插电混合动力汽车整车控制器热管理控制分析

作者 | 奇瑞汽车股份有限公司/陈志鹏等

本文从整车控制的热管理需求分析、控制方案设计硬件需求以及策略实现等方面，对插电混动整车控制单元的热管理控制进行分析。

1、插电混合动力热管理控制需求

如图1所示，插电混动汽车热管理系统开发的整车需求，包括5个主要单元需求，发动机和执行器冷却、变速器冷却、电力和驱动热管理、驾驶舱热管理以及电池热管理。电力驱动热管理包括车载充电机OBC（On Board Charger）、直流转换单元DC-DC（Direct  Current）、电机及其控制MCU（Motor Control  Unit）；驾驶舱热管理包括舱内制冷和采暖的要求；电池热管理包括电池加热和冷却需求。

2、热管理控制方案设计

基于热管理原理设计，结合各零部件的选型，确定控制系统的实现方案。

1）高温回路：发动机冷却与混动模式采暖，沿用传统车控制方式，包括机械水泵、节温器、散热器。

2）低温回路：将发动机增压器与中冷器冷却回路与电力电子回路交叉，采用一个电子水泵驱动，变流量阀控制流往增压中冷的流量。包括增压中冷、电机及控制器、车载充电机、直流转换单元、变流量水阀，低温回路的控制信号通过CAN通信交互。

3）驾驶舱热循环：空调系统由空调控制模块（CLM）控制，增加纯电运行下驾驶舱内采暖控制。CLM、电动压缩机（EAC）相关控制信号通过CAN与HCU进行交换。

4）电池冷却通过Chiller与空调冷却回路交换，电池采暖通过内置HVH进行加热。包括电子水泵、Chiller、内置HVH。电池内部温度与出水口温度由电池管理系统BMS通过CAN进行交互。

5）变速器油冷回路温度信号由变速器控制单元TCU通过CAN进行交互，变速器油泵由TCU控制。

6）执行器控制：①风扇由HCU控制，HCU兼顾发动机系统、空调系统与低温回路系统对风扇的需求；②低温水阀由HCU控制；③低温水泵由HCU控制；④电池内水泵、电池内HVH以及Chiller由HCU控制，HCU根据电池发出的热管理状态，控制3个执行器工作。插电混动热管理控制实现方案示意图如图2所示。

3、整车控制器硬件需求

根据设计方案与执行器信息，确定资源需求见表1和表2。

4、关键策略

4.1 风扇控制

1）PWM占空比计算策略

图3为风扇占空比计算示意图。

EMS_HCU_FanReq信号由发动机控制单元EMS根据车速、发动机水温、发动机进气温度计算得出。

HCU_FanReq信号由混动控制单元HCU根据车速、OBC温度、DC/DC温度、电机与控制器温度、空调压力综合计算得出。最终通过HCU进行综合计算。

2）风扇延时策略

风扇延时运行时间根据发动机进气温度、增压器温度、DC/DC温度、电机及控制器温度、空调压力综合计算得出。

4.2 低温水泵占空比计算策略

1）PWM占空比计算策略

图4为低温水泵占空比计算示意图。

EMS_HCU_PumpReq由发动机控制单元EMS根据发动机进气温度和水温计算得出。

HCU_PumpReq由混动控制单元HCU根据OBC温度、电机与控制器温度、DC/DC温度综合计算得出。最终通过HCU进行综合计算。

2）水泵延时策略

在车辆停机时，水泵需要延时关闭，延时时间根据低温回路各控制器温度与增压器温度计算得出。

4.3 低温水阀控制

水阀开度根据增压器温度计算得出。在整车模式从HEV和EV之间切换时，需要执行延时关闭策略，以保护执行器。在车辆停机时，需要根据增压器温度执行延时关闭策略。表3为风扇、低温水泵与低温水阀控制策略表。

4.4 电池水泵、HVH与Chiller控制

电池热管理回路的执行器控制，可通过空调控制模块控制、或者电池管理系统BMS控制。本车型由HCU根据BMS的热管理状态信号进行控制。电池水泵、HVH与Chiller控制策略详见表4。

4.5 PHEV整车控制器热管理控制模型设计（图5）

使用MATLAB-Simulink设计软件，对上述整车热管理控制算法进行控制模型的开发。建模后的模型如图5所示。

PHEV的整车热管理控制策略模型主要包含有风扇控制、低温水泵控制和电池控制3个子模块。各个子模块实现的功能如下。

1）风扇控制模块。通过增压器温度、电机控制器的实际温度、电机的实际温度、电子水泵的状态、DC/DC的温度和空调的压力来判定出空调、电机和发动机的散热转速需求以及风扇的开启状态。

2）低温水泵控制模块。根据增压器温度、实际车速、发动机的水温、发动机的进气温度和发动机的实际温度来判定出电机与发动机的散热转速需求以及水泵的开启状态。

3）水阀控制模块。根据增压器温度和汽车运行模式来确定水阀的开度与开启状态。

4）电池的加热和散热控制模块。根据电池内的温度、电池外的温度、节温器的状态判定电池内水泵，HVH和Chiller的开启或关闭。

5、系统验证

在完成PHEV控制策略软件其他子模型开发，集成测试之后，使用自主快速原型工具作为PHEV整车的控制器硬件并对整车控制的相关功能进行实车的测试和验证。

图6是使用ETAS公司的INCA软件工具分析在NEDC工况下PHEV整车热管理控制的电机工作数据。

图7是NEDC工况下PHEV整车热管理控制的电机和DC/DC运行时温度数据；图8是NEDC工况下PHEV整车热管理控制的风扇的转速和水泵PWM控制，以及水阀的开启状态数据。如图中所示车速是NEDC工况所要求的4个城市循环和1个城郊循环。从测试数据图可以看出，电机TMF为前驱电机，在加速使用过程中温度会上升，起始温度为27℃左右，使用中最高温度为54℃；电机TMR为后驱电机，起始温度为25℃，使用中最高温度为46℃；ISG电机为启动/发电机，起始温度为27℃，在发动机启动运行中最高温度为51℃；DC/DC初始温度为24℃，在加速使用过程中温度为36℃。在散热系统的工作下，上述零部件的温度均维持在合适的范围内。在整个NEDC的工况运行中，电子水泵在车速较低的城市循环转速维持在峰值转速的30%左右运行，在车速较高的城郊循环转速维持在峰值转速的45%左右运行；风扇在开始温度较低时转速为425r/min，在中间城市循环以1100r/min转速运行，最后在城郊高速循环下以2000r/min运行；电子水阀在车辆启动时由于风扇转速较低开始工作，之后停止工作，最后在高速散热需求较高时开始工作。通过上述的测试和数据分析，整车的热管理控制能够满足初始的控制需求，保证了各零部件工作温度保持在安全的范围之内，同时使散热风扇和电子水泵的转速维持在较低的范围可以实现节能与减噪。

6、结论

本文综合介绍了插电混动系统整车控制器热管理控制开发各阶段的开发内容，包括需求设计、方案设计、硬件需求分解、控制策略需求设计以及策略模型开发。控制系统在实车进行了测试验证，满足整车的运行要求。