新能源車輛熱管理實驗教學平臺開發和應用

黃 瑞，薛 松，陳俊玄，俞小莉

（1.浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學 能源與動力國家級實驗教學示范中心，浙江 杭州 310027）

新能源汽車具有能量利用率高、環保效應好、能夠改善國家地區能源結構和電網系統峰谷負荷平衡等優點，得到了政府和企業的重視，整體保有量不斷提升。純電動汽車是現階段新能源汽車的主要發展對象。除了常規的車身技術和底盤技術，新能源汽車相比傳統內燃機汽車還具有獨特的動力總成系統，即由動力電池、驅動電機和電機控制器組成的“三電系統”。而熱管理對于新能源汽車的三電系統及整車的安全和高效運行至關重要。對于動力電池系統來說，熱管理系統需要根據車輛的運行環境和工況對其進行冷卻或加熱，以解決在溫度過高或過低的情況下動力電池熱失控、不能充分放電的問題，并平衡各單體電池的溫度狀況以提升動力電池整體性能壽命[1-3]；對于由驅動電機和電機控制器組成的驅動系統來說，熱管理系統需要對其溫度狀況進行準確控制，使得由各種損耗而產生的熱量能夠及時散出，保證驅動系統工作在安全高效的溫度區間內[4-5]；對于空調系統來說，盡管新能源汽車采用的電動壓縮機能夠獨立于車輛實際運行狀況工作，并且可以從動力電池獲得穩定的功率支持，但空調系統能耗較高，嚴重影響車輛的續航里程[6]。因此，新能源汽車的熱管理系統既要保證三電系統工作在安全高效的溫度區間內，也要盡可能地減少車輛的整體能耗，以提高整車的能量利用率。

實驗研究方法對新能源汽車熱管理技術的開發和驗證具有重要作用[7-11]。為了應對新能源汽車技術的不斷發展，高校需要對車輛工程等相關專業的教學內容進行相應的調整和改革，以滿足學生的日常學習和工程實踐的需求。目前車輛工程專業已經具備了一系列針對新能源汽車的理論教學課程，但相關實驗教學內容還不夠完善，需要及時更新；盡管現階段已經具備了演示實驗教學的相關設備[12-13]，但還缺乏能夠對學生開放并能夠讓學生自主進行先進熱管理技術相關實驗的實踐應用平臺，實驗設備還有待進一步補充。因此，本文針對日常教學過程中的實際需求，設計了一種新能源汽車熱管理實驗教學平臺，用于補充新能源汽車理論教學課程的實驗教學內容，以進一步提高學生對課程理論的理解程度，并培養和鍛煉學生的創新能力和面對實際工程問題的實踐應用能力。

1 總體方案設計

新能源汽車熱管理實驗教學平臺需要針對新能源汽車的結構原理特點，實現在多種實驗條件和工況下測試得到熱管理系統的關鍵熱物理參數，進而計算得出熱管理系統的實際熱狀況和實際能耗；所有熱管理數據需要集成在同一實驗平臺中，實現數據的實時采集、處理、存儲和分析，并具備數據遠程監控功能；為了獲得實驗的全面數據，實驗教學平臺還需采集車輛已安裝的傳感器數據和實驗地理位置等信息。通過本實驗平臺，既要隨時保證系統工作在安全高效的溫度區間內，也要通過控制策略的調整來降低新能源汽車熱管理系統的整體能耗，實現對新能源汽車熱管理系統的精確控制。

鋰離子電池是新能源汽車常用的動力電池類型，在工作過程中會產生大量熱量，按其產熱來源通?？梢苑譃榉磻獰酫r、歐姆熱Qj、極化熱Qp和副反應熱Qs，而目前較為常用的鋰離子電池總體產熱功率模型是Bernardi 等[14]提出的計算模型公式。該模型假設鋰離子電池內部熱源產熱均勻，由此提出以下計算模型公式：

式中：qcell為鋰離子電池產熱速率，W/m3；I為充放電電流，A；V為鋰離子電池生熱體體積，m3；Uoc為鋰離子電池開路電壓，V；U為鋰離子電池工作電壓，V；T為鋰離子電池溫度，K；為鋰離子電池電壓受溫度影響系數，V/K。

