CN113300021B - 一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统及控制方法，所述控制系统包括控制模块(7)，端电压采集器(8)和温度采集器(9)，所述控制模块(7)包括信号整合器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述控制方法中基于多个被测电芯的温度数据流和端电压数据流，运算得到整合温度数据流并用于与温度设定值比较以进行PID运算。本发明提供的控制系统结构简单、成本低廉，控制方法稳定可靠、适应性广、易于实现，能充分利用多测点温度值。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，具体涉及一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统及控制方法。
背景技术
电动汽车具有绿色环保和舒适节能等突出优点，是当前经济社会发展的重要领域。当前电动汽车多由锂离子动力电池包供能，锂离子工作过程存在不可避免的产热现象并导致电池包温度上升，由于锂离子电池高温下存在安全性能差和易损坏等问题，故需要对电池包进行温度控制，其主流的温度控制方法是使用液冷方式通过换热器对电池包进行冷却。目前公知的技术手段中，针对液冷管路的温度控制策略是实时采集某个温度值并与其给定值比较，根据比较结果使用PID控制方法来调节离心泵的转速，并最终改变通过换热器的流量值来实现温度调节。但是，对电池包而言，其各处电芯的温度并不一致，且由于各电芯自身之间存在一定的差异，不同工况下各电芯的产热速率和温度变化趋势也存在较大差别，故通常会在电池包内部选取多个位置的电芯，对这些电芯一一布置温度测点，采集获得电池包一定程度上的内部温度分布情况。这种多测点温度采样方式与传统上经典PID反馈控制点单测点采样存在明显差别，所以需要制定新的温度采样数据流处理策略，将多个测点的温度数据流整合成为一个总体的温度数据流并送入PID控制器，才能沿用经典的PID反馈控制方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、稳定可靠、适应性广且易于实现的、多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统及控制方法。本发明解决上述问题的技术方案是：一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统，用于电动汽车动力电池包冷却，所述电动汽车液冷管路包括但不限于离心泵(1)、与离心泵(1)机械连接且用于驱动离心泵(1)运转的可调速电机(2)、膨胀水箱(3)、第一换热器(4)和第二换热器(6)，所述离心泵(1)、膨胀水箱(3)、第一换热器(4)和第二换热器(6)通过管道依次连接且第二换热器(6)与离心泵(1)通过管道连接，与所述第一换热器(4)与电池包(5)紧贴并用于电池包(5)的冷却，所述第二换热器(6)用于冷却液的降温冷却；所述多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统包括控制模块(7)以及与控制模块(7)电性连接的端电压采集器(8)和温度采集器(9)，所述控制模块(7)还与可调速电机(2)电性连接以感知和控制其转速，所述控制模块(7)包括信号整合器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述端电压采集器(8)和温度采集器(9)分别用于实时测量电池包(5)内多个电芯的端电压和表面温度且端电压采集器(8)和温度采集器(9)所测量的电芯对象一致。
基于上述多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统的控制方法，对端电压采集器(8)和温度采集器(9)所测量的各电芯对象按照1#至m#的顺序依次进行编号，其中m代表被测电芯的数目；针对每一个被测电芯，按照固定的时间间隔分别使用端电压采集器(8)和温度采集器(9)实时测量以获得其端电压数据流和表面温度数据流；将每一个电芯的端电压数据流和表面温度数据流同时送入信号整合器(71)，对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流至PID控制器(72)；PID控制器(72)将温度设定值依次与整合温度数据流中的每一个温度值相减，并基于偏差值数据流进行PID运算，输出电机调速值Δn1；截断器(73)接收PID控制器(72)输出的电机调速值Δn1，同时获得可调速电机(2)的当前转速值ni，再根据下式进行截断计算以得到可调速电机(2)的调速值Δn并最终输出至可调速电机(2)完成转速调节：
式中，Δn1和Δn分别为PID控制器(72)和截断器(73)输出的电机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(73)的离心泵(1)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速电机(2)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
