作者 | 奇瑞汽車股份有限公司/陳志鵬等

本文從整車控制的熱管理需求分析、控制方案設計硬件需求以及策略實現(xiàn)等方面，對插電混動整車控制單元的熱管理控制進行分析。

1、插電混合動力熱管理控制需求

如圖1所示，插電混動汽車熱管理系統(tǒng)開發(fā)的整車需求，包括5個主要單元需求，發(fā)動機和執(zhí)行器冷卻、變速器冷卻、電力和驅(qū)動熱管理、駕駛艙熱管理以及電池熱管理。電力驅(qū)動熱管理包括車載充電機OBC（On Board Charger）、直流轉換單元DC-DC（Direct  Current）、電機及其控制MCU（Motor Control  Unit）；駕駛艙熱管理包括艙內(nèi)制冷和采暖的要求；電池熱管理包括電池加熱和冷卻需求。

2、熱管理控制方案設計

基于熱管理原理設計，結合各零部件的選型，確定控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

1）高溫回路：發(fā)動機冷卻與混動模式采暖，沿用傳統(tǒng)車控制方式，包括機械水泵、節(jié)溫器、散熱器。

2）低溫回路：將發(fā)動機增壓器與中冷器冷卻回路與電力電子回路交叉，采用一個電子水泵驅(qū)動，變流量閥控制流往增壓中冷的流量。包括增壓中冷、電機及控制器、車載充電機、直流轉換單元、變流量水閥，低溫回路的控制信號通過CAN通信交互。

3）駕駛艙熱循環(huán)：空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)控制模塊（CLM）控制，增加純電運行下駕駛艙內(nèi)采暖控制。CLM、電動壓縮機（EAC）相關控制信號通過CAN與HCU進行交換。

4）電池冷卻通過Chiller與空調(diào)冷卻回路交換，電池采暖通過內(nèi)置HVH進行加熱。包括電子水泵、Chiller、內(nèi)置HVH。電池內(nèi)部溫度與出水口溫度由電池管理系統(tǒng)BMS通過CAN進行交互。

5）變速器油冷回路溫度信號由變速器控制單元TCU通過CAN進行交互，變速器油泵由TCU控制。

6）執(zhí)行器控制：①風扇由HCU控制，HCU兼顧發(fā)動機系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)與低溫回路系統(tǒng)對風扇的需求；②低溫水閥由HCU控制；③低溫水泵由HCU控制；④電池內(nèi)水泵、電池內(nèi)HVH以及Chiller由HCU控制，HCU根據(jù)電池發(fā)出的熱管理狀態(tài)，控制3個執(zhí)行器工作。插電混動熱管理控制實現(xiàn)方案示意圖如圖2所示。

3、整車控制器硬件需求

根據(jù)設計方案與執(zhí)行器信息，確定資源需求見表1和表2。

4、關鍵策略

4.1 風扇控制

1）PWM占空比計算策略

圖3為風扇占空比計算示意圖。

EMS_HCU_FanReq信號由發(fā)動機控制單元EMS根據(jù)車速、發(fā)動機水溫、發(fā)動機進氣溫度計算得出。

HCU_FanReq信號由混動控制單元HCU根據(jù)車速、OBC溫度、DC/DC溫度、電機與控制器溫度、空調(diào)壓力綜合計算得出。最終通過HCU進行綜合計算。

2）風扇延時策略

風扇延時運行時間根據(jù)發(fā)動機進氣溫度、增壓器溫度、DC/DC溫度、電機及控制器溫度、空調(diào)壓力綜合計算得出。

4.2 低溫水泵占空比計算策略

1）PWM占空比計算策略

圖4為低溫水泵占空比計算示意圖。

EMS_HCU_PumpReq由發(fā)動機控制單元EMS根據(jù)發(fā)動機進氣溫度和水溫計算得出。

HCU_PumpReq由混動控制單元HCU根據(jù)OBC溫度、電機與控制器溫度、DC/DC溫度綜合計算得出。最終通過HCU進行綜合計算。

2）水泵延時策略

在車輛停機時，水泵需要延時關閉，延時時間根據(jù)低溫回路各控制器溫度與增壓器溫度計算得出。

4.3 低溫水閥控制

水閥開度根據(jù)增壓器溫度計算得出。在整車模式從HEV和EV之間切換時，需要執(zhí)行延時關閉策略，以保護執(zhí)行器。在車輛停機時，需要根據(jù)增壓器溫度執(zhí)行延時關閉策略。表3為風扇、低溫水泵與低溫水閥控制策略表。

