CN112721737B - 一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统，属于纯电动汽车电池热管理领域，包括热泵回路、电池组热管理回路和电机热管理回路；所述热泵回路用于加热或冷却电池组热管理回路中的冷却液；所述电池组热管理回路用于加热或冷却电池组和辅助回收电机冷却热；所述电机热管理回路用于回收电机冷却热和冷却电机。本发明还提供一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的控制方法。本发明的换热效率得到提高，能够极大地降低电池组内的电池单体温差，提升了系统的换热效率和能耗，解决了极端情况下电池组热管理回路不足以加热电池组的问题，能够极大地节省电能，使得系统能够更快的响应各种变化，具备较好的稳定性和鲁棒性。

Description

一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统及其控制方法

技术领域

本发明属于纯电动汽车电池热管理领域，涉及一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统及其控制方法。

背景技术

随着现代生活水平的提高，人们对汽车的需求不断增加，全球汽车销售量持续上升。据统计，2018年全球汽车的销售量高达8600万辆，其中我国高达2860万辆。传统燃油汽车的增加，不仅造成道路拥堵，化石能源的大量消耗，而且严重污染环境。随着全球能源短缺和环境污染问题日益严重，许多政府和研究人员将目光聚焦在纯电动汽车(PEV)。

纯电动汽车行驶过程中，动力电池组会产生大量的热量，如果不及时将热量传递出去，将会导致电池热失控。严重时，将会引起电池组爆炸，威胁驾驶员的生命安全。同时低温运行也会出现一些问题，例如较低的充电和放电容量，较低的电池功率，较低的额定电压，较短的循环寿命等。因此，为了将电池组温度控制在特定范围内，开发有效的电池冷却和加热系统是PEV的一项重要任务。

现在大部分纯电动汽车在夏季采用热泵系统产生的冷气来冷却电池组，采用空气式散热不仅换热效率低，而且会使得电池组内的电池温度分布不均匀影响整个电池组的性能，在极端情况下甚至不能满足冷却需求。此外，大部分纯电动汽车在冬季使用PTC来加热空气，再将热空气加热电池组。这种方式不仅耗能高，而且加热速度慢、加热效果不好。

因此，亟需一种纯电动汽车电池热管理系统来解决这些问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统及其控制方法，解决现有技术中能耗高、加热/冷却效果不理想、冬季热泵系统制热量不足和电池组温度波动大等技术问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统，包括热泵回路、电池组热管理回路和电机热管理回路；所述热泵回路用于加热或冷却电池组热管理回路中的冷却液；所述电池组热管理回路用于加热或冷却电池组和辅助回收电机冷却热；所述电机热管理回路用于回收电机冷却热和冷却电机。

进一步，所述热泵回路包括电动压缩机、四通换向阀、外部换热器、热泵回路风扇、膨胀阀、内部换热器、干燥器及气液分离器；所述电动压缩机与四通换向阀、气液分离器、干燥器连接成回路；所述外部换热器与膨胀阀、内部换热器、四通换向阀连接成回路；所述热泵回路风扇设置在外部换热器一侧。

进一步，所述热泵回路中的制冷剂为无臭氧破坏性的R134a。

进一步，所述电池组热管理回路包括电池组、辅助加热装置PTC、第一蓄能器、第一水泵、电池组热管理回路温度传感器、第三调节阀、第四调节阀、第二换热器及内部换热器；所述电池组与第一蓄能器、第一水泵、电池组热管理回路温度传感器、第二换热器、第四调节阀、内部换热器、辅助加热装置PTC连接成回路；所述电池组热管理回路温度传感器与内部换热器连接有分支回路，所述分支回路上设有第三调节阀；所述电池组热管理回路中的冷却液为防冻液。

进一步，所述电机热管理回路包括第二换热器、第一调节阀、第二调节阀、第三换热器、电机热管理回路风扇、第二蓄能器、第二水泵、电机热管理回路温度传感器、电机和电机热管理回路管道；所述电机与电机热管理回路温度传感器、第二水泵、第二蓄能器、第二换热器、第二调节阀连接成回路，所述第二蓄能器还连接第三换热器、第一调节阀、电机形成分支回路；所述电机热管理回路风扇设置在第三换热器一侧；所述电机热管理回路中的冷却液为防冻液。

