【热管理专栏】广汽 | 电池冷却系统与空调制冷系统的协调控制策略
摘要
电动汽车电池冷却系统和空调制冷系统共用压缩机的制冷剂实现电池的冷却功能 ，针对这一系统提出了电池冷却系统和空调制冷系统协调控制的方法。在满足乘员舱空调制冷需求的条件下，通过调节电池冷却回路电子膨胀阀的开度来实现电池的冷却功能。试验结果表明提出的控制策略既满足了电池的冷却需求也有效防止了乘员舱的温度的突变，保证了乘员舱的舒适性。
关键词：电动汽车 动力电池 冷却系统 空调制冷系统 协调控制
作者：赵继岭 彭君 马香明 王金航
单位：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院
来源：时代汽车
2019 中国电动汽车的销量达到 120.6 万辆，电动汽车已经遍布全国各地。动力电池作为电动汽车的动力源，其性能的好坏直接影响到电动汽车的整车性能。但是在我国南方以及新疆等地区的炎热夏季动力电池长期工作在高温的环境下，其寿命会大大缩短并且存在高温热失控的风险。因此在高温环境下需要对动力电池进行冷却，这对提高动力电池寿命和整车运行安全具有重要的意义。
目前电池的冷却方式主要分为：风冷式、液冷式、相变材料冷却和空调制冷剂冷却。风冷式主要是通过流动的空气带走电池表面的热量，该方式控制简单并且成本低廉，但是容易造成电池冷却不均匀，在环境温度比较高时换热效果也会变差。液冷式是通过水泵运转带动冷却液流经电池内部，之后冷却液将电池的热量带出到车辆前端的散热器。液冷式可以均匀冷却电池有利于电池温度的一致性，并且整体散热效果要远好于风冷方式，但是在外界坏境温度高的情况下，高温冷却液带走的热量也很难散发出去。相变材料冷却是利用相变材料的特性实现电池的散热，但是成本很高，在汽车上应用较少。空调制冷剂冷却是在液冷式的基础上采用空调制冷剂通过热交换器实现冷却液的降温，该制冷方式不再依赖于外界环境温度，即使在外界环境温度高的情况下也可以带走冷却液的热量，从而实现电池的降温。
本文的电池冷却系统采用的是空调制冷剂式冷却，压缩机产生的制冷剂流经电池冷却回路通过热交换器带走电池冷却液的热量。
1
电池高温冷却系统介绍
本文设计的电池高温冷却系统主要是由动力电 池、水 泵、热交换 器、压缩机 、 电 子 膨 胀 阀 （Electronic Pxpansion Valve，EXV） 以 及 配 套 的 温 度 传 感 器 （Temperature Sensor，T） 和压力传感器（Pressure Sensor，P）组成，见图 1。空调压缩机出来的制冷剂分成两条支路，一条流经乘员舱空调制冷回路给乘员舱制冷，另外一条流经电池冷却回路用来冷却电池。当电池温度升高进入冷却模式后，电池冷却系统请求水泵运转，冷却液流经电池内部带走电池的热量，同时根据电池温度请求压缩机的制冷功率，压缩机产生的制冷剂流经电池冷却回路通过热交换器带走电池冷却液的热量。在电池冷却回路和空调制冷回路同时工作时，通过 P、T 传感器采集到的压力值和温度值计算出当前过热度，以过热度为控制目标调节电池冷却支路 EXV 的开度，进行空调制冷回路和电池冷却回路制冷剂的分配，从而实现对空调制冷系统和电池冷却系统的协调控制，在满足乘员舱空调需求的前提下实现电池的冷却功能。
2
EXV 介绍
EXV 已经成为新型制冷系统的重要元件， 被应用在了很多领域中。本文采用的 EXV 集成了 LIN 接收器和步进电机驱动模块，量程是 0-480 步，具体参数见表 1。在 EXV 通过LIN 线接收到开度指令后，控制步进电机驱动针阀上升或者下降，实现不同开度的调节。
EXV 开度的大小是根据过热度来确定的， 过热度是通过 P、T 采集的数据计算出来的。所以控制 EXV 的开度首先需要设置一个合理的目标过热度，通过调节 EXV 的开度将实际过热度控制在目标值附近。当实际过热度高于目标值，代表制冷剂的流量过少，起不到冷却的作用，此时应该增大 EXV 的开度；实际过热度低于目标值，代表流过的制冷剂较多，可能会发生制冷剂因未充分吸热蒸发， 被压缩机吸入造成压缩机液击，所以此时应该减小 EXV 的开度。
