CN110481308A - 一种新能源车驱动电机的综合冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，该控制方法首先将对驱动电机M冷却有重大影响的环境温度T_amb和车速V_host两个参数引入到水冷系统的控制中，结合特定的算法得出需要水冷系统辅助散热的目标散热量Q_aim，进一步得出驱动电机M冷却的目标进水温度T_aim；然后基于该温度计算出水泵P和风扇F的转速需求，融合运行控制逻辑得出水泵P、风扇F的控制占空比；最后通过控制器硬线输出脉宽调制控制PWM信号，实现对水泵P和风扇F的启停、转速控制。该控制方法将环境温度T_amb和车速V_host两个参数引入到水冷系统的控制中，更为全面、细致的考虑和计算了驱动电机M的散热需求，基于该需求更能精确地控制水泵P和风扇F的工作，有效的降低散热用能耗。

Description

一种新能源车驱动电机的综合冷却控制方法

技术领域

本发明涉及新能源车热管理领域，具体涉及新能源车驱动电机的冷却控制技术。

背景技术

驱动电机是新能源汽车重要的动力组成部分，驱动电机的冷却控制可直接影响驱动电机的输出功率、使用效率、使用寿命等关键指标。进而体现在纯电续航里程、混动车型综合油耗、用户驾驶体验等方面。

目前汽车行业在驱动电机的冷却大部分是采用的图1所示驱动电机水冷系统方案，或基于该方案的衍生方案。该水冷系统由水泵P、水温传感器S、补水壶K、散热器与风扇F组成的散热总成、冷却液管路和冷却液补偿管路组成。

现有技术通常直接根据驱动电机温度和驱动电机进水温度来进行控制，即驱动电机温度偏高或驱动电机水温偏高就启动水泵和风扇进行冷却，例如CN201720505752.2公开的一种智能新能源汽车整车热管理系统中对电机冷却的描述，该种控制方式虽然可以有效地将驱动电机温度控制在期望范围内，但存在过度耗能的问题。主要原因是未考虑环境温度和驱动电机的实时发热量对驱动电机冷却的影响。相应的，车速较高或环境温度较低的情况下，需要水泵和风扇的工作来辅助散热的需求就越小，反之亦然。特别是风扇属于车上大功率低压器件，该部分能量损失不容忽视。

发明内容

针对现有技术存在的不足，目的是提供一种新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，更精确地控制水泵P和风扇F的工作，减小能量损失。

本发明总的思路是，首先，将对驱动电机M冷却有重大影响的环境温度T_amb和车速V_host两个参数引入到水冷系统的控制中，结合特定的算法得出需要水冷系统辅助散热的散热量(目标散热量)Q_aim，进一步得出驱动电机M冷却的目标进水温度T_aim；然后基于该温度计算出水泵P和风扇F的转速需求，融合运行控制逻辑得出水泵P、风扇F占空比；最后通过控制器硬线输出脉宽调制控制PWM信号，实现对水泵P和风扇F的启停、转速控制。

本发明的具体技术方案如下：

一种新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其包括以下步骤：

步骤一、获取控制所需的输入信号：信号包括驱动电机的定子温度T_motst、转子温度T_motrt、实时输入功率P_in和实时效率环境温度T_amb、车速V_host、车辆高压上电状态、驱动电机进水温度T_in。

步骤二、计算目标散热量Q_aim

Q_aim＝k₁×Q_rtd-k₂×Q_init+k₃×Q_pre+C_am

其中，Q_rtd是驱动电机M的实时散热需求、Q_init是驱动电机M的自然散热量、Q_pre是驱动电机M的短时发热量，k₁，k₂，k₃用于调整对应热量的权重，C_am用于修正驱动电机M的目标散热量。

步骤三、计算驱动电机M冷却的目标进水温度

根据驱动电机M的目标散热量Q_aim，得出驱动电机M冷却的目标进水温度T_aim

T_aim＝f_aim(Q_aim)。

步骤四、基于目标进水温度T_aim计算出水泵P的转速需求，融合水泵P运行控制逻辑得出水泵P的控制占空比。

关闭状态：水泵P占空比D_pump设定为最小占空比D_pmin，其中D_pmin是指水泵停转的占空比。

开启状态：水泵P占空比D_pump设定为开启占空比D_pst，其中D_pst是指满足冷却液流量达到启动流量要求的水泵占空比。

调速状态：水泵P占空比D_pump设定为水泵P调速的目标占空比D_paim，该目标占空比根据驱动电机进水温度T_in，目标进水温度T_aim计算得出：D_paim＝f_dp(T_in,T_aim)；D_pump的取值范围限制在水泵P开启占空比D_pst和水泵P最大占空比D_pmax之间。

