新能源汽车热管理的多电机控制方案

时间: 2024-03-31 18:29:21 | 作者: 电动前移堆高车

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汽车热管理系统就是对汽车进行温控和冷却，用来保证汽车各零部件以及驾驶舱内处于适宜的温度范围。在新能源汽车上主要体现在电池系统、电驱系统和空调系统的温度控制上，而各回路系统的水泵作为能量流动的重要角色，因此，做到对三个水泵的灵活控制显得很重要。

随着低碳经济的提出和节能减排的号召，“新能源”慢慢的变成了当今社会的热点话题，在新能源汽车上更是对车内能源利用率提出了更高的要求，大多数表现在实现各回路热量与冷量需求的内部匹配。新能源电动汽车热管理已成为保障车辆宽温域环境适应能力、电池热安全和乘员舱热舒适性等方面的关键技术，同时也对电动汽车的能耗，特别是高低温度的环境下的整车能耗有着显著影响。随着车辆电气化和智能化的加快速度进行发展，与传统汽车相比，电动汽车热管理技术和发展路线在动力系统、空调系统等子热力系统和整车层面都呈现出了明显的差异和巨大的进步。

汽车在行驶工作时，其内部会产生大量的热量，而热管理系统便是负责汽车内部热量的产生和传输等问题，将车内热量控制在合适的范围内，防止高温引起汽车故障。

图1汽车热管理构成传统燃油汽车的热管理系统,基本围绕其动力系统展开,最重要的包含发动机冷却系统和主要利用发动机余热和动力进行制热/制冷的空调系统｡对于新能源的热管理系统，需要具备更复杂的系统，更高的成本，比如相较传统燃油车，多了电池、电驱电器件，就要多一套的电池冷却系统，和增加电动电器件的冷却系统。新能源汽车热管理系统包括电池热管理、电机电控热管理和空调热管理。

动力电池能完全发挥性能的温度范围通常为 0℃~40℃｡温度过低,电池充放电功率性能直线下降,整车表现出动力不足､续航缩减;温度过高会产生电池热失控风险,威胁整车安全。电池的散热方式主要有风冷式、液冷式和直冷式。随电池的单位体积内的包含的能量提升，直冷已经满足不了散热需求了，而液体的比热容比空气高，液冷式比风冷式散热效果更加好，使得液冷成为主流趋势。

电机和电控是新能源汽车一大发热源。温度控制带来最佳性能体验，电机电控零部件产生高温影响性能，需通过冷却循环及时散热，电机电控零部件工作时产生的热量若不及时散去会使其性能和寿命下降。

电动汽车空调系统主要负责汽车乘员舱的热管理，从而为司乘人员提供舒适的驾驶乘坐环境，进而保障驾驶员的安全驾驶。当前电动汽车主要是采用的空调系统为压缩式单冷空调和电加热器的组合，这种空调系统技术成熟，与燃油车差别不大。目前主要使用的是PTC空调和热泵空调。

目前传统车热管理方案已经较为成熟，传统内燃机汽车可通过发动机的余热进行采暖。在电动汽车发展的初期，各系统的热管理功能独立，纯电动汽车的空调系统工作所需能量均来自动力电池，无法利用内燃机余热进行乘员舱的加热，主要是依靠高压PTC 进行供暖，在冬季环境中，会大量消耗电池的电量，缩短续驶里程。这样的分散式热管理系统部件众多，体积及质量大，缺乏对整车热量的统一管理，热管理效率较低，系统成本高，但结构相对比较简单，系统控制简单。在电动汽车续驶和整车能耗的压力下，随着电动汽车开发技术的进化，具备更低热管理能耗、更宽工作温域、更低系统成本和更紧凑的系统结构的一体化集成热管理系统成为电动汽车的大势所趋。该设计对三大系统产生的热量进行统一的管理，从而大幅度提高车辆整车的热管理效率，采用更高效的热泵空调代替PTC作为主要热源，并采用电机余热回收或电机发热等作为补充热源来拓展工作温域。将各系统的加热功能、冷却功能集成化，而非分散式热源。将冷却管路、控制阀、水泵、膨胀壶等辅助系统部件集成使结构更紧凑。与零散的系统相比可以明显降低热管理系统整体所占用的空间和重量。集成式管理系统可大幅度降低能量损耗，直接提升续航里程，国外厂商已经有6年的验证搭载周期，目前装载率仅10%，产业升级趋势明确。

新能源汽车热管理系统核心零部件：换热器 Chiller、电池冷却板、电子膨胀阀、电子水泵、水暖 PTC、电动压缩机、冷凝器、风扇、电子膨胀阀、蒸发器等。其中水泵是整套系统的心脏，驱动液体在三个系统中流动、交换能量。

图2新能源车热管理构成在这套系统中，水泵几乎是一直在工作的，因其工作特性，需要工作寿命长且兼顾效率高、噪音低、振动小、质量小等特点。使用FOC算法控制无刷电机，能满足市场需求。在这套系统中，为确保各个系统的液体流通，需要三个水泵，分别负责每一路液体传输的动力来源。对于水泵的驱动和控制，早期方案是单个MCU驱动一个水泵，各个水泵控制是独立分开的，机车控制中心需要对三个MCU进行数据交互，才能完成对水泵的有效控制，导致对整个热管理系统数据管理是十分复杂的，并且其后期OTA也是复杂的。现在推出S32K3多电机控制方案，单个S32K3 MCU就可控制3个水泵，更方便对其来管理，后期OTA也更简单，同时S32K3在安全方面的性能比S32K1更加可靠。