上述多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统的控制方法，所述对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流，按下式确定整合温度数据流中的各个整合温度值Ti：
式中，Ti代表整合温度数据流中i时刻的整合温度值，tij代表i时刻编号为j的电芯的温度测量值，m表示被测电芯的总数目，fij代表i时刻编号为j的电芯的加权系数，加权系数fij按下式确定：
fij＝1+aij+bij (3)
式中，aij代表i时刻编号为j的电芯的端电压相关加权系数值，当编号为j的电芯i时刻的端电压值与i时刻之前的一个采样时刻的端电压值之差的绝对值大于端电压变化临界值ΔUc时，aij取A，否则aij取0；bij代表i时刻编号为j的电芯的温度相关加权系数值，当编号为j的电芯i时刻的温度大于电芯警戒温度tmax时，bij取B，否则Bij取0；以上端电压变化临界值ΔUc取值在0.05V至0.1V之间，电芯警戒温度tmax取值在35℃至45℃之间，A和B的取值均在1至5之间。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统仅包括控制模块、端电压采集器和温度采集器，且控制模块可在现有的控制器基础上稍加改进即可实现，故结构简单、成本低廉。
2、本发明的控制方法将多个测点的温度数据流整合成为一个总体的温度数据流并送入PID控制器，并沿用经典的PID反馈控制方法。在数据整合过程中对各个测点的温度数据采取加权平均方法，加权系数以1为基础并充分考虑了各测点电芯端电压变化及其温度超过警戒值的因素：当某时刻某处电芯端电压相对于其前一时刻变化较大时，说明某时刻该电芯的产热功率变化较大，并将很快影响其温度变化，则需要增大某时刻该电芯温度测量值的权重系数；当某时刻某处电芯温度超过电芯温度警戒值时，则同样增大某时刻该电芯温度测量值的权重系数。这样在实现输入单个温度数据流进入PID控制器以保证某时刻只有一个温度值与温度设定值相互比较的同时，既充分突出和放大部分温度过高电芯或即将产生较大温度变化的电芯的影响，提高其温度测量值权重，提高控制系统灵敏性和有效性；又总体上保持整合温度数据流的变化稳定，减少数据剧变的可能性，保证控制系统的稳定性和可靠性。
3、本发明的控制方法中，在反馈控制器的基础上增设截断器，将反馈控制环节输出的电机调速值和电机的当前转速值同时输入截断器，以确保最终输出至执行机构的电机调速值处于可调速电机的最小和最大许可转速值之间，这可以避免控制错误，使可调速电机的转速始终等于或大于其最小许可转速值以满足电池包最低限度的换热需求，保证电池包内部电芯的温度均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例中电动汽车液冷管路及用于该液冷管路的控制系统的结构示意图，其中1为离心泵，2为与离心泵(1)机械连接且用于驱动离心泵(1)运转的可调速电机，3为膨胀水箱，4为第一换热器，5为第一换热器(4)紧贴的电池包，6为第二换热器，7为控制模块，8为端电压采集器，9为温度采集器。
图2为本发明实施例中多温度测点的电动汽车液冷管路控制方法的流程图，其中2为可调速电机，8为端电压采集器，9为温度采集器，71为信号整合器，72为PID控制器，73为截断器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统，用于电动汽车动力电池包冷却，其特征在于，所述电动汽车液冷管路包括但不限于离心泵(1)、与离心泵(1)机械连接且用于驱动离心泵(1)运转的可调速电机(2)、膨胀水箱(3)、第一换热器(4)和第二换热器(6)，所述离心泵(1)、膨胀水箱(3)、第一换热器(4)和第二换热器(6)通过管道依次连接且第二换热器(6)与离心泵(1)通过管道连接，与所述第一换热器(4)与电池包(5)紧贴并用于电池包(5)的冷却，所述第二换热器(6)用于冷却液的降温冷却；所述多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统包括控制模块(7)以及与控制模块(7)电性连接的端电压采集器(8)和温度采集器(9)，所述控制模块(7)还与可调速电机(2)电性连接以感知和控制其转速，所述控制模块(7)包括信号整合器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述端电压采集器(8)和温度采集器(9)分别用于实时测量电池包(5)内多个电芯的端电压和表面温度且端电压采集器(8)和温度采集器(9)所测量的电芯对象一致。
如图2所示，一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制方法，对端电压采集器(8)和温度采集器(9)所测量的各电芯对象按照1#至m#的顺序依次进行编号，其中m代表被测电芯的数目；针对每一个被测电芯，按照固定的时间间隔分别使用端电压采集器(8)和温度采集器(9)实时测量以获得其端电压数据流和表面温度数据流；将每一个电芯的端电压数据流和表面温度数据流同时送入信号整合器(71)，对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流至PID控制器(72)；PID控制器(72)将温度设定值依次与整合温度数据流中的每一个温度值相减，并基于偏差值数据流进行PID运算，输出电机调速值Δn1；截断器(73)接收PID控制器(72)输出的电机调速值Δn1，同时获得可调速电机(2)的当前转速值ni，再根据下式进行截断计算以得到可调速电机(2)的调速值Δn并最终输出至可调速电机(2)完成转速调节：
