劉衛(wèi)東， 彭玉環(huán)， 吳方義， 王愛春

（江鈴汽車股份有限公司， 江西 南昌 330001）

近年來，在國家相關政策的大力支持和鼓勵下，越來越多的主機廠開展了新能源汽車研究，包括混合動力汽車的研發(fā)，并投入市場。在雙積分政策的壓力下，主機廠已經(jīng)開始面臨油耗壓力，混合動力汽車必將迎來一波發(fā)展浪潮［1-2］。

插電式混合動力汽車和傳統(tǒng)汽車同樣需要一套高效的整車熱管理系統(tǒng)。傳統(tǒng)汽車的熱管理系統(tǒng)通常只包含發(fā)動機冷卻、空調制冷系統(tǒng)以及變速器冷卻等，相對而言比較簡單，各熱交換器之間相互影響較小，但是對于插電式混合動力汽車而言，不僅需對傳統(tǒng)發(fā)動機、變速器，以及空調冷凝器進行冷卻，還需要對電池包、DC-DC及驅動電機等進行冷卻，對于熱交換條件要求相對傳統(tǒng)發(fā)動機而言較高，且高低溫系統(tǒng)相互影響較大［3］。

1 整車加熱系統(tǒng)控制

整車加熱系統(tǒng)控制主要包括高壓電池包及DC-DC加熱控制。

1.1 電池包及DC-DC/OBC加熱控制

在電池包溫度TBP小于或等于0℃時默認只采用發(fā)動機啟動。車輛啟動之后，完成發(fā)動機加熱；之后再完成空調暖風、除霜、除霧功能；待空調確認滿足要求之后，再利用發(fā)動機水溫給高壓電池包及DC-DC加熱。為滿足空調性能要求，當高壓電池包及DC-DC加熱完成之后，空調AC開啟PTC水加熱控制［4］。

1.2 水泵控制

整車啟動之后，VMS控制水泵1開始以速度V0工作，同時VMS監(jiān)控電池包進水口溫度，當溫度低于一定值時，VMS控制水泵1以速度V1工作，水泵轉速只以V0或V1兩種轉速工作，具體轉速值按實車進行標定。

1.3 電磁閥控制

整車啟動之后，電磁閥可控；整車未啟動，電磁閥不可控。

冷啟動控制：在外界環(huán)境溫度小于或等于0度時，HCU控制發(fā)動機啟動，發(fā)動機優(yōu)先完成熱機工作，之后空調開始利用發(fā)動機水溫進行除霜、除霧、暖風等功能。整車上電后IGN有效，VMS完成初始化，并隨時檢測高壓電池包進水口溫度，當高壓電池包進水口溫度小于一定值時，且空調控制模塊AC確認水閥可開啟信號之后，VMS控制兩位三通電磁閥，保證發(fā)動機冷卻水路與高壓電池包及DC-DC水路接通，從而利用發(fā)動機冷卻水給高壓電池包與DC-DC加熱。

當高壓電池包進水口溫度達到一定值時，VMS控制兩位三通閥連通，高壓電池包水路切斷。兩位三通電磁閥只能實現(xiàn)水路連通/斷開功能，不可以根據(jù)不同溫度實現(xiàn)不同開度控制。

1.4 高壓電池包預熱控制

在車輛啟動后，當高壓電池包溫度過低時，需要先完成電池包預熱控制，使電池包溫度加熱至允許溫度范圍之內。低溫情況下高壓電池包放電溫度區(qū)域分4個等級：①正常放電溫度區(qū) （0～45℃），能進行正常放電工作，放電電流為200A；②1級低溫溫度區(qū)（-5～0℃），放電效率較低，放電電流為60A；③2級低溫溫度區(qū)（-10～-5℃），放電效率差，放電電流為12A；④3級低溫溫度區(qū)（-15～-10℃），不可進行充電，放電電流為0A。

根據(jù)以上電池包放電性能，VMS及BMS共同完成電池包充電冷卻控制策略。

當電池包溫度TBP小于或等于0℃時，采用發(fā)動機啟動車輛，車輛啟動之后逐步完成如下工作。

1） 當高壓電池包溫度處于3級低溫溫度區(qū)時，VMS控制水泵1以速度V1工作，在接收空調AC發(fā)送的閥門可開啟信號之后，VMS控制閥導通，從而使發(fā)動機水加熱電池包，此時儀表顯示電池包溫度過低，車輛不允許使用EV模式運行。

