混合動力汽車加熱及冷卻控制策略

劉衛東， 彭玉環， 吳方義， 王愛春

（江鈴汽車股份有限公司， 江西 南昌 330001）

近年來，在國家相關政策的大力支持和鼓勵下，越來越多的主機廠開展了新能源汽車研究，包括混合動力汽車的研發，并投入市場。在雙積分政策的壓力下，主機廠已經開始面臨油耗壓力，混合動力汽車必將迎來一波發展浪潮［1-2］。

插電式混合動力汽車和傳統汽車同樣需要一套高效的整車熱管理系統。傳統汽車的熱管理系統通常只包含發動機冷卻、空調制冷系統以及變速器冷卻等，相對而言比較簡單，各熱交換器之間相互影響較小，但是對于插電式混合動力汽車而言，不僅需對傳統發動機、變速器，以及空調冷凝器進行冷卻，還需要對電池包、DC-DC及驅動電機等進行冷卻，對于熱交換條件要求相對傳統發動機而言較高，且高低溫系統相互影響較大［3］。

1 整車加熱系統控制

整車加熱系統控制主要包括高壓電池包及DC-DC加熱控制。

1.1 電池包及DC-DC/OBC加熱控制

在電池包溫度TBP小于或等于0℃時默認只采用發動機啟動。車輛啟動之后，完成發動機加熱；之后再完成空調暖風、除霜、除霧功能；待空調確認滿足要求之后，再利用發動機水溫給高壓電池包及DC-DC加熱。為滿足空調性能要求，當高壓電池包及DC-DC加熱完成之后，空調AC開啟PTC水加熱控制［4］。

1.2 水泵控制

整車啟動之后，VMS控制水泵1開始以速度V0工作，同時VMS監控電池包進水口溫度，當溫度低于一定值時，VMS控制水泵1以速度V1工作，水泵轉速只以V0或V1兩種轉速工作，具體轉速值按實車進行標定。

1.3 電磁閥控制

整車啟動之后，電磁閥可控；整車未啟動，電磁閥不可控。

冷啟動控制：在外界環境溫度小于或等于0度時，HCU控制發動機啟動，發動機優先完成熱機工作，之后空調開始利用發動機水溫進行除霜、除霧、暖風等功能。整車上電后IGN有效，VMS完成初始化，并隨時檢測高壓電池包進水口溫度，當高壓電池包進水口溫度小于一定值時，且空調控制模塊AC確認水閥可開啟信號之后，VMS控制兩位三通電磁閥，保證發動機冷卻水路與高壓電池包及DC-DC水路接通，從而利用發動機冷卻水給高壓電池包與DC-DC加熱。

當高壓電池包進水口溫度達到一定值時，VMS控制兩位三通閥連通，高壓電池包水路切斷。兩位三通電磁閥只能實現水路連通/斷開功能，不可以根據不同溫度實現不同開度控制。

1.4 高壓電池包預熱控制

在車輛啟動后，當高壓電池包溫度過低時，需要先完成電池包預熱控制，使電池包溫度加熱至允許溫度范圍之內。低溫情況下高壓電池包放電溫度區域分4個等級：①正常放電溫度區 （0～45℃），能進行正常放電工作，放電電流為200A；②1級低溫溫度區（-5～0℃），放電效率較低，放電電流為60A；③2級低溫溫度區（-10～-5℃），放電效率差，放電電流為12A；④3級低溫溫度區（-15～-10℃），不可進行充電，放電電流為0A。

根據以上電池包放電性能，VMS及BMS共同完成電池包充電冷卻控制策略。

當電池包溫度TBP小于或等于0℃時，采用發動機啟動車輛，車輛啟動之后逐步完成如下工作。

1） 當高壓電池包溫度處于3級低溫溫度區時，VMS控制水泵1以速度V1工作，在接收空調AC發送的閥門可開啟信號之后，VMS控制閥導通，從而使發動機水加熱電池包，此時儀表顯示電池包溫度過低，車輛不允許使用EV模式運行。

