新能源车辆热管理实验教学平台开发和应用

2020-03-09陈俊玄俞小莉

实验技术与管理 2020年12期

黄瑞，薛松，陈俊玄，俞小莉

（1.浙江大学能源工程学院，浙江杭州 310027；2.浙江大学能源与动力国家级实验教学示范中心，浙江杭州 310027）

新能源汽车具有能量利用率高、环保效应好、能够改善国家地区能源结构和电网系统峰谷负荷平衡等优点，得到了政府和企业的重视，整体保有量不断提升。纯电动汽车是现阶段新能源汽车的主要发展对象。除了常规的车身技术和底盘技术，新能源汽车相比传统内燃机汽车还具有独特的动力总成系统，即由动力电池、驱动电机和电机控制器组成的“三电系统”。而热管理对于新能源汽车的三电系统及整车的安全和高效运行至关重要。对于动力电池系统来说，热管理系统需要根据车辆的运行环境和工况对其进行冷却或加热，以解决在温度过高或过低的情况下动力电池热失控、不能充分放电的问题，并平衡各单体电池的温度状况以提升动力电池整体性能寿命[1-3]；对于由驱动电机和电机控制器组成的驱动系统来说，热管理系统需要对其温度状况进行准确控制，使得由各种损耗而产生的热量能够及时散出，保证驱动系统工作在安全高效的温度区间内[4-5]；对于空调系统来说，尽管新能源汽车采用的电动压缩机能够独立于车辆实际运行状况工作，并且可以从动力电池获得稳定的功率支持，但空调系统能耗较高，严重影响车辆的续航里程[6]。因此，新能源汽车的热管理系统既要保证三电系统工作在安全高效的温度区间内，也要尽可能地减少车辆的整体能耗，以提高整车的能量利用率。

实验研究方法对新能源汽车热管理技术的开发和验证具有重要作用[7-11]。为了应对新能源汽车技术的不断发展，高校需要对车辆工程等相关专业的教学内容进行相应的调整和改革，以满足学生的日常学习和工程实践的需求。目前车辆工程专业已经具备了一系列针对新能源汽车的理论教学课程，但相关实验教学内容还不够完善，需要及时更新；尽管现阶段已经具备了演示实验教学的相关设备[12-13]，但还缺乏能够对学生开放并能够让学生自主进行先进热管理技术相关实验的实践应用平台，实验设备还有待进一步补充。因此，本文针对日常教学过程中的实际需求，设计了一种新能源汽车热管理实验教学平台，用于补充新能源汽车理论教学课程的实验教学内容，以进一步提高学生对课程理论的理解程度，并培养和锻炼学生的创新能力和面对实际工程问题的实践应用能力。

1 总体方案设计

新能源汽车热管理实验教学平台需要针对新能源汽车的结构原理特点，实现在多种实验条件和工况下测试得到热管理系统的关键热物理参数，进而计算得出热管理系统的实际热状况和实际能耗；所有热管理数据需要集成在同一实验平台中，实现数据的实时采集、处理、存储和分析，并具备数据远程监控功能；为了获得实验的全面数据，实验教学平台还需采集车辆已安装的传感器数据和实验地理位置等信息。通过本实验平台，既要随时保证系统工作在安全高效的温度区间内，也要通过控制策略的调整来降低新能源汽车热管理系统的整体能耗，实现对新能源汽车热管理系统的精确控制。

锂离子电池是新能源汽车常用的动力电池类型，在工作过程中会产生大量热量，按其产热来源通常可以分为反应热Qr、欧姆热Qj、极化热Qp和副反应热Qs，而目前较为常用的锂离子电池总体产热功率模型是Bernardi 等[14]提出的计算模型公式。该模型假设锂离子电池内部热源产热均匀，由此提出以下计算模型公式：

式中：qcell为锂离子电池产热速率，W/m3；I为充放电电流，A；V为锂离子电池生热体体积，m3；Uoc为锂离子电池开路电压，V；U为锂离子电池工作电压，V；T为锂离子电池温度，K；为锂离子电池电压受温度影响系数，V/K。

锂离子电池的产热主要与其工作状态及温度状况有关，一部分热量被电池内部吸收导致电池本体温度上升；另一部分热量通过热传导、热对流和热辐射等多种传热方式散去，在热交换充分的情况下，可以认为传热介质与电池交换了全部传热量，其计算公式为：

