基于電動汽車電池加熱器的控制方法優化

趙繼嶺，王金航，彭君，馬香明

基于電動汽車電池加熱器的控制方法優化

趙繼嶺，王金航，彭君，馬香明

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

電動汽車電池在低溫加熱過程中，針對加熱器的檔位頻繁切換和由此引發的沖擊電流會縮短電池壽命的問題，提出了基于目標加熱水溫尋找加熱平衡檔位的控制方法。以目標加熱水溫為控制目標，由最高檔位開始尋求當前條件下的平衡檔位，在平衡檔位下加熱器水溫可以長時間控制在目標值附近。對比優化前的實車測試結果，整個加熱過程加熱器的檔位切換次數由33次減少到5次，加熱時間也由57min縮短到40min，優化效果顯著。

電動汽車電池；低溫加熱；加熱器；控制優化

前言

2019中國電動汽車的銷量達到120.6萬輛，電動汽車已經遍布全國各地。動力電池作為電動汽車的心臟，為整個電動系統提供電力，但是在我國的東北以及西北地區冬季持續時間長，動力電池長期工作在低溫環境下放電能力明顯減弱，導致整車的續駛里程縮短，動力性變弱，充電速度變慢以及電池壽命縮短。這些弊端都會給用戶帶來很大的不便并且影響用戶的體驗，因此需要對動力電池在低溫環境下的加熱功能進行研究，通過加熱系統對電池進行加熱，提升電池在低溫下的性能，滿足整車的性能指標。

目前電池的加熱方式主要分為內部加熱和外部加熱兩種。內部加熱主要包含高低頻交流電加熱和電池內部放電加熱，加熱方式主要通過電池內部的化學反應產生熱量直接對電池進行加熱，該方式加熱效率高，能耗低，但是對電池自身性能要求高且控制復雜。外部加熱主要包括熱風加熱、液體加熱、加熱膜加熱和外置加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱，加熱方式通過外部加熱組件產生熱量，從外部對電池進行加熱，該方式能效低，加熱時間長，但是加熱簡單，更加安全實用。

本文采用的是外部加熱的方法，通過PTC將水溫加熱到較高的溫度，加熱后的熱水流經電池內部，與電池進行熱交換實現電池的加熱功能。本文將針對PTC的特性進行研究，并提出一種PTC的控制方法實現電池低溫加熱的功能，從而提升整車的動力性和續航能力。

1 電池低溫加熱系統介紹

本文以某款純電動汽車為研究對象，該車型的電池加熱系統主要由動力電池、加熱器PTC、水泵、PTC水溫傳感器以及相關的管路組成，見圖1。動力電池采用一款容量為170Ah的三元鋰離子電池，在檢測到電池的溫度低于一定值后進入低溫加熱模式，請求PTC工作，通過調節PTC的不同加熱檔位將PTC的水溫控制在目標溫度區間，在PTC工作的同時請求水泵運轉提供7L/min的流量，使冷卻液流經電池內部與電池進行熱量交換實現電池的加熱功能。

本系統的核心是通過控制PTC工作將水溫加熱到一個目標溫度值并維持在目標值附近。本文設定的加熱目標溫度區間是45-50℃，設定的目標值過低會導致加熱效率過低，設置過高會導致電池內部溫差過大，通過請求PTC以不同的檔位進行加熱來維持冷卻液在目標溫度區間內。

圖1 電池低溫加熱系統

2 PTC介紹

2.1 PTC檔位介紹

PTC 加熱器，是一類以鈦酸鋇（Ba TiO3）鈦酸鍶（SrTiO3），鈦酸鉛（PbTiO3）為基本組成的半導體陶瓷。這種陶瓷在較低溫度時，電阻值偏低，但當溫度在某一溫度（稱為居里溫度）以上時，其自身電阻急劇上升3~8個數量級（103~108倍），電阻體具有較大的正溫度系數。PTC具有換熱效率高、安全性高和壽命長的優點。

本文的加熱器是由三個不同加熱功率的PTC （PTC1、PTC2、PTC3）組成，每個PTC分別由1個，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）控制通斷，通過汽車總線將加熱需求以及加熱檔位發送給PTC控制器，PTC控制器根據需求指令及當前狀態，控制不同的PTC工作將車載動力電源的電能轉化為熱能。加熱器的電氣結構見圖2，PTC1、PTC2、PTC3分別具有不同的加熱功率，通過請求不同的PTC或者請求多個PTC同時工作組合成6個加熱檔位，見表1，PTC的檔位請求采用脈沖寬度調制（Pulse width modulation，PWM）信號作為 IGBT 驅動電路的輸入信號，通過改變 PWM 信號的占空比來控制加熱器以不同的檔位工作。

