摘要：隨著國家碳達峰和碳中和工作的推進，汽車節(jié)能技術(shù)已經(jīng)日益受到各主機廠的重視。輕卡混合動力汽車相比燃油車更節(jié)能，相比純電動汽車又解決了用戶的里程焦慮問題，是未來輕卡的重要發(fā)展方向。由于插電式混合動力汽車的電池容量普遍偏小，而充放電賠率又偏高，所以多采用液冷電池技術(shù)。以某2.0排量的柴油發(fā)動機匹配PS技術(shù)路線的混動箱為例，從輕卡熱管理的架構(gòu)、信號交互、各功能零部件的系統(tǒng)控制策略等多方面系統(tǒng)講解，并最終實現(xiàn)對乘員艙、電池、電機等相關(guān)部件進行冷卻和加熱控制，避免整車發(fā)生熱害風險以及節(jié)約電耗，提升純電里程。研究結(jié)論可為熱管理設(shè)計人員提供一定參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：混合動力；熱管理；控制策略

中圖分類號：U469.74" 收稿日期：2024-01-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.008

1 熱管理概述

混合動力汽車的熱管理與傳統(tǒng)燃油汽車有很大的差別，其部件更多，系統(tǒng)更復雜，控制更精準。傳統(tǒng)燃油車只需對駕駛室乘員艙和發(fā)動機系統(tǒng)進行冷卻或加熱，而混動汽車熱管理不僅要控制座艙和發(fā)動機溫度，更要對電池、混動箱溫度以及高壓控制器等部件進行控制［1］。一個好的熱管理系統(tǒng)不僅能提升駕駛員和乘客的舒適性，還能有效降低混合動力汽車的油耗。本文適用于輕卡混動平臺搭載PS混動箱的技術(shù)路線。

1.1 熱管理策略設(shè)計原則

a.所有動力部件、功能部件及控制部件應(yīng)具備超溫自保護功能。

b.熱管理系統(tǒng)需滿足熱管理工況下零部件需求工作溫度要求。

c.空調(diào)系統(tǒng)匹配應(yīng)滿足乘員艙降溫、采暖、除霜、除霧基本需求。

d.空調(diào)系統(tǒng)匹配應(yīng)滿足在電池一定溫度之下優(yōu)先滿足乘員艙降溫需求，之上時優(yōu)先滿足動力電池冷卻要求。

e.以整車熱管理模型為基礎(chǔ)，設(shè)計合理的控制邏輯以最大程度地降低伺服能耗。

1.2 熱管理策略設(shè)計目標

本文主要是輕卡混動平臺搭載PS混動箱的技術(shù)路線的熱管理系統(tǒng)，其設(shè)計的主要目標如下：

a.制定整車熱管理控制策略，在最小的熱管理伺服能耗下使熱管理系統(tǒng)滿足零部件熱管理需求。

b.為保證乘員艙基本采暖、制冷及動力電池冷卻，基于整車角度對空調(diào)系統(tǒng)提出要求。

c.為保證整車動力性，基于整車角度對發(fā)動機熱管理系統(tǒng)、電池熱管理系統(tǒng)提出要求。

d.制定整車熱管理策略，確保實時使用熱管理系統(tǒng)為整車最佳能耗方案［2］。

1.3 專業(yè)術(shù)語縮略詞

功能規(guī)范中包含的專業(yè)術(shù)語縮略詞如表1所示。

2 熱管理架構(gòu)

2.1 熱管理功能架構(gòu)

熱管理控制策略與熱管理架構(gòu)息息相關(guān)，熱管理策略是基于功能架構(gòu)來實現(xiàn)的，本文所設(shè)計的功能架構(gòu)基于輕卡柴油混動平臺，柴油機與汽油機特性決定了其熱管理架構(gòu)有一定的區(qū)別。

在進行熱管理架構(gòu)設(shè)計時，首先需要對各主要零部件的熱管理需求進行了解，本文提到的輕卡混動熱管理的各主要零部件的需求見表2所示。

因熱管理策略中涉及高壓部件冷卻等級的劃分以及在某些工況下零部件超溫的熱保護策略，故需明確高壓部件的降功率閥值、過溫保護閥值、存儲溫度條件等，本文設(shè)計的熱管理架構(gòu)的高壓部件見表3。

本文熱管理架構(gòu)是同時控制駕駛室乘員艙、電池、高壓部件等，同步考慮熱害、管路布置方便性、性能及成本，具體布置如圖1所示。

熱管理主要負責驅(qū)動系統(tǒng)（PEU冷卻、混動箱冷卻）、傳統(tǒng)動力系統(tǒng)（發(fā)動機冷卻）、電池回路（電池冷卻、制熱、均溫），以及乘員艙制冷和采暖［3］。