2） 當高壓電池包溫度加熱至2級低溫溫度區時，VMS控制水泵1以速度V1繼續工作，水泵轉速需要標定，同時由BMS控制放電電流處于要求范圍之內 （5A），此時儀表顯示電池包溫度過低，車輛不允許使用EV模式運行。

3） 當高壓電池包溫度加熱至1級低溫溫度區時，VMS控制水泵1以速度V1繼續工作，水泵轉速需要標定，同時由BMS控制放電電流處于要求范圍之內（60A），此時儀表顯示電池包溫度過低，車輛不允許使用EV模式運行。

4） 當高壓電池包溫度加熱至正常充電溫度區（0～35℃）時，VMS繼續控制水泵1以速度V0工作，水泵轉速需要標定，水泵轉速只需保證電池包溫度一直處于正常放電溫度區域。此時儀表顯示正常提示信息，車輛允許使用EV模式。

1.5 高壓電池包低溫充電控制

整車不具備高壓電池包低溫充電控制，當充電時高壓電池包溫度過低時，BMS發送低溫報警信號給網關，網關將該信號路由給儀表，儀表接收到有效信號之后，通過文字提醒乘員，將發動機啟動，加熱電池包之后方可充電。

2 整車冷卻控制策略

整車冷卻系統控制主要包括高壓電池包及DC-DC冷卻控制、高壓電機冷卻控制、發動機冷卻控制、變速器冷卻控制。

2.1 高壓電池包及DC-DC/OBC冷卻控制

高壓電池包及DC-DC/OBC冷卻系統主要由整車控制模塊VMS、空調AC及HCU、ACU實現控制，其中包括水泵控制、電磁閥控制、壓縮機控制。

當電池包溫度大于或等于45℃時，默認只采用發動機啟動。整車啟動之后，VMS采集電池包進水口溫度信號，并控制水泵1以不同轉速工作，當溫度超過35℃時，VMS控制請求壓縮機工作。壓縮機工作以后，空調AC結合冷媒壓力信號，自行控制冷卻風扇以高/低速工作。

2.2 水泵控制

整車啟動之后，VMS控制水泵1開始以速度V0工作，同時VMS監控電池包進水口溫度，當溫度達到T1時，VMS控制水泵1以速度V1工作，當溫度升高至T2時，VMS請求壓縮機工作，水泵轉速只以V0和V1兩種轉速工作，具體轉速值需要實車進行標定。

水泵系統控制框圖如圖1所示。

圖1 水泵系統控制示意圖

2.3 電磁閥控制

整車啟動之后，電磁閥可控；整車未啟動，電磁閥不可控。

1） 兩位三通閥控制：根據高壓電池包與DC-DC水路走向要求，VMS通過控制一個兩位三通電磁閥來實現冷卻水路與加熱水路的切換。當高壓電池包進水口溫度大于一定值時，三通閥保證冷卻水路連通，加熱水路關閉；當高壓電池包與DC-DC溫度低于一定值時，三通閥保證加熱水路連通，冷卻水路關閉。

2） 開關截止閥控制：開關截止閥常態是開啟狀態，用于空調制冷控制用，由空調AC控制。當空調需要制冷時，空調AC控制開關電磁閥常開（不通電），空調制冷冷媒管路接通；當空調不需要制冷，且高壓電池包需要進階冷卻時，空調AC控制開關電磁閥閉合 （通電），空調制冷冷媒管路斷開；當空調不需要制冷，高壓電池包不需要進階冷卻時，空調AC控制開關電磁閥常開 （不通電），空調制冷冷媒管路接通。

電子膨脹閥（閥21） 常態是關閉狀態，用于電池包進階冷卻用，由空調AC控制。當電池包需要進階冷卻時，空調AC控制閥開，電子膨脹閥開度由空調AC自行控制，用于保護蒸發器，從而實現電池包進階冷卻用；當電池包不需要進階冷卻時，空調AC控制閥關閉。