圖2 加熱器電氣結構

表1 加熱器的加熱檔位

2.2 PTC沖擊電流

PTC的陶瓷體電阻與自身溫度有關。在溫度很低時，PTC阻值隨著溫度的上升而下降，呈現負的溫度系數；PTC的溫度上升到一定值后，PTC阻值隨著溫度上升而上升，呈現正的溫度系數。圖3為PTC的電阻-溫度特性曲線，在曲線a點PTC的溫度較低，電阻比較小，在恒定電壓下PTC有較大的工作電流；隨著PTC產生的熱量逐漸增加，PTC溫度上升，電阻值會進一步下降到達b點，電流值此時達到最大；當PTC的溫度進一步升高達到c點后，電阻值開始有上升的趨勢，電流也會跟隨逐漸減小，c點以后很小的溫度上升就會導致電阻的大幅度增長，電流也會跟隨迅速降低。如上分析在PTC工作過程中電流一升一降就形成了沖擊電流。

圖4統計了在PTC水溫40℃左右的條件下，每次檔位切換時產生的沖擊電流（因為PTC水溫的目標控制值在40℃以上，所以此處統計了40℃時不同檔位的沖擊電流），可以看出各個檔位下的沖擊電流較大，部分檔位最大的沖擊電流已經超過正常工作電流的一倍。動力電池在低溫下放電能力變弱，換擋產生的大電流導致PTC的消耗功率瞬間增大，當增大的瞬時功率超過電池的最大放電功率時，會造成電池過放的風險。換擋越頻繁伴隨產生的沖擊電流次數也就越多，對動力電池的危害也就越大。

圖3 PTC的R-T特性曲線

圖4 PTC不同加熱檔位下的沖擊電流

3 PTC控制及優化

本文對針對PTC加熱的控制思路如下：當檢測到電池的溫度低于0℃時，電池進入加熱模式，啟動PTC，通過發送不同的PWM占空比請求PTC以對應的檔位工作，使PTC的水溫維持在45-50℃之間，通過水泵運轉實現熱水與電池的熱交換。當電池的溫度加熱到5℃后退出加熱模式，請求PTC和水泵停止工作。

由于每次切換PTC檔位都會有大電流沖擊，為減小電流沖擊對電池壽命造成的危害，在PTC控制過程中需要降低檔位切換的頻率。

3.1 PTC的控制方法

PTC的核心控制是將PTC的水溫加熱到目標溫度區間，水溫到達目標區間后控制PTC的加熱檔位使水溫一直維持在目標區間之內。最常用的控制方法是根據PTC實際水溫值請求不同的PTC加熱檔位。當水溫很低時為了提高加熱效率采用最高檔位6檔進行加熱；當水溫升高并達到目標溫度區間內，根據PTC實際水溫切換檔位使水溫維持在目標區間；當水溫將要超過目標區間上限時請求小檔位工作或者關閉PTC。表2為不同的PTC水溫對應請求的不同加熱檔位。為避免由于PTC水溫波動引起的檔位跳動，在每次切換檔位時需要有15s的換擋確認時間，即下一個目標檔位對應的PTC水溫必須持續15s不變后才會切換至目標檔位。

表2 加熱器檔位控制策略

采用上述控制方法在實車進行試驗，在高寒環境下（環境溫度低于-25℃）靜置車輛12小時。電池從-25℃開始加熱，加熱到5℃后停止，實車上的試驗結果見圖5。從試驗結果可以看出采用上述的控制方法PTC的水溫可以穩定在45-50℃之間，電池的整個加熱過程用時57min，但是PTC的加熱換擋次數卻高達33次，并且每次換擋都會伴隨著很大的電流沖擊。

3.2 PTC的控制方法優化

上述控制方法可以滿足電池低溫加熱的需求，但是不能解決加熱過程中檔位頻繁跳動的問題。本文提出了一種基于目標加熱水溫尋找平衡檔位的控制方法，實現平衡檔位下可以將水溫可以長時間控制在目標值附近，以降低換擋電流的沖擊的頻率。優化后的控制方法見控制流程圖6。