式中，Δn1和Δn分别为PID控制器(72)和截断器(73)输出的电机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(73)的离心泵(1)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速电机(2)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
进一步地，上述多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统的控制方法，所述对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流，按下式确定整合温度数据流中的各个整合温度值Ti：
式中，Ti代表整合温度数据流中i时刻的整合温度值，tij代表i时刻编号为j的电芯的温度测量值，m表示被测电芯的总数目，fij代表i时刻编号为j的电芯的加权系数，加权系数fij按下式确定：
fij＝1+aij+bij (3)
式中，aij代表i时刻编号为j的电芯的端电压相关加权系数值，当编号为j的电芯i时刻的端电压值与i时刻之前的一个采样时刻的端电压值之差的绝对值大于端电压变化临界值ΔUc时，aij取A，否则aij取0；bij代表i时刻编号为j的电芯的温度相关加权系数值，当编号为j的电芯i时刻的温度大于电芯警戒温度tmax时，bij取B，否则Bij取0；以上端电压变化临界值ΔUc取值在0.05V至0.1V之间，电芯警戒温度tmax取值在35℃至45℃之间，A和B的取值均在1至5之间。
实施例
某纯电动汽车电池包的电芯组成为1并96串，电池包的额定容量153Ah，额定电压350V，使用液冷方式进行电池包的热管理，冷却液为乙二醇水溶液，其液冷管路和控制系统可参见附图1，控制系统的工作原理可参见附图2。本实施例中控制系统及其控制方法主要基于Arm芯片及相关集成电路并进行嵌入式开发来实现。
本实施例中，电动汽车出厂前，通过查阅该款电动汽车设计和试验资料，确定离心泵(1)的最低许可转速Nmin＝500r/min、最高许可转速Nmax＝5000r/min，并将二者存储至截断器(73)；将整定好的比例系数、积分系数和微分系数等控制参数存储至PID控制器(72)；端电压变化临界值ΔUc取值为0.06V，电芯警戒温度tmax取值为37℃，A和B的取值均为2。
本实施例中，该电动汽车的第二换热器(6)采用强制外界空气冷却方式，即冷却液流经内部流道，开启风扇让外界空气吹过其表面来实现冷却液的冷却，且电动汽车使用过程中一直保持风扇的开启状态。电池包(5)的6个不同位置的电芯布置了温度测点，将这6个电芯分别编号为1#、2#、3#、4#、5#和6#，亦即被测电芯的数目m为6。按照固定的2s时间间隔分别使用端电压采集器(8)和温度采集器(9)实时测量这6个电芯以获得其端电压数据流和表面温度数据流。针对这6个电芯，在每个电芯的正负极柱之间布置电压表以测量各自的电压，在每个电芯的正极柱根部表面张贴热电阻以测量各自的表面温度，将每一个电芯的端电压数据流和表面温度数据流同时送入信号整合器(71)，对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流至PID控制器(72)。以某时刻为例，将该时刻记为i时刻，编号为2#的电芯i时刻的端电压值与i时刻之前的一个采样时刻的端电压值之差的绝对值为0.07V，由于端电压变化临界值ΔUc＝0.06V<0.07V，故i时刻编号为2#的电芯的端电压相关加权系数值ai2＝A＝2；编号为6#的电芯i时刻的温度为37.5℃，由于电芯警戒温度tmax＝37℃<37.5℃，故i时刻编号为6#的电芯的温度相关加权系数值bi6＝B＝2。某时刻除了以上两种现象外，没有其他特别的端电压和温度情况。因此，i时刻各个电芯的加权系数分别为：fi1＝fi3＝fi4＝fi5＝1，fi2＝1+ai2+bi2＝1+2+0＝3，fi6＝1+ai6+bi6＝1+0+2＝3。
表面温度数据流中，i时刻1#至6#电芯的表面温度分别为36.1℃、36.9℃、36.2℃、35.8℃、35.6℃和37.5℃，故该时刻整合温度值Ti为：
类似地，针对送入信号整合器(71)的每一个电芯的端电压数据流和表面温度数据流，对各个电芯各个时刻的表面温度按照以上方式进行加权平均处理，得到一个整合温度数据流并输出至PID控制器(72)，该整合温度数据流中任意一个时刻只有一个温度值。
本实施例中控制系统的温度设定值为35℃。PID控制器(72)将温度设定值依次与整合温度数据流中的每一个温度值相减，并基于偏差值数据流进行PID运算，输出电机调速值Δn1；截断器(73)接收PID控制器(72)输出的电机调速值Δn1，同时获得可调速电机(2)的当前转速值ni，进行截断计算以得到可调速电机(2)的调速值Δn并最终输出至可调速电机(2)完成转速调节。i时刻PID控制器(72)运算输出电机调速值Δn1＝245r/min，而此时可调速电机(2)的当前转速值ni＝4800r/min，由于Δn1+ni＝5045r/min>Nmax，故进行截断计算后可调速电机(2)的调速值Δn＝Nmax-ni＝5000-4800＝200r/min，i时刻最终输出Δn＝200r/min至可调速电机(2)完成转速调节。本实施例中，端电压和温度的采样时间间隔以及控制系统的运算与动作时间间隔均为固定的2s。