式中：Pm为介质传热功率，W；cm为介质比热容，J/（kg℃）；为介质流量，kg/s；Δtm为介质温度变化，℃。

驱动电机的铁芯损耗、绕组损耗、机械损耗和杂散损耗及电机控制器的通态损耗和开关损耗也会主要以热的形式散发出来，造成驱动系统温度的上升；DC/DC 和车载充电机等大功率电气元件在工作过程中也会产生损耗并以热的形式散发出来，造成其温度上升；空调系统的电动压缩机和PTC 电加热器则是主要的能量消耗者。通过对动力电池系统、驱动系统、大功率电气元件系统及空调系统的产热原理、传热机制和能耗状况进行理论分析后，整理得出本实验教学平台需要测量的关键物理参数，如表1 所示。这些物理参数一部分可以通过布置传感器测试得出，另一部分可以通过与电池管理系统（battery management system，BMS）及电机控制器（motor control unit，MCU）进行CAN 总线通信获得。此外，车辆的基本运行状况同样可以通过与车辆控制器（vehicle control unit，VCU）进行CAN 总线通信获得。

表1 新能源汽车热管理实验教学平台测量物理参数

进一步按照被测物理参数类型来分类，可以总结得出传感器系统的测试需求，如表2 所示。散热量、能耗等热管理参数可以通过测量的物理参数进一步计算得出。

表2 传感器测试物理参数类型

通过分析，总结得出图1 的新能源汽车热管理实验教学平台的总体架构。

图1 新能源汽车热管理实验教学平台总体架构

传感器系统主要用于测量常规物理参数如温度、流量、压力、电流、电压等，将实际物理信号转换成易处理的电信号，通过信号采集系统进一步转换成数字信号集中到上位机进行统一采集、处理和分析；VCU/BMS/MCU 等车载ECU 可以采集车辆已安装传感器的数据，通过CAN 总线传输给信号采集系统统一采集和处理后，在上位机系统中进一步对CAN 帧数据信息进行解析；GPS 作为专用测量设备集成到上位机系统中，可以提供实时地理位置信息，扩展实验教学平台的功能性。除此以外，实验教学平台还可以实现网络远程监控，将实验数据远程存储和共享化，方便教师及学生有效跟踪处理。

2 硬件系统设计

根据平台总体架构，并结合传感器的工作原理及平台的实际使用需求和布置条件，整理得到表3 的传感器信号类型，完成了传感器系统的选型设计。

表3 传感器信号类型

信号采集系统选取选用NI 公司的CompactRIO 系统（简称cRIO 系统）。该系统具备高处理性能、传感器专用I/O 模块和紧密集成的软件链，在工业物联网、测试控制、高校实验教学科研活动中得到广泛应用。本实验教学平台选用cRIO-9037 控制器，具有8 个插槽，工作温度范围为-20～55 ℃，提供一个或多个以太网端口、无线端口、RS-232 串行端口等通信端口，可以满足和绝大多数设备通信的需求；选用NI-9214、NI-9216、NI-9208、NI-9228、NI-9423、NI-9853、NI-9264和NI-9485 共8 个I/O 模块，满足表3 中传感器系统信号测试需求，并具备CAN 总线通信功能和控制信号输出功能，所有模块的工作温度范围均为-40～70 ℃。

综合以上设计，新能源汽车热管理实验教学平台硬件系统主要由传感器、cRIO 系统、上位机等设备组成，并辅助配置GPS 和执行器等硬件模块，总体架构如图2 所示。

图2 新能源汽车热管理实验教学平台硬件系统架构

传感器将待测物理参数转换为相应的电流、电压和脉冲信号输入至cRIO 系统，通过模数转换后完成信号调理、数据采集、初步处理解析等操作，上位机对cRIO 系统和GPS 模块的数据进一步处理，以实现对所有测试数据的显示、分析和存储等。该硬件系统可实现进一步扩展，接入其他符合系统要求的传感器输出信号、执行器控制信号和CAN 总线通信节点。

3 软件系统开发

基于LabVIEW 语言开发相应的软件系统，以满足新能源汽车热管理实验教学平台的功能需求。LabVIEW是由NI 公司开发的图形化编程语言，广泛应用于工业自动化、测试测量、FPGA 等众多领域，配合cRIO系统使用。LabVIEW 语言以VI 文件为基本单元，每个VI 文件由前面板和程序框图构成，前面板负责进行交互操作，程序框图用于编写具体代码。

根据上位机和cRIO 虚拟仪器系统的硬件条件和所搭载的操作系统，将整个软件系统的功能任务进行合理划分，以发挥硬件系统的最大性能。从底层到顶层，软件系统整体程序可以划分为FPGA 程序、实时控制器程序和上位机程序，各部分程序的具体任务功能和数据通信方式如图3 所示。