在低溫環境下，車輛啟動后，電動汽車電池進入加熱模式，首先控制系統請求PTC以最大檔位6檔開始加熱，當PTC水溫從較低的溫度加熱到目標溫度區間上限50℃時，請求PTC停止加熱工作即發送0檔。經PTC加熱的熱水通過水泵運轉流經電池，與電池進行熱交換使水溫不斷降低。當水溫降低到目標溫度區間下限45℃時，再次請求PTC工作，此次請求的加熱檔位較初次啟動時降低一檔，即請求PTC以5檔開始加熱，將水溫從45℃加熱到50℃。隨著加熱檔位降低，加熱功率會變低，隨之水溫上升速率也變慢，在目標溫度區間加熱時間延長，即PTC的5檔加熱功率小于6檔，5檔可以在目標溫度區間工作更長時間。當PTC以5檔將水溫加熱到50℃后，再次發送0檔關閉加熱器。在熱水通過與電池熱交換降溫到45℃后，同理，再次以4檔進行加熱。PTC以4檔工作，將水溫加熱到50℃后，再次發送0檔關閉加熱器。按照如上規則每次加熱到目標水溫上限50℃后則發送0檔，然后等水溫降到目標溫度下限45℃后請求降一檔進行加熱。當電池溫度加熱到5℃后，電池退出加熱模式關閉PTC。

按上述加熱檔位的控制原理，高檔位（5、6檔）加熱功率大，可以保證PTC水溫快速上升，但是當加熱檔位降到某個檔位后，加熱功率偏低，使其水溫不能維持在45℃以上，則應該在該檔位的基礎上返回上一檔進行加熱，從而將水溫加熱到45℃以上。以上說明上升后的檔位是能維持PTC水溫在目標溫度區間的最小檔位，故該檔位是最理想的平衡檔位，是可以在目標溫度區間持續工作最長時間的檔位。例如，按上述降檔優化方法，PTC以4檔加熱到50℃后，關閉PTC，等PTC水溫降到了目標溫度區間下限45℃后，應該以降檔以3檔進行加熱，但是在3檔加熱過程中PTC水溫不能上升到45℃以上，反而一直下降，等PTC水溫降到43℃后，此時應該立即升檔進行加熱，即再次返回到4檔進行加熱。此時可以判斷出PTC的4檔才是目前溫度條件下最優的平衡檔位，4檔是可以將PTC水溫從45℃加熱到50℃持續工作時間最長的檔位。

圖6 優化后的PTC加熱控制流程

本節提出的加熱器控制方法是為了不斷尋找在當前水溫條件下PTC工作的平衡檔位，使平衡檔位可以在目標溫度區間工作更長時間。請求的加熱檔位越接近平衡檔位，該檔位在目標溫度區間工作時間越長，整個加熱過程檔位切換的次數也就越小。并且在每次加熱到目標水溫上限后關閉PTC，利用余熱維持水溫在目標區間，在一定程度上也降低了整個加熱過程中PTC檔位切換的頻率。除此之外還考慮到了低檔位下加熱功率不足的問題，當目前檔位不能維持PTC水溫在目標區間內時進行升檔，并通過升檔進一步確認最優平衡檔位。

3.3 PTC的控制方法優化后試驗

對優化后的控制方法進行實車試驗，同樣在高寒環境下靜置車輛12小時，電池從-25℃開始加熱，加熱到5℃后停止，試驗結果見圖7。試驗證明優化后的控制方法可以使PTC的水溫維持在45-50℃，并且PTC的加熱換擋次數減小到了5次，沖擊電流發生的頻率明顯降低，優化后效果顯著。此外，由于每次換擋加熱都會將水溫加熱到50℃，提高了加熱的效率，整個加熱過程持續了40min，相比優化前加熱時間縮短了17min。

圖7 PTC加熱控制優化后的試驗結果

4 結束語

為保證電動汽車在低溫下的動力性和續駛里程，本文提出了一種通過PTC加熱動力電池的方法，并針對加熱器檔位頻繁跳動的問題進行了控制優化，與優化前相比，整個加熱過程加熱器的檔位切換次數從33多次下降到5次，很大程度上降低了檔位頻繁跳動的頻率，優化效果顯著。本文優化后的PTC控制方法不僅滿足了電池加熱的需求，而且減小了由于PTC檔位頻繁切換對電池帶來的危害。

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Control Optimization of Battery Heater Based on Electric Vehicle

Zhao Jiling, Wang Jinhang, Peng Jun, Ma Xiangming

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

To solve the problem that the heating gears jump frequently during the heating process of the battery in low temperature, and considering that the impulse current caused by the frequent switching of the heating gears will shorten the battery life, the control method of finding the balance gear based on the target heating water temperature is proposed. Take the target heating water temperature as the control target, and starting from the highest gear to seek the equilibrium gear under the current conditions, so that the water temperature of the heater can be controlled near the target value for a long time under the equilibrium gear. Compared with the test results of real car before the optimization, the numbers of gear switches ware reduced from 33 to 5, and the heating time was also shortened from 57 minutes to 40 minutes in the whole heating process, which shows an obvious optimization effect.

Power battery of electric vehicle;Low temperature heating;Heater;Control optimization

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.003

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趙繼嶺（1987.08-），男，漢，工學碩士，責任工程師，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，主要研究方向：整車控制器軟件開發。