后运行状态：水泵P占空比设定为水泵P后运行占空比D_paf。

步骤五、基于目标进水温度T_aim计算风扇F的转速需求，融合运行控制逻辑得出风扇F占空比。

整车高压上电情况下，若水泵P占空比D_pump值等于水泵P最大占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F调速占空比D_{pid_df}。风扇F调速占空比D_{pid_df}根据进水温度和

目标进水温度T_aim的差值带入分段式PID算法得出：

D_{pid_df}＝f_{pid_df}(T_in-T_aim)。

整车高压上电情况下，若水泵P占空比D_pump值不等于水泵占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F最小占空比D_fmin，其中D_fmin是指风扇停转的占空比。

在整车高压下电情况下，若水泵P进入后运行状态，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F后运行占空比D_faf，其中D_faf是指满足风扇后运行转速要求的占空比，通常取高压下电前的风扇运行占空比值。

步骤六、控制输出

通过控制器连接到水泵P的硬线输出占空比为D_pump的PWM信号，并匹配水泵P控制信号要求的PWM信号频率，通过控制器连接到风扇F的硬线输出占空比为D_fan的PWM信号，并匹配风扇F要求的PWM信号频率，实现对水泵P和风扇F的启停、转速控制。

本发明方法与现有技术显著不同的优点是：

本发明考虑了环境温度T_amb和车速V_host对驱动电机M冷却的影响，通过计算驱动电机M的目标散热量Q_aim，能更精确的规划水泵P和风扇F的工作，减小能量损失。本发明将控制目标定为进水温度，基于此温度调节风扇的转速，可直接形成温度-转速的闭环控制，可以达到更加稳定的控制效果。本发明优化了水泵和风扇的控制逻辑，使得风扇的转速和水泵的转速相关联，保障风扇运行时冷却液的流量最大，能量分配更合理。另外，本发明采用了PWM风扇，调速范围更广。

附图说明

图1是驱动电机水冷系统原理图。

图2是驱动电机水冷控制系统原理图。

图3是水泵运行控制逻辑框图。

图4是风扇运行控制逻辑框图。

图5是控制方法实施流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明的技术实现：

本实施例基于图1所述的驱动电机水冷系统，该水冷系统是通过水泵P运转带动冷却液循环，经驱动电机水套将驱动电机M的热量带出至前端散热器；再通过风扇F运转，加速散热器和外界环境的散热，达到冷却驱动电机M的目的。风扇F是采用PWM风扇。

基于以上的新能源车驱动电机水冷系统，参见图5，其冷却控制过程如下：

步骤一、获取控制所需的输入信号

通过整车CAN网络获取驱动电机的定子温度T_motst、转子温度T_motrt、实时输入功率P_in和实时效率环境温度T_amb、车速V_host、车辆高压上电状态；通过硬线采集水温传感器S检测的驱动电机进水温度T_in。

步骤二、目标散热量Q_aim计算

计算Q_aim需先计算驱动电机M的实时散热需求Q_rtd、驱动电机M的自然散热量Q_init、驱动电机M的短时发热量Q_pre。

1、驱动电机M的实时散热需求计算：

根据驱动电机定子T_motst、转子温度T_motrt，结合驱动电机自身工作温度特性计算驱动电机实时散热需求Q_rtd。

其中，

Q_rtdst＝C_motst×M_motst×(T_most-T₁)

Q_rtdrt＝C_motrt×M_motrt×(T_mort-T₂)

其中，T₁表示电机定子额定工作温度，T₂表示电机转子额定工作温度，C_motst表示电机定子的平均比热容，M_motst表示电机定子的质量，C_motrt表示电机转子的平均比热容，M_motrt表示电机转子的质量。

2、驱动电机M的自然散热能力估算：

根据环境温度T_amb、车速V_host查表估算驱动电机的自然散热量Q_init。

Q_init＝f(T_amb,V_host)

其中f(T_amb,V_host)是基于试验获取的一组基础的自然散热能力数据去估算任意环境温度和任意车速下驱动电机自然散热量Q_init的算法。具体如下：

首先获取一组环境温度固定，电机自然散热量Q_init随车速变化的数据。具体试验方式如下：环境温度0℃，车速0km/h，设定电机以固定的转速和扭矩运行，直至定子和转子温度达到平衡，记录此时的定子温度T_st1和转子温度T_rt1。此后，关闭电机，并立即加载对应车速的迎面风以模拟车辆行驶的效果，等待时长Δt后再次记录定子温度T_st2和转子温度T_rt2。