另一方面，本发明提供一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：在电动汽车电池组内安装温度传感器，实时检测电池组温度；当电池组温度大于设定的阈值T₂时，切换热泵回路中四通换向阀流路，让系统处于制冷模式，比较传感器温度与T₂的温差，得到温度偏差e和温度偏差变化率ec，然后将温度偏差e和温度偏差变化率ec传递给模糊控制器；当电池组温度处于阈值T₁～T₂之间，不启动热泵回路和电池组热管理回路，让电池组自然散热；当电池组温度小于设定的阈值T₁时，切换热泵回路中四通换向阀流路，让系统处于制热模式，比较传感器温度与T₁的温差，得到温差e和温差变化率ec，然后将温度偏差e和温度偏差变化率ec传递给模糊控制器；

S2：事先在模糊控制器中，将温度偏差e和温度偏差变化率ec的变化范围定义为模糊集上的论域；设置模糊子集e，ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中的元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；建立合适的模糊规则表，得到ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d三个参数分别整定的模糊控制表；设置e、ec、ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的各个模糊子集的隶属函数；

S3：模糊控制器将电池组温度传感器反馈的温度偏差e和温度偏差变化率ec进行模糊化处理，得到对应各部分的隶属度；再根据模糊推理表得到ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的隶属函数和隶属度；得到隶属函数和隶属度后，需要解模糊得到实际参数，通过重心法解模糊后得到全新的K_p、K_i和K_d，并将三个参数传递给PID控制器；

S4：PID控制器得到全新的K_p、K_i和K_d后，通过相关公式得到电动压缩机转速信号N，再将转速信号N传递给电动压缩机；

S5：电动压缩机根据转速信号N实时调整自身转速，电动压缩机转速的变化使得热泵回路制冷或制热量产生变化，转速越大制冷或制热量越大，转速越小制冷或制热量越小；制冷或制热量的变化导致电池组热管理回路冷却液的温度变化，制冷量越大电池组热管理回路冷却液温度越低，制热量越大电池组热管理回路冷却液温度越高；电池组热管理回路冷却液的温度变化影响电池组温度的变化，电池组热管理回路冷却液温度越低电池组冷却越快，电池组热管理回路冷却液温度越高电池组加热越快；随着电池组温度的变化，控制器得到新的温差e和温差变化率ec，进而不断循环整个过程，达到实时调节电池组温度的效果。

进一步，步骤S3中所述模糊控制器以电池组温度偏差e和电池组温度偏差变化率ec作为输入，所述模糊控制器对电池组温度偏差e和电池组温度偏差变化率ec进行模糊化处理得出相应的隶属度，所述模糊控制器利用所得出的隶属度及相应隶属度的横坐标带入公式求出K_p、K_i和K_d，公式如下：

其中，μ_Ai(x)、μ_Bi(y)表示求出的隶属度，z_i表示对应隶属度的横坐标。

进一步，所述PID控制具体如下：

通过PID算法公式得到电动压缩机t时刻的转速信号v(t)，具体公式如下：

其中，K_p(t)、Ki(t)、Kd(t)为t时刻模糊控制器所输出的全新控制参数，u(t)为t时刻电池组的温度偏差。

本发明的有益效果在于：(1)本发明提出了一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统，整个系统回路全部采用液体当作循环工质，使得整个系统的换热效率得到提高，能够极大地降低电池组内的电池单体温差；热泵回路中的制冷剂通过内部换热器直接冷却电池组热管理回路中的冷却液，没有中间换热损失，进一步提升了系统的换热效率和能耗；电池组热管理回路在冬季可以同电机热管理回路一起回收电机冷却热，同时将电机冷却热加热电池组，可以极大地节省电能；电池组热管理回路在外界温度极低情况下可以开启PTC辅助加热模块来加热电池组，从而解决极端情况下电池组热管理回路不足以加热电池组的问题；同时电池组热管理回路、电机热管理回路和热泵回路的耦合降低了电池热管理系统对整车的空间布置需求。