鋰離子電池的產熱主要與其工作狀態及溫度狀況有關，一部分熱量被電池內部吸收導致電池本體溫度上升；另一部分熱量通過熱傳導、熱對流和熱輻射等多種傳熱方式散去，在熱交換充分的情況下，可以認為傳熱介質與電池交換了全部傳熱量，其計算公式為：

式中：Pm為介質傳熱功率，W；cm為介質比熱容，J/（kg℃）；為介質流量，kg/s；Δtm為介質溫度變化，℃。

驅動電機的鐵芯損耗、繞組損耗、機械損耗和雜散損耗及電機控制器的通態損耗和開關損耗也會主要以熱的形式散發出來，造成驅動系統溫度的上升；DC/DC 和車載充電機等大功率電氣元件在工作過程中也會產生損耗并以熱的形式散發出來，造成其溫度上升；空調系統的電動壓縮機和PTC 電加熱器則是主要的能量消耗者。通過對動力電池系統、驅動系統、大功率電氣元件系統及空調系統的產熱原理、傳熱機制和能耗狀況進行理論分析后，整理得出本實驗教學平臺需要測量的關鍵物理參數，如表1 所示。這些物理參數一部分可以通過布置傳感器測試得出，另一部分可以通過與電池管理系統（battery management system，BMS）及電機控制器（motor control unit，MCU）進行CAN 總線通信獲得。此外，車輛的基本運行狀 況同樣可以通過與車輛控制器（vehicle control unit，VCU）進行CAN 總線通信獲得。

表1 新能源汽車熱管理實驗教學平臺測量物理參數

進一步按照被測物理參數類型來分類，可以總結得出傳感器系統的測試需求，如表2 所示。散熱量、能耗等熱管理參數可以通過測量的物理參數進一步計算得出。

表2 傳感器測試物理參數類型

通過分析，總結得出圖1 的新能源汽車熱管理實驗教學平臺的總體架構。

圖1 新能源汽車熱管理實驗教學平臺總體架構

傳感器系統主要用于測量常規物理參數如溫度、流量、壓力、電流、電壓等，將實際物理信號轉換成易處理的電信號，通過信號采集系統進一步轉換成數字信號集中到上位機進行統一采集、處理和分析；VCU/BMS/MCU 等車載ECU 可以采集車輛已安裝傳感器的數據，通過CAN 總線傳輸給信號采集系統統一采集和處理后，在上位機系統中進一步對CAN 幀數據信息進行解析；GPS 作為專用測量設備集成到上位機系統中，可以提供實時地理位置信息，擴展實驗教學平臺的功能性。除此以外，實驗教學平臺還可以實現網絡遠程監控，將實驗數據遠程存儲和共享化，方便教師及學生有效跟蹤處理。

2 硬件系統設計

根據平臺總體架構，并結合傳感器的工作原理及平臺的實際使用需求和布置條件，整理得到表3 的傳感器信號類型，完成了傳感器系統的選型設計。

表3 傳感器信號類型

信號采集系統選取選用NI 公司的CompactRIO 系統（簡稱cRIO 系統）。該系統具備高處理性能、傳感器專用I/O 模塊和緊密集成的軟件鏈，在工業物聯網、測試控制、高校實驗教學科研活動中得到廣泛應用。本實驗教學平臺選用cRIO-9037 控制器，具有8 個插槽，工作溫度范圍為-20～55 ℃，提供一個或多個以太網端口、無線端口、RS-232 串行端口等通信端口，可以滿足和絕大多數設備通信的需求；選用NI-9214、NI-9216、NI-9208、NI-9228、NI-9423、NI-9853、NI-9264和NI-9485 共8 個I/O 模塊，滿足表3 中傳感器系統信號測試需求，并具備CAN 總線通信功能和控制信號輸出功能，所有模塊的工作溫度范圍均為-40～70 ℃。