電磁閥系統控制框圖如圖2所示。

圖2 電磁閥系統控制示意圖

2.4 壓縮機控制

當高壓電池包進水口溫度達到一定值時，整車控制模塊VMS發送總線信號請求壓縮機工作，空調接收VMS發送的壓縮機工作請求信號之后，確認電池包及DC-DC/OBC發送的散熱需求量，并結合當前整車動力模式，實現壓縮機的開啟與轉速控制。

1） EV模式：當整車處于EV模式 （車輛靜止或者運行）下，且空調AC接收到VMS發送的進階冷卻請求信號之后，空調通過總線接收電池包及DC-DC/OBC發送的散熱量，計算壓縮機轉速，壓縮機轉速根據以下參數進行計算：①高壓電池包散熱量；②DC-DC/OBC散熱量；③空調制冷量 （當空調不需要制冷時，空調制冷量等于0）。

空調AC整合以上制冷量需求，并計算出壓縮機轉速需求，同時結合冷媒壓力信號，再發送壓縮機離合器工作信號及壓縮機速度信號給網關，網關路由該信號給HCU，HCU接收空調發送的有效信號之后，發送總線信號給ACU控制壓縮機開始工作，同時發送電機轉速信號給ACU實現壓縮機不同轉速控制。

2） HEV模式：當整車處于HEV模式，且車輛靜止時，空調AC接收到VMS發送的進階冷卻請求信號之后，空調通過總線接收電池包及DC-DC/OBC發送的散熱量，計算壓縮機轉速，壓縮機轉速根據以下參數進行計算：①高壓電池包散熱量；②DC-DC/OBC散熱量；③空調制冷量 （當空調不需要制冷時，空調制冷量等于0）。

空調AC整合以上制冷量需求，并計算出壓縮機轉速需求，同時結合冷媒壓力信號，再發送壓縮機離合器工作信號及壓縮機速度信號給網關，網關路由該信號給HCU，HCU接收該信號之后，發送AC離合器吸合請求信號給ACU，ACU接收HCU發送的有效信號之后，控制AC離合器吸合。同時HCU確認當前SOC值，當SOC大于一定值，HCU發送P0電機轉速信號給ACU，從而實現壓縮機開啟與不同轉速控制［5］。

當SOC小于一定值，HCU控制發動機啟動，并發送ICE離合器吸合請求信號給ACU，ACU接收HCU發送的有效信號之后，控制ICE離合器吸合，此時，HCU對空調AC的壓縮機轉速請求信號不作響應。

當整車處于HEV模式下，且車輛處于運行情況下，若發動機運行，則壓縮機由發動機帶動，且HCU對空調AC的壓縮機轉速請求信號不作響應；若發動機不運行，則壓縮機由P0電機帶動，且HCU響應空調AC的壓縮機轉速請求，并通過控制P0電機的轉速實現壓縮機不同轉速控制。

空調AC發出壓縮機工作請求之后，空調采集冷媒壓力信號，并根據冷媒壓力信號發送冷卻風扇工作請求信號給網關，網關路由該信號給發動機ECM，繼而控制冷卻風扇以高/低速工作。

空調AC根據冷媒壓力大小，負責壓縮機保護控制，當冷媒壓力過高或過低時，空調AC發送總線信號給網關，網關路由該信號給HCU，繼而控制壓縮機停止工作。壓縮機保護控制優先于功能控制。

空調AC通過總線實時接收VMS發送的高壓電池包進水口溫度，并用該溫度信號診斷電池包及DC-DC/OBC的冷卻效果，當電池包進水口溫度大于T時，空調AC發送電池包進階冷卻失效信號給儀表，儀表顯示相關提醒信息。

