陳志鵬， 孫 興， 楊俊偉

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241009）

由于能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，人們對生態(tài)環(huán)境保護意識愈發(fā)強烈，迫切期望有效的技術(shù)發(fā)展來改善現(xiàn)狀。發(fā)展節(jié)能與新能源汽車能有效改善能源環(huán)境問題，是實現(xiàn)節(jié)能減排目標的有效途徑，也是實現(xiàn)國家生態(tài)文明建設(shè)的有力舉措。為實現(xiàn)節(jié)能減排目標，工信部頒布了《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，大力推進節(jié)能減排和新能源汽車技術(shù)的推廣［1］，使得各企業(yè)面對未來五階段的油耗指標的壓力變得更為嚴峻。由于我國雙積分政策的實施，節(jié)能與新能源汽車技術(shù)成為企業(yè)面對未來油耗壓力的有效手段，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)變得至關(guān)重要。2019年工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》 （征求意見稿） 中，提出發(fā)展插電混合動力（含增程式） 汽車是節(jié)能與新能源汽車技術(shù)的重要技術(shù)路線之一［2］。所以插電混合動力車型將是未來幾年的重要技術(shù)發(fā)展方向。

插電混合動力 （PHEV） 汽車，包含了多個動力源，可實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動、純電動驅(qū)動以及混動驅(qū)動，由于多動力源的存在，使得插電混動的整車熱管理系統(tǒng)較純電和傳統(tǒng)內(nèi)燃機車復(fù)雜很多。整車控制器承接整車熱管理控制的部分控制功能，是整車熱管理控制的重要組成部分，在保證各子系統(tǒng)可靠安全、最優(yōu)環(huán)境下運行同時，滿足整車對冷熱的性能要求以及實現(xiàn)整車能耗的最優(yōu)控制。本文從整車控制的熱管理需求分析、控制方案設(shè)計、硬件需求以及策略實現(xiàn)等方面，對插電混動整車控制單元的熱管理控制進行分析。

1 插電混合動力熱管理控制需求

如圖1所示，插電混動汽車熱管理系統(tǒng)開發(fā)的整車需求，包括5個主要單元需求，發(fā)動機和執(zhí)行器冷卻、變速器冷卻、電力和驅(qū)動熱管理、駕駛艙熱管理以及電池?zé)峁芾恚?］。電力驅(qū)動熱管理包括車載充電機OBC （On Board Charger）、直流轉(zhuǎn)換單元DC-DC （Direct Current）、電機及其控制MCU（Motor Control Unit）；駕駛艙熱管理包括艙內(nèi)制冷和采暖的要求；電池?zé)峁芾戆姵丶訜岷屠鋮s需求［4］。

2 熱管理控制方案設(shè)計

基于熱管理原理設(shè)計，結(jié)合各零部件的選型，確定控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。

1） 高溫回路：發(fā)動機冷卻與混動模式采暖，沿用傳統(tǒng)車控制方式，包括機械水泵、節(jié)溫器、散熱器。

2） 低溫回路：將發(fā)動機增壓器與中冷器冷卻回路與電力電子回路交叉，采用一個電子水泵驅(qū)動，變流量閥控制流往增壓中冷的流量。包括增壓中冷、電機及控制器、車載充電機、直流轉(zhuǎn)換單元、變流量水閥，低溫回路的控制信號通過CAN通信交互。

3） 駕駛艙熱循環(huán)：空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)控制模塊 （CLM）控制，增加純電運行下駕駛艙內(nèi)采暖控制。CLM、電動壓縮機（EAC） 相關(guān)控制信號通過CAN與HCU進行交換。

4） 電池冷卻通過Chiller與空調(diào)冷卻回路交換，電池采暖通過內(nèi)置HVH進行加熱。包括電子水泵、Chiller、內(nèi)置HVH。電池內(nèi)部溫度與出水口溫度由電池管理系統(tǒng)BMS通過CAN進行交互。

