纯电动城市客车驱动电机冷却系统控制策略研究

2021-12-24周广波周梦来丰林波张景玲

客车技术与研究 2021年6期

周广波, 周梦来, 丰林波, 张景玲

(扬州亚星客车股份有限公司，江苏扬州 225000)

驱动电机的性能和寿命对纯电动城市客车的可靠性及安全性有着极为重要的影响。纯电动城市客车在频繁起动、爬坡、加速等工况下，其电机如果冷却不良而导致温度过高，将引起电机转子中永磁体产生不可逆的热退磁现象，还会使电机绝缘材料发生质变，失去绝缘能力。此外，电机控制器中的一些电子元件和模块，如IGBT模块、主控板、电源板等，也会因温度过高而烧毁。目前大多数纯电动城市客车采用ATS冷却系统[1]。为优化纯电动城市客车冷却系统的性能，需要根据纯电动城市客车实际工况，实时监测电机和电机控制器温度[2]，分析冷却风扇工作特性，研究出最优控制策略。

1 ATS冷却系统控制策略

1.1 ATS冷却系统方案

目前纯电动城市客车ATS冷却系统方案有两种：一种如图1(a)所示，是以安装在散热器出入水口的温度传感器的温度信号作为反馈[3]；另一种如图1(b)所示，采用总线技术，取消温度传感器，直接以CAN网络上的电机和电控控制器的温度信息作为反馈。两种方案都根据反馈温度进行冷却条件的判断，如果满足冷却系统开启条件，则系统按照相应的控制策略实现冷却系统中风扇和水泵工作状态的适时变化，对不同状态下电机及其控制器进行温度控制，使驱动电机和控制器控制的温度在规定范围[4]。第一种方案可能存在温度传感器的可靠性差、温度信号滞后、风扇启动响应慢等缺陷，特别是在爬坡工况下，驱动电机及其控制器负载大，在短时间内本体温度迅速上升，但此时热量还来不及传递到水温传感器处，引起水泵和风扇滞后响应，从而使得因冷却系统不能及时降温而导致电机及其控制器温度过高。结合目前市场应用情况，本文主要研究第二种方案的控制策略。

(a) 方案一

1.2 控制策略设计

ATS冷却系统的性能在很大程度上依赖于其控制策略[5]。车辆启动时，冷却系统首先自动检测系统线路、风扇等是否正常，自检时风扇以最低转速运行约10 s。如果自检有问题，则自动进行故障诊断并报警。然后监测电机及其控制器反馈的实时温度，当电机或电机控制器温度上升到一定值后，冷却系统进入逻辑门控制模式，水泵全速运行，并且风扇开始以最高转速的25%运转。随着温度的继续升高，冷却系统的风扇进入PID控制模式[6], 风扇在最高转速的25%～100%区间增速运转。当电机或电机控制器反馈的温度达到设定的最高温度限定值时，风扇以最高转速持续运转；反之，随着温度的降低，风扇降速运转。为了避免水泵和风扇在开机与关机状态下频繁切换，开关温度设置回滞区，当电机和电机控制反馈的实时温度都降低到一定的值时，风扇和水泵根据相应的温度下限值分别关机[7]。根据实际情况，纯电动城市客车ATS冷却系统的水泵和风扇的启停及运转控制策略见表1。

表1 水泵和风扇的启停及运转控制策略

1.3 控制策略问题分析

上述控制策略中风扇转速是基于温度按照传统控制方法进行变化，不管纯电动城市客车是正常行车，还是进站停车，风扇转速都与电机或电控的温度成线性关系，导致在进站停车时因电机或电控的温度过高，使得风扇噪声尤其明显；由风扇性能可知，风扇转速加快，风扇流量增加，但效率却先升高后降低[8]，如图2所示，风扇的高效工作范围基本处于其中等负荷区[9]，但现有策略中风扇的经济工作区域占整个工作区域偏小(只占32%)，导致风扇能耗偏高。

图2 风扇工作效率曲线

2 控制策略优化及效果

对上述控制策略存在风扇经济工作范围占比少和进站停车时风扇噪声大两问题进行以下优化。

2.1 控制策略优化

1) 风扇控制温度优化。为了提高风扇高效工作范围占比，风扇控制温度除了停机温度、开机温度和全负荷运转温度，再增加一个中负荷运转温度(以50%风扇最高转速运转)，如图3所示，可以提高风扇的高效工作范围占比，有利于节能。

图3 风扇控制原理

2) 进站停车风扇噪声优化。进站停车时正常情况下电机及控制器不再工作，但有的站台建在坡道上，为防止起步溜坡，电机会瞬时堵转导致其温度迅速上升[10]。因此将控制策略优化细分为行车控制策略和进站停车策略：行车控制策略除风扇控制温度增加一个中负荷运转温度外，其余部分与前面一样；但进站停车策略除风扇控制温度增加一个中负荷运转温度外，还在进站停车时适当提高风扇工作的电机门限温度，以延迟风扇工作时间和降低风扇转速，从而降低停车进站时的噪声和能耗，提高舒适性和经济性。

3) 优化后的控制策略。因为进站停车时油泵DC/AC、空压机DC/AC、DC/DC等辅机控制器需要冷却液循环降温，所以水泵的控制策略不能变。对采取优化措施的控制策略中的风扇运转温度和控制方式进行重新标定，优化后的风扇控制策略见表2。