图3 新能源汽车热管理实验教学平台软件系统总体架构

新能源汽车热管理实验教学平台软件系统具备多种功能，包括数据采集与控制功能、CAN 总线通信功能、程序启动界面功能、用户登录功能、系统日志记录功能、串口通信功能、数据显示存储功能、网络远程监控系统数据功能、系统常用菜单功能及自定义实验需求配置功能等。

热管理系统的各个测试模块可以通过点击软件系统主程序界面上的按钮来激活。以图4 的电池系统测试模块窗口为例，相关物理参数的数值显示在左侧的多列列表框中，其变化曲线显示在右侧的波形图表内，方便实验学生观察。在每个测试模块中，学生与软件系统交互会产生新的事件，包括单击列表框内不同物理参数时需要在右侧波形图表内显示其变化曲线的事件，及保存、打开、停止、返回主页等常用事件。

新能源汽车热管理实验教学平台还具备自定义试验需求配置功能，该功能允许学生实现热管理测试系统功能配置的扩展，对应于软件系统中设计的“设置”菜单栏中的“cRIO 系统设置”“测试模块设置”“显示模块设置”等功能，可以实现不同实验需求的系统配置。以图5 的“测试模块设置”功能为例，当学生布置好相应的传感器后，可以选择在原有的测试模块基础上增加新的测试模块，设置相应测试物理参数的名称、单位等参数，并可以选择显示和存储的数据精度，以满足特定的实验实践需求，具备较高的灵活性。

图4 电池系统测试模块数据显示界面

图5 热管理系统测试模块自定义设置功能界面

4 热管理实验教学平台应用研究

4.1 研究对象

选取某品牌型号新能源汽车三电系统作为研究对象，对实验教学平台进行应用研究。实验的目的是为了获得动力电池、驱动电机和电机控制器在不同工况下达到热平衡时的产热功率和温度状况，为相关仿真工作和热管理控制策略的设计验证提供可靠的实验数据。动力电池单体额定电压3.6 V、单体数量264 个、单体内阻2 mΩ、电池包额定电压309.6 V、电池包额定容量125 Ah、电池包总电量38.7 kWh、荷电状态（state of charge，SOC）放电区间1.0～0.05，驱动电机额定电压189 V、额定功率53 kW、额定转矩127 Nm额定转速4 000 r/min，电机控制器电源电压12 V、额定容量100 kVA、最大容量150 kVA、持续工作电流170 A。

动力电池由三元锂离子电池组成，采用液冷方式，冷却液为50%的乙二醇水溶液，与散热器、电子风扇、电子水泵、管道等部件组成动力电池热管理回路；驱动电机为三相Y 型无刷永磁同步电机，与电机控制器组成驱动系统串联布置在另一独立的热管理回路中。

4.2 实验方案设计

每次循环试验前，首先使用车载慢充系统依据充电规程对动力电池进行恒流恒压充电，保证试验前动力电池的SOC 值为1.0。电机的额定工况为转速4 000 r/min、转矩127 Nm，而根据测试工况分析[15]可以计算得到该动力总成系统在65 km/h 等速行驶状况时电机工况近似为转速4 000 r/min、转矩50 Nm，因此选取试验工况为电机额定转速4 000 r/min，电机扭矩分别为50、70、90、110 和127 Nm。使用无极调速水泵保持动力电池热管理回路中冷却液流量为12 L/min，驱动系统热管理回路中冷却液流量为10 L/min，并使用恒温水箱尽可能保证这两种热管理回路入口处冷却液与试验初始温度保持相同，分别为30 和45 ℃。试验过程中动力电池SOC 值变化范围为1.0～0.2，以保证动力电池不过放。此外，试验环境温度为（10±5）℃，相对湿度为（50±10）%。试验还基于以下假设：在多循环试验中动力电池的健康状态(state of health，SOH)值始终为100%；动力电池的最大容量为其额定容量125 Ah。试验过程中试验系统记录下三电系统冷却液的进出口温度、三电系统的各自温度等热物理参数。

4.3 实验结果分析

忽略实验过程中动力电池和驱动系统热管理回路与空气对流换热和向空气辐射交换的热量，可以认为当三电系统各自温度和其冷却液进出口温度稳定时即达到了热平衡状态，此时三电系统的产热功率即等于冷却系统的散热功率。实验测试得到三电系统的工作温度值，及动力电池热管理回路和驱动系统热管理回路的冷却液流量和进出口温度，可以根据式（2）进一步计算各热管理系统的散热功率。

实验结果表明，在放电结束时，电池包内部的多个测点温度和热管理回路出口冷却液温度依旧在上升，表明动力电池在试验过程中并没有达到热平衡状态，图6 为转速4 000 r/min、不同扭矩工况下各循环实验结束时电池平均温度。