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混合动力汽车动力电池冷却系统噪声控制策略研究

2020-07-05 16:56:25·  来源：汽车热管理之家  
　
【摘要】为解决混合动力汽车行驶过程中车内噪声问题，针对其镍氢动力电池冷却系统提出了一种新的控制策略。根据对电池冷却系统控制因素的分析，设计了冷却系统控
【摘要】为解决混合动力汽车行驶过程中车内噪声问题，针对其镍氢动力电池冷却系统提出了一种新的控制策略。根据对电池冷却系统控制因素的分析，设计了冷却系统控制策略。试验结果表明，该控制策略可以将车内噪声声压级降低1～3 dB（A），且能保证电池组工作在合适的温度区间。
 
1 前言
相对于传统燃油汽车，混合动力汽车搭载了动力电池系统与电机等部件，因而也增加了更多噪声源，所以协调整车运行时的噪声极其重要。
 
混合动力汽车所搭载的镍氢动力电池的冷却系统普遍采用风冷方式且布置在车厢内部，因此需要严格控制其冷却系统噪声以提高乘坐舒适性。目前，降低冷却系统噪声的主要措施是调整硬件结构和采取相应的控制策略。但随着结构设计的成熟，以及增加吸声材料、加强密封、安装弹性支承、优化风道等措施的使用，对电池系统结构进行优化的降噪效果难以进一步提升；而目前的控制策略在设计时只关注动力电池温度而忽视系统噪声因素的影响，因此在噪声控制方面存在较大的优化空间。为此，本文在原有控制策略基础上进行了优化设计，在保证冷却系统散热能力的基础上严格控制其噪声，实现了正常工况下车内噪声的降低。
 
2 冷却系统噪声控制因素分析
2.1 温度因素
镍氢电池的最佳工作温度范围为20～40℃，每升高10℃化学反应速率加倍，同时会导致电池寿命减半[6，7]。由于受行驶工况与环境因素的影响，混合动力汽车工作温度范围可达-30～60℃，为保证镍氢动力电池组的使用寿命，其最高温度必须控制在50℃以下。温度偏高或偏低时，可根据噪声限值控制风机转速以调节电芯的工作温度。但当温度超过镍氢电池安全范围时，应以温度控制为主，同时调整动力电池充放电功率以控制电池发热量。
2.2 噪声因素
车内噪声主要来源于进排气系统、发动机、行驶状态控制件、空调系统以及动力电池冷却系统等[4，5]，各噪声源涉及变量较多，且计算过程繁琐，所以将除冷却风机以外的所有噪声因素归为车内环境噪声。标准GB/ T18697—2002声学汽车车内噪声测量方法中规定，以车速代表被测汽车车内噪声的运行条件，因此可将车速作为衡量车内环境噪声的依据。
该动力电池冷却系统选用无级调速的低压风机，与分级调速相比具有节能高效、控制精确、便于集成等优点，其声功率计算式为[3]：
 
式中，LW为声功率；P为风机功率；Q为风量；p为风压；k为电机容量系数，取1.5；η为风机全压效率。
由式（1）和式（2）可知，降低风机噪声的关键在于限制其输出功率，而风机功率的控制主要依靠风量的调节，即冷却风机转速的调节，但在控制风机转速的同时还应满足动力电池系统的散热需求。
3 冷却系统噪声控制策略设计与验证
根据影响因素设计的冷却系统噪声控制策略如图1所示，该控制策略是通过噪声限制、温度匹配及功率限制等3方面来实现降低车内噪声与控制电池温度。
 
图1 冷却系统噪声控制策略
3.1 功率限制
功率限制是指限制电池发热的同时防止其在高温等极端情况下仍高负荷工作，以保证电池的使用寿命与安全。动力电池工作功率的控制是通过动力电池系统发送信号给混合动力控制单元HCU（Hybrid Control Unit），HCU通过调节驱动电机扭矩控制其工作电流来实现。为保障整车动力性需求，此处功率限制取的是10 s内动力电池平均功率，即允许短时超功率运行，但总功率平均值须低于该限值。
功率限制主要功能[8]为：限制电池组工作功率以减少发热，辅助控制电池温度；根据电池当前状态限制充放电功率，以延长其使用寿命；保证整车在百公里加速、上陡坡、坡道起动等工况下瞬时高功率的需求；发生故障时保障电池安全。其控制策略为：根据温度与SOC值查表确定当前功率限值（见图2和图3），再由故障类别、历史功率、健康状态SOH（State of Health）等因素对该限值进行处理并作为最终功率限值输出。其中故障类别包括动力电池电压、电流、温度、SOC、电池箱体部件（含继电器、传感器、冷却风机等）、系统安全与通信以及监控层。在此仅讨论与温度相关的故障判定，其定义与处理措施如表1所示。
 
图2 输出功率限值
 
图3 输入功率限值
表1 故障等级定义
 
3.2 温度匹配
温度匹配是指在保障电池得到足够散热量的同时尽量降低风机转速，是通过各布点传感器所采集到的温度确定电池散热需求，并由此决定风机的转速输出。具体控制逻辑如表2所示。由表2可知，当最低温度低于0℃时，风机以最低转速运行，利用驾驶舱内相对温度较高的空气提高动力电池组温度；最低温度在0～3℃时为暖机模式回差区间，即根据风机工作状态判断其是否处于暖机模式，若风机处于开启状态则最低温度升至3℃时才可关闭，用于防止温度抖动导致风机频繁启停；最高温度在34～36℃时为冷却模式回差区间，即根据风机状态判断其是否处于冷却模式，若风机处于开启状态则最高温度降至34℃时才可关闭；当最高温度在36～50℃时，除对风机输出转速进行线性插值外，还需要根据各传感器间的温差确定风机的散热模式，协调电池组各模块间的均衡性。
表2 温度控制逻辑
 