基于试验数据，可以估算当定子温度为T_st1和转子温度为T_rt1时，若环境温度为0℃，车速为0km/h的工况下,在时长为t时间段定子自然散热量Q₁₁和转子自然散热量Q₂₁。其中Δt为经验值。

Q₁₁＝C_motst×M_motst×(T_st1-T_st2)

Q₂₁＝C_motrt×M_motrt×(T_rt1-T_rt2)

C_motst表示电机定子的平均比热容，M_motst表示电机定子的质量，C_motrt表示电机转子的平均比热容，M_motrt表示电机转子的质量。

近似的，该工况下电机的自然散热量Q_init＝Q₁₁+Q₂₁。

以此类推，通过设定不同的迎面风速，依次获取典型速度点的定子自然散热量和转子自然散热量。见下表1：

车速	0km/h	30km/h	60km/h	90km/h	120km/h
						定子/转子自然散热量	Q<sub>11</sub>/Q<sub>21</sub>	Q<sub>12</sub>/Q<sub>22</sub>	Q<sub>13</sub>/Q<sub>23</sub>	Q<sub>14</sub>/Q<sub>24</sub>	Q<sub>15</sub>/Q<sub>25</sub>

进一步的通过线性插值法得出电机定子和转子在该初始温度和环境温度条件下任意车速的定子自然散热量Q_1x和转子自然散热量Q_2x。

基于该工况的试验数据，进一步的估算电机定子和转子在任意起始温度，任意环境温度下的定子自然散热量Q_1init和转子自然散热量Q_2init。

电机的自然散热量Q_init：

Q_init＝Q_1init+Q_2init。

3、驱动电机M的发热量计算：

根据实时输入功率P_in和实时效率计算驱动电机M在一定时间Δt内的发热量Q_pre

其中：Δt＝t₂-t₁；

4、根据Q_rtd，Q_init，Q_pre，计算驱动电机M的目标散热量Q_aim。

Q_aim＝k₁×Q_rtd-k₂×Q_init+k₃×Q_pre+C_am

其中，k₁，k₂，k₃用于调整对应热量的权重，C_am用于修正驱动电机M的目标散热量。

步骤三、驱动电机M冷却的目标进水温度计算

根据驱动电机M的目标散热量Q_aim，通过查表-标定的方式得出驱动电机M冷却的目标进水温度T_aim，见下表2：

目标散热量

Q<sub>aim1</sub>

Q<sub>aim2</sub>

Q<sub>aim3</sub>

Q<sub>aim4</sub>

Q<sub>aim5</sub>

Q<sub>aim6</sub>

目标进水温度

T<sub>aim1</sub>

T<sub>aim2</sub>

T<sub>aim3</sub>

T<sub>aim4</sub>

T<sub>aim5</sub>

T<sub>aim6</sub>

对于任意的目标散热量，基于表2采用线性插值的方式获取任意目标散热量的目标冷却温度。

步骤四、水泵P运行逻辑控制

从图1可以看出，该水冷系统是通过水泵P运转带动冷却液循环，间接将驱动电机M的热量带出。水泵P运转的快慢也决定了热量传递的速率，所以控制水泵P也是控制驱动电机M的冷却。

