混动重卡热管理系统性能与控制逻辑研究

张文博，杨志刚，王磊



混动重卡热管理系统性能与控制逻辑研究

张文博，杨志刚，王磊

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

混动重卡上冷却系统更为复杂，共有三套冷却系统，发动机冷却系统，电机冷却系统，电池冷却系统，各自控制温度不同。统一由整车控制器VCU控制，三套冷却系统温度控制逻辑都在VCU中提前定义，在整车设计时要分别设计计算各系统的冷却能力进行最终整车温度控制。电池热管理系统（Battery Temperature Management System，BTMS）后续还要进行智能化，全天候的开发，已经成为汽车总成设计中的一个重要组成部分。

混动重卡；电池热管理组；冷却

前言

车辆热管理技术是车辆开发过程中兼顾各种系统问题与系统需求的关键技术之一。混动重卡上冷却系统更为复杂，共有三套冷却系统，发动机冷却系统，电机冷却系统，电池冷却系统，各自控制温度不相同[1]。统一由整车控制器VCU控制，三套冷却系统温度控制都在VCU中提前定义。在整车设计时要分别设计计算各系统的冷却能力进行最终整车VCU上的温度控制。

混动重卡冷却系统主要功能模块包括：高性能芯片主控模块VCU、电池模块、电机模块、电流过载诊断保护模块、通讯端口、外接端口等。同时，VCU控制器提供CAN总线接口，通过CAN总线获取发动机、电池、电机等相关信号，通过相应的信号通讯进行信息传递，控制各冷却系统进行温度调节。

1 发动机热管理系统

利用热管理模拟计算分析软件“KULI”对发动机冷却系统进行数字建模，需结合整车设计参数和零部件结构参数作为数字化模型的零部件模型参数，同时需利用发动机冷却系统性能试验的数据作为模型的输入参数，全面合理的建立一个面向实际运用的数字模型。因此，这种模型实际上是基于试验数据和试验实施工况的仿真整车性能试验的数字模型。后续还需进行整车冷却系统性能试验验证，计算准确度及一些关键参数的设置。

图1 热管理3D数模

对冷却系统冷却能力进行校核计算，为热管理及冷却的设计及验证提供数据。通过对车辆不同工况的测试对比，从而得到一个基于理论建模和实车试验验证的、较为合理且适合企业设计开发应用的数字化模型。此混动车型发动机采用500马力，通过计算得到以下数据。

功率点1900rpm 扭矩点 1000rpm

表1 发动机出水温度计算结果

通过仿真计算，冷却系统满足发动机冷却要求，在混动重卡的冷却设计中，发动机冷却系统应满足最大散热量要求。

2 BTMS热管理系统

2.1 BTMS冷却管理

一般电池组是由多个电池模块组成，一个电池模块又由多个电池单体组成。这个装载有电池模块、电控系统以及其它部件的箱体通常被称作“电池组”。由于组成电池组的电池形状各异，数量不一，电池单体组成模块的方式不同，另外电池固定的方式，散热、加热系统，以及车辆内可供摆放电池组的有效空间也各不相同，这就使电池组的结构呈现多样化，需结合实际工况设计。因此为使电池组发挥最佳性能和寿命，需要优化电池组的结构，对它进行热管理开发，设计电池热管理系统（Battery Temperature Management System），BTMS用液体来冷却。使电池组达到最优的动力性和经济性[2]。

本文使用电池工作温度范围充电时为0-55℃，放电时为-20-55℃。电池的冷却系统采用冷却液散热器冷却，设计为两个电子风扇和一个冷却水泵冷却，工作模式都只有1档。电子风扇与电子水泵控制逻辑分为充电冷却与放电冷却，充电时考虑冷却余量，冷却液温度高于45℃时，风扇与水泵同时工作；当水温低于45℃时，风扇与水泵同时停止工作。放电逻辑同上。

