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解密一項(xiàng)巧妙的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)--電機(jī)堵轉(zhuǎn)充電熱管理策略
2021-10-13 22:23:23· 來源：AUTO行家
與傳統(tǒng)燃油車相比， 電動汽車動力系統(tǒng)的改變對其整車熱管理提出了新的要求：1）無發(fā)動機(jī)余熱可用，熱管理系統(tǒng)需具備加熱功能；2）動力電池的運(yùn)行溫度直接影響其
與傳統(tǒng)燃油車相比， 電動汽車動力系統(tǒng)的改變對其整車熱管理提出了新的要求：
1）無發(fā)動機(jī)余熱可用，熱管理系統(tǒng)需具備加熱功能；
2）動力電池的運(yùn)行溫度直接影響其輸出功率， 同時為保證動力電池安全運(yùn)行， 動力電池的溫度控制是熱管理系統(tǒng)的重要內(nèi)容；
3）電機(jī)和電機(jī)控制器的可靠運(yùn)行需要有效冷卻。
整車熱管理系統(tǒng)主要包括：動力電池?zé)峁芾怼恿ο到y(tǒng)熱管理和乘員艙熱管理。
熱管理架構(gòu)對比
目前主流的熱管理系統(tǒng)是將動力電池和動力系統(tǒng)分開進(jìn)行管理， 而動力電池加熱一般采用 PTC 加熱冷卻液制熱，制熱最大功率一般在 7-8kW，如圖 1某車型熱管理架構(gòu)和圖 2 PTC 制熱功率所示。為了充分利用電機(jī)余熱， 部分車型在保持原有PTC加熱的同時將電機(jī)余熱利用起來加熱動力電池，電機(jī)余熱回收等效功率最大約 3kW。如圖 3某車型熱管理架構(gòu)和圖 4 電機(jī)余熱回收等效功率
圖 1 某車型熱管理架構(gòu)
圖 2 PTC 制熱功率
圖 3 某車型熱管理架構(gòu)
圖 4 電機(jī)余熱回收等效功率。
熱管理核心部件
某車型直接省略電池 PTC， 采用電機(jī)堵轉(zhuǎn)和電機(jī)控制器發(fā)熱來給電池包加熱。同時將動力電池和動力系統(tǒng)聯(lián)合起來進(jìn)行統(tǒng)一管理。
該車型熱管理的第一個核心部件見圖 5。
圖 5 冷卻罐集成 2 個水泵，1 個熱交換器，1 個控制閥
該冷卻罐上集成 2個水泵 （電池水泵和電機(jī)水泵）、1個熱交換器（電池冷卻）和 1個控制閥（改變冷卻回路流向），共 5個管路流向。包括：電池包進(jìn)出水管路、電機(jī)進(jìn)水管路、電機(jī)出水管路（與散熱器入水管路共用，通過電磁閥控制）和散熱器出水管路。該部件的核心是通過改變控制閥角度來實(shí)現(xiàn)改變動力電池回路和動力系統(tǒng)回路流向。
第二個核心部件是電機(jī)和電機(jī)控制器。車輛靜止時，通過對電機(jī)定子持續(xù)通電流，轉(zhuǎn)子不旋轉(zhuǎn)，電機(jī)不輸出電磁轉(zhuǎn)矩，定子充當(dāng)發(fā)熱繞組將持續(xù)發(fā)熱， 以達(dá)到升溫和加熱回路的目的。
為了對熱管理控制策略進(jìn)行分析， 設(shè)置了充電測試方案。
試驗(yàn)測試
為了研究該車型動力電池和動力系統(tǒng)的熱管理策略，對其熱管理系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，加裝關(guān)鍵部件的溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、流量傳感器和壓力傳感器。繪制熱管理系統(tǒng)傳感器安裝點(diǎn)示意圖（圖 6）。
圖 6 熱管理系統(tǒng)傳感器安裝點(diǎn)示意圖
部分傳感器信號列表如表 1。
表1 傳感器信號列表
|
序號
|
信號
|
注釋
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1
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BattCellTempMin