(2)本发明提出的一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的控制方法能够实时调节电池组温度，从而保证电池组能够在合适的温度下进行工作；相比于传统的阈值控制，模糊自适应PID控制能够实时调节压缩机转速，不会频繁开启和关闭电动压缩机，能够一定程度上保护电动压缩机；模糊自适应PID控制是根据温差实时调节压缩机转速，因此压缩机转速为当前时刻系统所要求的最佳压缩机转速，从而能够极大地节省电能；模糊自适应PID控制是实时控制，因此电池组温度整体波动会较小；电池热管理系统加入了模糊控制，可以在线实时调整PID的三个参数，克服传统PID控制无法实时调整PID参数的缺点，使得系统能够更快的响应各种变化，具备较好的稳定性和鲁棒性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为纯电动汽车综合热能利用热管理系统的系统原理图；

图2为纯电动汽车综合热能利用热管理系统工作模式1示意图；

图3为纯电动汽车综合热能利用热管理系统工作模式2示意图；

图4为纯电动汽车综合热能利用热管理系统工作模式3示意图；

图5为纯电动汽车综合热能利用热管理系统工作模式4示意图；

图6为纯电动汽车综合热能利用热管理系统工作模式5示意图；

图7为纯电动汽车综合热能利用热管理系统控制原理图；

图8为三种控制下的电池组温度图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统。在夏季，系统能够冷却电池组和电机，并且由于采用了制冷剂直接冷却技术使得系统更加节能高效。在冬季，系统能够加热电池组，可以回收电机冷却热，并将电机冷却热加热电池组，从而节省电能提升纯电动汽车的续航能力。系统是通过切换热泵回路中四通换向阀的流路来实现制冷/制热模式之间的转换。

如图1所示，系统主要包括热泵回路、电池组热管理回路、电机热管理回路，热泵回路通过内部换热器与电池组热管理回路进行集成，电池组热管理回路通过换热器2与电机热管理回路进行集成。

如图1所示，所述热泵回路包括电动压缩机、四通换向阀、外部换热器、热泵回路风扇、膨胀阀、内部换热器、干燥器、气液分离器和热泵回路管道；所述电动压缩机通过管道一端连接四通换向阀另一端连接干燥器；所述外部换热器通过管道一端连接四通换向阀另一端连接膨胀阀；所述外部换热器旁边配置一个热泵回路风扇；所述膨胀阀通过管道一端连接外部换热器另一端连接内部换热器；所述内部换热器通过管道一端连接四通换向阀另一端连接膨胀阀；所述气液分离器通过管道一端连接四通换向阀另一端连接干燥器；所述干燥器通过管道一端连接电动压缩机另一端连接气液分离器；所述热泵回路中的制冷剂为无臭氧破坏性的R134a；所述热泵回路用于加热/冷却电池组热管理回路中的冷却液。

如图1所示，所述电池组热管理回路包括电池组、PTC辅助加热装置、蓄能器1、水泵1、电池组热管理回路温度传感器、调节阀3、调节阀4、换热器2、内部换热器和电池组热管理回路管道；所述内部换热器通过管道一端连接PTC辅助加热装置另一端分别连接调节阀3、调节阀4；所述PTC辅助加热装置通过管道一端连接内部换热器另一端连接电池组；所述电池组通过管道一端连接PTC辅助加热装置另一端连接蓄能器1；所述蓄能器1通过管道一端连接水泵1另一端连接电池组；所述水泵1通过管道一端连接蓄能器1另一端连接电池组热管理回路温度传感器；所述电池组热管理回路温度传感器通过管道一端连接水泵1另一端分别连接调节阀3、换热器2；调节阀3和管道组成一条分支回路，另一条分支回路由换热器2、调节阀4和管道组成，两条回路在电池组热管理回路温度传感器和内部换热器之间进行耦合；所述电池组热管理回路中的冷却液为防冻液；所述电池组热管理回路用于加热/冷却电池组；所述电池组热管理回路还能辅助冷却电机和回收电机冷却热。

如图1所示，所述电机热管理回路包括换热器2、调节阀1、调节阀2、换热器3、电机热管理回路风扇、蓄能器2、水泵2、电机热管理回路温度传感器、电机和电机热管理回路管道；所述水泵2通过管道一端连接电机热管理回路温度传感器另一端连接蓄能器2；所述蓄能器2通过管道一端连接水泵2另一端分别连接换热器2、换热器3；所述电机热管理回路温度传感器通过管道一端连接水泵2另一端连接电机；所述电机通过管道一端连接电机热管理回路温度传感器另一端分别连接调节阀1、调节阀2；调节阀1、换热器3和管道组成一条分支回路，另一条分支回路由调节阀2、换热器2和管道组成，两条回路在蓄能器2和电机之间进行耦合；所述电机热管理回路中的冷却液为防冻液；所述电机热管理回路用于回收电机冷却热及冷却电机。