图3 电池冷却系统构型

2.2 BTMS加热管理

在低温(低于-10℃)环境下启动车辆时，由于低温动力电池的放电性能比较差，电池的能量和功率难以发挥出来，导致整车性能下降，这时需要通过加热系统对电池进行预热，使其达到允许的工作温度范围。对于混合动力重卡汽车而言，电池组需要增加加热系统，目前解决方案就是电加热，用来满足环境温度较低时的电池使用性能，如环境温度过低，就需持续给电池加热，保证电池放电性能，冲电过程同样也需给电池组加热，保证电池的充电性能[5]。

2.3 BTMS设计趋势

BTMS设计时要考虑工程成本、电池组结构、车辆装载空间等实际因素、电池电流密度等[3,4]。BTMS设计需要进行整车布置，性能测试，开发控制策略，如果有整车冷却系统就更加复杂，当前BTMS控制逻辑开发需综合考虑；

（1）充放电模式的加热控制；

（2）单独冷却还是与电机共用一套冷却模式；

（3）多种冷却并存模式或单一冷却模式；

（4）全天候热管理系统；

图4 全天侯热管理智能系统

3 电机热管理系统

电机的冷却系统类似于发动机冷却，采用冷却液散热器冷却，设计为两个电子风扇冷却和一个电子水泵。电机工作时最高温度不能超过60℃，故在控制逻辑上考虑冷却余量，当电机冷却液温度传感器反馈给VCU电机冷却液高于50℃时，进行风扇及水泵的工作，且风扇和水泵都为1个档位；当电机冷却液温度传感器反馈给VCU低于50℃时，VCU控制风扇与水泵同时停转，控制能量消耗。电机控制逻辑比电池简单。

图5 电机冷却系统构型

4 结论

混动重卡设计先进的车辆热管理系统必须考虑动力舱内外流场、环境和动力装置冷却系统之间的相互影响，同时，随着智能控制技术的发展，采用了电控技术的散热风扇、冷却水泵等部件，通过高性能控制芯片和传感器根据实际的运行工况调节冷却模块温度，提供精确的热量散失与保存，实现智能化热量控制[5]。同时与汽车整车控制系统相匹配，改善了驾驶舒适性和车辆的整体性能，达到节能减排的效果。目前，车辆热管理技术正在趋于多元化、多方向发展。未来的多冷却模式及全天候热管理系统是主流研究与发展方向。

[1] 马骁.电动汽车锂离子电池温度特性与加热管理系统研究[M].北京:北京理工大学,2010:47-52.

[2] 焦洪杰.并联式混合动力汽车用镍氢电池冷却装置的研制[J].汽车技术,2003,(1):23-25.

[3] 杨毅夫.从EVS-17看国际电动车及动力电池发展趋势[J].电池, 2011,31(4):192-194.

[4] 陈清泉,孙逢春.混合电动车辆基础[M].北京:北京理工大学出版社,2001.27-79.

[5] 杨裕生,陈清泉,陈立泉,郑绵平.关于我国电动车的技术发展路线建议[J].新材料产业,2010,3:11-17.

Study on thermal management and control logic of hybrid heavy truck

Zhang Wenbo, Yang Zhigang, Wang Lei

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

The cooling system on the mixed moving heavy card is more complex. There are three cooling systems, engine cooling system, motor cooling system and battery cooling system, each of which controls different temperatures. Unified control by the vehicle controller VCU, the temperature control logic of the three cooling systems is defined in advance in VCU. In the vehicle design, the cooling capacity of each system should be designed and calculated for the final vehicle temperature control. Battery Temperature Management System (BTMS) will be further developed in an intelligent, all-weather manner, which has become an important part of the automobile assembly design.

Hybrid heavy duty truck; Battery thermal management group; Cooling

A

1671-7988(2018)18-43-03

U469.7

A

1671-7988(2018)18-43-03

CLC NO.: U469.7

张文博，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.016