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電芯單體最低溫度
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2
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BattCellTempMax
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電芯單體最高溫度
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3
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Bat_Input_Tem
|
電池包進(jìn)水溫度
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4
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Bat_Output_Tem2
|
電池包出水溫度 2
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|
5
|
VAL_To_Batt
|
閥至電池溫度
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|
6
|
Batt_To_VAL
|
電池至閥溫度
|
|
7
|
VCFRONT_coolantFlowBatActual
|
電池冷卻流量
|
|
8
|
VCFRONT_coolantFlowBatTarget
|
電池目標(biāo)冷卻流量
|
|
9
|
Ra_Input_Tem
|
散熱器進(jìn)水溫度
|
|
10
|
Ra_Output_Tem
|
散熱器出水溫度
|
|
11
|
RearTempInverter
|
逆變器溫度
|
表1 傳感器信號列表（續(xù)）
|
序號
|
信號
|
注釋
|
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12
|
INV_Oil_In_Tem
|
電機(jī)油冷器進(jìn)水溫度
|
|
13
|
INV_Oil_Out_Tem
|
電機(jī)油冷器出水溫度
|
|
14
|
Mot_To_VAL
|
電機(jī)至閥溫度
|
|
15
|
VAL_To_Mot
|
閥至電機(jī)溫度
|
|
16
|
VCFRONT_coolantFlowPTActual
|
動力總成冷卻流量
|
|
17
|
VCFRONT_coolantFlowPTTarget
|
動力總成目標(biāo)冷卻流量
|
|
18
|
Chiller_In_Tem
|
Chiller 進(jìn)口管壁溫度
|
|
19
|
Chiller_Out_Tem
|
Chiller 出口管壁溫度
|
|
20
|
VCLEFT_hvacBlowerRPMActual
|
鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速
|
|
21
|
VCLEFT_hvacBlowerRPMTarget
|
鼓風(fēng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速
|
|
22
|
Comp_Curr
|
空調(diào)壓縮機(jī)電流
|
|
23
|
Fan_Curr
|
風(fēng)扇電流
|
設(shè)置快充測試方案，見表 2。
表2 快充測試方案
|
序號
|
環(huán)境溫度
|
充電方式
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|
1
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23℃
|
快充
|
|
2
|
45℃
|
快充
|
|
3
|
-10℃
|
快充
|
|
4
|
23℃
