李珍珍，楊勝兵

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

當(dāng)前綠色節(jié)能、高效率的電動(dòng)汽車已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系在工作過程中產(chǎn)生大量的熱負(fù)荷，直接影響著電動(dòng)汽車工作的可靠性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此需要設(shè)計(jì)性能良好的冷卻系統(tǒng)來保證其在任何負(fù)載及工作環(huán)境下都能可靠、高效地工作。電子化、信息化和智能化控制是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的重要特點(diǎn)，對電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行可靠智能化控制成為電動(dòng)汽車研究的重要方向［1-3］。

筆者簡化電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系冷卻系統(tǒng)，建立冷卻系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過分析得到冷卻系統(tǒng)控制策略，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)冷卻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及電子水泵智能控制系統(tǒng)。搭建電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，測試電子水泵工作效率，驗(yàn)證該冷卻控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)建模分析

1.1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系發(fā)熱分析

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系發(fā)熱主要是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器在工作過程中的熱負(fù)荷產(chǎn)生。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的能量損耗最終變成熱量使電機(jī)各部分溫度升高［4］。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱損耗PM的計(jì)算公式為：

式中：PFe為鐵損耗;PCu為繞組損耗;Pf為機(jī)械損耗;Ps為雜散損耗。

對于驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，其有許多電子元器件，特別是功率晶體管在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱。為了簡化分析，忽略電機(jī)控制器上其他電子元器件的發(fā)熱損耗，即電機(jī)控制器總功率損耗主要包括開關(guān)器件損耗和通態(tài)損耗。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系發(fā)熱量可根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)電機(jī)及電機(jī)控制器各部分都是均勻質(zhì)地的等溫物體，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的全部熱量在相同的時(shí)間內(nèi)散發(fā)到周圍介質(zhì)中，物體自身的溫度達(dá)到穩(wěn)定。因而在電機(jī)及其控制器達(dá)到熱平衡時(shí)，增強(qiáng)散熱能力是解決其發(fā)熱的重要途徑。

在單位時(shí)間內(nèi)，冷卻系統(tǒng)中冷卻液流過該驅(qū)動(dòng)系能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)系產(chǎn)生的發(fā)熱損耗吸收，使電機(jī)及其控制器能夠及時(shí)有效地散熱，保證電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系在合適的溫度條件下為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。

1.2 電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)建模

根據(jù)上述對電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系發(fā)熱的分析可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器的發(fā)熱和傳熱過程較復(fù)雜。為了進(jìn)行冷卻系統(tǒng)控制分析，作出如下假設(shè)以簡化電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)模型：

(1)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和散熱器均為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，忽略其內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和對流，器件各處溫度一致;

(2)忽略冷卻系統(tǒng)管路熱量損失，認(rèn)為流出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻液溫度與流進(jìn)散熱器時(shí)溫度相等，即溫度傳感器T2 的測量溫度為T2℃，冷卻液在散熱器出口處的溫度與水泵入口處溫度一致，即溫度傳感器T1 的測量溫度為T1℃;

(3)忽略電子水泵電機(jī)的發(fā)熱量，認(rèn)為冷卻液在水泵入口處的溫度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器入口處的溫度相等;

(4)冷卻液流經(jīng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系水套時(shí)與驅(qū)動(dòng)系進(jìn)行完全充分的熱交換，最終冷卻后的驅(qū)動(dòng)系溫度與冷卻液溫度一致，即驅(qū)動(dòng)系發(fā)熱損耗的熱量被冷卻液帶走且與在散熱器中散發(fā)的熱量相等;

(5)忽略電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系與周圍空氣的熱交換，即電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系的熱量交換只與其冷卻系統(tǒng)中的冷卻液有關(guān)。

根據(jù)上述假設(shè)，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系冷卻控制系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 冷卻控制系統(tǒng)示意圖

單位時(shí)間內(nèi)冷卻液流過電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系水套吸收的熱量為：

式中：qm為冷卻液質(zhì)量流量;C為冷卻液比熱容;ΔT為冷卻液流經(jīng)驅(qū)動(dòng)系水套的溫度差。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系電機(jī)和控制器的發(fā)熱量為Qin，為了使冷卻液順利有效地帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，需滿足：

根據(jù)上述分析和能量守恒定律可得出冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式中：CME為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系的熱容;CS為散熱器的熱容;T0為外部介質(zhì)(空氣)的溫度;Cpa為空氣比熱容;qmf為與散熱器換熱空氣的質(zhì)量流量;ε 為散熱器的效能系數(shù)。

