程子洋喜冠南朱建新儲(chǔ)愛華

（1.南通大學(xué)，南通 226019；2.上海交通大學(xué) 汽車電子技術(shù)研究所，上海 200240；3.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201540）

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略研究＊

程子洋1,3喜冠南1朱建新2,3儲(chǔ)愛華3

（1.南通大學(xué)，南通 226019；2.上海交通大學(xué) 汽車電子技術(shù)研究所，上海 200240；3.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201540）

為解決混合動(dòng)力汽車行駛過程中車內(nèi)噪聲問題，針對(duì)其鎳氫動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)提出了一種新的控制策略。根據(jù)對(duì)電池冷卻系統(tǒng)控制因素的分析，設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)控制策略。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略可以將車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)降低1～3 dB（A），且能保證電池組工作在合適的溫度區(qū)間。

1 前言

相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車，混合動(dòng)力汽車搭載了動(dòng)力電池系統(tǒng)與電機(jī)等部件，因而也增加了更多噪聲源，所以協(xié)調(diào)整車運(yùn)行時(shí)的噪聲極其重要。

混合動(dòng)力汽車所搭載的鎳氫動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)普遍采用風(fēng)冷方式且布置在車廂內(nèi)部，因此需要嚴(yán)格控制其冷卻系統(tǒng)噪聲以提高乘坐舒適性。目前，降低冷卻系統(tǒng)噪聲的主要措施是調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)和采取相應(yīng)的控制策略。但隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟，以及增加吸聲材料、加強(qiáng)密封、安裝彈性支承、優(yōu)化風(fēng)道等措施的使用，對(duì)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的降噪效果難以進(jìn)一步提升；而目前的控制策略在設(shè)計(jì)時(shí)只關(guān)注動(dòng)力電池溫度而忽視系統(tǒng)噪聲因素的影響，因此在噪聲控制方面存在較大的優(yōu)化空間。為此，本文在原有控制策略基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證冷卻系統(tǒng)散熱能力的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制其噪聲，實(shí)現(xiàn)了正常工況下車內(nèi)噪聲的降低。

2 冷卻系統(tǒng)噪聲控制因素分析

2.1 溫度因素

鎳氫電池的最佳工作溫度范圍為20～40℃，每升高10℃化學(xué)反應(yīng)速率加倍，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池壽命減半[6，7]。由于受行駛工況與環(huán)境因素的影響，混合動(dòng)力汽車工作溫度范圍可達(dá)-30～60℃，為保證鎳氫動(dòng)力電池組的使用壽命，其最高溫度必須控制在50℃以下。溫度偏高或偏低時(shí)，可根據(jù)噪聲限值控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)電芯的工作溫度。但當(dāng)溫度超過鎳氫電池安全范圍時(shí)，應(yīng)以溫度控制為主，同時(shí)調(diào)整動(dòng)力電池充放電功率以控制電池發(fā)熱量。

2.2 噪聲因素

車內(nèi)噪聲主要來源于進(jìn)排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、行駛狀態(tài)控制件、空調(diào)系統(tǒng)以及動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)等[4，5]，各噪聲源涉及變量較多，且計(jì)算過程繁瑣，所以將除冷卻風(fēng)機(jī)以外的所有噪聲因素歸為車內(nèi)環(huán)境噪聲。標(biāo)準(zhǔn)GB/ T18697—2002聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法中規(guī)定，以車速代表被測(cè)汽車車內(nèi)噪聲的運(yùn)行條件，因此可將車速作為衡量車內(nèi)環(huán)境噪聲的依據(jù)。

該動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)選用無級(jí)調(diào)速的低壓風(fēng)機(jī)，與分級(jí)調(diào)速相比具有節(jié)能高效、控制精確、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，其聲功率計(jì)算式為[3]：

式中，LW為聲功率；P為風(fēng)機(jī)功率；Q為風(fēng)量；p為風(fēng)壓；k為電機(jī)容量系數(shù)，取1.5；η為風(fēng)機(jī)全壓效率。

由式（1）和式（2）可知，降低風(fēng)機(jī)噪聲的關(guān)鍵在于限制其輸出功率，而風(fēng)機(jī)功率的控制主要依靠風(fēng)量的調(diào)節(jié)，即冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，但在控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)還應(yīng)滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)的散熱需求。