|
超級快充
|
測試結(jié)果
常溫快充
充電初期：
電機(jī)逆變器溫度從 18.0℃逐漸升高至 37.0℃，電機(jī)油冷器溫度從 19.0℃逐漸升高 37.0℃。散熱器入口溫度維持在 18.0℃， 出口溫度從 18.4℃逐漸升高至
33.0℃，較電機(jī)回路溫度低。圖 7所示為常溫快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理。
圖 7 常溫快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理
動力電池回路溫度和電機(jī)回路溫度一致。電芯在充電時自發(fā)熱，電芯出水溫度略高于進(jìn)水溫度。圖8 為常溫快充充電初期動力電池?zé)峁芾怼?/span>
圖 8 常溫快充充電初期動力電池?zé)峁芾?/span>
圖 9 動力系統(tǒng)和動力電池串聯(lián)制熱示意圖
在 916s 時， 散熱器進(jìn)水溫度從 17.5℃跳變到38.0℃，散熱器出水溫度從 34.0℃突然下跌到 23.0℃ 后又跳變到 36.0℃。在 1007s時，閥至電機(jī) 40.7℃，經(jīng)逆變器 39.0℃，電機(jī)油冷器進(jìn)出水溫度分別 40.4℃、39.6℃， 到閥38.1℃，散熱器進(jìn)出水溫度分別 39.4℃、38.8℃，散熱器回路導(dǎo)通，電機(jī)至閥一路未導(dǎo)通，電機(jī)出水流經(jīng)散熱器后繼續(xù)經(jīng)過 penthouse，到逆變器，形成回路，動力系統(tǒng)溫度緩慢降低。圖 10 為常溫快充充電中期動力系統(tǒng)熱管理。
圖 10 常溫快充充電中期動力系統(tǒng)熱管理
該車無電池包 PTC， 通過電機(jī)堵轉(zhuǎn)和電機(jī)定子通電共同制熱加熱冷卻液。由此可見，此時動力電池回路和動力系統(tǒng)回路串聯(lián)，散熱器回路未接通。圖 9 為動力系統(tǒng)和動力電池串聯(lián)制熱示意圖。
充電中期：
在 1007s 時， 電池包出水溫度和電池包至閥溫度一致在 40.0℃左右；電池包進(jìn)水溫度和閥至電池包溫度一致在 39.0℃左右，此路導(dǎo)通。圖 11 為常溫快充充電中期動力電池?zé)峁芾怼?/span>
圖 11 常溫快充充電中期動力電池?zé)峁芾?/span>
在 900s 時，chiller 進(jìn)水管壁溫度出現(xiàn)降低，是由于之前開空調(diào)乘員艙有制冷需求， 制冷需要一定的過程，chiller 進(jìn)水管壁靠近乘員艙制冷劑回路導(dǎo)致溫度降低緩慢，此時已關(guān)閉空調(diào)；chiller 出口管壁未受到影響。圖 12 為常溫快充充電中期機(jī)艙熱管理。
圖 12 常溫快充充電中期機(jī)艙熱管理
動力系統(tǒng)冷卻回路和動力電池冷卻回路分開， 但動力電池回路并未開啟制冷， 由此可推測是為了保護(hù)動力系統(tǒng)電機(jī)溫度（此處未測量）。圖 13 為動力系統(tǒng)和動力電池分開冷卻示意圖。
充電后期：
動力系統(tǒng)回路和電池包回路再次經(jīng)歷串聯(lián)和獨(dú)立工作兩個模式。動力系統(tǒng)繼續(xù)制熱加熱電池包回路，期間改變模式是為了降低電機(jī)溫度。
圖 13 動力系統(tǒng)和動力電池分開冷卻示意圖
高溫快充
充電初期，第 510s開始高溫充電，至 767s期間：散熱器進(jìn)水溫度從 43.0℃升高至 44.8℃，出水溫度從 43.0℃升高至 45.2℃；逆變器溫度維持在 42.0℃；
油冷器入口溫度從 42.1℃升高至 44.6℃，出水溫度維持在 43.8℃；閥至電機(jī)的溫度維持在 42.8℃；電機(jī)至閥的溫度從 41.8℃上升至 43.4℃；動力水泵流量從6L/min上升到 14.3L/min；期間風(fēng)扇一直開啟。由于環(huán)境溫度維持在 45.0℃，開啟風(fēng)扇并沒有降低散熱器回路溫度， 反而在空調(diào)壓縮機(jī)的作用下溫度略有上升。圖 14為高溫快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理。
