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摘 要：本文在闡述汽車整車動(dòng)力系統(tǒng)冷卻、動(dòng)力電池?zé)醾鬏斶^程的基礎(chǔ)上，解讀其散熱性能，探究壓縮機(jī)，電子膨脹閥，截止閥，三通閥，chiller，電子水泵，鼓風(fēng)機(jī)，冷凝風(fēng)扇，舒適性算法等的控制策略，希望不同控制部件之間能協(xié)同運(yùn)作，確保熱管理系統(tǒng)適應(yīng)不同工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)加大對(duì)熱管理系統(tǒng)的研究力度，提升熱系統(tǒng)能耗以及熱量回收新能源汽車。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；熱管理系統(tǒng)；導(dǎo)熱模型；控制策略 大力發(fā)展電動(dòng)汽車已經(jīng)是當(dāng)下社會(huì)發(fā)展的必然趨向之一，和傳統(tǒng)燃油汽車相比較，其不僅能減少能源消耗量，還能應(yīng)對(duì)環(huán)境問題，為環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)過程提供動(dòng)力支撐。參照我國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，在2017前三個(gè)季度，新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到了42.2萬輛、39.8萬輛，同比去年分別增長(zhǎng)40.2%、37.7%，其中純電動(dòng)汽車產(chǎn)、銷量分別達(dá)到了34.8萬輛、32.5萬輛，和去年同期相比較分別增長(zhǎng)了51.6%、50.1%。但是電動(dòng)汽車也不是盡善盡美的，冬季續(xù)航里程差，空調(diào)能效比低，空調(diào)節(jié)能算法不夠優(yōu)化等問題比較突出。1 設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)方案 圖1是應(yīng)用的系統(tǒng)方案。啟用截止閥3、7，便能利用前端散熱器達(dá)到電機(jī)、功率控制器等高壓部件的串聯(lián)式散熱。當(dāng)溫度沒有抵達(dá)較高水平時(shí)，閉合截止閥 3、啟動(dòng)截止閥 4，也能達(dá)到電池和以上高壓部件之間的串聯(lián)散熱，節(jié)約由電池冷卻而形成的空調(diào)耗能。在高溫工況下，閉合截止閥 4，啟動(dòng)截止閥 3、5，能維持高壓設(shè)備散熱、電池冷卻系統(tǒng)兩者獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，此時(shí)電池冷卻液以板式換熱器與空調(diào)制冷劑為支撐實(shí)現(xiàn)熱互換，將強(qiáng)制性制冷提供給電池組?；诶鋮s液循環(huán)過程促進(jìn)電池達(dá)到均溫狀態(tài)，閉合閥4、5、開啟閥 6，利用電池冷卻液循環(huán)流動(dòng)過程能減小不同電池單體之間的溫差。利用內(nèi)部蒸發(fā)器與冷凝器去管理車內(nèi)環(huán)境的冷、熱條件。夏季啟用制冷模式時(shí)，需要閉合閥3、2，利用外部換熱器釋放內(nèi)部熱量，蒸發(fā)器吸收部分熱量實(shí)現(xiàn)制冷。制冷時(shí)盡管有冷媒經(jīng)過內(nèi)部冷凝器，但溫度風(fēng)門確保了室內(nèi)空氣循環(huán)不會(huì)經(jīng)過、流走，故而不會(huì)出現(xiàn)熱互換。2 熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 2.1 空調(diào)系統(tǒng) 2.1.1 電動(dòng)壓縮機(jī) 輸氣量和功耗是影響壓縮機(jī)性能的主要因素，故而在壓縮機(jī)建模時(shí)，要求算出壓縮工質(zhì)階段的輸氣量與功耗。理論上輸氣量是壓縮機(jī)固有屬性，通常是制造商給定的，但是因存在著壓縮機(jī)余隙與熱交換等情況，以致現(xiàn)實(shí)輸氣量始終低于理論值。求算實(shí)際輸氣量時(shí)需引進(jìn)容積效率，其和理論輸出量的關(guān)系見式（1）：Vr=ηvVd （1） Vr、Vd分別是壓縮機(jī)的現(xiàn)實(shí)、理論輸氣量（m3/r），本文取Vd=0.000034m3/r。ηv是容積效率。不計(jì)蒸發(fā)器、冷凝器壓漿形成的影響，處理實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)后，能夠獲得ηv和壓縮比、轉(zhuǎn)速的關(guān)系。在分析壓縮機(jī)功耗時(shí)，參照能量守恒定律，可以參照壓縮機(jī)進(jìn)出口工質(zhì)狀態(tài)估算其有用功，見公式（2）；工質(zhì)質(zhì)量流量壓縮機(jī)排量之間的關(guān)系見式（3）；質(zhì)量流量是影響換熱器內(nèi)換熱量效果的主要因素之一，主要影響空調(diào)外供制冷量及制熱量的多少。 