3.3 噪声限制
噪声限制是指根据车速、车内环境噪声、风机噪声与风机转速之间的关系，在电池温度处于安全范围的情况下限制风机转速极值。
车内环境声压级与风机声压级叠加计算式见式（3），由此可以得出两声源间声压级差与总声压级增值ΔLp之间的关系如图4所示。
 
 
式中，Lp为总声压级；Lpf为风机声压级；Lpe为车内环境声压级。
 
图4 两噪声声源叠加曲线
由图4可看出，当风机声压级低于车内环境噪声6 dB（A）以上时，总声压增值的降低趋势逐渐放缓，因此，为实现降低车内噪声的同时兼顾散热能力，通过控制风机转速使其噪声声压级低于车内环境噪声6～9 dB（A）较为合理。
为将风机噪声与车内环境噪声的声压级差值转换为风机转速与车速间的关系，必须分别测试风机和车速单一因素影响下驾驶舱内的噪声。噪声测试使用LMS公司的LMS Test.LAB软件及LMS SCADAS Mobile前端数据采集设备，将声学麦克风安装在车后排中间位置，关闭车窗及空调等一切辅助装置，以10 s为一个测量周期对车内声压信号进行采集，极差小于2 dB（A）方为有效测量周期，选取3个有效周期的平均值作为最终数据记录。进行车速与车内环境噪声关系测试时，关闭冷却风机并控制整车在国道上匀速行驶，其中车速在0～30 km/h时整车运行分为纯电动（Electric Vehicle，EV）与混合动力（Hybrid-Electric Vehicle，HEV）两种模式，车内噪声与车速关系如图5所示，根据试验结果以及车内环境声压级与风机声压级差值要求可以确定不同车速下风机噪声限值。风机转速与车内噪声关系测试在整车静止时进行，试验结果如图6所示，由此可将风机的噪声限值转变为转速限值，从而可知车速对风机转速的限值（见图7），并建立车速与风机转速的线性插值表。
 
图5 风机关闭时车内噪声与车速关系曲线
 
图6 风机转速与车内噪声关系曲线
 
图7 风机转速限值
噪声限制是在温度匹配的基础上对风机转速进行限制，其控制方法如下：根据当前车速查阅车速与风机转速的线性插值表，限制风机转速不超过当前车速下的查表值。同时，为防止低速行驶时电池温度过高影响其使用寿命，当电池组最高温度在46～50℃时逐渐削弱噪声影响因子，该阶段输出转速按式（4）计算。而当电池组最高温度超过50℃时，风机以最高转速运行，不考虑噪声因素。
 
式中，n为输出转速；ntemp为最高温度线性插值所得转速；nv为根据车速查表所得转速极值；T为电池组最高温度。
3.4 试验验证
为验证该控制策略是否符合设计要求进行了测试试验，试验分为两个部分：一是进行噪声测试，对比冷却系统控制策略优化前、后车内噪声；二是进行温度测试，观察风机转速受限后能否满足动力电池系统散热需求。
噪声测试时环境温度约为34℃，先关闭冷却风机并驾驶试验车急加减速，当电池温度上升至36℃以上时开始测试，试验路段依然选择国道，试验时关闭车窗及空调等一切辅助装置，控制车辆匀速行驶并记录后排中间位置噪声声压。冷却系统控制策略优化前、后车内噪声对比结果如图8所示，由图8可看出，控制策略优化后噪声降低了1～3 dB（A），效果显著。
 
图8 优化前、后车内噪声对比结果
温度测试在北京交通部公路交通试验场进行，CAN信号采集设备包括笔记本电脑、OBD车载设备、德国Vector公司的CANalyzer软件及配套CAN总线工具。
为测试冷却系统散热能力，需尽量模拟动力电池高强度使用且冷却环境较差的情况，所以试验时关闭空调并打开车窗，控制试验车采用频繁急加减速，车速信息如图9所示，此时动力电池电流如图10所示，充电为正放电为负。电池在高强度充、放电过程中产生大量热能，以此检测冷却系统对动力电池温度的控制能力。试验过程中，电池内部各采样点温度如图11所示，由于车辆处于长时间暴晒状态，电池系统内部各采样点温度初始值均在45℃以上，为此打开车窗以保证进风口温度与环境温度基本一致，约为36℃左右。由图11可知，试验过程中电池模组间最高采样温度保持在50℃以下，且各采样点间最大温差低于5℃，符合混合动力汽车镍氢电池温度控制范围，表明该控制策略能满足动力电池系统散热需求。
 
图9 试验车速
 
图10 动力电池电流
 
图11 各采样点温度
4 结束语
对某款混合动力汽车的冷却系统控制策略进行了优化，在根据温度因素控制冷却风机和动力电池工作功率的基础上，通过车内环境噪声与风机噪声间的叠加关系，在合理工作温度范围内限制冷却风机转速。试验结果表明，优化后的控制策略一方面降低了车内噪声声压级1～3 dB（A），另一方面依然能满足动力电池在高强度工况下的散热需求。该控制策略效果显著可操作性强，可为使用风冷式冷却系统的混合动力汽车的研发提供参考。
作者：程子洋1,3喜冠南1朱建新2,3储爱华3
单位：
1.南通大学
2.上海交通大学汽车电子技术研究所
3.科力远混合动力技术有限公司
 
 
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