电动汽车热管理系统冷却水泵自适应的控制方法

技术领域

本发明属于汽车的热管理系统技术领域，具体说是一种电动汽车热管理系统冷却水泵自适应的控制方法。

背景技术

新能源汽车已进入大规模产业化阶段。但是电池使用性能受到温度的影响较大，电池的最佳使用温度在20-40℃，范围较窄，严重影响整车性能的发挥。中国汽车工程学会发布的2022年度汽车技术趋势报告指出，智能热管理技术可以大幅提升新能源汽车对于环境温度的适应性。通过智能热管理技术的应用有效支撑新能源汽车，甚至实现零下30度的环境应用，将极大的解决目前新能源汽车面临的痛点问题。

采用液冷式电池热管理方式具有导热系数高，冷却速度较快，能产生较好的散热效果等优点，因此得到广泛应用。新能源汽车液冷系统电子水泵的控制，一般相对简单。例如，王春丽采用了最大开度持续工作的控制方法；刘卫东和夏应琪采用了高速和低速两个转速控制，以电池包水温为控制目标，实际控制参数通过实车标定获取。江丰考虑了水泵能耗的影响，而且指出在热管理控制策略设计时，控制水温过高或者过低都会导致热管理能耗的增加，控制水温存在最优解；并且提出以热管理能耗、恒温占比、温降速率三个维度，判断策略的优劣，但是其具体控制方法并未展开论述。

发明内容

为了在不显著增加能耗的基础上改善电池热管理系统控制效果，本发明提供了一种电动汽车热管理系统冷却水泵自适应控制策略设计方法。

本发明基于全因子试验设计方法对水泵流量的影响进行仿真，分析了不同车速下流量和电池初始温度共同作用下电池终止温度的差异；统计得到最佳流量分布图，设计出水泵自适应控制策略；并分别在NEDC和WLTC工况下进行仿真验证，通过对比其他控制策略流量下的电池温度，证明了本发明的流量控制策略的有效性。

本发明所述的电动汽车热管理系统冷却水泵自适应的控制方法，依托于热管理系统模型，热管理系统模型包括电池生热模型和电池热管理模型，电池生热模型包括电池在不同工况下的生热速率模型，电池热管理模型是由电池冷板、水泵、散热器以及连接管路所形成的封闭式热管理系统；控制操作步骤如下：

(1)使用AMESim软件搭建电池生热模型和电池热管理模型；

(2)进行全因子试验设计，为了系统研究电池初始温度与不同水泵流量对电池液冷系统冷却效果的影响，本文考虑在不同车速下利用全因子试验设计法对电池液冷系统进行仿真分析；

(3)按照依据全因子试验设计法设计的试验组合，采用步骤一中所搭建的仿真模型，逐个进行仿真试验，记录电池的终止温度；

(4)获得最佳流量分布图，将步骤三中记录得到的电池终止时刻温度最低点作为最佳流量点，汇总仿真结果，统计不同车速、不同电池初始温度下对应的最佳流量点，获得液冷系统水泵最佳流量的分布图；

(5)确定水泵流量自适应控制策略，将最佳流量分布图中的数据转化为插值表格，利用插值的方法对模型中的水泵流量参数进行设置，在纯电动汽车运行时，水泵的流量会根据汽车的运行状态和电池温度的变化通过插值实时获取，这样就构建了可根据电池温度和行驶车速实时进行流量调节的电池热管理系统自适应流量控制策略。

基于电池热管理模型，并基于全因子试验设计方法对水泵流量的影响进行仿真，分析了不同车速时流量和电池初始温度共同作用下电池终止温度的差异，统计得到最佳流量分布图，图中数据转化为插值表格，设计出水泵自适应控制策略。整体实现电池热管理水泵自适应控制，大幅提高了电池热管理系统的效率，降低系统缺陷导致的误判率，实现实时调节水泵流量，提高热管理系统的质量。

所述的步骤(1)中，电池热管理模型是基于电池热量经电池冷板传递到冷却液，水泵将电池冷板中冷却液传递到散热器，在散热器中冷却液热量传递到空气中，冷却后的冷却液再回到电池冷板继续带走电池的热量的流程进行设计，并最终搭建出热管理模型。

