混合动力汽车加热及冷却控制策略

刘卫东， 彭玉环， 吴方义， 王爱春

（江铃汽车股份有限公司， 江西 南昌 330001）

近年来，在国家相关政策的大力支持和鼓励下，越来越多的主机厂开展了新能源汽车研究，包括混合动力汽车的研发，并投入市场。在双积分政策的压力下，主机厂已经开始面临油耗压力，混合动力汽车必将迎来一波发展浪潮［1-2］。

插电式混合动力汽车和传统汽车同样需要一套高效的整车热管理系统。传统汽车的热管理系统通常只包含发动机冷却、空调制冷系统以及变速器冷却等，相对而言比较简单，各热交换器之间相互影响较小，但是对于插电式混合动力汽车而言，不仅需对传统发动机、变速器，以及空调冷凝器进行冷却，还需要对电池包、DC-DC及驱动电机等进行冷却，对于热交换条件要求相对传统发动机而言较高，且高低温系统相互影响较大［3］。

1 整车加热系统控制

整车加热系统控制主要包括高压电池包及DC-DC加热控制。

1.1 电池包及DC-DC/OBC加热控制

在电池包温度TBP小于或等于0℃时默认只采用发动机启动。车辆启动之后，完成发动机加热；之后再完成空调暖风、除霜、除雾功能；待空调确认满足要求之后，再利用发动机水温给高压电池包及DC-DC加热。为满足空调性能要求，当高压电池包及DC-DC加热完成之后，空调AC开启PTC水加热控制［4］。

1.2 水泵控制

整车启动之后，VMS控制水泵1开始以速度V0工作，同时VMS监控电池包进水口温度，当温度低于一定值时，VMS控制水泵1以速度V1工作，水泵转速只以V0或V1两种转速工作，具体转速值按实车进行标定。

1.3 电磁阀控制

整车启动之后，电磁阀可控；整车未启动，电磁阀不可控。

冷启动控制：在外界环境温度小于或等于0度时，HCU控制发动机启动，发动机优先完成热机工作，之后空调开始利用发动机水温进行除霜、除雾、暖风等功能。整车上电后IGN有效，VMS完成初始化，并随时检测高压电池包进水口温度，当高压电池包进水口温度小于一定值时，且空调控制模块AC确认水阀可开启信号之后，VMS控制两位三通电磁阀，保证发动机冷却水路与高压电池包及DC-DC水路接通，从而利用发动机冷却水给高压电池包与DC-DC加热。

当高压电池包进水口温度达到一定值时，VMS控制两位三通阀连通，高压电池包水路切断。两位三通电磁阀只能实现水路连通/断开功能，不可以根据不同温度实现不同开度控制。

1.4 高压电池包预热控制

在车辆启动后，当高压电池包温度过低时，需要先完成电池包预热控制，使电池包温度加热至允许温度范围之内。低温情况下高压电池包放电温度区域分4个等级：①正常放电温度区 （0～45℃），能进行正常放电工作，放电电流为200A；②1级低温温度区（-5～0℃），放电效率较低，放电电流为60A；③2级低温温度区（-10～-5℃），放电效率差，放电电流为12A；④3级低温温度区（-15～-10℃），不可进行充电，放电电流为0A。

根据以上电池包放电性能，VMS及BMS共同完成电池包充电冷却控制策略。

当电池包温度TBP小于或等于0℃时，采用发动机启动车辆，车辆启动之后逐步完成如下工作。

1） 当高压电池包温度处于3级低温温度区时，VMS控制水泵1以速度V1工作，在接收空调AC发送的阀门可开启信号之后，VMS控制阀导通，从而使发动机水加热电池包，此时仪表显示电池包温度过低，车辆不允许使用EV模式运行。

2） 当高压电池包温度加热至2级低温温度区时，VMS控制水泵1以速度V1继续工作，水泵转速需要标定，同时由BMS控制放电电流处于要求范围之内 （5A），此时仪表显示电池包温度过低，车辆不允许使用EV模式运行。

3） 当高压电池包温度加热至1级低温温度区时，VMS控制水泵1以速度V1继续工作，水泵转速需要标定，同时由BMS控制放电电流处于要求范围之内（60A），此时仪表显示电池包温度过低，车辆不允许使用EV模式运行。

4） 当高压电池包温度加热至正常充电温度区（0～35℃）时，VMS继续控制水泵1以速度V0工作，水泵转速需要标定，水泵转速只需保证电池包温度一直处于正常放电温度区域。此时仪表显示正常提示信息，车辆允许使用EV模式。

1.5 高压电池包低温充电控制

整车不具备高压电池包低温充电控制，当充电时高压电池包温度过低时，BMS发送低温报警信号给网关，网关将该信号路由给仪表，仪表接收到有效信号之后，通过文字提醒乘员，将发动机启动，加热电池包之后方可充电。