綜合以上設計，新能源汽車熱管理實驗教學平臺硬件系統主要由傳感器、cRIO 系統、上位機等設備組成，并輔助配置GPS 和執行器等硬件模塊，總體架構如圖2 所示。

圖2 新能源汽車熱管理實驗教學平臺硬件系統架構

傳感器將待測物理參數轉換為相應的電流、電壓和脈沖信號輸入至cRIO 系統，通過模數轉換后完成信號調理、數據采集、初步處理解析等操作，上位機對cRIO 系統和GPS 模塊的數據進一步處理，以實現對所有測試數據的顯示、分析和存儲等。該硬件系統可實現進一步擴展，接入其他符合系統要求的傳感器輸出信號、執行器控制信號和CAN 總線通信節點。

3 軟件系統開發

基于LabVIEW 語言開發相應的軟件系統，以滿足新能源汽車熱管理實驗教學平臺的功能需求。LabVIEW是由NI 公司開發的圖形化編程語言，廣泛應用于工業自動化、測試測量、FPGA 等眾多領域，配合cRIO系統使用。LabVIEW 語言以VI 文件為基本單元，每個VI 文件由前面板和程序框圖構成，前面板負責進行交互操作，程序框圖用于編寫具體代碼。

根據上位機和cRIO 虛擬儀器系統的硬件條件和所搭載的操作系統，將整個軟件系統的功能任務進行合理劃分，以發揮硬件系統的最大性能。從底層到頂層，軟件系統整體程序可以劃分為FPGA 程序、實時控制器程序和上位機程序，各部分程序的具體任務功能和數據通信方式如圖3 所示。

圖3 新能源汽車熱管理實驗教學平臺軟件系統總體架構

新能源汽車熱管理實驗教學平臺軟件系統具備多種功能，包括數據采集與控制功能、CAN 總線通信功能、程序啟動界面功能、用戶登錄功能、系統日志記錄功能、串口通信功能、數據顯示存儲功能、網絡遠程監控系統數據功能、系統常用菜單功能及自定義實驗需求配置功能等。

熱管理系統的各個測試模塊可以通過點擊軟件系統主程序界面上的按鈕來激活。以圖4 的電池系統測試模塊窗口為例，相關物理參數的數值顯示在左側的多列列表框中，其變化曲線顯示在右側的波形圖表內，方便實驗學生觀察。在每個測試模塊中，學生與軟件系統交互會產生新的事件，包括單擊列表框內不同物理參數時需要在右側波形圖表內顯示其變化曲線的事件，及保存、打開、停止、返回主頁等常用事件。

新能源汽車熱管理實驗教學平臺還具備自定義試驗需求配置功能，該功能允許學生實現熱管理測試系統功能配置的擴展，對應于軟件系統中設計的“設置”菜單欄中的“cRIO 系統設置”“測試模塊設置”“顯示模塊設置”等功能，可以實現不同實驗需求的系統配置。以圖5 的“測試模塊設置”功能為例，當學生布置好相應的傳感器后，可以選擇在原有的測試模塊基 礎上增加新的測試模塊，設置相應測試物理參數的名稱、單位等參數，并可以選擇顯示和存儲的數據精度，以滿足特定的實驗實踐需求，具備較高的靈活性。

圖4 電池系統測試模塊數據顯示界面

圖5 熱管理系統測試模塊自定義設置功能界面

4 熱管理實驗教學平臺應用研究

4.1 研究對象

選取某品牌型號新能源汽車三電系統作為研究對象，對實驗教學平臺進行應用研究。實驗的目的是為了獲得動力電池、驅動電機和電機控制器在不同工況下達到熱平衡時的產熱功率和溫度狀況，為相關仿真工作和熱管理控制策略的設計驗證提供可靠的實驗數據。動力電池單體額定電壓3.6 V、單體數量264 個、單體內阻2 mΩ、電池包額定電壓309.6 V、電池包額定容量125 Ah、電池包總電量38.7 kWh、荷電狀態（state of charge，SOC）放電區間1.0～0.05，驅動電機額定電壓189 V、額定功率53 kW、額定轉矩127 Nm額定轉速4 000 r/min，電機控制器電源電壓12 V、額定容量100 kVA、最大容量150 kVA、持續工作電流170 A。