所述的步骤(2)中，全因子设计是指将全部因子的全部水平，其所有组合情况都至少进行一次试验，这个过程相当于对每种可能出现的情况进行枚举。

本发明针对的是在不显著增加能耗的基础上改善电池热管理系统控制效果，最终的目的是为了将电池温度保持在合适的范围，所以初始时刻的电池温度作为因子之一。

当汽车行驶速度越大，电机的需求功率越大。在其他部件的消耗功率保持不变的情况下，消耗功率越多，会直接导致电池的生热量增多，所以车速作为因子之一。

对于水泵，增加流量的输出，在其他部件的消耗功率保持不变时，这就导致电池的总消耗功率变大，电池生热就会增加。但是对同一个水泵来说，提供更大的流量，进入液冷系统的流量越大，冷却液带走的热量也会越多，这就意味着水泵消耗电池的功率就越多，与此同时，电池的生热量就会增加；从全局来看，水泵提供给液冷系统流量不是越大越好，也并非越小越好；流量越小，电池产生的热量就会出现堆积现象，电池温度就越高；流量越大，虽然冷却液带走热量速度会增加，但同一时刻，电池的生热量也会增加。因此，在探究液冷系统对电池的冷却效果表现时，要考虑对水泵的流量进行控制，所以水泵流量作为因子之一。

可知车速、流量以及电池初始温度均对电池热管理效果有显著的影响，在不同车速和初始温度下，最佳流量是不同的，即最佳流量点也是不同的。所以在步骤(3)本发明中取电池初始温度、水泵流量与车速三个因子，选择多个电池温度作为仿真初始电池温度，通过控制水泵都以固定流量进入液冷系统，选择不同的水泵流量，仿真时以不同的恒定车速行驶。并分别对每种组合情况进行仿真，并统计每种组合情况下仿真终止时刻的电池温度。

所述的步骤(4)中最佳流量分布图，通过上述的步骤(3)可以得到每种组合情况下的最佳流量点，从而绘制出最佳流量分布图，但考虑到实际运行过程中环境温度与电池实际温度与仿真设置的环境温度和电池初始温度可能存在差异，所以本发明定义了电池温度与环境温度的温差，将上述的最佳流量分布转化为温差与车速的最佳流量分布。

所述的步骤(5)中，将最佳流量分布图中的数据转化为插值表格，利用插值的方法对模型中的水泵流量参数进行设置，在纯电动汽车在运行时，水泵的流量会根据汽车的运行状态和电池温度的变化通过插值实时获取，具体的过程为：

(5.1)、计算电池温度与环境温度的温差；

(5.2)、将当前车速与温差代入公式所代表的插值表格，计算出最佳流量；

(5.3)、依据最佳流量控制水泵。

至此，构建了可根据电池温度和行驶车速实时进行流量调节的电池热管理系统自适应流量控制策略。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

(1)可以得到最优的电池温度控制，由于该发明是根据电池在各种工况和环境温度下，获得最优散热性能的流量分布表格数据，因此根据该表格进行的自适应控制，可以很好的满足电池的最优温度控制目标。

(2)相比于定流量的控制方法，该发明可以根据车速和温度，自适应调节水泵流量，从而在保证电池满足散热需求的同时，获得最低的水泵能量消耗，从而有效节省整车能耗，提升续驶里程。

附图说明

图1为本发明电池液冷示意图；

图2为本发明建立的电池液冷系统模型；

图3为本发明实施例的全因子试验在不同车速下的仿真结果；

图4为本发明的最佳流量分布图；

图5为本发明的基于温差和车速的最佳流量分布图；

图6为本发明的水泵流量自适应控制策略。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述。

如图1和图2所示，电池液冷系统模型包括整车模型、电池传热模型、电池热管理系统模型以及辅助电器模型，本发明所述的电动汽车热管理系统冷却水泵自适应控制策略设计方法依托于热管理系统模型，热管理系统模型包括电池生热模型和电池热管理模型，电池生热模型包括电池在不同工况下的生热速率模型，电池热管理模型是由电池冷板、水泵、散热器以及连接管路所形成的封闭式热管理系统。

本发明所述的电动汽车热管理系统冷却水泵自适应控制策略设计方法包括以下步骤，步骤(1)：使用AMESim软件搭建电池生热模型和电池热管理模型；

步骤(2)：进行全因子试验设计，为了系统研究电池初始温度与不同水泵流量对电池液冷系统冷却效果的影响，本文考虑在不同车速下利用全因子试验设计法对电池液冷系统进行仿真分析；

步骤(3)：按照依据全因子试验设计法设计的试验组合，采用步骤一中所搭建的仿真模型，逐个进行仿真试验，记录电池的终止温度；

步骤(4)：获得最佳流量分布图，将步骤(3)中记录得到的电池终止时刻温度最低点作为最佳流量点，汇总仿真结果，统计不同车速、不同电池初始温度下对应的最佳流量点，获得液冷系统水泵最佳流量的分布图；