2.2 熱管理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)熱管理架構(gòu)，本文整理了輕卡混動平臺熱管理控制部件，熱管理控制元件共有水泵三個、冷卻風扇三個、蒸發(fā)器截止閥一個、chiller一個、鼓風機一個、蒸發(fā)器度傳感器一個、空調(diào)三態(tài)開關(guān)一個、溫度壓強傳感器一個、暖風斷水閥一個、WPTC一個、電動壓縮機一個，如表4所示。

由于混動熱管路信號的交互主要與電池水泵等高壓部件相關(guān)，故其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用三路CAN，熱管理控制器與BMS、電動壓縮機等熱管理主要零部件同屬一路，如圖2所示。

熱管理相關(guān)零部件信號交互如表5所示。

3 熱管理控制策略

整車熱管理系統(tǒng)分為低溫回路熱管理子系統(tǒng)、傳統(tǒng)動力系熱管理子系統(tǒng)、電池熱管理子系統(tǒng)、駕駛室熱管理子系統(tǒng)、駕駛室和電池協(xié)調(diào)子系統(tǒng)，如圖3所示。

a.低溫回路熱管理子系統(tǒng)：保證高壓部件滿足工作溫度需求。

b.傳統(tǒng)動力系熱管理子系統(tǒng)：發(fā)動機冷卻功能，低溫時快速暖機及高溫條件下的冷卻功能，保證發(fā)動機運行在高效的溫度環(huán)境下。

c.電池熱管理子系統(tǒng)：保證電池在設(shè)計工況下滿足安全工作溫度（極限工況熱保護，確保安全；極寒工況下加熱，滿足低溫充、放電需求）。

d.駕駛室熱管理子系統(tǒng)：保證乘員艙降溫、采暖、除霜、除霧需求。

e.駕駛室與電池協(xié)調(diào)子系統(tǒng)：針對雙制冷及雙加熱工況下，定義相應(yīng)的優(yōu)先級策略，使電池熱管理與駕駛室熱管理協(xié)調(diào)工作。

3.1 低溫回路熱管理系統(tǒng)

電機驅(qū)動系統(tǒng)包括MCU、DCDC、OBC、PTC這些高壓部件，當車輛運行或充電時，如果這些高壓部件的溫度大于標定量時，則需要驅(qū)動系統(tǒng)冷卻，根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的溫度與工作溫度的差值，來決定驅(qū)動系統(tǒng)最大冷卻需求，根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)散熱的最大需求來判斷水泵的占空比和風扇轉(zhuǎn)速，直到達到驅(qū)動系統(tǒng)最佳的工作溫度。

當混動箱溫度過高時，控制新能源回路的水泵和風扇，使低溫冷卻水通過水油換熱器把混動箱里的熱量帶走，經(jīng)過反復循環(huán)，使混動箱降溫到正常工作狀態(tài)。

當車輛停止運行時，伺服部件仍然有冷卻需求，此時通過冷卻液溫度查出水泵運行時間和水泵占空比，以此解決因停車而導致伺服部件溫度失控的問題。若VCU退出ready并且電機控制器進口冷卻液、DCDC冷卻液、OBC入水溫度大于設(shè)定溫度或IGBT溫度，電機定子溫度大于設(shè)定溫度，冷卻系統(tǒng)伺服部件進入后運行狀態(tài)，VCU 應(yīng)持續(xù)檢測對應(yīng)工況下冷卻液溫度，按照驅(qū)動工況、慢充工況、快充工況執(zhí)行對應(yīng)的冷卻策略，若冷卻液溫度降低至設(shè)定溫度后，則終止后運行策略。

3.2 傳統(tǒng)動力系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)

當發(fā)動機在低溫下運行時，節(jié)溫器溫度與冷卻液溫度相差較大時，節(jié)溫器大循環(huán)關(guān)閉，冷卻液經(jīng)過小循環(huán)流經(jīng)水泵入口，發(fā)動機迅速暖機。

當發(fā)動機在高溫下運行時，節(jié)溫器溫度與冷卻液溫度相差較小時，節(jié)溫器的開度占比30%，一部分流向散熱器進行大循環(huán)，剩下的冷卻液通過水泵流回發(fā)動機進行小循環(huán)。當節(jié)溫器的溫度小于冷卻液的溫度時，節(jié)溫器閥門全部打開，同時關(guān)閉流向水泵的閥門，冷卻液流向散熱器，根據(jù)PWM控制風扇的轉(zhuǎn)速對冷卻液進行降溫，降溫后的冷卻液經(jīng)過管路流回水泵，如此反復循環(huán)，直到發(fā)動機達到適宜的工作溫度。