動力電池由三元鋰離子電池組成，采用液冷方式，冷卻液為50%的乙二醇水溶液，與散熱器、電子風扇、電子水泵、管道等部件組成動力電池熱管理回路；驅動電機為三相Y 型無刷永磁同步電機，與電機控制器組成驅動系統串聯布置在另一獨立的熱管理回路中。

4.2 實驗方案設計

每次循環試驗前，首先使用車載慢充系統依據充電規程對動力電池進行恒流恒壓充電，保證試驗前動力電池的SOC 值為1.0。電機的額定工況為轉速4 000 r/min、轉矩127 Nm，而根據測試工況分析[15]可以計算得到該動力總成系統在65 km/h 等速行駛狀況時電機工況近似為轉速4 000 r/min、轉矩50 Nm，因此選取試驗工況為電機額定轉速4 000 r/min，電機扭矩分別為50、70、90、110 和127 Nm。使用無極調速水泵保持動力電池熱管理回路中冷卻液流量為12 L/min，驅動系統熱管理回路中冷卻液流量為10 L/min，并使用恒溫水箱盡可能保證這兩種熱管理回路入口處冷卻液與試驗初始溫度保持相同，分別為30 和45 ℃。試驗過程中動力電池SOC 值變化范圍為1.0～0.2，以保證動力電池不過放。此外，試驗環境溫度為（10±5）℃，相對濕度為（50±10）%。試驗還基于以下假設：在多循環試驗中動力電池的健康狀態(state of health，SOH)值始終為100%；動力電池的最大容量為其額定容量125 Ah。試驗過程中試驗系統記錄下三電系統冷卻液的進出口溫度、三電系統的各自溫度等熱物理參數。

4.3 實驗結果分析

忽略實驗過程中動力電池和驅動系統熱管理回路與空氣對流換熱和向空氣輻射交換的熱量，可以認為當三電系統各自溫度和其冷卻液進出口溫度穩定時即達到了熱平衡狀態，此時三電系統的產熱功率即等于冷卻系統的散熱功率。實驗測試得到三電系統的工作溫度值，及動力電池熱管理回路和驅動系統熱管理回路的冷卻液流量和進出口溫度，可以根據式（2）進一步計算各熱管理系統的散熱功率。

實驗結果表明，在放電結束時，電池包內部的多個測點溫度和熱管理回路出口冷卻液溫度依舊在上升，表明動力電池在試驗過程中并沒有達到熱平衡狀態，圖6 為轉速4 000 r/min、不同扭矩工況下各循環實驗結束時電池平均溫度。

圖6 轉速4 000 r/min、不同扭矩工況下試驗 結束時電池平均溫度

驅動系統在試驗過程中達到了熱平衡狀態，記錄實驗結果并計算得出驅動系統產熱功率如圖7 所示。隨著實驗工況扭矩的增加，在熱平衡狀態時驅動系統產熱功率增加，自身的升溫也更大。

圖7 轉速4 000 r/min、不同扭矩工況下熱 平衡時驅動系統產熱功率

該應用研究驗證了本實驗教學平臺的開發設計達到了預定目標，具備較高的功能實用性和教學價值，也驗證了新能源汽車三電系統熱管理技術的基本原理特征。

5 結語

本文基于新能源汽車熱管理系統的產熱原理、傳熱機制和能耗狀況的研究，整理得出實驗教學平臺所需測試的關鍵物理參數及測試方法，并選取相應的傳感器系統和虛擬儀器系統，使用LabVIEW 語言開發了軟件系統，完成了實驗教學平臺的開發，并進行應用研究，驗證了實驗教學平臺的功能性和教學價值。

在現有演示實驗教學的基礎上，本實驗教學平臺可以讓學生進一步參與實驗過程，通過理解、操作、使用本平臺完成對新能源汽車先進熱管理技術的學習和驗證，進一步激發了學生的興趣，培養了學生的科研能力和工程應用能力，加深了學生對專業課程學習內容的理解程度。