圖 14 高溫快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理
電池包自發(fā)熱， 電芯單體最高溫度從 43.5℃上升至 47.0℃ ；電池包進(jìn)水溫度從 43.4℃ 降低 至35.7℃，和閥至電池包的溫度保持一致；電池包出水
溫度從 42.7℃ 降低至 42.1℃ ， 期間最高上升 到45.0℃，和電池包至閥溫度保持一致；電池包水泵流量從 6L/min 上升到 14.3L/min。圖 15 為高溫快充充電初期電池包熱管理。
圖 15 高溫快充充電初期電池包熱管理
空調(diào)壓縮機(jī)從第 578s 開啟電池包冷卻，此時無乘員艙制冷需求；chiller 出口的冷卻液溫度從 43.7℃降低至 21.7℃。圖 16 為高溫快充充電初期機(jī)艙熱管理。
圖 16 高溫快充充電初期機(jī)艙熱管理
動力系統(tǒng)回路和電池包回路獨(dú)立進(jìn)行冷卻。充電中期，從 767s 至 800s：
動力系統(tǒng)各部件溫度有小幅度降低。散熱器進(jìn)水溫度從 44.8℃跳變至 47.3℃， 而后逐漸升高至49.0℃， 出水溫度從 45.2℃跳變至 42.0℃；逆變器溫度維持在 42.0℃（該溫度不敏感）；油冷器入口溫度從 44.7℃跳變至 42.4℃， 出水溫度從 45.0℃跳變至41.8℃；閥至電機(jī)的溫度從 42.9℃跳變至 41.5℃；電機(jī)至閥的溫度從 44.0℃跳變至 40.6℃；動力水泵流量從 14.3L/min上升到 18.4L/min；期間風(fēng)扇一直開啟。圖 17 為高溫快充充電中期動力系統(tǒng)熱管理。
圖 17 高溫快充充電中期動力系統(tǒng)熱管理
動力電池各部件溫度有小幅度升高。電芯單體最高溫度從 47.0℃上升至 47.5℃；chiller出口的冷卻液溫度從 21.4℃跳轉(zhuǎn)至 24.4℃；電池包進(jìn)水溫度從 35.4℃跳轉(zhuǎn)至 36.9℃，和閥至電池包的溫度保持一致；電池包出水溫度從42.5℃降低至 41.3℃，和電池包至閥溫度保持一致；電池包水泵流量從 14.3L/min上升到 18.4L/min。圖 18 為高溫快充充電中期電池包熱管理。
圖 18 高溫快充充電中期電池包熱管理
散熱器回路關(guān)閉， 電池包冷卻回路和動力系統(tǒng)回路串聯(lián)，由 Chiller 統(tǒng)一進(jìn)行冷卻。
充電過程，開啟和關(guān)閉乘員艙制冷，對動力系統(tǒng)冷卻和動力電池冷卻有影響。
4.3 低溫快充
充電初期，第 259s 開始低溫插槍充電，至 2634s開始有充電電流：
逆變器溫度從-12.0℃逐漸上升到 5.0℃；油冷器入口溫度從-11.2℃升高至 5.8℃，出水溫度從-10.3℃ 升高至 9.3℃ ；閥至電機(jī)的溫度從-11.3℃ 升高至
4.5℃；電機(jī)至閥的溫度從-11.3℃上升至 7.5℃；動力水泵流量從 6L/min 上升到 12.3L/min。圖 19 為低溫快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理。
圖 19 低溫快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理
電芯單體最高溫度從-10.5℃上升至 3.0℃；電池包進(jìn)水溫度從-11.1℃上升至 6.7℃，和閥至電池包的溫度保持一致；電池包出水溫度從-11.2℃上升至
4.6℃，和電池包至閥溫度保持一致；電池包水泵流量從 6L/min 上升到 12.3L/min。圖 20 為低溫快充充電初期動力電池?zé)峁芾?。電池包回路和動力系統(tǒng)回路串聯(lián) 依靠逆變器和電機(jī)共同制熱來加熱電池包， 至單體電芯溫度
3.0℃開始有充電電流。
充電中期， 動力系統(tǒng)和電池包冷卻回路連續(xù) 4次串聯(lián)和獨(dú)立冷卻切換，其目的是為了給電機(jī)降溫。低溫充電過程中，后電機(jī)堵轉(zhuǎn)最大功率 3.5kW，