因此参见图3，水泵P运行逻辑控制是：

水泵P处于关闭状态，若同时满足下述条件1和3或者条件1和5，则水泵P进入开启状态。

在开启状态下若时长大于t₁后(目的是使冷却液充分混合，保证驱动电机M进水温度T_in的准确性)，则水泵P进入调速状态。

在调速状态下若同时满足条件4和6或者条件2和7和8，则水泵P进入关闭状态；

在调速状态下若同时满足条件2和9或者条件2和10，则水泵P进入后运行状态。

在后运行状态下若态时长≥t₂或者同时满足条件7和8，则水泵P进入关闭状态。

条件1、整车高压上电；

条件2、整车高压下电；

条件3、驱动电机定子温度T_motst≥水泵开启温度阀值一T_pst1；

条件4、驱动电机定子温度T_motst≤水泵关闭温度阀值一T_psp1；

条件5、驱动电机转子温度T_motrt≥水泵开启温度阀值二T_pst2；

条件6、驱动电机转子温度T_motrt≤水泵关闭温度阀值二T_psp2；

条件7、驱动电机定子温度T_motst<水泵后运行进入温度阀值一T_paf1；

条件8、驱动电机转子温度T_motrt<水泵后运行进入温度阀值二T_paf2；

条件9、驱动电机定子温度T_motst≥水泵后运行进入温度阀值一T_paf1；

条件10、驱动电机转子温度T_motrt≥水泵后运行进入温度阀值二T_paf2。

根据水泵P的工作情况，得到以下几种水泵P的工作状态，分别是关闭、开启、调速、后运行。

关闭状态：水泵P占空比D_pump设定为最小占空比D_pmin。

开启状态：水泵P占空比D_pump设定为开启占空比D_pst。

调速状态：水泵P占空比D_pump设定为水泵P调速的目标占空比D_paim，该目标占空比根据驱动电机进水温度T_in，目标进水温度T_aim计算得出：D_paim＝f_dp(T_in,T_aim)；D_pump的取值范围限制在水泵P开启占空比D_pst和水泵P最大占空比D_pmax之间。

后运行状态：水泵P占空比设定为水泵P后运行占空比D_paf。

步骤五、风扇F运行逻辑控制

从图1可见，当冷却液带着驱动电机M的热量来到散热器处时，通过风扇F运行可以加速冷却液和环境空气的能量交换速率，所以控制风扇F就是控制驱动电机M的冷却。

因此，参见图4，风扇F运行逻辑控制是：

首先设定风扇F占空比D_fan为风扇F最小占空比D_fmin，风扇F不工作。

然后判断整车高压是否高压上电。在整车高压上电情况下，若水泵P占空比D_pump值等于水泵P最大占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F调速占空比D_{pid_df}。反之，若水泵P占空比D_pump值不等于水泵占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F最小占空比D_fmin。

在整车高压下电情况下，若水泵P进入后运行状态，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F后运行占空比D_faf；若水泵P进入关闭状态，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F最小占空比D_fmin。

根据驱动电机进水温度T_in和目标进水温度T_aim的差值带入分段式PID算法得出风扇F调速占空比D_{pid_df}。

D_{pid_df}＝f_{pid_df}(T_in-T_aim)。

步骤六、控制输出

参见图2，根据步骤四得出的水泵P的占空比D_pump，通过控制器连接到水泵P的硬线输出占空比为D_pump的PWM信号，并匹配水泵P控制信号要求的PWM信号频率。根据步骤五得出的风扇F占空比D_fan，通过控制器连接到风扇F的硬线输出占空比为D_fan的PWM信号，并匹配风扇F要求的PWM信号频率。

可见，本发明相比与传统的控制方法，该控制方法同样保留了根据驱动电机M温度来触发和控制水冷系统工作，确保驱动电机M在高温情况下水冷系统能够全速工作，防止驱动电机M过温。除此之外，更为全面、细致的考虑和计算了驱动电机M的散热需求，基于该需求控制水冷系统工作，能有效的降低散热用能耗。

本发明基于目前使用最普遍的驱动电机水冷系统而设计，输入信号均是整车的常规信号，不涉及系统结构变更和成本变化，方便大规模实施。

Claims (6)

1.一种新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、获取控制所需的输入信号：信号包括驱动电机的定子温度T_motst、转子温度T_motrt、实时输入功率P_in和实时效率环境温度T_amb、车速V_host、车辆高压上电状态、驱动电机进水温度T_in；

步骤二、计算目标散热量Q_aim

Q_aim＝k₁×Q_rtd-k₂×Q_init+k₃×Q_pre+C_am

其中，Q_rtd是驱动电机M的实时散热需求、Q_init是驱动电机M的自然散热量、Q_pre是驱动电机M的短时发热量，k₁，k₂，k₃用于调整对应热量的权重，C_am用于修正驱动电机M的目标散热量；

步骤三、获得驱动电机M冷却的目标进水温度：

根据驱动电机M的目标散热量Q_aim，查表得出驱动电机M冷却的目标进水温度T_aim；

步骤四、基于目标进水温度T_aim计算出水泵P的转速需求，融合水泵P运行控制逻辑得出水泵P的控制占空比；

关闭状态：水泵P占空比D_pump设定为最小占空比D_pmin；

开启状态：水泵P占空比D_pump设定为开启占空比D_pst；

调速状态：水泵P占空比D_pump设定为水泵P调速的目标占空比D_paim，该目标占空比根据驱动电机进水温度T_in和目标进水温度T_aim计算得出：D_paim＝f_dp(T_in,T_aim)；D_pump的取值范围限制在水泵P开启占空比D_pst和水泵P最大占空比D_pmax之间；

