探析新能源汽车的动力电池热管理控制器的设计要点及思路

2021-11-28

应用能源技术 2021年5期

(同济大学，上海 200082)

0 引言

我国的汽车行业以燃油汽车为主，在汽车保有量增高的现下，尾气排放带来的环境污染也越来越重，基于保护环境，推动节能减排战略的目的，新能源电动汽车逐渐成为未来汽车发展的导向标杆。现在的电动汽车所使用的动力电池包以锂离子蓄电池为主，这种电池的优点在于其使用先进的清洁能源，几乎不会产生任何废气，但因为在驱动时会产生大量的热量，如果没有配套的散热系统，将会极大损害汽车的组件寿命，故而研究如何有效散热，是推动电动汽车发展中极为必要的一环。

1 热管理系统的常用方案

新能源电动汽车的热管理系统由压缩机、电子水泵、电子风扇、PTC加热器、温度传感器、三态压力开关等几个部件，其动力电池有预加热和制冷两路循环降温系统，预加热循环是通过在电子水泵的进水口处和出水口处设置温度传感器，这个传感器与PTC加热器用外部接口电源相连，当汽车开始运作时，传感器检测电子水泵的水温，加热器接受CAN信息，如果电池包的温度降低至标准界限下，加热器开始工作，让流经的水温升高，热水通过电子水泵的作用流经汽车的动力电池包，这样就对电池起到一个加热的效果，而如果加热器接受到电池包温度过低的信息便会停止工作，这样流经电池包的便是可以起到降温效果的凉水[1]。另一种散热系统叫做制冷剂循环，这种散热系统吸取了空调的制冷原理，用气态制冷剂或者是液态制冷剂实现高低压变化，然后在压缩机和蒸发器等组件的配合下进行热量吸收或者释放，来起到平衡电池包温度的作用。

2 动力电池热管理控制器的设计要点

从电池包的散热原理可见，热管控制器的设计要点在于信号的稳定性，信号如果能够快速接受，那么散热系统就可以及时作出反应，确保汽车驾驶中动力系统的温度稳定。那么基于此种思路，动力电池的热管理控制器应当要囊括温度处理模块、反馈模块、单片机模块、通讯模块、电源模块、驱动模块和输出模块，其中电源模块是基础模块，用于向其它模块提供电能，是支持所有模块运作的根本，温度处理模块负责进行电压值采样，驱动模块负责风扇和水泵的运转速度调控，反馈模块用于接收风扇及水泵的故障反馈信号，并将信号传输给单片机，单片机模块获取到反馈模块的故障反馈信号，又对传感器电压值展开ADC采样，最终向通讯模块输出PWM信号，通讯模块根据接收到的PWM信号就可以实现外界交互，从而决定散热系统是否运行。

根据这个运作结构来看，除了支持各模块运行的电源模块外，通讯模块是整个结构中最关键的模块之一，它是控制压缩机、单机片和PTC实现与外界信息交互的桥梁，如果通讯模块发生故障，可能会导致散热系统无法正常运作。因为控制器关键点在于信号接收，预加热循环和制冷循环并非是直接根据电池热度智能化运行，而是根据通讯模块发出的PWM信号决定是否开始散热，因此整个控制器的运作思路可以归纳为通电开起主程序，主程序接受电池包报文信息，确定是否接受报信息，收到报文信息给出指令，散热系统了解电池包温度，散热系统开展运作[2]。但其中的问题在于，如果控制器没有接受到报文信息，系统应该尽入何种循环？为此笔者认为，要实现完备的散热设计，系统至少应该拥有两套循环，即在散热循环之外还应该有一套失效循环，失效循环的作用便是在报文信息未被接受的情况下可以被执行，从而避免故障的发生。

3 动力电池热管理控制器的设计思路

控制器的设计顾及两个方面，收到电池包报文信息的情况下选择执行的模式和未收到报文信息的情况下选择执行的模式。前文提到过，未收到报文信息时系统需要进入失效循环，而收到报文信息便进入散热循环，散热循环中根据报文信息展示的电池包温度又分成制冷、制热和待机等几个子循环模式。如果无法判断报文信息，便跳出子循环，重新判断，直到软件确定温度后再启动相应模式。归结而言，控制器系统要具备如下几个程序系统：判断温度和选择循环类型的主程序；在没有接受报文信息情况根据出水口温度进行循环选择的失效循环系统；根据电池温度进行平衡调控的制冷制热系统；在电池包温度处于适当区间时利用水循环消解余热的自循环系统；只接受电源模块供电，不调动其它模块运转的待机程序。

整个系统由CAN控制器局域网络来实现协调，加入ZigBee作混合开发，以嵌入式Linux环境为开发环境，以ZigBee协议为组网设计，主程序的数据交叉编译控制可以采用QOS技术研发，Linux的内核触发则由ARM模块完成，在通讯信息进行交互行为，其需要的脉冲信号用MPLL锁相环产生。除程序加载外，所有模块直接连接主程序，其中信息采集模块、底层数据库为信息输入模块，信息自适应处理模块和功能组件模块为信息输出模块，传输总线与主程序保持输出/输入的双向交互功能，程序加载和传输总线保持输出/输入的双向交互功能[3]。通过这样的设计方式可以提高主程序的响应速度[3]。CAN和压缩机的转速直接相连，根据通讯信号决定压缩机之前的打开状态。在开机之前，CAN系统会先打开电子风扇，以防系统压力过高，造成压缩机的自我保护而自动停机。压缩机打开之后，会首先对系统的三态开关状态进行读取，如果当前压力的高于或者低于标准值，三态开关就会向控制器主板传输对应的信号，得到信号之后电子风扇的转速会适当做出调整，保证压力值可以控制在适当的范围之中。系统通过对失效标志位状态的读取来确定需要采取的措施，措施共有两种，一种是选择报文信息，这样制冷制热系统会启动，另一种措施是根据出水口的温度判断是否跳出当前循环返回主程序。

在启动制热循环的情况下，主要根据CAN来控制PTC加热器的功率，在打开PTC加热器之前，系统会先执行开放水泵的命令，这种工作顺序的目的在于如果-直给加热器管道内的水加热，会导致水温一直上升，PTC加热器也会在达到最高温后停止工作，因此让水泵先于PTC加热器开放，有助于减少控制器突然停机的情况。在散热完成之后，控制器会进入自循环模式，此时启动水路循环，利用水流将电池包的多余热量带走。在温度达到理想状态时，网络会再发送报文信息，主程序便能根据报文温度信息选择下一个子循环。