2 電動(dòng)汽車?yán)鋮s控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)分析

由電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系冷卻系統(tǒng)模型可知，該冷卻系統(tǒng)以冷卻液流量、空氣流量為系統(tǒng)輸入，以散熱器出口溫度、驅(qū)動(dòng)系水套出口溫度為輸出［5］。筆者主要研究以冷卻液流量為控制量的電動(dòng)汽車水冷系統(tǒng)。上述模型對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了諸多簡化處理，實(shí)際上冷卻液在管路中流動(dòng)會(huì)造成能量損失，引入的電子水泵也不能完全對冷卻液做功。那么通過傳感器測量到的溫度值T1、T2就會(huì)與實(shí)際模型中驅(qū)動(dòng)系出口溫度和散熱器出口溫度存在差異。為了實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)智能節(jié)能控制，設(shè)計(jì)獨(dú)立可靠的電子水泵電機(jī)控制器，采集并修正溫度后，根據(jù)該溫度信號(hào)按照設(shè)計(jì)的控制策略調(diào)整水泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，繼而改變冷卻液流量，使電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系中冷卻液溫度值趨于目標(biāo)值，且為了使系統(tǒng)各部分溫升比較均勻，避免局部過熱而影響系統(tǒng)壽命，應(yīng)使冷卻液流過系統(tǒng)的溫升ΔT不超過10 K。

設(shè)計(jì)水泵電機(jī)控制器與整車控制器之間基于CAN 總線的實(shí)時(shí)通信，完善電動(dòng)汽車通信系統(tǒng)。同時(shí)為了完善水泵電機(jī)的控制，增加檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流，確保電機(jī)正常運(yùn)行及精確控制［6］。

2.2 電動(dòng)汽車?yán)鋮s控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

該電子水泵控制器主控芯片選用兼容性較好的PIC 系列PIC18F2480，電子水泵控制器軟件設(shè)計(jì)分成兩個(gè)部分，即主程序和中斷服務(wù)子程序，其中中斷服務(wù)子程序分為低優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器中斷和高優(yōu)先級(jí)的電平中斷［7-8］。在低優(yōu)先級(jí)中斷處理子程序中完成冷卻系統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)的采集修正，并根據(jù)采集到的信息調(diào)整PWM 控制信號(hào)的占空比，完成溫度等CAN 信息的接收和發(fā)送。

高優(yōu)先級(jí)中斷子程序通過檢測電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的保護(hù)策略。筆者選用無位置傳感器無刷直流電機(jī)(BLDCM)作為水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為了提高冷卻系統(tǒng)工作的可靠性和高效性，設(shè)計(jì)電機(jī)的保護(hù)策略。BLDCM 的故障一般分為不能正常啟動(dòng)、短路、堵轉(zhuǎn)和欠壓。在這些故障情況下，電機(jī)容易不正常工作甚至燒毀［9-10］。系統(tǒng)算法流程圖如圖2 所示。

在CAN 總線通信處理模塊中需要實(shí)現(xiàn)與整車控制器基于SAE J1939 協(xié)議的通信。SAE J1939 分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層。CAN2.0B 協(xié)議是其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)。該控制器向整車ECU 發(fā)送溫度、轉(zhuǎn)速和電流信號(hào)時(shí)，物理層實(shí)現(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)包發(fā)送，數(shù)據(jù)鏈路層將相關(guān)數(shù)據(jù)打包成CAN 數(shù)據(jù)幀發(fā)送給傳輸層，由于電子水泵控制器需要傳輸?shù)腃AN 數(shù)據(jù)不多，8 字節(jié)的單個(gè)CAN 數(shù)據(jù)幀足夠裝載信息，無需使用傳輸層的連接管理。傳輸層只需將CAN數(shù)據(jù)幀拆包重組成SAE J1939 報(bào)文，發(fā)送至應(yīng)用層即可完成溫度和轉(zhuǎn)速CAN 信號(hào)基于J1939 協(xié)議的傳輸。當(dāng)整車ECU 檢測到車輛狀態(tài)，需要向所設(shè)計(jì)的控制器發(fā)送信息時(shí)，方法類似［11］?；赟AE J1939 協(xié)議的CAN 信號(hào)的接收和發(fā)送示意圖如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)算法流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)離心式水泵設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式［12］，可以得到水泵質(zhì)量流量為：

式中：ρ 為管路中冷卻液密度;b為水泵葉片進(jìn)口寬度;D為水泵進(jìn)口直徑;n為水泵轉(zhuǎn)速;β 為進(jìn)口葉角。

電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中水泵對水做功功率與冷卻液流量之間的關(guān)系為：

圖3 CAN 信號(hào)的接收和發(fā)送示意圖

式中：Pp為水泵對水做功功率;qv為管路中冷卻液體積流量，且qm=ρqv;Z為流阻。當(dāng)水泵及冷卻系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定時(shí)，水泵流量與水泵轉(zhuǎn)速成正比，水泵對水做功的功耗與水泵流量的三次方成正比。