2 整车冷却控制策略

整车冷却系统控制主要包括高压电池包及DC-DC冷却控制、高压电机冷却控制、发动机冷却控制、变速器冷却控制。

2.1 高压电池包及DC-DC/OBC冷却控制

高压电池包及DC-DC/OBC冷却系统主要由整车控制模块VMS、空调AC及HCU、ACU实现控制，其中包括水泵控制、电磁阀控制、压缩机控制。

当电池包温度大于或等于45℃时，默认只采用发动机启动。整车启动之后，VMS采集电池包进水口温度信号，并控制水泵1以不同转速工作，当温度超过35℃时，VMS控制请求压缩机工作。压缩机工作以后，空调AC结合冷媒压力信号，自行控制冷却风扇以高/低速工作。

2.2 水泵控制

整车启动之后，VMS控制水泵1开始以速度V0工作，同时VMS监控电池包进水口温度，当温度达到T1时，VMS控制水泵1以速度V1工作，当温度升高至T2时，VMS请求压缩机工作，水泵转速只以V0和V1两种转速工作，具体转速值需要实车进行标定。

水泵系统控制框图如图1所示。

图1 水泵系统控制示意图

2.3 电磁阀控制

整车启动之后，电磁阀可控；整车未启动，电磁阀不可控。

1） 两位三通阀控制：根据高压电池包与DC-DC水路走向要求，VMS通过控制一个两位三通电磁阀来实现冷却水路与加热水路的切换。当高压电池包进水口温度大于一定值时，三通阀保证冷却水路连通，加热水路关闭；当高压电池包与DC-DC温度低于一定值时，三通阀保证加热水路连通，冷却水路关闭。

2） 开关截止阀控制：开关截止阀常态是开启状态，用于空调制冷控制用，由空调AC控制。当空调需要制冷时，空调AC控制开关电磁阀常开（不通电），空调制冷冷媒管路接通；当空调不需要制冷，且高压电池包需要进阶冷却时，空调AC控制开关电磁阀闭合 （通电），空调制冷冷媒管路断开；当空调不需要制冷，高压电池包不需要进阶冷却时，空调AC控制开关电磁阀常开 （不通电），空调制冷冷媒管路接通。

电子膨胀阀（阀21） 常态是关闭状态，用于电池包进阶冷却用，由空调AC控制。当电池包需要进阶冷却时，空调AC控制阀开，电子膨胀阀开度由空调AC自行控制，用于保护蒸发器，从而实现电池包进阶冷却用；当电池包不需要进阶冷却时，空调AC控制阀关闭。

电磁阀系统控制框图如图2所示。

图2 电磁阀系统控制示意图

2.4 压缩机控制

当高压电池包进水口温度达到一定值时，整车控制模块VMS发送总线信号请求压缩机工作，空调接收VMS发送的压缩机工作请求信号之后，确认电池包及DC-DC/OBC发送的散热需求量，并结合当前整车动力模式，实现压缩机的开启与转速控制。

1） EV模式：当整车处于EV模式 （车辆静止或者运行）下，且空调AC接收到VMS发送的进阶冷却请求信号之后，空调通过总线接收电池包及DC-DC/OBC发送的散热量，计算压缩机转速，压缩机转速根据以下参数进行计算：①高压电池包散热量；②DC-DC/OBC散热量；③空调制冷量 （当空调不需要制冷时，空调制冷量等于0）。

空调AC整合以上制冷量需求，并计算出压缩机转速需求，同时结合冷媒压力信号，再发送压缩机离合器工作信号及压缩机速度信号给网关，网关路由该信号给HCU，HCU接收空调发送的有效信号之后，发送总线信号给ACU控制压缩机开始工作，同时发送电机转速信号给ACU实现压缩机不同转速控制。

2） HEV模式：当整车处于HEV模式，且车辆静止时，空调AC接收到VMS发送的进阶冷却请求信号之后，空调通过总线接收电池包及DC-DC/OBC发送的散热量，计算压缩机转速，压缩机转速根据以下参数进行计算：①高压电池包散热量；②DC-DC/OBC散热量；③空调制冷量 （当空调不需要制冷时，空调制冷量等于0）。

空调AC整合以上制冷量需求，并计算出压缩机转速需求，同时结合冷媒压力信号，再发送压缩机离合器工作信号及压缩机速度信号给网关，网关路由该信号给HCU，HCU接收该信号之后，发送AC离合器吸合请求信号给ACU，ACU接收HCU发送的有效信号之后，控制AC离合器吸合。同时HCU确认当前SOC值，当SOC大于一定值，HCU发送P0电机转速信号给ACU，从而实现压缩机开启与不同转速控制［5］。

当SOC小于一定值，HCU控制发动机启动，并发送ICE离合器吸合请求信号给ACU，ACU接收HCU发送的有效信号之后，控制ICE离合器吸合，此时，HCU对空调AC的压缩机转速请求信号不作响应。

