一种乘用车热管理控制阀控制系统

文章从软硬件部分简述了乘用车热管理控制阀控制系统的整体架构，重点介绍了热管理控制阀的特性结构以及控制程序中的主要功能模块；通过分析整车实验数据更直观的体现出热管理控制阀控制系统可以有效的控制水温和快速暖机的能力，根据发动机最佳工作温度范围的特性，说明此套系统可以让乘用车起到节能减排的作用；此外智能化是热管理系统的关键技术和发展趋势。

作者：王静中、宋宏利、张俊生、韩橙

上海飞龙新能源汽车部件有限公司

01背景和意义

随着汽车这种交通工具的日益普及，它所涉及的能源及环境问题也越来越被大家所重视，如何节能减排是一个永远围绕着它的实际问题。所以要让汽车发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围，只有在最佳温度下工作，发动机才能最省油，原油才可以发挥出最高的效益，这样就降低了能耗，提高了效率，达到了节能减排的目的。

目前有些汽车的发动机通过节温器来控制冷却液的大小循环。但是节温器的开关方式很单一，开关间隙是根据节温器感温体内石蜡的融化程度所决定的，所以不能精确控制开关间隙。这样冷却液的流量分配就不能人为可控，水温控制不精确。并且控制条件就只有冷却液温度这一个变量，控制策略简单不全面。而乘用车热管理控制阀控制系统可以让热管理控制阀根据发动机冷却液温度、发动机进气温度、发动机转速、发动机负荷、扭矩、车速、控制阀当前角度等这些实时变量，精确的控制球阀的转动角度来进行大小循环分配冷却液流量，使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围。一套优秀的发动机热管理系统可以使发动机在工作循环时保持在最佳温度，让发动机在最佳温度下工作才最省油、最稳定、最能发挥其效能。

02发动机热管理系统简述

发动机热管理系统，该系统围绕着发动机展开，工作重点是保证发动机正常有效运转，同时尽量减小该系统运行所消耗的功率，达到发动机热效率最大化。主要工作对象有冷却系统、润滑系统、进排气系统。发动机热管理系统是将发动机中所有涉及到传热的系统当作一个大的综合系统进行考虑，以期望能得到发动机各个热流系统的精确边界参数。恰当的热管理系统可以改善发动机的运行环境，提高发动机的使用寿命，降低发动机的燃油消耗，改善发动机排放。冷却系统：冷却系统与上述的每个系统几乎都有关系，它是整个热管理系统的核心部分。冷却液从发动机中吸热量过大将会造成发动机有效功率降低，从而增大单位功率的燃油消耗率。另外冷却液从发动机中吸热量过大会造成燃烧室的壁面温度过低，这对发动机的燃烧也是极为不利的，对汽油机来说燃烧室壁温太低不利于着火，会造成排放中CO和CH 含量增高，对柴油机来说则会引起工作粗暴。冷却液从发动机中吸热量过小也同样存在问题。因为发动机燃烧室的金属材料都有一个温度的承受范围，特别是对于运动副来说，过高的温度会降低金属的强度，从而导致运动副拉伤甚至损坏。冷却液在冷却系统中的温差也不宜过大，以免在冷却液温度偏高时冷却腔的某些部位发生过度沸腾甚至膜态沸腾，从而造成发动机散热率降低而引发过热。因此根据发动机的运行情况适当的调节冷却液的温度是很有必要的，在发动机中水泵的转速和发动机的转速成正比关系难以改变。水温的调节主要是通过热管理控制阀和散热器及风扇来调节的。热管理控制阀通过程序智能的调节球阀转动角度实现精确的大小循环分水量，散热器主要是通过控制流过散热器的空气流速来决定散热器的散热量，空气流速的调节是通过散热器风扇来实现的。

03乘用车热管理控制阀控制系统介绍

乘用车热管理控制阀控制系统是一种基于整车发动机平台的试验用控制系统，根据不同的热管理系统需求和整车节能减排目标，此套系统可以进行整车耐久试验和整车油耗排放试验；还可以验证和优化热管理控制策略。热管理控制阀控制系统是在实际乘用车的系统上稍加改进，主要是替换加入热管理控制阀这个功能部件，并且最终可以对热管理控制阀进行标定控制以及实时获取和应用整个系统各项数据的功能。热管理控制阀控制系统结构组成如下，硬件部分主要包括：热管理控制器、热管理控制阀、风扇控制器、风扇、散热器、温度采集模块、温度传感器、OBD 接口、PC、整车发动机平台；软件部分主要包括：标定控制程序、上位机软件。结构框图如图1 所示，图2 为热管理控制阀实际安装位置。

热管理控制阀产品介绍

本项目试验用热管理控制阀的结构组成如图3 所示。主要由电子执行器和阀这两个关键部件组成；图4 为热管理控制阀实物图。

标定控制程序原理介绍

程序原理结构

程序原理结构如图5 所示，它包含了6 个子功能模块，分别是三通阀角度采集模块、发动机进出口冷却液温度采集模块、三通阀目标角度控制模块、三通阀电机控制模块、发动机信息采集模块、目标水温控制模块。