2） 當高壓電池包溫度加熱至2級低溫溫度區(qū)時，VMS控制水泵1以速度V1繼續(xù)工作，水泵轉速需要標定，同時由BMS控制放電電流處于要求范圍之內 （5A），此時儀表顯示電池包溫度過低，車輛不允許使用EV模式運行。

3） 當高壓電池包溫度加熱至1級低溫溫度區(qū)時，VMS控制水泵1以速度V1繼續(xù)工作，水泵轉速需要標定，同時由BMS控制放電電流處于要求范圍之內（60A），此時儀表顯示電池包溫度過低，車輛不允許使用EV模式運行。

4） 當高壓電池包溫度加熱至正常充電溫度區(qū)（0～35℃）時，VMS繼續(xù)控制水泵1以速度V0工作，水泵轉速需要標定，水泵轉速只需保證電池包溫度一直處于正常放電溫度區(qū)域。此時儀表顯示正常提示信息，車輛允許使用EV模式。

1.5 高壓電池包低溫充電控制

整車不具備高壓電池包低溫充電控制，當充電時高壓電池包溫度過低時，BMS發(fā)送低溫報警信號給網(wǎng)關，網(wǎng)關將該信號路由給儀表，儀表接收到有效信號之后，通過文字提醒乘員，將發(fā)動機啟動，加熱電池包之后方可充電。

2 整車冷卻控制策略

整車冷卻系統(tǒng)控制主要包括高壓電池包及DC-DC冷卻控制、高壓電機冷卻控制、發(fā)動機冷卻控制、變速器冷卻控制。

2.1 高壓電池包及DC-DC/OBC冷卻控制

高壓電池包及DC-DC/OBC冷卻系統(tǒng)主要由整車控制模塊VMS、空調AC及HCU、ACU實現(xiàn)控制，其中包括水泵控制、電磁閥控制、壓縮機控制。

當電池包溫度大于或等于45℃時，默認只采用發(fā)動機啟動。整車啟動之后，VMS采集電池包進水口溫度信號，并控制水泵1以不同轉速工作，當溫度超過35℃時，VMS控制請求壓縮機工作。壓縮機工作以后，空調AC結合冷媒壓力信號，自行控制冷卻風扇以高/低速工作。

2.2 水泵控制

整車啟動之后，VMS控制水泵1開始以速度V0工作，同時VMS監(jiān)控電池包進水口溫度，當溫度達到T1時，VMS控制水泵1以速度V1工作，當溫度升高至T2時，VMS請求壓縮機工作，水泵轉速只以V0和V1兩種轉速工作，具體轉速值需要實車進行標定。

水泵系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 水泵系統(tǒng)控制示意圖

2.3 電磁閥控制

整車啟動之后，電磁閥可控；整車未啟動，電磁閥不可控。

1） 兩位三通閥控制：根據(jù)高壓電池包與DC-DC水路走向要求，VMS通過控制一個兩位三通電磁閥來實現(xiàn)冷卻水路與加熱水路的切換。當高壓電池包進水口溫度大于一定值時，三通閥保證冷卻水路連通，加熱水路關閉；當高壓電池包與DC-DC溫度低于一定值時，三通閥保證加熱水路連通，冷卻水路關閉。

2） 開關截止閥控制：開關截止閥常態(tài)是開啟狀態(tài)，用于空調制冷控制用，由空調AC控制。當空調需要制冷時，空調AC控制開關電磁閥常開（不通電），空調制冷冷媒管路接通；當空調不需要制冷，且高壓電池包需要進階冷卻時，空調AC控制開關電磁閥閉合 （通電），空調制冷冷媒管路斷開；當空調不需要制冷，高壓電池包不需要進階冷卻時，空調AC控制開關電磁閥常開 （不通電），空調制冷冷媒管路接通。

電子膨脹閥（閥21） 常態(tài)是關閉狀態(tài)，用于電池包進階冷卻用，由空調AC控制。當電池包需要進階冷卻時，空調AC控制閥開，電子膨脹閥開度由空調AC自行控制，用于保護蒸發(fā)器，從而實現(xiàn)電池包進階冷卻用；當電池包不需要進階冷卻時，空調AC控制閥關閉。