当整车处于HEV模式下，且车辆处于运行情况下，若发动机运行，则压缩机由发动机带动，且HCU对空调AC的压缩机转速请求信号不作响应；若发动机不运行，则压缩机由P0电机带动，且HCU响应空调AC的压缩机转速请求，并通过控制P0电机的转速实现压缩机不同转速控制。

空调AC发出压缩机工作请求之后，空调采集冷媒压力信号，并根据冷媒压力信号发送冷却风扇工作请求信号给网关，网关路由该信号给发动机ECM，继而控制冷却风扇以高/低速工作。

空调AC根据冷媒压力大小，负责压缩机保护控制，当冷媒压力过高或过低时，空调AC发送总线信号给网关，网关路由该信号给HCU，继而控制压缩机停止工作。压缩机保护控制优先于功能控制。

空调AC通过总线实时接收VMS发送的高压电池包进水口温度，并用该温度信号诊断电池包及DC-DC/OBC的冷却效果，当电池包进水口温度大于T时，空调AC发送电池包进阶冷却失效信号给仪表，仪表显示相关提醒信息。

压缩机控制系统框图如图3所示。

2.5 车辆启动后高压电池包高温冷却控制

在车辆启动后，当高压电池包温度过高时，需要先完成电池包冷却控制，使电池包温度降低至允许温度范围之内。

高温情况下高压电池包放电温度区域分4个等级：①正常温度区 （0～45℃），能进行正常放电工作，放电电流为200A；②1级高温温度区 （45～50℃），放电效率较低，放电电流为60A；③2级高温温度区（50～55℃），放电效率差，放电电流为12A；④3级高温温度区 （55～60℃），不可进行充电，放电电流为0A。

根据以上电池包放电温度性能要求，VMS及BMS共同完成电池包充电冷却控制策略。当电池包温度超过45℃时，采用发动机启动车辆，车辆启动之后逐步完成如下工作。

1） 当高压电池包进水口温度处于3级高温温度区时，VMS控制水泵1以速度V1工作，同时请求压缩机工作，水泵转速需要标定，此时仪表显示电池包温度过高，车辆不允许使用EV模式运行。

2） 当高压电池包温度降低至2级高温温度区时，VMS控制水泵1以速度V1工作，冷却风扇及压缩机继续工作，水泵转速需要标定，此时BMS控制放电电流处于要求范围之内（5A），且仪表显示电池包温度过高，车辆不允许使用EV模式运行。

3） 当高压电池包温度降低至1级高温温度区时，VMS控制水泵1以速度V1工作，冷却风扇及压缩机继续工作，水泵转速需要标定，同时由BMS控制放电电流处于要求范围之内（60A），此时仪表显示电池包温度过高，车辆不允许使用EV模式运行。

4） 当高压电池包温度降低至正常温度区 （35～45℃）时，VMS继续控制水泵1以速度V1工作，水泵转速需要标定，此时水泵转速只需保证电池包温度一直处于正常放电温度区域。此时仪表显示正常提示信息，车辆允许使用EV模式。

5） 当高压电池包温度降低至正常温度区（0～35℃） 时，VMS继续控制水泵1以速度V0工作，水泵转速需要标定，此时水泵转速只需保证电池包温度一直处于正常放电温度区域。此时仪表显示正常提示信息，车辆允许使用EV模式。

图3 压缩机控制示意图

图4 动力系统电机冷却控制示意图

2.6 动力系统电机冷却控制

整车动力系统电机冷却控制系统主要由整车控制模块VMS、动力控制模块HCU、辅助电机控制模块ACU、牵引力电机控制模块MCU、发动机控制模块ECM来实现控制。其中包括水泵控制、电磁阀控制、冷却风扇控制。

1） 水泵控制：整车启动之后，VMS控制水泵2与水泵3以速度V0工作，当动力系统P3电机进水口温度大于一定值时，VMS控制水泵2与水泵3以速度V1工作。 系统控制框图如图4所示。

2） 冷却风扇控制：整车启动之后，辅助电机控制模块ACU与牵引力控制模块MCU实时监控对应控制电机的温度，当辅助电机温度超过一定值时，ACU通过总线发送冷却风扇请求信号给HCU；当牵引力电机温度超过一定值时，MCU通过总线发送冷却风扇请求信号给HCU。HCU接收ACU或MCU发送的有效信号，再通过总线将冷却风扇请求信号给发动机控制模块ECM。当冷却风扇工作用于电机冷却时只存在高速挡。系统控制框图如图5所示。

图5 冷却风扇控制示意图

3 总结

混合动力汽车的热管理系统与传统燃油汽车差异大，本文设计的插电式混合动力汽车加热及冷却控制策略通过夏季和冬季路试试验，对整个热管理系统进行分析确认，验证了电池保温性能、充电冷却性能、电池冷却性能、电驱冷却性能、发动机冷却性能都达到设计需求目标，同时也对行车加热性能及停车充电加热性能做了基本考核，证实热管理系统满足设计目标。