后运行状态：水泵P占空比设定为水泵P后运行占空比D_paf；

步骤五、基于目标进水温度T_aim计算风扇F的转速需求，融合运行控制逻辑得出风扇F占空比D_fan；

整车高压上电情况下，若水泵P占空比D_pump值等于水泵P最大占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F调速占空比D_{pid_df}；风扇F调速占空比D_{pid_df}根据进水温度和目标进水温度T_aim的差值带入分段式PID算法得出：

D_{pid_df}＝f_{pid_df}(T_in-T_aim)；

整车高压上电情况下，若水泵P占空比D_pump值不等于水泵占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F最小占空比D_fmin；

在整车高压下电情况下，若水泵P进入后运行状态，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F后运行占空比D_faf；

步骤六、控制输出

通过控制器连接到水泵P的硬线输出占空比为D_pump的PWM信号，并匹配水泵P控制信号要求的PWM信号频率，通过控制器连接到风扇F的硬线输出占空比为D_fan的PWM信号，并匹配风扇F要求的PWM信号频率，实现对水泵P和风扇F的启停、转速控制。

2.根据权利要求1所述的新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其特征在于：所述步骤二中，驱动电机M的实时散热需求Q_rtd是根据驱动电机定子T_motst、转子温度T_motrt，结合驱动电机自身工作温度特性计算得到：

其中，

Q_rtdst＝C_motst×M_motst×(T_most-T₁)

Q_rtdrt＝C_motrt×M_motrt×(T_mort-T₂)

其中，T₁表示电机定子额定工作温度，T₂表示电机转子额定工作温度，C_motst表示电机定子的平均比热容，M_motst表示电机定子的质量，C_motrt表示电机转子的平均比热容，M_motrt表示电机转子的质量。

3.根据权利要求1或2所述的新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其特征在于：所述驱动电机M的自然散热能量Q_init是根据环境温度T_amb、车速V_host估算得到：

Q_init＝f(T_amb,V_host)。

4.根据权利要求1或2所述的新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其特征在于：所述驱动电机M的发热量Q_pre是根据实时输入功率P_in和实时效率计算得到：

其中：Δt＝t₂-t₁；

5.根据权利要求1或2所述的新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其特征在于：步骤四中，所述水泵P的运行控制逻辑为：首先，水泵P处于关闭状态，若同时满足下述条件1和3或者1和5，则水泵P进入开启状态；在开启状态下若时长大于t₁后，则水泵P进入调速状态；在调速状态下若同时满足条件4和6或者2和7和8，则水泵P进入关闭状态；在调速状态下若同时满足条件2和9或者2和10，则水泵P进入后运行状态。在后运行状态下若时长≥t₂或者同时满足条件6和7，则水泵P进入关闭状态；

条件1、整车高压上电；

条件2、整车高压下电；

条件3、驱动电机定子温度T_motst≥水泵开启温度阀值一T_pst1；

条件4、驱动电机定子温度T_motst≤水泵关闭温度阀值一T_psp1；

条件5、驱动电机转子温度T_motrt≥水泵开启温度阀值二T_pst2；

条件6、驱动电机转子温度T_motrt≤水泵关闭温度阀值二T_psp2；

条件7、驱动电机定子温度T_motst<水泵后运行进入温度阀值一T_paf1；

条件8、驱动电机转子温度T_motrt<水泵后运行进入温度阀值二T_paf2；

条件9、驱动电机定子温度T_motst≥水泵后运行进入温度阀值一T_paf1；

条件10、驱动电机转子温度T_motrt≥水泵后运行进入温度阀值二T_paf2。

6.根据权利要求1或2所述的新能源车驱动电机的综合冷却控制方法，其特征在于：步骤四中，所述风扇F的运行控制逻辑为：首先设定风扇F占空比D_fan为风扇F最小占空比D_fmin，风扇F不工作；然后判断整车高压是否高压上电；在整车高压上电情况下，若水泵P占空比D_pump值等于水泵P最大占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F调速占空比D_{pid_df}；反之，若水泵P占空比D_pump值不等于水泵占空比D_max，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F最小占空比D_fmin；在整车高压下电情况下，若水泵P进入后运行状态，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F后运行占空比D_faf；若水泵P进入关闭状态，则风扇F占空比D_fan设定为风扇F最小占空比D_fmin。