電磁閥系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 電磁閥系統(tǒng)控制示意圖

2.4 壓縮機控制

當高壓電池包進水口溫度達到一定值時，整車控制模塊VMS發(fā)送總線信號請求壓縮機工作，空調接收VMS發(fā)送的壓縮機工作請求信號之后，確認電池包及DC-DC/OBC發(fā)送的散熱需求量，并結合當前整車動力模式，實現(xiàn)壓縮機的開啟與轉速控制。

1） EV模式：當整車處于EV模式 （車輛靜止或者運行）下，且空調AC接收到VMS發(fā)送的進階冷卻請求信號之后，空調通過總線接收電池包及DC-DC/OBC發(fā)送的散熱量，計算壓縮機轉速，壓縮機轉速根據(jù)以下參數(shù)進行計算：①高壓電池包散熱量；②DC-DC/OBC散熱量；③空調制冷量 （當空調不需要制冷時，空調制冷量等于0）。

空調AC整合以上制冷量需求，并計算出壓縮機轉速需求，同時結合冷媒壓力信號，再發(fā)送壓縮機離合器工作信號及壓縮機速度信號給網(wǎng)關，網(wǎng)關路由該信號給HCU，HCU接收空調發(fā)送的有效信號之后，發(fā)送總線信號給ACU控制壓縮機開始工作，同時發(fā)送電機轉速信號給ACU實現(xiàn)壓縮機不同轉速控制。

2） HEV模式：當整車處于HEV模式，且車輛靜止時，空調AC接收到VMS發(fā)送的進階冷卻請求信號之后，空調通過總線接收電池包及DC-DC/OBC發(fā)送的散熱量，計算壓縮機轉速，壓縮機轉速根據(jù)以下參數(shù)進行計算：①高壓電池包散熱量；②DC-DC/OBC散熱量；③空調制冷量 （當空調不需要制冷時，空調制冷量等于0）。

空調AC整合以上制冷量需求，并計算出壓縮機轉速需求，同時結合冷媒壓力信號，再發(fā)送壓縮機離合器工作信號及壓縮機速度信號給網(wǎng)關，網(wǎng)關路由該信號給HCU，HCU接收該信號之后，發(fā)送AC離合器吸合請求信號給ACU，ACU接收HCU發(fā)送的有效信號之后，控制AC離合器吸合。同時HCU確認當前SOC值，當SOC大于一定值，HCU發(fā)送P0電機轉速信號給ACU，從而實現(xiàn)壓縮機開啟與不同轉速控制［5］。

當SOC小于一定值，HCU控制發(fā)動機啟動，并發(fā)送ICE離合器吸合請求信號給ACU，ACU接收HCU發(fā)送的有效信號之后，控制ICE離合器吸合，此時，HCU對空調AC的壓縮機轉速請求信號不作響應。

當整車處于HEV模式下，且車輛處于運行情況下，若發(fā)動機運行，則壓縮機由發(fā)動機帶動，且HCU對空調AC的壓縮機轉速請求信號不作響應；若發(fā)動機不運行，則壓縮機由P0電機帶動，且HCU響應空調AC的壓縮機轉速請求，并通過控制P0電機的轉速實現(xiàn)壓縮機不同轉速控制。

空調AC發(fā)出壓縮機工作請求之后，空調采集冷媒壓力信號，并根據(jù)冷媒壓力信號發(fā)送冷卻風扇工作請求信號給網(wǎng)關，網(wǎng)關路由該信號給發(fā)動機ECM，繼而控制冷卻風扇以高/低速工作。

空調AC根據(jù)冷媒壓力大小，負責壓縮機保護控制，當冷媒壓力過高或過低時，空調AC發(fā)送總線信號給網(wǎng)關，網(wǎng)關路由該信號給HCU，繼而控制壓縮機停止工作。壓縮機保護控制優(yōu)先于功能控制。

空調AC通過總線實時接收VMS發(fā)送的高壓電池包進水口溫度，并用該溫度信號診斷電池包及DC-DC/OBC的冷卻效果，當電池包進水口溫度大于T時，空調AC發(fā)送電池包進階冷卻失效信號給儀表，儀表顯示相關提醒信息。