壓縮機控制系統框圖如圖3所示。

2.5 車輛啟動后高壓電池包高溫冷卻控制

在車輛啟動后，當高壓電池包溫度過高時，需要先完成電池包冷卻控制，使電池包溫度降低至允許溫度范圍之內。

高溫情況下高壓電池包放電溫度區域分4個等級：①正常溫度區 （0～45℃），能進行正常放電工作，放電電流為200A；②1級高溫溫度區 （45～50℃），放電效率較低，放電電流為60A；③2級高溫溫度區（50～55℃），放電效率差，放電電流為12A；④3級高溫溫度區 （55～60℃），不可進行充電，放電電流為0A。

根據以上電池包放電溫度性能要求，VMS及BMS共同完成電池包充電冷卻控制策略。當電池包溫度超過45℃時，采用發動機啟動車輛，車輛啟動之后逐步完成如下工作。

1） 當高壓電池包進水口溫度處于3級高溫溫度區時，VMS控制水泵1以速度V1工作，同時請求壓縮機工作，水泵轉速需要標定，此時儀表顯示電池包溫度過高，車輛不允許使用EV模式運行。

2） 當高壓電池包溫度降低至2級高溫溫度區時，VMS控制水泵1以速度V1工作，冷卻風扇及壓縮機繼續工作，水泵轉速需要標定，此時BMS控制放電電流處于要求范圍之內（5A），且儀表顯示電池包溫度過高，車輛不允許使用EV模式運行。

3） 當高壓電池包溫度降低至1級高溫溫度區時，VMS控制水泵1以速度V1工作，冷卻風扇及壓縮機繼續工作，水泵轉速需要標定，同時由BMS控制放電電流處于要求范圍之內（60A），此時儀表顯示電池包溫度過高，車輛不允許使用EV模式運行。

4） 當高壓電池包溫度降低至正常溫度區 （35～45℃）時，VMS繼續控制水泵1以速度V1工作，水泵轉速需要標定，此時水泵轉速只需保證電池包溫度一直處于正常放電溫度區域。此時儀表顯示正常提示信息，車輛允許使用EV模式。

5） 當高壓電池包溫度降低至正常溫度區（0～35℃） 時，VMS繼續控制水泵1以速度V0工作，水泵轉速需要標定，此時水泵轉速只需保證電池包溫度一直處于正常放電溫度區域。此時儀表顯示正常提示信息，車輛允許使用EV模式。

圖3 壓縮機控制示意圖

圖4 動力系統電機冷卻控制示意圖

2.6 動力系統電機冷卻控制

整車動力系統電機冷卻控制系統主要由整車控制模塊VMS、動力控制模塊HCU、輔助電機控制模塊ACU、牽引力電機控制模塊MCU、發動機控制模塊ECM來實現控制。其中包括水泵控制、電磁閥控制、冷卻風扇控制。

1） 水泵控制：整車啟動之后，VMS控制水泵2與水泵3以速度V0工作，當動力系統P3電機進水口溫度大于一定值時，VMS控制水泵2與水泵3以速度V1工作。 系統控制框圖如圖4所示。

2） 冷卻風扇控制：整車啟動之后，輔助電機控制模塊ACU與牽引力控制模塊MCU實時監控對應控制電機的溫度，當輔助電機溫度超過一定值時，ACU通過總線發送冷卻風扇請求信號給HCU；當牽引力電機溫度超過一定值時，MCU通過總線發送冷卻風扇請求信號給HCU。HCU接收ACU或MCU發送的有效信號，再通過總線將冷卻風扇請求信號給發動機控制模塊ECM。當冷卻風扇工作用于電機冷卻時只存在高速擋。系統控制框圖如圖5所示。

圖5 冷卻風扇控制示意圖

3 總結

混合動力汽車的熱管理系統與傳統燃油汽車差異大，本文設計的插電式混合動力汽車加熱及冷卻控制策略通過夏季和冬季路試試驗，對整個熱管理系統進行分析確認，驗證了電池保溫性能、充電冷卻性能、電池冷卻性能、電驅冷卻性能、發動機冷卻性能都達到設計需求目標，同時也對行車加熱性能及停車充電加熱性能做了基本考核，證實熱管理系統滿足設計目標。