3 冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

根據(jù)影響因素設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略如圖1所示，該控制策略是通過噪聲限制、溫度匹配及功率限制等3方面來實(shí)現(xiàn)降低車內(nèi)噪聲與控制電池溫度。

圖1 冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略

3.1 功率限制

功率限制是指限制電池發(fā)熱的同時(shí)防止其在高溫等極端情況下仍高負(fù)荷工作，以保證電池的使用壽命與安全。動(dòng)力電池工作功率的控制是通過動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)給混合動(dòng)力控制單元HCU（Hybrid Control Unit），HCU通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩控制其工作電流來實(shí)現(xiàn)。為保障整車動(dòng)力性需求，此處功率限制取的是10 s內(nèi)動(dòng)力電池平均功率，即允許短時(shí)超功率運(yùn)行，但總功率平均值須低于該限值。

功率限制主要功能[8]為：限制電池組工作功率以減少發(fā)熱，輔助控制電池溫度；根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)限制充放電功率，以延長其使用壽命；保證整車在百公里加速、上陡坡、坡道起動(dòng)等工況下瞬時(shí)高功率的需求；發(fā)生故障時(shí)保障電池安全。其控制策略為：根據(jù)溫度與SOC值查表確定當(dāng)前功率限值（見圖2和圖3），再由故障類別、歷史功率、健康狀態(tài)SOH（State of Health）等因素對(duì)該限值進(jìn)行處理并作為最終功率限值輸出。其中故障類別包括動(dòng)力電池電壓、電流、溫度、SOC、電池箱體部件（含繼電器、傳感器、冷卻風(fēng)機(jī)等）、系統(tǒng)安全與通信以及監(jiān)控層。在此僅討論與溫度相關(guān)的故障判定，其定義與處理措施如表1所示。

圖2 輸出功率限值

圖3 輸入功率限值

表1 故障等級(jí)定義

3.2 溫度匹配

溫度匹配是指在保障電池得到足夠散熱量的同時(shí)盡量降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是通過各布點(diǎn)傳感器所采集到的溫度確定電池散熱需求，并由此決定風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出。具體控制邏輯如表2所示。由表2可知，當(dāng)最低溫度低于0℃時(shí)，風(fēng)機(jī)以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，利用駕駛艙內(nèi)相對(duì)溫度較高的空氣提高動(dòng)力電池組溫度；最低溫度在0～3℃時(shí)為暖機(jī)模式回差區(qū)間，即根據(jù)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)判斷其是否處于暖機(jī)模式，若風(fēng)機(jī)處于開啟狀態(tài)則最低溫度升至3℃時(shí)才可關(guān)閉，用于防止溫度抖動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁啟停；最高溫度在34～36℃時(shí)為冷卻模式回差區(qū)間，即根據(jù)風(fēng)機(jī)狀態(tài)判斷其是否處于冷卻模式，若風(fēng)機(jī)處于開啟狀態(tài)則最高溫度降至34℃時(shí)才可關(guān)閉；當(dāng)最高溫度在36～50℃時(shí)，除對(duì)風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行線性插值外，還需要根據(jù)各傳感器間的溫差確定風(fēng)機(jī)的散熱模式，協(xié)調(diào)電池組各模塊間的均衡性。

表2 溫度控制邏輯

3.3 噪聲限制

噪聲限制是指根據(jù)車速、車內(nèi)環(huán)境噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，在電池溫度處于安全范圍的情況下限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速極值。

車內(nèi)環(huán)境聲壓級(jí)與風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)疊加計(jì)算式見式（3），由此可以得出兩聲源間聲壓級(jí)差與總聲壓級(jí)增值ΔLp之間的關(guān)系如圖4所示。

式中，Lp為總聲壓級(jí)；Lpf為風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)；Lpe為車內(nèi)環(huán)境聲壓級(jí)。

圖4 兩噪聲聲源疊加曲線

由圖4可看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)低于車內(nèi)環(huán)境噪聲6 dB（A）以上時(shí)，總聲壓增值的降低趨勢(shì)逐漸放緩，因此，為實(shí)現(xiàn)降低車內(nèi)噪聲的同時(shí)兼顧散熱能力，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使其噪聲聲壓級(jí)低于車內(nèi)環(huán)境噪聲6～9 dB（A）較為合理。