壓縮機控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.5 車輛啟動后高壓電池包高溫冷卻控制

在車輛啟動后，當高壓電池包溫度過高時，需要先完成電池包冷卻控制，使電池包溫度降低至允許溫度范圍之內。

高溫情況下高壓電池包放電溫度區(qū)域分4個等級：①正常溫度區(qū) （0～45℃），能進行正常放電工作，放電電流為200A；②1級高溫溫度區(qū) （45～50℃），放電效率較低，放電電流為60A；③2級高溫溫度區(qū)（50～55℃），放電效率差，放電電流為12A；④3級高溫溫度區(qū) （55～60℃），不可進行充電，放電電流為0A。

根據(jù)以上電池包放電溫度性能要求，VMS及BMS共同完成電池包充電冷卻控制策略。當電池包溫度超過45℃時，采用發(fā)動機啟動車輛，車輛啟動之后逐步完成如下工作。

1） 當高壓電池包進水口溫度處于3級高溫溫度區(qū)時，VMS控制水泵1以速度V1工作，同時請求壓縮機工作，水泵轉速需要標定，此時儀表顯示電池包溫度過高，車輛不允許使用EV模式運行。

2） 當高壓電池包溫度降低至2級高溫溫度區(qū)時，VMS控制水泵1以速度V1工作，冷卻風扇及壓縮機繼續(xù)工作，水泵轉速需要標定，此時BMS控制放電電流處于要求范圍之內（5A），且儀表顯示電池包溫度過高，車輛不允許使用EV模式運行。

3） 當高壓電池包溫度降低至1級高溫溫度區(qū)時，VMS控制水泵1以速度V1工作，冷卻風扇及壓縮機繼續(xù)工作，水泵轉速需要標定，同時由BMS控制放電電流處于要求范圍之內（60A），此時儀表顯示電池包溫度過高，車輛不允許使用EV模式運行。

4） 當高壓電池包溫度降低至正常溫度區(qū) （35～45℃）時，VMS繼續(xù)控制水泵1以速度V1工作，水泵轉速需要標定，此時水泵轉速只需保證電池包溫度一直處于正常放電溫度區(qū)域。此時儀表顯示正常提示信息，車輛允許使用EV模式。

5） 當高壓電池包溫度降低至正常溫度區(qū)（0～35℃） 時，VMS繼續(xù)控制水泵1以速度V0工作，水泵轉速需要標定，此時水泵轉速只需保證電池包溫度一直處于正常放電溫度區(qū)域。此時儀表顯示正常提示信息，車輛允許使用EV模式。

圖3 壓縮機控制示意圖

圖4 動力系統(tǒng)電機冷卻控制示意圖

2.6 動力系統(tǒng)電機冷卻控制

整車動力系統(tǒng)電機冷卻控制系統(tǒng)主要由整車控制模塊VMS、動力控制模塊HCU、輔助電機控制模塊ACU、牽引力電機控制模塊MCU、發(fā)動機控制模塊ECM來實現(xiàn)控制。其中包括水泵控制、電磁閥控制、冷卻風扇控制。

1） 水泵控制：整車啟動之后，VMS控制水泵2與水泵3以速度V0工作，當動力系統(tǒng)P3電機進水口溫度大于一定值時，VMS控制水泵2與水泵3以速度V1工作。 系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

2） 冷卻風扇控制：整車啟動之后，輔助電機控制模塊ACU與牽引力控制模塊MCU實時監(jiān)控對應控制電機的溫度，當輔助電機溫度超過一定值時，ACU通過總線發(fā)送冷卻風扇請求信號給HCU；當牽引力電機溫度超過一定值時，MCU通過總線發(fā)送冷卻風扇請求信號給HCU。HCU接收ACU或MCU發(fā)送的有效信號，再通過總線將冷卻風扇請求信號給發(fā)動機控制模塊ECM。當冷卻風扇工作用于電機冷卻時只存在高速擋。系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5 冷卻風扇控制示意圖

3 總結

混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車差異大，本文設計的插電式混合動力汽車加熱及冷卻控制策略通過夏季和冬季路試試驗，對整個熱管理系統(tǒng)進行分析確認，驗證了電池保溫性能、充電冷卻性能、電池冷卻性能、電驅冷卻性能、發(fā)動機冷卻性能都達到設計需求目標，同時也對行車加熱性能及停車充電加熱性能做了基本考核，證實熱管理系統(tǒng)滿足設計目標。