圖1：電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)方案 
圖2：散熱器熱流曲面 Pa=G(ho-hi) （2） G=60ρiωVr （3） 在以上兩式內(nèi)：Pa代表壓縮機(jī)對(duì)工質(zhì)的做功（kW）；G、h分別為是工質(zhì)質(zhì)量流量、比焓；ρi代表的是入口處工質(zhì)密度；ω是壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。壓縮機(jī)運(yùn)行過程中很難精準(zhǔn)的測(cè)算出其機(jī)械損耗，計(jì)算時(shí)通常會(huì)引進(jìn)機(jī)械效率，構(gòu)建壓縮機(jī)功耗與有用功兩者的相關(guān)性，見式（4）：Pa=ηmPa （4） P、ηm分別是壓縮機(jī)的軸功率、機(jī)械效率；2.1.2 電子膨脹閥 在汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)，調(diào)節(jié)范圍寬廣、動(dòng)作快捷且靈敏度高、調(diào)節(jié)精密、穩(wěn)定性強(qiáng)等均是電子膨脹閥的優(yōu)點(diǎn)，其有將熱力膨脹閥、節(jié)流孔管等節(jié)流元件取代的趨勢(shì)?？照{(diào)西永運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流過電子膨脹閥的過冷液態(tài)工質(zhì)被節(jié)流降壓、膨脹處理后，會(huì)轉(zhuǎn)變成低溫、低壓的混合工質(zhì)，這樣工質(zhì)便能在蒸發(fā)器內(nèi)快速吸熱蒸發(fā)。2.1.3 換熱器 這是工質(zhì)與空氣互換熱量的主要場(chǎng)所，其是實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸熱量的必要條件。參照結(jié)構(gòu)的差異，換熱器有管片式、管帶式、多元平行流等之分、在對(duì)空調(diào)系統(tǒng)仿真建模時(shí)，利用無翅片的管道模擬工質(zhì)與空氣的換熱過程，并假設(shè)和現(xiàn)實(shí)的空氣側(cè)迎風(fēng)面積和內(nèi)部體積等同，并在滿足誤差要求的基礎(chǔ)上選擇適當(dāng)?shù)墓芏螖?shù)。2.2 冷卻系統(tǒng) 2.2.1 電子水泵 其作用和空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)較為相似，主要是為冷卻液循環(huán)流動(dòng)過程提供動(dòng)力。電動(dòng)汽車電子水泵組成的是閉合式回路，所以管路的起始點(diǎn)也是其終點(diǎn)，由壓差引起的揚(yáng)塵損失是零。假定冷卻系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)置部件均處在等同高度，由高度差引起的揚(yáng)程損失忽略不計(jì)。此時(shí)，可以將冷卻系統(tǒng)管路揚(yáng)程看成是以坐標(biāo)原點(diǎn)為起始點(diǎn)的二次曲線。水泵工作點(diǎn)就是管網(wǎng)與水泵特性曲線兩者的交點(diǎn)。2.2.2 電子水閥 從宏觀層面上，我們可以將汽車?yán)鋮s系統(tǒng)看成是由數(shù)個(gè)冷卻系統(tǒng)的耦合，特備是引進(jìn)了電機(jī)余熱回收、電池冷卻。系統(tǒng)很多回路運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需利用閥門去調(diào)控冷卻液的流動(dòng)方向。2.2.3 電子閥 汽車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)閥門主要被用于截止閥，旁通閥，制熱閥，制冷閥，構(gòu)成，用于冷媒系統(tǒng)的流向切換，實(shí)現(xiàn)熱系統(tǒng)室外換熱器和室內(nèi)換熱器制熱制冷切換。2.2.4 前端散熱器 這是釋放高壓部件運(yùn)行階段生成熱量的重要裝置，主要為空氣和冷卻液熱互換提供空間場(chǎng)所。本文考慮空氣流速、進(jìn)出口溫度檢測(cè)過程的便捷性，利用單位面積與溫差條下的熱流曲線去仿真模擬換熱性能，并構(gòu)建了散熱器熱流曲面（見圖2）。3 電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件的控制策略 3.1 電子水泵 該種部件的功能主要是為冷卻系統(tǒng)提供流量，伴隨水泵轉(zhuǎn)速的增加，輸出流量也相應(yīng)增多。