所述液体式的纯电动汽车电池热管理系统有以下几种主要工作模式：

1)在夏季，电池组温度高且电机温度低。热泵回路和电池组热管理回路用于冷却电池组，电机热管理回路单独冷却电机。系统切换四通换向阀流路使得热泵回路处于制冷模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器冷却电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环冷却电池组。电机热管理回路中的冷却液通过电机水路循环冷却电机，流过电机后的冷却液再通过换热器3和电机热管理回路风扇进行冷却。为了实现工作模式1，电池组热管理回路中的调节阀4完全关闭、调节阀3完全打开，电机热管理回路中的调节阀1完全打开、调节阀2完全关闭。热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→外部换热器→膨胀阀→内部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机。电池组热管理回路中冷却液的流路为：水泵1→电池组热管理回路温度传感器→调节阀3→内部换热器→PTC辅助加热模块(关)→电池组→蓄能器1→水泵1。电机热管理回路中冷却液的流路为：水泵2→蓄能器2→换热器3→调节阀1→电机→电机热管理回路温度传感器→水泵2。电池热管理系统处于工作模式1下的示意图，如图2所示。

2)在夏季，电池组温度高且电机温度高。在这种情况下，电机热管理回路只通过风扇对电机进行散热，满足不了电机的散热需求，因此需要同电池组热管理回路和热泵回路协同散热。切换四通换向阀流路，让热泵回路处于制冷模式，同时加大压缩机转速使得热泵回路制冷量得到提高。热泵回路中的制冷剂通过内部换热器冷却电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液通过电池组水路循环冷却电池组和电机热管理回路中的冷却液，电机热管理回路中的冷却液再通过电机水路循环冷却电机。为了实现工作模式2，电池组热管理回路中的调节阀4完全打开、调节阀3完全关闭，电机热管理回路中的调节阀1完全关闭、调节阀2完全打开。热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→外部换热器→膨胀阀→内部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机。电池组热管理回路中冷却液的流路为：水泵1→电池组热管理回路温度传感器→换热器2→调节阀4→内部换热器→PTC辅助加热模块(关)→电池组→蓄能器1→水泵1。电机热管理回路中冷却液的流路为：水泵2→蓄能器2→换热器2→调节阀2→电机→电机热管理回路温度传感器→水泵2。电池热管理系统处于工作模式2下的示意图，如图3所示。

3)在冬季，电池组温度低且电机温度低。此时需要对电池组进行加热，切换四通换向阀使得热泵回路处于制热模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组。由于电机的温度较低，因此电机热管理回路中流动的冷却液温度也会较低。此时如果将电机热管理回路与电池组热管理回路耦合，电池组热管理回路中的冷却液将会加热电机热管理回路中的冷却液，电机热管理回路中的冷却液再通过电机水路循环加热电机。此时系统不仅不会回收电机冷却热，反而会浪费部分电能。因为电机在低温下无需加热即可正常工作，因此在工作模式3下电机热管理回路不启动任何设备。为了实现工作模式3，电池组热管理回路中的调节阀4完全关闭、调节阀3完全打开。热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→内部换热器→膨胀阀→外部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机。电池组热管理回路中冷却液的流路为：水泵1→电池组热管理回路温度传感器→调节阀3→内部换热器→PTC辅助加热模块(关)→电池组→蓄能器1→水泵1。电机热管理回路由于未启动任何设备因此不存在水路循环。电池热管理系统处于工作模式3下的示意图，如图4所示。

4)在冬季，电池组温度低且电机温度高。此时需要对电池组进行加热，切换四通换向阀使得热泵回路处于制热模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组。由于电机的温度高，因此电机热管理回路中流动的冷却液温度也会较高。此时，将电机热管理回路与电池组热管理回路耦合，电机热管理回路中的冷却液将会加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组。工作模式4下，系统能够回收电机冷却热，并将电机冷却热加热电池组，同时间接地冷却电机。为了实现工作模式4，电池组热管理回路中的调节阀4完全打开、调节阀3完全关闭，电机热管理回路中的调节阀1完全关闭、调节阀2完全打开。热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→内部换热器→膨胀阀→外部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机。电池组热管理回路中冷却液的流路为：水泵1→电池组热管理回路温度传感器→换热器2→调节阀4→内部换热器→PTC辅助加热模块(关)→电池组→蓄能器1→水泵1。电机热管理回路中冷却液的流路为：水泵2→蓄能器2→换热器2→调节阀2→电机→电机热管理回路温度传感器→水泵2。电池热管理系统处于工作模式4下的示意图，如图5所示。