當冷卻液溫度低于設(shè)定溫度時，控制電路使風扇停轉(zhuǎn)。當冷卻液溫度高于設(shè)定溫度時，控制電路使風扇低速轉(zhuǎn)動。當冷卻液溫度高設(shè)定溫度時，控制電路使風扇高速轉(zhuǎn)動；當汽車高速行駛時，迎風面足以達到冷卻效果，這時風扇停轉(zhuǎn)。

根據(jù)節(jié)溫器的溫度與冷卻液的溫度的差值，調(diào)節(jié)節(jié)溫器的開度，根據(jù)開度判斷冷卻液是流向散熱器還是水泵，水泵根據(jù)占空比來控制流量流向發(fā)動機，風扇轉(zhuǎn)速是根據(jù)占空比及作用在電機上電壓的大小，冷卻液經(jīng)過散熱器在冷卻風扇的作用下進行降溫。

3.3 電池熱管理系統(tǒng)

當BMS接收到TMS發(fā)送的信號為Run時，判斷車輛處于駕駛狀態(tài)，TMS選擇行車冷卻模式。TMS依據(jù)電池溫度判斷是否進行冷卻。當電池溫度滿足冷卻條件時，TMS根據(jù)指令開啟水泵，AC控制壓縮機、電子膨脹閥開啟，電子膨脹閥的開度取決于電池的最大冷卻需求，也可根據(jù)發(fā)動機的熱量來對電池進行冷卻，板式換熱器將動力電池冷卻液和發(fā)動機的冷卻液進行熱交換，將動力電池冷卻液中的熱量轉(zhuǎn)移到發(fā)動機冷卻液中。電動水泵主要是對冷卻液進行加壓，保證其在冷卻系統(tǒng)中能夠不間斷的循環(huán)流動，直到達到電池正常工作溫度。

當TMS檢測電池最高溫度大于35 ℃且小于等于42 ℃，同時車輛模式為運行時，TMS控制水泵運轉(zhuǎn)，并按照設(shè)計的占空比運行，AC開啟壓縮機和電子膨脹閥，由Chiller為電池包提供散熱；當電池最高溫度小于等于30℃或車輛停止時，停止冷卻請求。

當TMS檢測到電池最高溫度大于42 ℃且小于等于48 ℃，同時車輛狀態(tài)為運行模式時，此時電池包采用主動冷卻方式，TMS控制水泵開啟，并按照設(shè)計占空比運行，AC開啟壓縮機、膨脹閥等，由Chiller為電池包提供散熱，當車輛停止，則直接停止主動冷卻。

TMS根據(jù)電池包本體溫度和接收到HCU反饋車輛運行狀態(tài)，BMS發(fā)出主動加熱請求，根據(jù)車輛運行模式不同，通過AC控制PTC或發(fā)動機兩種加熱方式的切換。TMS根據(jù)電池包實際入口水溫，控制電控斷水閥通斷，保證流入電池水溫在安全范圍內(nèi)。增加行車加熱功能，能保證電池溫度快速到達最佳溫度區(qū)間。

當TMS接收到HCU發(fā)送的信號為Run時，判斷車輛處于行駛狀態(tài)，TMS選擇行車加熱模式。TMS依據(jù)電池溫度判斷是否進行加熱。當電池溫度滿足加熱條件時，冷卻液先由水泵抽取動力電池冷卻水道內(nèi)的冷卻液進PTC加熱器總成進行加熱，加熱后的冷卻液再回到動力電池內(nèi)對動力電池進行加熱。如此循環(huán)，將動力電池的溫度提高到正常的溫度。當電池的溫度達到一定限值時，則停止加熱。

當TMS接收到HCU發(fā)送的信號為充電時，判斷車輛處于充電狀態(tài)，TMS選擇充電加熱模式。TMS依據(jù)電池溫度判斷是否進行加熱。當電池溫度滿足加熱條件時，冷卻液先由水泵抽取動力電池冷卻水道內(nèi)的冷卻液進PTC加熱器總成進行加熱，加熱后的冷卻液再回到動力電池內(nèi)對動力電池進行加熱。如此循環(huán)，將動力電池的溫度提高到正常的工作溫度。

3.4 駕駛室熱管理系統(tǒng)

駕駛室熱管理功能對空調(diào)系統(tǒng)的功能要求如下：

a.預約空調(diào)過程中，駕駛室的冷卻策略由實車進行標定。

b.充電過程中，駕駛室的冷卻策略應(yīng)該與正常行駛過程一致且滿足整車降溫指標要求。

c.充電過程中，駕駛室如果有降溫請求，開啟壓縮機。

d.預約空調(diào)過程中，如果電池SOC低于設(shè)定值，且此時車輛擋位為P擋或N擋，充電槍未連接，整車高壓系統(tǒng)無故障，則可判斷用戶是否允許啟動壓縮機。駕駛室制冷功能由AC負責控制壓縮機轉(zhuǎn)速達到TMS的要求，TMS負責控制電子膨脹閥。TMS控制器負責空調(diào)回路的駕駛室及電池之間的冷卻協(xié)調(diào)功能。