3
与空调制冷系统的协调控制策略
本节的协调控制策略主要针对如下三种工况：1、在空调制冷系统工作的工况下，电池进入冷却模式 EXV 开度的控制策略；2、在电池冷却系统工作的工况下，空调制冷系统开启时 EXV 开度的控制策略；3、异常工况下 EXV 开度的控制策略。
电池冷却模式下 EXV 的控制
在乘员舱空调工作过程中，当动力电池的温度升高到 35℃后，电池系统进入冷却模式。在电池进入冷却模式后根据电池的最高温度请求压缩机的制冷功率，此时压缩机的制冷功率等于电池系统请求的制冷功率加上空调系统请求的制冷功率。在压缩机响应电池系统请求的制冷功率后，制冷剂开始流经电池冷却回路，此时调节电池冷却回路 EXV 的开度，从而控制制冷剂的流量。EXV 的控制流程图见图 2。
在 EXV 调节的初始阶段，由于没有制冷剂流经电池冷却回路，由传感器计算的过热度会偏大，此时如果以过热度为控制目标会请求 EXV 一个很大的开度，从而有大量的制冷剂流入电池冷却回路，而流入空调制冷回路的制冷剂会相对减小，这就会导致乘员舱的温度上升，严重影响乘员舱的舒适性。所以在电子膨胀阀调节的初始阶段，不以过热度为目标进行 EXV 开度控制，改为请求EXV 以每秒 5 步的速率缓慢开启。EXV 缓慢开启流经电池冷却回路的制冷剂流量也缓慢增加，从而避免了乘员舱温度的跳变，在乘员舱温度有升高趋势时，由于 EXV 的开度小且开度的调节速率足够慢压缩机也有足够的时间根据乘员舱温度增大制冷功率。
在EXV 缓慢开启的过程中，过热度会逐渐下降，当过热度下降到10℃左右时，转为以过热度为目标控制EXV 的开度。设定目标过热度为8℃，根据实际计算出来的过热度与目标过热度的差值进行PI 调节：在实际过热度高于目标设定值时，增加EXV 的开度；在实际过热度低于目标设定值时，减小EXV 的开度。
在电池冷却过程中，当电池温度下降到30℃以下，电池已经接近正常工作温度，电池的冷却需求降低，此时可以通过增大目标过热度来优先保证乘员舱的舒适性，将目标过热度由8℃增大到11℃。目标过热度增大后， 在目标值所对应的 EXV 开度会相对减小，对应的制冷剂流量也会相应的减少，这样就会有更多的制冷剂流经空调制冷回路，从而满足空调制冷优先的需求。
空调开启时 EXV 的控制
当电池工作在冷却模式时，打开乘员舱空调，此时空调系统会根据乘员舱的设定温度请求压缩机的制冷功率。压缩机增大制冷功率后产生的制冷剂会流经空调制冷回路用来降低乘员舱温度，同时新增的制冷剂也会有部分流到电池冷却回路。对于电池冷却回路制冷剂的突然增加会导致过热度快速下降， 如果过热度下降到 0℃后会造成压缩机液击的风险。为避免乘员舱空调开启过程对电池冷却控制系统造成的冲击，在检测到空调按钮开启且压缩机的制冷功率还未增大时，立刻请求 EXV 开度降低到 70 步并且保持 20s，以避免空调开启后压缩机产生的制冷剂对电池冷却回路稳定性造成影响。20s 过后空调制冷系统已经趋于稳定，EXV 的开度控制再次转为根据过热度进行 PI 调节。
异常工况下 EXV 的控制
当在电池冷却过程中电池温度信号异常或者丢失，由于无法判断电池冷却需求，需要关闭 EXV 退出电池冷却模式。当 EXV 上报故障例如：Lin 通讯故障、线圈短路故障等，也需要退出电池冷却模式关闭 EXV，避免电池制冷回路异常对乘员舱空调制冷造成影响。
在 EXV 开度调节过程中如果发生了过热度低于 0℃的情况，应该立即请求 EXV 关闭，防止制冷剂流入快冷回路过多压缩机产生液击。等到过热度恢复到 0℃以上后再次根据过热度进行 EXV 开度的控制。
4
试验验证