圖 20 低溫快充充電初期動力電池?zé)峁芾?/span>
電芯溫度逐漸升高，至 45℃左右停止堵轉(zhuǎn)加熱[4]。圖21 為低溫充電后電機(jī)堵轉(zhuǎn)功率和電芯溫度。
圖 21 低溫充電后電機(jī)堵轉(zhuǎn)功率和電芯溫度
4.4 常溫超級快充
充電初期，第 58s 開始插槍充電，至 585s：散熱器進(jìn)水溫度從 25.5℃上升到 28.1℃，出水溫度從 25.3℃上升到 37.4℃；逆變器溫度從 25.0℃逐漸上升到 31.0℃維持不變（該溫度異常）；油冷器入口溫度從 25.5℃升高至 39.6℃，出水溫度從 25.5℃升高至 39.6℃；閥至電機(jī)的溫度從 25.4℃升高至 40.4℃；電機(jī)至閥的溫度從 25.5℃上升至 39.2℃。在第 290s 之前，油冷器出水溫均大于電機(jī)至閥的溫度，由此可見在此之前動力系統(tǒng)在進(jìn)行加熱。圖 22 為常溫超級快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理。
圖 22 常溫超級快充充電初期動力系統(tǒng)熱管理
電芯單體最高溫度從 26.0℃上升至 42.0℃；電池包進(jìn)水溫度從 25.7℃上升至 38.5℃，和閥至電池包的溫度保持一致；電池包出水溫度從 25.5℃上升至
40.8℃，和電池包至閥溫度保持一致。圖 23為常溫超
級快充充電初期動力電池?zé)峁芾怼?/span>
圖 23 常溫超級快充充電初期動力電池?zé)峁芾?/span>
動力系統(tǒng)回路和動力電池回路串聯(lián)， 通過動力系統(tǒng)制熱加熱動力電池回路溫度。
充電中期，隨著電芯溫度逐漸升高，動力系統(tǒng)退出制熱，和動力電池回路切換至獨(dú)立冷卻模式。
根據(jù) 4 種充電測試方案， 得到基于電機(jī)堵轉(zhuǎn)的充電熱管理閥值如下：
加熱開啟閥值：單體電芯溫度在處于-11.5℃———26.0℃，實(shí)際溫度區(qū)間應(yīng)該更廣泛，此時電池包回路和動力系統(tǒng)回路串聯(lián)。
加熱停止閥值：
1）達(dá)到電機(jī)保護(hù)溫度：該溫度未測量，結(jié)果從反復(fù)切換串并聯(lián)模式， 逆變器溫度和油冷器溫度反復(fù)加熱、降溫可以得出；
2）達(dá)到電芯保護(hù)溫度：45.0℃-47.0℃，低溫充電時，加熱到電芯溫度 45.0℃仍未開啟電池包制冷，在超充時達(dá)到 45.0℃-47.0℃開啟制冷。
制冷開啟閥值：
1）達(dá)到電機(jī)保護(hù)溫度，切換獨(dú)立冷卻回路，電池包未開啟制冷；
2）達(dá)到電芯保護(hù)溫度：≥43.5℃，開啟電池包制冷，切換獨(dú)立冷卻回路；
3）同時達(dá)到動力系統(tǒng)保護(hù)溫度，此溫度不明確， 切換串聯(lián)回路，共同給電池包和動力系統(tǒng)冷卻。
制冷停止閥值：≤43.5℃，電池包制冷停止。
總結(jié)
1）省去了電池 PTC，通過電機(jī)堵轉(zhuǎn)和電機(jī)控制器共同制熱來加熱電池包， 需要更為精確的電機(jī)矢量控制技術(shù)，最大發(fā)熱功率 3.5kW，電機(jī)定子最高溫度可達(dá)到 95℃。
2）充電時，加熱停止閥值較制冷開始閥值更高，其原因是考慮了環(huán)境溫度。
3）尚未研究驅(qū)動狀態(tài)的熱管理策略，但行駛過程將充分利用電機(jī)的余熱來快速將動力電池加熱到最佳工作溫度，以達(dá)到節(jié)能的作用。
4）本次測試， 電機(jī)堵轉(zhuǎn)無扭矩輸出， 亦未對MCU 端電流進(jìn)行測量，無法實(shí)時獲得實(shí)際堵轉(zhuǎn)功率。
5）熱管理核心部件具有集成度高，體積小、質(zhì)量輕；降低了組裝成本，減少了裝配時間和勞動力；同時具備 OTA升級潛力等諸多優(yōu)勢。
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