為將風(fēng)機(jī)噪聲與車內(nèi)環(huán)境噪聲的聲壓級(jí)差值轉(zhuǎn)換為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速間的關(guān)系，必須分別測(cè)試風(fēng)機(jī)和車速單一因素影響下駕駛艙內(nèi)的噪聲。噪聲測(cè)試使用LMS公司的LMS Test.LAB軟件及LMS SCADAS Mobile前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將聲學(xué)麥克風(fēng)安裝在車后排中間位置，關(guān)閉車窗及空調(diào)等一切輔助裝置，以10 s為一個(gè)測(cè)量周期對(duì)車內(nèi)聲壓信號(hào)進(jìn)行采集，極差小于2 dB（A）方為有效測(cè)量周期，選取3個(gè)有效周期的平均值作為最終數(shù)據(jù)記錄。進(jìn)行車速與車內(nèi)環(huán)境噪聲關(guān)系測(cè)試時(shí)，關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)并控制整車在國道上勻速行駛，其中車速在0～30 km/h時(shí)整車運(yùn)行分為純電動(dòng)（Electric Vehicle，EV）與混合動(dòng)力（Hybrid-Electric Vehicle，HEV）兩種模式，車內(nèi)噪聲與車速關(guān)系如圖5所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及車內(nèi)環(huán)境聲壓級(jí)與風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)差值要求可以確定不同車速下風(fēng)機(jī)噪聲限值。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車內(nèi)噪聲關(guān)系測(cè)試在整車靜止時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，由此可將風(fēng)機(jī)的噪聲限值轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速限值，從而可知車速對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限值（見圖7），并建立車速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性插值表。

圖5 風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)車內(nèi)噪聲與車速關(guān)系曲線

圖6 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車內(nèi)噪聲關(guān)系曲線

圖7 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速限值

噪聲限制是在溫度匹配的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，其控制方法如下：根據(jù)當(dāng)前車速查閱車速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性插值表，限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不超過當(dāng)前車速下的查表值。同時(shí)，為防止低速行駛時(shí)電池溫度過高影響其使用壽命，當(dāng)電池組最高溫度在46～50℃時(shí)逐漸削弱噪聲影響因子，該階段輸出轉(zhuǎn)速按式（4）計(jì)算。而當(dāng)電池組最高溫度超過50℃時(shí)，風(fēng)機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不考慮噪聲因素。

式中，n為輸出轉(zhuǎn)速；ntemp為最高溫度線性插值所得轉(zhuǎn)速；nv為根據(jù)車速查表所得轉(zhuǎn)速極值；T為電池組最高溫度。

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該控制策略是否符合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)分為兩個(gè)部分：一是進(jìn)行噪聲測(cè)試，對(duì)比冷卻系統(tǒng)控制策略優(yōu)化前、后車內(nèi)噪聲；二是進(jìn)行溫度測(cè)試，觀察風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受限后能否滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)散熱需求。

噪聲測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度約為34℃，先關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)并駕駛試驗(yàn)車急加減速，當(dāng)電池溫度上升至36℃以上時(shí)開始測(cè)試，試驗(yàn)路段依然選擇國道，試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉車窗及空調(diào)等一切輔助裝置，控制車輛勻速行駛并記錄后排中間位置噪聲聲壓。冷卻系統(tǒng)控制策略優(yōu)化前、后車內(nèi)噪聲對(duì)比結(jié)果如圖8所示，由圖8可看出，控制策略優(yōu)化后噪聲降低了1～3 dB（A），效果顯著。

圖8 優(yōu)化前、后車內(nèi)噪聲對(duì)比結(jié)果

溫度測(cè)試在北京交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，CAN信號(hào)采集設(shè)備包括筆記本電腦、OBD車載設(shè)備、德國Vector公司的CANalyzer軟件及配套CAN總線工具。