4.4 電池水泵、HVH與Chiller控制

電池熱管理回路的執(zhí)行器控制，可通過空調(diào)控制模塊控制、或者電池管理系統(tǒng)BMS控制。本車型由HCU根據(jù)BMS的熱管理狀態(tài)信號進行控制。電池水泵、HVH與Chiller控制策略詳見表4。

4.5 PHEV整車控制器熱管理控制模型設計（圖5）

使用MATLAB-Simulink設計軟件，對上述整車熱管理控制算法進行控制模型的開發(fā)。建模后的模型如圖5所示。

PHEV的整車熱管理控制策略模型主要包含有風扇控制、低溫水泵控制和電池控制3個子模塊。各個子模塊實現(xiàn)的功能如下。

1）風扇控制模塊。通過增壓器溫度、電機控制器的實際溫度、電機的實際溫度、電子水泵的狀態(tài)、DC/DC的溫度和空調(diào)的壓力來判定出空調(diào)、電機和發(fā)動機的散熱轉速需求以及風扇的開啟狀態(tài)。

2）低溫水泵控制模塊。根據(jù)增壓器溫度、實際車速、發(fā)動機的水溫、發(fā)動機的進氣溫度和發(fā)動機的實際溫度來判定出電機與發(fā)動機的散熱轉速需求以及水泵的開啟狀態(tài)。

3）水閥控制模塊。根據(jù)增壓器溫度和汽車運行模式來確定水閥的開度與開啟狀態(tài)。

4）電池的加熱和散熱控制模塊。根據(jù)電池內(nèi)的溫度、電池外的溫度、節(jié)溫器的狀態(tài)判定電池內(nèi)水泵，HVH和Chiller的開啟或關閉。

5、系統(tǒng)驗證

在完成PHEV控制策略軟件其他子模型開發(fā)，集成測試之后，使用自主快速原型工具作為PHEV整車的控制器硬件并對整車控制的相關功能進行實車的測試和驗證。

圖6是使用ETAS公司的INCA軟件工具分析在NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的電機工作數(shù)據(jù)。

圖7是NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的電機和DC/DC運行時溫度數(shù)據(jù)；圖8是NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的風扇的轉速和水泵PWM控制，以及水閥的開啟狀態(tài)數(shù)據(jù)。如圖中所示車速是NEDC工況所要求的4個城市循環(huán)和1個城郊循環(huán)。從測試數(shù)據(jù)圖可以看出，電機TMF為前驅(qū)電機，在加速使用過程中溫度會上升，起始溫度為27℃左右，使用中最高溫度為54℃；電機TMR為后驅(qū)電機，起始溫度為25℃，使用中最高溫度為46℃；ISG電機為啟動/發(fā)電機，起始溫度為27℃，在發(fā)動機啟動運行中最高溫度為51℃；DC/DC初始溫度為24℃，在加速使用過程中溫度為36℃。在散熱系統(tǒng)的工作下，上述零部件的溫度均維持在合適的范圍內(nèi)。在整個NEDC的工況運行中，電子水泵在車速較低的城市循環(huán)轉速維持在峰值轉速的30%左右運行，在車速較高的城郊循環(huán)轉速維持在峰值轉速的45%左右運行；風扇在開始溫度較低時轉速為425r/min，在中間城市循環(huán)以1100r/min轉速運行，最后在城郊高速循環(huán)下以2000r/min運行；電子水閥在車輛啟動時由于風扇轉速較低開始工作，之后停止工作，最后在高速散熱需求較高時開始工作。通過上述的測試和數(shù)據(jù)分析，整車的熱管理控制能夠滿足初始的控制需求，保證了各零部件工作溫度保持在安全的范圍之內(nèi)，同時使散熱風扇和電子水泵的轉速維持在較低的范圍可以實現(xiàn)節(jié)能與減噪。

6、結論

本文綜合介紹了插電混動系統(tǒng)整車控制器熱管理控制開發(fā)各階段的開發(fā)內(nèi)容，包括需求設計、方案設計、硬件需求分解、控制策略需求設計以及策略模型開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)在實車進行了測試驗證，滿足整車的運行要求。