一種新型電動汽車動力熱管理系統的設計及驗證

汪璐　單志友

摘 要：文章闡述了在電動汽車中動力熱管理系統的重要性，列出了目前電動汽車動力熱管理系統存在的問題，介紹了一種新型電動汽車動力熱管理系統的設計方案，并進行了整車安裝與調試，適用于電動汽車三種回路的切換。關鍵詞：電動汽車;熱管理系統;熱管理回路中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）11-15-03

Abstract：?This article describes the importance of thermal management system in electric power， listing the current problems of electric power and heat management system， introduced a new type of electric vehicle thermal management systems design， and vehicle installation and debugging for three circuits of electric vehicle switch.Keywords：?Electric vehicle; Thermal management system; Thermal management circuitCLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）11-15-03

前言

與傳統燃油車相比，電動汽車除了車內空調熱管理需求之外，對電池包和驅動電機及其控制器也需要進行嚴格的熱管理控制。電池包和驅動電機及其控制器作為電動汽車的主要動力裝置，其性能直接影響電動汽車的性能。所以在電動汽車中，為了使電池包和驅動電機及其控制器發揮最佳的性能和壽命，必須進行熱管理，將其溫度控制在合理的范圍內。[1-5]

目前大部分電動汽車的動力熱管理系統為開環控制，即沒有冷卻液壓力、冷卻液流量、冷卻液溫度的反饋，動力熱管理系統無法根據實際工作狀態進行實時控制，無法對電池和驅動電機及其控制器的熱管理系統進行有效控制，而且在車輛運行中，驅動電機和控制器產生的熱量，也沒有充分利用，此部分能量有些浪費，不利于節能環保。本文將提出解決這些問題的改進方案。[6-8]

1 新型熱管理系統的方案介紹

1.1?系統的組成及工作原理

本文提出的電動汽車動力新型熱管理系統，如圖1所示，通過設置在回路中的三通水閥1、3，可實現在多種回路的切換，以適應電動汽車不同的工況。并在回路中增加了壓力傳感器1、2、3、4、流量傳感器1、2、水溫傳感器1、2，對冷卻液壓力、流量、溫度進行實時反饋，解決了上述開環控制存在的問題。該新型熱管理系統包括電池包的加熱和冷卻，以及驅動電機/電控的冷卻子系統。[9-10]

該熱管理系統的工作原理為：通過各子系統設置的壓力、流量和溫度傳感器，實時測量各回路的壓力、流量、溫度，通過計算可得知各對應電子水泵工作需提供的系統壓力、流量，并對電子水泵的工作溫度進行實時控制，當測量冷卻液溫度較低或較高時，整車VCU發出控制信號，降低或提高對應電子水泵的轉速，系統壓力、流量同步降低或提高。[11-12]

1.2 各子系統的循環回路

1）電池包加熱回路。利用PTC加熱器給電池包加熱模式的冷卻液循環回路為：膨脹水壺→壓力傳感器3→電子水泵2→壓力傳感器4→流量傳感器2→水溫傳感器2→PTC加熱器→三通水閥3→電池包→三通水閥2→膨脹水壺。當水溫傳感器2檢測到冷卻液溫度低于10℃時，即開始加熱，當溫度到達30℃時，停止加熱。另外，該回路中，三通水閥2與三通水閥3之間還連接有車內暖風散熱器。

2）電池包恒溫回路。通過三通水閥1的位置切換，與驅動電機/電控的冷卻回路相組合，其冷卻液循環回路2為：膨脹水壺→驅動電機系統散熱器→壓力傳感器1→電子水泵1→壓力傳感器2→流量傳感器1→水溫傳感器1→驅動電機控制器→驅動電機→三通水閥1→電池包→膨脹水壺。該回路利用驅動電機和驅動電機控制器產生的熱量，在電池包在溫度低于25℃時，維持電池包溫度處于25-50℃區間，使電池包處于恒溫狀態。

3）驅動電機/電控冷卻回路。其冷卻液循環回路為：膨脹水壺→驅動電機系統散熱器→壓力傳感器1→電子水泵1→壓力傳感器2→流量傳感器1→水溫傳感器1→驅動電機控制器→驅動電機→三通水閥1→膨脹水壺。一般溫度控制范圍為20℃-50℃。

1.3?傳感器選型參數

壓力傳感器1、壓力傳感器3的量程：-100～100KPa，精度：0.5%F.S，工作電壓：DC5-24V，輸出信號：DC1-5V;壓力傳感器2、壓力傳感器4的量程：0～200KPa，精度：0.5%F.S，工作電壓：DC5-24V，輸出信號：DC1-5V;流量傳感器1、流量傳感器2的量程：0-100L/min，精度：±1%，最低額定電壓：DC4.5V，供電范圍：DC5V～24V，負載能力≤10m A（DC 5V），最大工作電流：15m A（DC 5V）;溫度傳感器1、溫度傳感器2的型號：Pt100，類型：NTC熱敏電阻，采用三線制接法接入溫控儀，實現水溫的測量。電子水泵的功率范圍為：10-1500W。

2 系統的測試和驗證

在完成上述系統的設計后，首先進行系統的性能測試，然后對傳感器進行標定，最后在試驗車輛上安裝本系統，進行電子水泵的性能試驗，以驗證本系統的性能。

經過以某型號的電子水泵為測試對象，進行了電子水泵的基本性能測試，測試了電子水泵在不同流量下的額定電流和額定電壓和進出口壓力，并通過計算處理得出額定功率、揚程和效率值，完成電子水泵的性能測試。通過測試結果表明，本文的系統搭建符合預期，可解決前面所述的，目前熱管理系統存在的問題。電子水泵的性能測試數據見表1。

通過測試結果表明，本熱管理系統可以對回路中的冷卻液流量、壓力、溫度進行閉環控制，便于整車VCU做出相應的控制，例如，測試數據功率范圍在73W-177.5W，需要VCU做出對應的標定，按相應的需求，控制相應的功率，電流可以限制在5.8-14.2A。

通過性能測試數據進行分析，當流量不斷降低時，壓差逐漸增大，同時電流和功率、水力功率同步降低，效率在流量為23.64lpm時最高，為保證在效率最高區間運行，流量一般控制在16-30lpm范圍內。

本系統可以有效監控并管理系統各部件;原有開環控制系統不能實時反饋相關運行參數，也無法進行相關控制，與原有開環控制系統相比，本系統能根據不同運行的工況，實時反饋系統的冷卻液流量、冷卻液壓差、冷卻液溫度，并對電子水泵做出相應的調整，提高或降低功率，最大程度實現節能，及提高續航里程的目的。

3?結束語

本文介紹的熱管理系統為閉環控制，有實時反饋和實時控制功能，綜合管理，優化控制，充分利用發熱部件余熱進行溫度管理，可以有效的降低電池能耗，達到最舒適，最節能的效果，本文介紹的熱管理系統，可在三種回路下進行切換，以適應電動汽車不同的工況，具有使用方便，功能強大，性能穩定能耗低等優點。

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