步骤(5)：确定水泵流量自适应控制策略，将最佳流量分布图中的数据转化为插值表格，利用插值的方法对模型中的水泵流量参数进行设置，在纯电动汽车运行时，水泵的流量会根据汽车的运行状态和电池温度的变化通过插值实时获取，这样就构建了可根据电池温度和行驶车速实时进行流量调节的电池热管理系统自适应流量控制策略。

基于软件建立热管理模型，并基于全因子试验设计方法对水泵流量的影响进行仿真，分析了不同车速下流量和电池初始温度共同作用下电池终止温度的差异，统计得到最佳流量分布图，图中数据转化为插值表格，设计出水泵自适应控制策略。整体实现电池热管理水泵自适应控制，大幅提高了电池热管理系统的效率，降低系统缺陷导致的误判率，实现实时调节水泵流量，提高热管理系统的质量。

本发明所述的步骤一中的热管理模型，是基于电池热量经电池冷板传递到冷却液，水泵将电池冷板中冷却液传递到散热器，在散热器中冷却液热量传递到空气中，冷却后的冷却液再回到电池冷板继续带走电池的热量的流程进行设计，最终搭建出热管理模型。

所述的步骤二中全因子试验设计，全因子设计是指将全部因子的全部水平，其所有组合情况都至少进行一次试验，这个过程相当于对每种可能出现的情况进行枚举。

本发明针对的是在不显著增加能耗的基础上改善电池热管理系统控制效果，最终的目的都是为了将电池温度保持在合适的范围，所以初始时刻的电池温度就需要设定。

当汽车行驶速度越大，电机的需求功率越大。在其他部件的消耗功率保持不变的情况下，消耗功率越多，会直接导致电池的生热量增多，所以车速就需要设定。

对于水泵，增加流量的输出，在其他部件的消耗功率保持不变时，这就导致电池的总消耗功率变大，电池生热就会增加。但是对同一个水泵来说，提供更大的流量，进入液冷系统的流量越大，冷却液带走的热量也会越多，这就意味着水泵消耗电池的功率就越多，与此同时，电池的生热量就会增加；从全局来看，水泵提供给液冷系统流量不是越大越好，也并非越小越好；流量越小，电池产生的热量就会出现堆积现象，电池温度就越高；流量越大，虽然冷却液带走热量速度会增加，但同一时刻，电池的生热量也会增加。因此，在探究液冷系统对电池的冷却效果表现时，要考虑对水泵的流量进行控制

如图3所示，已知车速、流量以及电池初始温度均对电池热管理效果有显著的影响，在不同车速和初始温度下，最佳流量是不同的，即最佳流量点也是不同的。所以在本发明中取电池初始温度、水泵流量与车速三个因子，选择30℃、32℃、35℃和40℃四种电池温度作为仿真初始电池温度，通过控制水泵都以固定流量进入液冷系统，水泵流量选择16种分别是1L/min、2L/min、4L/min、6L/min、8L/min、10L/min、12L/min、14L/min、16L/min、18L/min、20L/min、22L/min、24L/min、26L/min、28L/min、30L/min，仿真时以恒定车速行驶，车速选择14种分别是0km/h、10km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h、90km/h、100km/h、110km/h、120km/h、130km/h。分别对每种组合情况进行仿真，并统计每种组合情况下仿真终止时刻的电池温度。

如图4和图5所示，所述的步骤四中最佳流量分布图，通过上述的步骤三可以得到每种组合情况下的最佳流量点，从而绘制出最佳流量分布图，但考虑到实际运行过程中环境温度与电池实际温度与仿真设置的环境温度和电池初始温度可能存在差异，所以本发明定义了电池温度与环境温度的温差，将上述的最佳流量分布转化为温差与车速的最佳流量分布。

如图6所示，所述的步骤五中，将最佳流量分布图中的数据转化为插值表格，利用插值的方法对模型中的水泵流量参数进行设置，在纯电动汽车在运行时，水泵的流量会根据汽车的运行状态和电池温度的变化通过插值实时获取，具体的过程为：

1、计算电池温度与环境温度的温差；

2、将当前车速与温差代入公式所代表的插值表格，计算出最佳流量；

3、依据最佳流量控制水泵。

至此，构建了可根据电池温度和行驶车速实时进行流量调节的电池热管理系统自适应流量控制策略。

综上所述，本发明设计合理，整体实现电池热管理水泵自适应控制，提高了电池热管理系统的效率，实时调节水泵流量，提高了热管理系统的质量，可以确保动力电池在合适的温度范围内运行，一定程度的缓解了电动汽车的里程焦虑。