水泵效率為水泵對水做功的輸出功率與水泵輸入功率之比，即

式中：Pw為電子水泵輸出功率，其等于Pp;Ps=UIM為水泵輸入功率，其中U為控制系統(tǒng)工作電壓，IM為控制系統(tǒng)工作電流。

水泵功率Ps=ρgqvH/η，其中g(shù)為重力加速度，H為水泵揚(yáng)程，則水泵體積流量為：

根據(jù)上述分析可知，電子水泵效率是衡量該系統(tǒng)工作性能的重要參數(shù)。

將所設(shè)計(jì)的電子水泵電機(jī)控制器與電機(jī)、水泵總成結(jié)合起來，設(shè)計(jì)并搭建電動(dòng)汽車電子水泵試驗(yàn)臺(tái)，如圖4 所示。該試驗(yàn)臺(tái)在水泵的出水口裝有壓力表和流量表，試驗(yàn)時(shí)電機(jī)帶動(dòng)水泵工作，將水從水箱中抽出，測量出冷卻水的壓力和流量。

圖4 電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)電子水泵試驗(yàn)臺(tái)

整理不同占空比下，即電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的測試壓強(qiáng)、流量及電流數(shù)據(jù)，依據(jù)上述分析得出電機(jī)的效率曲線，如圖5 所示。由圖5 可以看出，電子水泵效率達(dá)到30%。

圖5 不同占空比下的電機(jī)效率曲線

為了驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的可行性，假設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器在某功率下工作，在單位時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)熱量分別為QMP和QEP。此時(shí)電子水泵轉(zhuǎn)速n固定，即管道內(nèi)冷卻液流量不變，水泵電機(jī)在單位時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)熱量為QM=PM-UIM，其中PM為電機(jī)在轉(zhuǎn)速n時(shí)的額定功率。根據(jù)式(2)，式(5)～式(8)可知，為了滿足冷卻系統(tǒng)性能要求，應(yīng)有：

通過計(jì)算驗(yàn)證，電子水泵性能滿足冷卻系統(tǒng)要求，該控制方案合理有效。

4 結(jié)論

通過簡化電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系冷卻系統(tǒng)模型，提出冷卻系統(tǒng)合理的控制策略。設(shè)計(jì)電子水泵實(shí)時(shí)有效的雙閉環(huán)控制算法，完成了基于CAN 總線的SAE J1939 協(xié)議的有效通信。在電動(dòng)汽車電子水泵試驗(yàn)臺(tái)及后續(xù)的實(shí)際車輛實(shí)驗(yàn)中達(dá)到了相關(guān)可靠性、安全性及冷卻效率的要求。

該電子水泵控制器的智能化控制、可移植性優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

(1)采用TB9061FNG 集成芯片代替軟件和分立元件，改善溫度導(dǎo)致的電遷移，提高控制器的抗干擾能力和可靠性。

(2)失步檢測保護(hù)功能。自動(dòng)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異?；蛘呤Р剑梢灾貑⑾到y(tǒng)，并向整車ECU 發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)文。

(3)整車控制單元與控制器進(jìn)行CAN 通信，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控冷卻水溫度及水泵轉(zhuǎn)速，為整車控制提供信息，且可移植性好，可適用于不同的水冷電動(dòng)汽車。

(4)可實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)電流，防止過電流使電機(jī)發(fā)熱而導(dǎo)致異常損壞。

(5)元件少，出現(xiàn)故障的概率低，并且出現(xiàn)故障容易檢測，符合汽車電路設(shè)計(jì)中簡潔高效可靠的理念。

［1］ 張舟云，徐國卿，沈祥林.用于電動(dòng)汽車的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器一體化冷卻系統(tǒng)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，33(10)：1367 -1371.

［2］ 鄧義斌，黃榮華，王兆文.發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(1)：31-34.

［3］ 樂智.純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2011.

［4］ 楊世春，劉偉，張良.純電動(dòng)大巴電機(jī)驅(qū)動(dòng)器冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析［C］//中國工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì).東莞：［s.n.］，2012：126 -130.

［5］ 徐繼濤. 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006.

［6］ 朱鵬.新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.上海：上海大學(xué)，2008.

［7］ 李學(xué)海.PIC 單片機(jī)實(shí)用教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：44 -188.

［8］ 孟濤.無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［9］ 陳新榮.無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

［10］ 王淑旺，郗世洪，孫純哲，等.電動(dòng)汽車用電機(jī)控制器過電流保護(hù)方法［J］.微特電機(jī)，2011，39(8)：61-63.

［11］ 張濤，李珍珍，王思山.SAE J1939 協(xié)議的研究及其協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25(1)：25 -29.

［12］ 郭亮甫.電水泵：中國，202579212［P］.2012-12-05.