5） 變速器油冷回路溫度信號由變速器控制單元TCU通過CAN進行交互，變速器油泵由TCU控制。

6） 執(zhí)行器控制：①風(fēng)扇由HCU控制，HCU兼顧發(fā)動機系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)與低溫回路系統(tǒng)對風(fēng)扇的需求；②低溫水閥由HCU控制；③低溫水泵由HCU控制；④電池內(nèi)水泵、電池內(nèi)HVH以及Chiller由HCU控制，HCU根據(jù)電池發(fā)出的熱管理狀態(tài)，控制3個執(zhí)行器工作。插電混動熱管理控制實現(xiàn)方案示意圖如圖2所示。

圖1 某款插電混動汽車熱管理原理圖

圖2 插電混動熱管理控制實現(xiàn)方案示意圖

3 整車控制器硬件需求

根據(jù)設(shè)計方案與執(zhí)行器信息，確定資源需求見表1和表2。

表1 控制器硬件資源需求

表2 通信資源需求

4 關(guān)鍵策略

4.1 風(fēng)扇控制

1） PWM占空比計算策略

圖3為風(fēng)扇占空比計算示意圖。

圖3 風(fēng)扇占空比計算示意圖

EMS_HCU_FanReq信號由發(fā)動機控制單元EMS根據(jù)車速、發(fā)動機水溫、發(fā)動機進氣溫度計算得出。

HCU_FanReq信號由混動控制單元HCU根據(jù)車速、OBC溫度、DC/DC溫度、電機與控制器溫度、空調(diào)壓力綜合計算得出。最終通過HCU進行綜合計算。

2） 風(fēng)扇延時策略

風(fēng)扇延時運行時間根據(jù)發(fā)動機進氣溫度、增壓器溫度、DC/DC溫度、電機及控制器溫度、空調(diào)壓力綜合計算得出。

4.2 低溫水泵占空比計算策略

1） PWM占空比計算策略

圖4為低溫水泵占空比計算示意圖。

圖4 低溫水泵占空比計算示意圖

EMS_HCU_PumpReq由發(fā)動機控制單元EMS根據(jù)發(fā)動機進氣溫度和水溫計算得出。

HCU_PumpReq由混動控制單元HCU根據(jù)OBC溫度、電機與控制器溫度、DC/DC溫度綜合計算得出。最終通過HCU進行綜合計算。

2） 水泵延時策略

在車輛停機時，水泵需要延時關(guān)閉，延時時間根據(jù)低溫回路各控制器溫度與增壓器溫度計算得出。

4.3 低溫水閥控制

水閥開度根據(jù)增壓器溫度計算得出。在整車模式從HEV和EV之間切換時，需要執(zhí)行延時關(guān)閉策略，以保護執(zhí)行器。在車輛停機時，需要根據(jù)增壓器溫度執(zhí)行延時關(guān)閉策略。表3為風(fēng)扇、低溫水泵與低溫水閥控制策略表。

表3 風(fēng)扇、 低溫水泵與低溫水閥控制策略

4.4 電池水泵、HVH與Chiller控制

電池?zé)峁芾砘芈返膱?zhí)行器控制，可通過空調(diào)控制模塊控制、或者電池管理系統(tǒng)BMS控制。本車型由HCU根據(jù)BMS的熱管理狀態(tài)信號進行控制。電池水泵、HVH與Chiller控制策略詳見表4。

表4 電池水泵、 HVH與Chiller控制策略

4.5 PHEV整車控制器熱管理控制模型設(shè)計（圖5）

圖5 PHEV整車熱管理控制策略模型

使用MATLAB-Simulink設(shè)計軟件，對上述整車熱管理控制算法進行控制模型的開發(fā)。建模后的模型如圖5所示。

PHEV的整車熱管理控制策略模型主要包含有風(fēng)扇控制、低溫水泵控制和電池控制3個子模塊。各個子模塊實現(xiàn)的功能如下。

1） 風(fēng)扇控制模塊。通過增壓器溫度、電機控制器的實際溫度、電機的實際溫度、電子水泵的狀態(tài)、DC/DC的溫度和空調(diào)的壓力來判定出空調(diào)、電機和發(fā)動機的散熱轉(zhuǎn)速需求以及風(fēng)扇的開啟狀態(tài)。