主要子功能模块介绍

图1 热管理控制阀控制系统结构框图

图2 热管理控制阀安装位置

图3 热管理控制阀外形结构组成

图4 热管理控制阀实物

三通阀角度采集模块

图5 程序原理结构框图

图6 三通阀角度采集模块内部结构

图7 三通阀目标角度控制模块内部结构

此功能模块的作用是实时读取热管理控制阀的当前角度。角度通过SENT 协议发出后转换成CAN 协议进行解析读取。模块内部结构如图6 所示。

三通阀目标角度控制模块

此功能模块的作用是按照热管理控制策略，将汇集到的数据进行分析、计算、查表、PID 控制，最后得到所需要的目标角度值。模块内部结构如图7 所示。

三通阀电机控制模块

此功能模块的作用是将三通阀当前实际角度值和计算得出的目标角度值进行分析PID 计算，然后对电子执行器内的电机作PWM 控制，使电机带动球阀转动到目标角度。模块内部结构如图8 所示。

04乘用车热管理控制阀控制系统工作原理及优点

系统工作原理

此套系统中热管理控制器为控制核心，由它管理和控制系统中其他部件的状态，而控制器的控制逻辑则是根据控制策略所写的程序所决定。控制器直接连接热管理控制阀，通过CAN 线连接风扇控制器、温度采集模块和OBD接口，它自身还可以通过CAN 线和PC 连接通讯，进行读取信息和标定的工作。控制器通过CAN 线接收OBD 接口采到的发动机信息和控制阀的当前角度，通过比较目标水温和发动机冷却液温度进行PID 控制，其中还有根据车速、进气温度、发动机转速、发动机负荷等变量以及控制风扇运行程序所组成的逻辑运算，最终得到一个可以控制水温的精确的控制阀目标角度；然后比较控制阀当前角度和目标角度的差值PID 控制执行器电机的转动使阀角度转到目标角度，最终使冷却液温度稳定在目标温度附近。

控制系统优点

相比于传统节温器，热管理控制阀控制系统在控制水温方面更精确、更灵活、更智能，可以根据每台发动机的差异性来制定目标温度控制水温。

图8 三通阀电机控制模块内部结构

05热管理控制阀控制系统整车实验分析

试验背景意义

目前乘用车热管理技术的研究手段主要是试验研究，因为其真实可靠。试验平台是进行研究和开发的基础设施，充分利用好试验平台的优势可以找出或验证各种热管理对象的热负荷特性、热管理系统的流动与传热特性以及外部环境与车辆热量传递的规律。热管理控制阀控制系统依托整车发动机平台，可以研究热管理系统中各部件的工作特性，进行发动机各种工况下的热性能试验研究。此次实验中将整车发动机侧的节温器替换为热管理控制阀并结合控制系统验证其可靠性和耐久性，以及通过分析系统采集到的各项数据比较热管理控制阀和节温器在冷却系统中的性能差异。热管理控制阀控制系统通过整车发动机平台还可以验证和优化控制策略，从而方便制定不同的热管理系统控制策略。

热管理控制阀水温控制曲线

图9 为在城市工况下的水温控制曲线，可以看到冷却液温度控制在目标水温附近。整个控制过程包含了40km/h、60km/h、80km/h 三种不同的车速情况。

热管理控制阀温升曲线

图10 为使用了热管理控制阀控制系统后的温升曲线，从66℃水温到105℃目标温度只用了327 秒，暖机时间要优于使用传统节温器的时间。

图9 热管理控制阀水温控制曲线

图10 热管理控制阀温升曲线

06发展趋势

随着计算机技术及发动机电控技术的发展。采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行，提供最佳的冷却介质流量，实现热管理系统控制智能化，降低了能耗，提高了效率。智能化热管理系统研发的关键技术是热管理系统与发动机运行的匹配技术以及系统优化控制策略的选择问题。系统仿真分析表明，热管理系统效率很大程度上依赖于系统优化控制策略，控制对象包括水泵转速、电控节温器（热管理控制阀）阀门开度以及冷却风扇转速等。可以根据汽车发动机实际工作和试验情况，依据系统优化原则来制定智能化电控热管理系统控制策略。使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围，缩短暖机和驾驶舱升温时间。提高发动机后冷却和驾驶室加热能力。

07结论

结合整车实验数据，我们能够直观的感受到热管理控制阀控制系统可以灵活有效的控制冷却液温度使其稳定在目标温度附近，让发动机在最佳温度范围内工作，并且还可以快速暖机。综上所述热管理控制阀控制系统是可以让乘用车起到节能减排的效果的。此外，智能化是热管理技术的关键和发展趋势。