5)在冬季，电池组温度低且电机温度高。电池组热管理回路中的冷却液温度比电机热管理回路中的冷却液温度低，此时能够回收电机冷却热，整个系统的运行方式和模式4相同。然而两种回路提供的热量还不能够满足电池组的加热需求，此时还需要打开PTC辅助加热装置来辅助加热电池组。电池热管理系统处于工作模式5下的示意图，如图6所示。

本发明提出了一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统，整个系统回路全部采用液体当作循环工质，使得整个系统的换热效率得到提高，能够极大地降低电池组内的电池单体温差；热泵回路中的制冷剂通过内部换热器直接冷却电池组热管理回路中的冷却液，没有中间换热损失，进一步提升了系统的换热效率和能耗；电池组热管理回路在冬季可以同电机热管理回路一起回收电机冷却热，同时将电机冷却热加热电池组，可以极大地节省电能；电池组热管理回路在外界温度极低情况下可以开启PTC辅助加热模块来加热电池组，从而解决极端情况下电池组热管理回路不足以加热电池组的问题；同时电池组热管理回路、电机热管理回路和热泵回路的耦合降低了电池热管理系统对整车的空间布置需求。

另外本发明还提供了一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的控制方法。因为一种好的控制方法能够让整个系统的运行更加节能、高效。本发明提供的模糊自适应PID控制方法能够实时调节电池组温度，能够将电池组温度维持在恒定温度附近，能够降低系统能耗，能够让系统具备较好的适应性和鲁棒性，电池热管理系统控制原理框图如图7所示。具体实施步骤如下：

S1：电池组内安装温度传感器，温度传感器实时测量当前电池组温度；当电池组温度大于设定阈值T₁时，切换热泵回路中四通换向阀流路，让系统处于制冷模式，比较传感器温度与T₁的温差，得到温差e和温差变化率ec，然后将温差e和温差变化率ec传递给模糊控制器；当电池组温度处于T₁～T₂之间，无需启动热泵回路和电池组热管理回路，让电池组自然散热；当电池组温度小于设定阈值T₂时，切换热泵回路中四通换向阀流路，让系统处于制热模式，比较传感器温度与T₂的温差，得到温差e和温差变化率ec，然后将温差e和温差变化率ec传递给模糊控制器。

S2：事先在模糊控制器中，将温度偏差e和温度偏差变化率ec的变化范围定义为模糊集上的论域，温度偏差e的论域设置为[-0.6,0.6]，温度偏差变化率ec的论域设置为[-2,2]；设置模糊子集为e，ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中的元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；建立合适的模糊规则表，得到ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d三个参数分别整定的模糊控制表，如表1所示；设置e、ec、ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的各个模糊子集的隶属函数，其中NB的隶属函数设置为Z型隶属函数(zmf)，PB的隶属函数设置为S状隶属函数(smf)，其余都设置为三角形隶属函数(trimf)。

表1ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d分别整定的模糊控制表

S3：模糊控制器将电池组温度传感器反馈的温度偏差e和ec进行模糊化处理，得到对应各部分的隶属度；再根据模糊推理表得到ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的隶属函数和隶属度；得到隶属函数和隶属度后，需要解模糊得到实际参数，通过重心法解模糊后得到全新的K_p、K_i和K_d，并将三个参数传递给PID控制器。解模糊公式如下：