系統(tǒng)內(nèi)冷卻液流量值大小直接呈現(xiàn)出搬運(yùn)熱量的速度。即便是冷卻系統(tǒng)的散熱能力處于較高水平，流量過低也會(huì)降低熱量的運(yùn)輸時(shí)效性，造成在熱源位置聚集大量熱量，引發(fā)熱源溫度快速上升的問題。在具體運(yùn)作階段，無需檢測(cè)電機(jī)、DCDC 溫度，如果溫度變化幅度超出水泵升檔限值時(shí)，采用升檔處理，反之延時(shí)降檔。如果檢測(cè)到高壓部件溫度超出閾值 60℃時(shí)，建議應(yīng)用比例控制法，利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)溫度和設(shè)計(jì)溫值兩者形成的偏差測(cè)算出電子水泵檔位。3.2 電動(dòng)壓縮機(jī)控制 在加熱和冷卻車中環(huán)境條件，負(fù)荷需求和測(cè)量中溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及目標(biāo)溫度值之間均存在相關(guān)性，測(cè)算出實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)值和目標(biāo)值之間形成的偏差量及偏差改變率，將其作為壓縮機(jī)控制的輸入量。如果壓縮機(jī)的控制過程較復(fù)雜時(shí)，還應(yīng)分析環(huán)境氣溫、光照強(qiáng)度等對(duì)控制量的修正效果。汽車電池組主動(dòng)冷卻階段，將電池組入水口水溫設(shè)定為控制目標(biāo)，輸入量依然選擇以上測(cè)算出的偏差值與偏差改變率。也可以應(yīng)用模糊控制法對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。實(shí)際工程中以制熱為例，壓縮機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)之后，轉(zhuǎn)速RPM_EAC由前饋FF_EAC加反饋FB_EAC方式控制，其中前饋根據(jù)蒸發(fā)器出風(fēng)溫度Te，鼓風(fēng)機(jī)電壓BLV，車外環(huán)境溫度T_amb和設(shè)定出風(fēng)溫度T_set四個(gè)值根據(jù)公式計(jì)算出來的，即壓縮機(jī)前饋轉(zhuǎn)速計(jì)算為：FFEAC=f(Te, BLV, Tamb, Tset) 反饋由目標(biāo)壓力PCO和實(shí)測(cè)壓力PCI的差值根據(jù)公式進(jìn)行PI運(yùn)算得出,即壓縮機(jī)FB_EAC=f(PCO,PCI)。目標(biāo)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：FFEAC=K1*Vblw*(Tset-Tevap)-K2*Tamb-K3PCO調(diào)節(jié)壓力階段反饋計(jì)算：
3.3 電子膨脹閥控制 實(shí)際工程中電子膨脹閥步數(shù)控制采用前饋加反饋方式控制，前饋值根據(jù)環(huán)境溫度Tam、鼓風(fēng)機(jī)電壓Vblw、目標(biāo)出風(fēng)溫度TAO計(jì)算得出，反饋由熱泵芯體出口目標(biāo)過冷度TGSC和實(shí)際過冷度SC_incond的差值經(jīng)過PI計(jì)算得出：StepEXV=FFEXV+FBEXV FF_EXV=k1*Vblw-K2*Tam+K3*TAO+K4 FBEXV計(jì)算公式如下： K1,K2,K3,K4,K5為系數(shù)，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定EXV步數(shù)有上下限制如制熱模式下，EXV的上限為360步，下限為160步。 4 結(jié)束語 本文研究的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)，偏向于探究系統(tǒng)的集成化，以提升汽車熱管理系統(tǒng)對(duì)能量的利用效率、增強(qiáng)汽車的續(xù)航能力為目標(biāo)。緊扣汽車熱管理系統(tǒng)的重要部件仿真建模情況進(jìn)行較深入的分析，分別探究了電子水泵、冷卻風(fēng)扇、壓縮機(jī)等控制策略方法，希望熱管理系統(tǒng)能在差異化工作模式下能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)重要部件運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的協(xié)同控制，希望為能后續(xù)建設(shè)電池組模型、研發(fā)電池溫度均衡調(diào)控策略等能提供一定理論支持。作者：左小樂
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