為測(cè)試?yán)鋮s系統(tǒng)散熱能力，需盡量模擬動(dòng)力電池高強(qiáng)度使用且冷卻環(huán)境較差的情況，所以試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉空調(diào)并打開車窗，控制試驗(yàn)車采用頻繁急加減速，車速信息如圖9所示，此時(shí)動(dòng)力電池電流如圖10所示，充電為正放電為負(fù)。電池在高強(qiáng)度充、放電過程中產(chǎn)生大量熱能，以此檢測(cè)冷卻系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池溫度的控制能力。試驗(yàn)過程中，電池內(nèi)部各采樣點(diǎn)溫度如圖11所示，由于車輛處于長時(shí)間暴曬狀態(tài)，電池系統(tǒng)內(nèi)部各采樣點(diǎn)溫度初始值均在45℃以上，為此打開車窗以保證進(jìn)風(fēng)口溫度與環(huán)境溫度基本一致，約為36℃左右。由圖11可知，試驗(yàn)過程中電池模組間最高采樣溫度保持在50℃以下，且各采樣點(diǎn)間最大溫差低于5℃，符合混合動(dòng)力汽車鎳氫電池溫度控制范圍，表明該控制策略能滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)散熱需求。

圖9 試驗(yàn)車速

圖10 動(dòng)力電池電流

圖11 各采樣點(diǎn)溫度

4 結(jié)束語

對(duì)某款混合動(dòng)力汽車的冷卻系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，在根據(jù)溫度因素控制冷卻風(fēng)機(jī)和動(dòng)力電池工作功率的基礎(chǔ)上，通過車內(nèi)環(huán)境噪聲與風(fēng)機(jī)噪聲間的疊加關(guān)系，在合理工作溫度范圍內(nèi)限制冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的控制策略一方面降低了車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)1～3 dB（A），另一方面依然能滿足動(dòng)力電池在高強(qiáng)度工況下的散熱需求。該控制策略效果顯著可操作性強(qiáng)，可為使用風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的研發(fā)提供參考。

1 Envia E.Fan noise reduction:an overview.International Journal of Aeroacoustics,2002,1（1）:43～64.

2 Mondal N K,Dey M,Datta J K.Vulnerability of bus and truck drivers affected from vehicle engine noise.Internation-al Journal of Sustainable Built Environment,2014,3（2）: 199～206.

3 馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

4 白松,許新喜,任旭東,等.駕駛室內(nèi)部噪聲分析與阻尼降噪.噪聲與振動(dòng)控制,2012（3）:139～142.

5 Kumar P,Nigam S P,Kumar N.Vehicular traffic noise modeling using artificial neural network approach.Transportation Research Part C:Emerging Technologies,2014,40: 111～122.

6 Serrao L.,Chehab Z.,Guezennee Y.,etc.,An aging model of Ni-MH batteries for hybrid electric vehicles,Vehicle Power and Propulsion,2005 IEEE Conference,7～9 Sept.2005.

7 孫志文,朱建新,儲(chǔ)愛華,等.混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池主動(dòng)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì).電源技術(shù),2015（4）:801～803.

8 吳艷蘋,劉旭東,段建民.混合動(dòng)力汽車控制策略優(yōu)化研究.現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31（17）:133～136.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年7月17日。

Investigation on the Noise Control Strategy for Battery Cooling System of Hybrid Electric Vehicles

Cheng Ziyang1,3,Xi Guannan1,Zhu Jianxin2,3,Chu Aihua3
（1.Nantong University,Nan Tong 226019;2.Institute of Automotive Electronic Technology,Shanghai Jiaotong University, shanghai 200240;3.CorunCHSTechnology Co.,Ltd.,Shanghai 201540）

A control strategy for Ni-MH power battery cooling system was proposed in order to reduce the interior noise of hybrid electric vehicle.Based on the analysis of battery cooling system control factors,cooling system control strategies were designed.The experimental results showed that this strategy not only reduces the interior noise of hybrid electric vehicle of 1～3dB（A）,but also ensures the battery pack working at the appropriate temperature range.

Hybrid electric vehicle,Battery cooling system,Noise,Control

混合動(dòng)力汽車 電池冷卻系統(tǒng) 噪聲 控制

U467.4+93

A

1000-3703（2017）02-0020-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275355）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目（2011AA11A207）、南通市汽車電子新技術(shù)研究與重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（CPI2013006）。