溫度低于25℃時，維持電池包溫度處于25-50℃區(qū)間，使電池包處于恒溫狀態(tài)。

3）驅(qū)動電機(jī)/電控冷卻回路。其冷卻液循環(huán)回路為：膨脹水壺→驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)散熱器→壓力傳感器1→電子水泵1→壓力傳感器2→流量傳感器1→水溫傳感器1→驅(qū)動電機(jī)控制器→驅(qū)動電機(jī)→三通水閥1→膨脹水壺。一般溫度控制范圍為20℃-50℃。

1.3?傳感器選型參數(shù)

壓力傳感器1、壓力傳感器3的量程：-100～100KPa，精度：0.5%F.S，工作電壓：DC5-24V，輸出信號：DC1-5V;壓力傳感器2、壓力傳感器4的量程：0～200KPa，精度：0.5%F.S，工作電壓：DC5-24V，輸出信號：DC1-5V;流量傳感器1、流量傳感器2的量程：0-100L/min，精度：±1%，最低額定電壓：DC4.5V，供電范圍：DC5V～24V，負(fù)載能力≤10m A（DC 5V），最大工作電流：15m A（DC 5V）;溫度傳感器1、溫度傳感器2的型號：Pt100，類型：NTC熱敏電阻，采用三線制接法接入溫控儀，實現(xiàn)水溫的測量。電子水泵的功率范圍為：10-1500W。

2 系統(tǒng)的測試和驗證

在完成上述系統(tǒng)的設(shè)計后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的性能測試，然后對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，最后在試驗車輛上安裝本系統(tǒng)，進(jìn)行電子水泵的性能試驗，以驗證本系統(tǒng)的性能。

經(jīng)過以某型號的電子水泵為測試對象，進(jìn)行了電子水泵的基本性能測試，測試了電子水泵在不同流量下的額定電流和額定電壓和進(jìn)出口壓力，并通過計算處理得出額定功率、揚程和效率值，完成電子水泵的性能測試。通過測試結(jié)果表明，本文的系統(tǒng)搭建符合預(yù)期，可解決前面所述的，目前熱管理系統(tǒng)存在的問題。電子水泵的性能測試數(shù)據(jù)見表1。

通過測試結(jié)果表明，本熱管理系統(tǒng)可以對回路中的冷卻液流量、壓力、溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，便于整車VCU做出相應(yīng)的控制，例如，測試數(shù)據(jù)功率范圍在73W-177.5W，需要VCU做出對應(yīng)的標(biāo)定，按相應(yīng)的需求，控制相應(yīng)的功率，電流可以限制在5.8-14.2A。

通過性能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)流量不斷降低時，壓差逐漸增大，同時電流和功率、水力功率同步降低，效率在流量為23.64lpm時最高，為保證在效率最高區(qū)間運行，流量一般控制在16-30lpm范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)可以有效監(jiān)控并管理系統(tǒng)各部件;原有開環(huán)控制系統(tǒng)不能實時反饋相關(guān)運行參數(shù)，也無法進(jìn)行相關(guān)控制，與原有開環(huán)控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)能根據(jù)不同運行的工況，實時反饋系統(tǒng)的冷卻液流量、冷卻液壓差、冷卻液溫度，并對電子水泵做出相應(yīng)的調(diào)整，提高或降低功率，最大程度實現(xiàn)節(jié)能，及提高續(xù)航里程的目的。

3?結(jié)束語

本文介紹的熱管理系統(tǒng)為閉環(huán)控制，有實時反饋和實時控制功能，綜合管理，優(yōu)化控制，充分利用發(fā)熱部件余熱進(jìn)行溫度管理，可以有效的降低電池能耗，達(dá)到最舒適，最節(jié)能的效果，本文介紹的熱管理系統(tǒng)，可在三種回路下進(jìn)行切換，以適應(yīng)電動汽車不同的工況，具有使用方便，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定能耗低等優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧航.基于LabVIEW的車用電子水泵檢測系統(tǒng)研究[D].西安：長安大學(xué)，2017.

[2] 代聰.汽車電子水泵實驗測試裝置系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2017?（10），123-125+140.

[3] 李珍珍，楊勝兵.基于模型的電動汽車驅(qū)動系冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2015（8）：417-420.

[4] 鐘紹俊，黃鎮(zhèn)海，黃艷巖.汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵性能測試系統(tǒng)設(shè)計[J].中國計量學(xué)院學(xué)報，2006，17（3）：196-198.

[5] 韓曉峰，韓俊，等.GDI 發(fā)動機(jī)電子水泵控制系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車技術(shù)， 2015（9）：32-35.

[6] 中華人民共和國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).QC/T 288.2-2001汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵試驗方法.

[7] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 3216-2016 回轉(zhuǎn)動力泵水力性能驗收試驗1級、2級和3級.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[8] 瞿曉華.電動汽車熱系統(tǒng)性能及控制優(yōu)化研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[9] 楊國勝.電動汽車動力電池組熱管理系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報， 2015（04），178-180.

[10] 秦大同，武仲斌，黃晶瑩等.考慮電動空調(diào)能耗的純電動汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配[J].重慶大學(xué)學(xué)報，?2013（12），1-8.

[11] 周曉光.汽車防凍液的研究與發(fā)展[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（01），60-64.

[12] 蔡飛龍，許思傳，常國峰.純電動汽車用鋰離子電池?zé)峁芾砭C述[J].電源技術(shù)，2012（09），1410-1413.