2） 低溫水泵控制模塊。根據(jù)增壓器溫度、實際車速、發(fā)動機的水溫、發(fā)動機的進氣溫度和發(fā)動機的實際溫度來判定出電機與發(fā)動機的散熱轉(zhuǎn)速需求以及水泵的開啟狀態(tài)。

3） 水閥控制模塊。根據(jù)增壓器溫度和汽車運行模式來確定水閥的開度與開啟狀態(tài)。

4） 電池的加熱和散熱控制模塊。根據(jù)電池內(nèi)的溫度、電池外的溫度、節(jié)溫器的狀態(tài)判定電池內(nèi)水泵，HVH和Chiller的開啟或關(guān)閉。

圖6 NEDC工況下整車熱管理控制電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

圖7 NEDC工況下整車熱管理控制電機與DC/DC溫度數(shù)據(jù)

5 系統(tǒng)驗證

在完成PHEV控制策略軟件其他子模型開發(fā)，集成測試之后，使用自主快速原型工具作為PHEV整車的控制器硬件并對整車控制的相關(guān)功能進行實車的測試和驗證。

圖6是使用ETAS公司的INCA軟件工具分析在NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的電機工作數(shù)據(jù)；圖7是NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的電機和DC/DC運行時溫度數(shù)據(jù)；圖8是NEDC工況下PHEV整車熱管理控制的風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和水泵PWM控制，以及水閥的開啟狀態(tài)數(shù)據(jù)。如圖中所示車速是NEDC工況所要求的4個城市循環(huán)和1個城郊循環(huán)。從測試數(shù)據(jù)圖可以看出，電機TMF為前驅(qū)電機，在加速使用過程中溫度會上升，起始溫度為27℃左右，使用中最高溫度為54℃；電機TMR為后驅(qū)電機，起始溫度為25℃，使用中最高溫度為46℃；ISG電機為啟動/發(fā)電機，起始溫度為27℃，在 發(fā)動機啟動運行中最高溫度為51℃；DC/DC初始溫度為24℃，在加速使用過程中溫度為36℃。在散熱系統(tǒng)的工作下，上述零部件的溫度均維持在合適的范圍內(nèi)。在整個NEDC的工況運行中，電子水泵在車速較低的城市循環(huán)轉(zhuǎn)速維持在峰值轉(zhuǎn)速的30%左右運行，在車速較高的城郊循環(huán)轉(zhuǎn)速維持在峰值轉(zhuǎn)速的45%左右運行；風(fēng)扇在開始溫度較低時轉(zhuǎn)速為425 r/min，在中間城市循環(huán)以1100r/min轉(zhuǎn)速運行，最后在城郊高速循環(huán)下以2000r/min運行；電子水閥在車輛啟動時由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較低開始工作，之后停止工作，最后在高速散熱需求較高時開始工作。通過上述的測試和數(shù)據(jù)分析，整車的熱管理控制能夠滿足初始的控制需求，保證了各零部件工作溫度保持在安全的范圍之內(nèi)，同時使散熱風(fēng)扇和電子水泵的轉(zhuǎn)速維持在較低的范圍可以實現(xiàn)節(jié)能與減噪。

圖8 NEDC工況下整車熱管理控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水泵PWM控制與水閥狀態(tài)

6 結(jié)論

本文綜合介紹了插電混動系統(tǒng)整車控制器熱管理控制開發(fā)各階段的開發(fā)內(nèi)容，包括需求設(shè)計、方案設(shè)計、硬件需求分解、控制策略需求設(shè)計以及策略模型開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)在實車進行了測試驗證，滿足整車的運行要求。