其中μ_Ai(x)、μ_Bi(y)表示求出的隶属度，Z_i表示对应隶属度的横坐标。

S4：PID控制器得到全新的K_p、K_i和K_d后，通过公式得到电动压缩机转速信号N，再将转速信号N传递给电动压缩机。PID中的计算公式如下：

其中：K_p(t)、Ki(t)、Kd(t)为t时刻模糊控制器所输出的全新控制参数，u(t)为t时刻电池组的温度偏差e。

S5：电动压缩机根据转速信号N实时调整自身转速，压缩机转速的变化会使得热泵回路制冷/制热量产生变化，转速越大制冷/制热量越大，转速越小制冷/制热量越小；制冷/制热量的变化会导致电池组热管理回路冷却液的温度变化，制冷量越大电池组热管理回路冷却液温度约低，制热量越大电池组热管理回路冷却液温度越高；电池组热管理回路冷却液的温度变化会影响电池组温度的变化，电池组热管理回路冷却液温度越低电池组冷却越快，电池组热管理回路冷却液温度越高电池组加热越快；随着电池组温度的变化，控制器又会得到新的温差e和温差变化率ec，进而不断循环整个过程，达到实时调节电池组温度的效果。

同时本发明搭建了一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的仿真模型。随后进行了仿真分析，仿真效果图如图8所示。在本次仿真中设置电池组初始温度为30℃、外界温度30℃、车速恒定为108km/h。目标是将电池组温度控制在25℃。从图8中，可以看出模糊自适应PID控制效果最好，模糊自适应PID能够快速的降低电池组温度，并且保持电池组温度为25℃。阈值控制下的电池组温度在25℃附近不断波动，PID控制的动态调节时间较长且有一定的波动。由此可见本发明提出的模糊自适应PID控制响应时间短，控制效果好，具备较好的稳定性和鲁棒性。

本发明提出的一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的控制方法能够实时调节电池组温度，从而保证电池组能够在合适的温度下进行工作；相比于传统的阈值控制，模糊自适应PID控制能够实时调节压缩机转速，不会频繁开启和关闭电动压缩机，能够一定程度上保护电动压缩机；模糊自适应PID控制是根据温差实时调节压缩机转速，因此压缩机转速为当前时刻系统所要求的最佳压缩机转速，从而能够极大地节省电能；模糊自适应PID控制是实时控制，因此电池组温度整体波动会较小；电池热管理系统加入了模糊控制，可以在线实时调整PID的三个参数，克服传统PID控制无法实时调整PID参数的缺点，使得系统能够更快的响应各种变化，具备较好的稳定性和鲁棒性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统，其特征在于：包括热泵回路、电池组热管理回路和电机热管理回路；所述热泵回路用于加热或冷却电池组热管理回路中的冷却液；所述电池组热管理回路用于加热或冷却电池组和辅助回收电机冷却热；所述电机热管理回路用于回收电机冷却热和冷却电机；

所述热泵回路包括电动压缩机、四通换向阀、外部换热器、热泵回路风扇、膨胀阀、内部换热器、干燥器及气液分离器；所述电动压缩机与四通换向阀、气液分离器、干燥器连接成回路；所述外部换热器与膨胀阀、内部换热器、四通换向阀连接成回路；所述热泵回路风扇设置在外部换热器一侧；

所述电池组热管理回路包括电池组、辅助加热装置PTC、第一蓄能器、第一水泵、电池组热管理回路温度传感器、第三调节阀、第四调节阀、第二换热器及内部换热器；所述电池组与第一蓄能器、第一水泵、电池组热管理回路温度传感器、第二换热器、第四调节阀、内部换热器、辅助加热装置PTC连接成回路；所述电池组热管理回路温度传感器与内部换热器连接有分支回路，所述分支回路上设有第三调节阀；所述电池组热管理回路中的冷却液为防冻液；

所述电机热管理回路包括第二换热器、第一调节阀、第二调节阀、第三换热器、电机热管理回路风扇、第二蓄能器、第二水泵、电机热管理回路温度传感器、电机和电机热管理回路管道；所述电机与电机热管理回路温度传感器、第二水泵、第二蓄能器、第二换热器、第二调节阀连接成回路，所述第二蓄能器还连接第三换热器、第一调节阀、电机形成分支回路；所述电机热管理回路风扇设置在第三换热器一侧；所述电机热管理回路中的冷却液为防冻液；