當存在駕駛室采暖需求時，TMS根據(jù)乘員艙設(shè)定溫度，調(diào)節(jié)PTC的功率，當單獨PTC無法滿足乘員艙采暖需求，則TMS啟動發(fā)動機，當發(fā)動機水溫與PTC出口水溫相同時，PTC關(guān)閉，直接使用發(fā)動機采暖即可；在沒有PTC時，當TMS接收到駕駛員想要制熱的請求，則TMS發(fā)出發(fā)動機啟動請求信號給ECU，通過發(fā)動機冷卻液循環(huán)的余熱來進行供暖。預約空調(diào)過程中，駕駛室的加熱策略應(yīng)該與正常行駛過程一致且需要符合整車采暖性能指標要求；充電過程中，駕駛室的加熱策略由實車進行標定。

3.5 電池與駕駛室熱管理協(xié)調(diào)功能

當電池冷卻請求為主動冷卻或瞬態(tài)冷卻或不冷卻時，TMS應(yīng)控制EXV及壓縮機滿足冷卻需求。電池包降溫與駕駛室降溫的協(xié)調(diào)應(yīng)遵循乘員艙降溫及電池入口水溫、入口水流量要求，如不能滿足目標要求，正常駕駛（電池非緊急模式）模式下，以乘員降溫優(yōu)先；電池進入緊急模式時，以電池降溫優(yōu)先的原則進行開發(fā)。

當電池包和乘員艙同時有降溫需求時，為避免電池包降溫對乘員艙降溫產(chǎn)生較大沖擊，要求電池包水泵應(yīng)依據(jù)PWM水泵20%/s（TBD）占空比速率的等級進行調(diào)速，不應(yīng)直接進入水泵最大占空比，以保證乘員艙出風口溫度波動在可接收范圍內(nèi)；同時，電子膨脹閥開啟時需以兩點式開啟，避免過多制冷劑流過Chiller側(cè)，以保證乘員艙舒適性。

雙制冷時控制電池進口目標溫度，具體原則是以水溫為目標溫度進行控制，同時側(cè)重于乘員艙優(yōu)先，為避免系統(tǒng)頻繁波動，電池本體最高溫度進行回滯區(qū)設(shè)定，涉及的溫度值為標定值，需要實車進行標定確定。

TMS接收乘員艙溫度信號和電池本體溫度信號，當檢測到電池本體溫度≤45 ℃時，TMS不允許電池冷卻，反饋“冷卻抑制信號”給BMS和GW，BMS停止發(fā)冷卻請求，TMS控制電池電子膨脹閥暫不能打開；直到TMS判定乘員艙溫度＜30 ℃，或48 ℃≥電池溫度＞45 ℃，TMS反饋“允許冷卻”給BMS和GW，由TMS開啟電子膨脹閥，此時BMS發(fā)電池包入口水溫請求為15 ℃。

電池本體溫度＞48 ℃時電池包狀態(tài)進入緊急狀態(tài)，為保證電池包安全性，BMS直接向TMS控制器發(fā)送電子膨脹閥常開信號實現(xiàn)截止閥進入常開狀態(tài)，且此時發(fā)送電池包入口水溫請求為10 ℃。

當電池包和乘員艙同時有采暖請求，通過發(fā)動機的余熱可以給乘員艙采暖、除霜、除霧等，根據(jù)駕駛員所調(diào)節(jié)的溫度大小，來調(diào)節(jié)鼓風電機占空比來達到駕駛員想要的溫度，電池也通過發(fā)動機的余熱進行升溫，當發(fā)動機的余熱只能提供給空調(diào)采暖時，電池可以利用WPTC來進行升溫［4］。

4 結(jié)語

本文主要介紹了柴油混動熱管理系統(tǒng)的架構(gòu)和控制策略，詳細闡述了各工況下熱管理控制器如何對各零部件進行精準控制，以實現(xiàn)輕卡混動車型的節(jié)能降耗，提升混動車型的舒適性和安全性，研究結(jié)論可為熱管理設(shè)計人員提供一定參考和幫助。

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[4］羅康林.膨脹箱在冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2019（5）：27-30.

作者簡介：

章志才，男，1983年生，高級工程師，研究方向為汽車電器電子、汽車線束、電器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、熱管理等平臺產(chǎn)品。