针对上述电池冷却系统与空调制冷系统协调控制策略在实车进行验证，首先在高温环境下静置车辆 6 小时，试验开始后打开乘员舱空调设定温度 24℃，等到乘员舱温度稳定后控制电池系统进入冷却模式，电池冷却模式下 EXV 开度控制的初始阶段试验结果见图 3。
从试验结果可以看出电池进入冷却模式之前没有制冷剂流经电池冷却回路，由传感器计算出的过热度很高，电池进入冷却模式后 EXV 缓慢开启制冷剂开始流入，过热度缓慢下降，过热度下降到 10℃后，不再控制EXV 缓慢开启，EXV 控制的初始阶段结束。在 EXV 控制的初始阶段过热度没有发生大幅度跳变，乘员舱的温度也维持在 27℃附近， 既保证了电池冷却系统的稳定性也防止了乘员舱温度的突变。
在 EXV 控制的初始阶段结束后，EXV 开度控制开始进入以过热度为目标的 PI 控制，试验结果如图 4。从试验结果可以看出电池的整个冷却过程中，过热度一直控制在8℃附近，保证了电池冷却系统的稳定运行。整个试验过程乘员舱的温度维持在 24℃附近没有发生大幅度温度的跳变，保证了乘员舱的舒适性。
针对空调开启时 EXV 开度控制策略的验证 : 首先控制电池系统进入冷却模式之后开启乘员舱空调，针对该工况的试验结果如图5。由试验结果可以看出，在开启乘员舱空调后过热度快速下降，为防止过热度降低到 0℃以下，在检测到空调按钮开启后控制 EXV 开度迅速降低到 70 步，之后过热度开始缓慢上升并趋于稳定。在过热度稳定后，EXV 控制策略恢复为 PI 调节。通过识别空调按钮的开启， 迅速控制 EXV 降低到一个很小的开度，有效的防止了过热度的快速下降，保证了电池冷却系统的稳定性。
5
结束语
针对本文采用的电池冷却装置，提出了三种工况下电池冷却系统与空调制冷系统的协调控制策略，结合实车验证表明提出的控制策略满足了电池冷却的需求同时保证了电池冷却系统工作的稳定性，也有效防止了乘员舱的温度的突变保证了乘员舱的舒适性。
参考文献
[1]杜亮 , 张绍卫 . 针对 2018 版 C-NCAP 侧面碰撞的假人伤害分析 [J]. 上海汽车 ,2017(2):57-62.2020，20（02）：49-52+72.
[2]卢梦瑶，章学来 . 电动汽车动力电池冷却技术的研究进展[J]. 上海节能，2019（10）：801-809.
[3]贾春辉 . 动力电池热特性分析及冷却系统优化 [D]. 吉林大学，2019.
[4]郭晓鹏，周大志 . 电子膨胀阀控制器优化研究 [J]. 制冷技术，2019，39（02）：72- 75.
[5]Rongrong Zhang,Edwin J. Stanke,Genxiang Zhang,Yingchong Lu,Xiangli Sun,Xiaolu Li. Benefits investigation of electronic expansion valve in electric vehicle thermal system as compared to thermal expansion valve with shut-off valve[J]. Elsevier Ltd,2019,100.
[6]叶奔 . 电动汽车锂电池模块冷却系统设计和优化 [D]. 浙江理工大学，2019.
[7]张荣荣，张根祥，Edwin Stanke，陆颖翀 .电子膨胀阀在电动汽车空调和电池冷却系统中的应用[J]. 制冷与空调，2018，18（05）：77-80+85.
[8]徐旻晟 . 超低温制冷系统中热力和电子膨胀阀性能研究 [D]. 上海海洋大学，2017.
[9]李俊 . 基于 FPGA 的电动汽车空调电子膨胀阀控制器的研究与实现[D]. 中原工学院，2015.
[10]陈文勇，陈芝久，朱瑞琪，吴业正 . 制冷系统启动过程电子膨胀阀的控制 [J]. 上海交通大学学报，2002（02）：210-213