液体式的纯电动汽车电池热管理系统有以下几种工作模式：

工作模式1：热泵回路和电池组热管理回路用于冷却电池组，电机热管理回路单独冷却电机；切换四通换向阀流路使得热泵回路处于制冷模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器冷却电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环冷却电池组；电机热管理回路中的冷却液通过电机水路循环冷却电机，流过电机后的冷却液再通过换热器和电机热管理回路风扇进行冷却；电池组热管理回路中的第四调节阀完全关闭、第三调节阀完全打开，电机热管理回路中的第一调节阀完全打开、第二调节阀完全关闭；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→外部换热器→膨胀阀→内部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第三调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；电机热管理回路中冷却液的流路为：第二水泵→第二蓄能器→第三换热器→第一调节阀→电机→电机热管理回路温度传感器→第二水泵；

工作模式2：电机热管理回路同电池组热管理回路和热泵回路协同散热；切换四通换向阀流路，让热泵回路处于制冷模式，同时加大压缩机转速使得热泵回路制冷量得到提高；热泵回路中的制冷剂通过内部换热器冷却电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液通过电池组水路循环冷却电池组和电机热管理回路中的冷却液，电机热管理回路中的冷却液再通过电机水路循环冷却电机；电池组热管理回路中的第四调节阀完全打开、第三调节阀完全关闭，电机热管理回路中的第一调节阀完全关闭、第二调节阀完全打开；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→外部换热器→膨胀阀→内部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第二换热器→第四调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；电机热管理回路中冷却液的流路为：第二水泵→第二蓄能器→第二换热器→第二调节阀→电机→电机热管理回路温度传感器→第二水泵；

工作模式3：对电池组进行加热，切换四通换向阀使得热泵回路处于制热模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组；电池组热管理回路中的第四调节阀完全关闭、第三调节阀完全打开；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→内部换热器→膨胀阀→外部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第三调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；

工作模式4：对电池组进行加热，切换四通换向阀使得热泵回路处于制热模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组；将电机热管理回路与电池组热管理回路耦合，电机热管理回路中的冷却液将会加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组；电池组热管理回路中的第四调节阀完全打开、第三调节阀完全关闭，电机热管理回路中的第一调节阀完全关闭、第二调节阀完全打开；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→内部换热器→膨胀阀→外部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第二换热器→第四调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；电机热管理回路中冷却液的流路为：第二水泵→第二蓄能器→第二换热器→第二调节阀→电机→电机热管理回路温度传感器→第二水泵；

工作模式5：运行方式和工作模式4相同，并打开PTC辅助加热装置来辅助加热电池组。

2.根据权利要求1所述的纯电动汽车综合热能利用热管理系统，其特征在于：所述热泵回路中的制冷剂为无臭氧破坏性的R134a。

3.一种纯电动汽车综合热能利用热管理系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在电动汽车电池组内安装温度传感器，实时检测电池组温度；当电池组温度大于设定的阈值T₂时，切换热泵回路中四通换向阀流路，让系统处于制冷模式，比较传感器温度与T₂的温差，得到温度偏差e和温度偏差变化率ec，然后将温度偏差e和温度偏差变化率ec传递给模糊控制器；当电池组温度处于阈值T₁～T₂之间，不启动热泵回路和电池组热管理回路，让电池组自然散热；当电池组温度小于设定的阈值T₁时，切换热泵回路中四通换向阀流路，让系统处于制热模式，比较传感器温度与T₁的温差，得到温差e和温差变化率ec，然后将温度偏差e和温度偏差变化率ec传递给模糊控制器；

S2：事先在模糊控制器中，将温度偏差e和温度偏差变化率ec的变化范围定义为模糊集上的论域；设置模糊子集e，ec＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中的元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大；建立合适的模糊规则表，得到ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d三个参数分别整定的模糊控制表；设置e、ec、ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的各个模糊子集的隶属函数；

S3：模糊控制器将电池组温度传感器反馈的温度偏差e和温度偏差变化率ec进行模糊化处理，得到对应各部分的隶属度；再根据模糊推理表得到ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的隶属函数和隶属度；得到隶属函数和隶属度后，需要解模糊得到实际参数，通过重心法解模糊后得到全新的K_p、K_i和K_d，并将三个参数传递给PID控制器；

S4：PID控制器得到全新的K_p、K_i和K_d后，通过相关公式得到电动压缩机转速信号N，再将转速信号N传递给电动压缩机；

S5：电动压缩机根据转速信号N实时调整自身转速，电动压缩机转速的变化使得热泵回路制冷或制热量产生变化，转速越大制冷或制热量越大，转速越小制冷或制热量越小；制冷或制热量的变化导致电池组热管理回路冷却液的温度变化，制冷量越大电池组热管理回路冷却液温度越低，制热量越大电池组热管理回路冷却液温度越高；电池组热管理回路冷却液的温度变化影响电池组温度的变化，电池组热管理回路冷却液温度越低电池组冷却越快，电池组热管理回路冷却液温度越高电池组加热越快；随着电池组温度的变化，控制器得到新的温差e和温差变化率ec，进而不断循环整个过程，达到实时调节电池组温度的效果；

步骤S3中所述模糊控制器以电池组温度偏差e和电池组温度偏差变化率ec作为输入，所述模糊控制器对电池组温度偏差e和电池组温度偏差变化率ec进行模糊化处理得出相应的隶属度，所述模糊控制器利用所得出的隶属度及相应隶属度的横坐标带入公式求出K_p、K_i和K_d，公式如下：

其中，μ_Ai(x)、μ_Bi(y)表示求出的隶属度，z_i表示对应隶属度的横坐标；

PID控制具体如下：

通过PID算法公式得到电动压缩机t时刻的转速信号v(t)，具体公式如下：

其中，K_p(t)、Ki(t)、Kd(t)为t时刻模糊控制器所输出的全新控制参数，u(t)为t时刻电池组的温度偏差；

包括以下几种工作模式：

工作模式1：热泵回路和电池组热管理回路用于冷却电池组，电机热管理回路单独冷却电机；切换四通换向阀流路使得热泵回路处于制冷模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器冷却电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环冷却电池组；电机热管理回路中的冷却液通过电机水路循环冷却电机，流过电机后的冷却液再通过换热器和电机热管理回路风扇进行冷却；电池组热管理回路中的第四调节阀完全关闭、第三调节阀完全打开，电机热管理回路中的第一调节阀完全打开、第二调节阀完全关闭；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→外部换热器→膨胀阀→内部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第三调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；电机热管理回路中冷却液的流路为：第二水泵→第二蓄能器→第三换热器→第一调节阀→电机→电机热管理回路温度传感器→第二水泵；

工作模式2：电机热管理回路同电池组热管理回路和热泵回路协同散热；切换四通换向阀流路，让热泵回路处于制冷模式，同时加大压缩机转速使得热泵回路制冷量得到提高；热泵回路中的制冷剂通过内部换热器冷却电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液通过电池组水路循环冷却电池组和电机热管理回路中的冷却液，电机热管理回路中的冷却液再通过电机水路循环冷却电机；电池组热管理回路中的第四调节阀完全打开、第三调节阀完全关闭，电机热管理回路中的第一调节阀完全关闭、第二调节阀完全打开；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→外部换热器→膨胀阀→内部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第二换热器→第四调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；电机热管理回路中冷却液的流路为：第二水泵→第二蓄能器→第二换热器→第二调节阀→电机→电机热管理回路温度传感器→第二水泵；

工作模式3：对电池组进行加热，切换四通换向阀使得热泵回路处于制热模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组；电池组热管理回路中的第四调节阀完全关闭、第三调节阀完全打开；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→内部换热器→膨胀阀→外部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第三调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；

工作模式4：对电池组进行加热，切换四通换向阀使得热泵回路处于制热模式，热泵回路中的制冷剂通过内部换热器加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组；将电机热管理回路与电池组热管理回路耦合，电机热管理回路中的冷却液将会加热电池组热管理回路中的冷却液，电池组热管理回路中的冷却液再通过电池组水路循环加热电池组；电池组热管理回路中的第四调节阀完全打开、第三调节阀完全关闭，电机热管理回路中的第一调节阀完全关闭、第二调节阀完全打开；热泵回路中制冷剂的流路为：电动压缩机→四通换向阀→内部换热器→膨胀阀→外部换热器→四通换向阀→气液分离器→干燥器→电动压缩机；电池组热管理回路中冷却液的流路为：第一水泵→电池组热管理回路温度传感器→第二换热器→第四调节阀→内部换热器→关闭状态的PTC辅助加热模块→电池组→第一蓄能器→第一水泵；电机热管理回路中冷却液的流路为：第二水泵→第二蓄能器→第二换热器→第二调节阀→电机→电机热管理回路温度传感器→第二水泵；

工作模式5：运行方式和工作模式4相同，并打开PTC辅助加热装置来辅助加热电池组。

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