需要指出的是，虽然实际上端电压和温度的采样、信号整合分析处理和PID运算存在时间上的先后之分，但由于上述事件的执行耗时相对于采样和控制系统调节动作的时间间隔来说忽略不计，故工程上可以认为各电芯端电压和温度的采样、信号整合分析处理和PID运算输出是同步进行的，亦即原始的各个电芯端电压和表面温度数据流以及经分析运算获得的整合温度数据流是协调且同步的。
本实施例提供的多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统仅包括控制模块、端电压采集器和温度采集器，且控制模块可在现有的控制器基础上稍加改进即可实现。控制方法方面，将多个测点的温度数据流整合成为一个总体的温度数据流并送入PID控制器，并沿用经典的PID反馈控制方法。在数据整合过程中对各个测点的温度数据采取加权平均方法，加权系数以1为基础并充分考虑了各测点电芯端电压变化及其温度超过警戒值的因素，这样在实现输入单个温度数据流进入PID控制器以保证某时刻只有一个温度值与温度设定值相互比较的同时，既充分突出和放大部分温度过高电芯或即将产生较大温度变化的电芯的影响，提高其温度测量值权重，提高控制系统灵敏性和有效性；又总体上保持整合温度数据流的变化稳定，减少数据剧变的可能性。此外，在反馈控制器的基础上增设截断器，将反馈控制环节输出的电机调速值和电机的当前转速值同时输入截断器，以确保最终输出至执行机构的电机调速值处于可调速电机的最小和最大许可转速值之间，即避免控制错误，又保证电池包内部电芯的温度均匀性。因此，本实施例提供的多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统结构简单、成本低廉，对应的控制方法稳定可靠、适应性广、易于实现，能充分利用多测点的温度采样值。
Claims (1)
1.一种多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统的控制方法，其特征在于，该方法基于多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统，用于电动汽车动力电池包冷却，所述电动汽车液冷管路包括离心泵(1)、与离心泵(1)机械连接且用于驱动离心泵(1)运转的可调速电机(2)、膨胀水箱(3)、第一换热器(4)和第二换热器(6)，所述离心泵(1)、膨胀水箱(3)、第一换热器(4)和第二换热器(6)通过管道依次连接且第二换热器(6)与离心泵(1)通过管道连接，与所述第一换热器(4)与电池包(5)紧贴并用于电池包(5)的冷却，所述第二换热器(6)用于冷却液的降温冷却；所述多温度测点的电动汽车液冷管路控制系统包括控制模块(7)以及与控制模块(7)电性连接的端电压采集器(8)和温度采集器(9)，所述控制模块(7)还与可调速电机(2)电性连接以感知和控制其转速，所述控制模块(7)包括信号整合器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述端电压采集器(8)和温度采集器(9)分别用于实时测量电池包(5)内多个电芯的端电压和表面温度且端电压采集器(8)和温度采集器(9)所测量的电芯对象一致；所述控制方法为：对端电压采集器(8)和温度采集器(9)所测量的各电芯对象按照1#至m#的顺序依次进行编号，其中m代表被测电芯的数目；针对每一个被测电芯，按照固定的时间间隔分别使用端电压采集器(8)和温度采集器(9)实时测量以获得其端电压数据流和表面温度数据流；将每一个电芯的端电压数据流和表面温度数据流同时送入信号整合器(71)，对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流至PID控制器(72)；PID控制器(72)将温度设定值依次与整合温度数据流中的每一个温度值相减，并基于偏差值数据流进行PID运算，输出电机调速值Δn1；截断器(73)接收PID控制器(72)输出的电机调速值Δn1，同时获得可调速电机(2)的当前转速值ni，再根据下式进行截断计算以得到可调速电机(2)的调速值Δn并最终输出至可调速电机(2)完成转速调节：
式中，Δn1和Δn分别为PID控制器(72)和截断器(73)输出的电机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(73)的离心泵(1)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速电机(2)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min；
所述对各个电芯的表面温度数据流进行加权平均处理并输出一个整合温度数据流，按下式确定整合温度数据流中的各个整合温度值Ti：
式中，Ti代表整合温度数据流中i时刻的整合温度值，tij代表i时刻编号为j的电芯的温度测量值，m表示被测电芯的总数目，fij代表i时刻编号为j的电芯的加权系数，加权系数fij按下式确定：
fij＝1+aij+bij (3)
式中，aij代表i时刻编号为j的电芯的端电压相关加权系数值，当编号为j的电芯i时刻的端电压值与i时刻之前的一个采样时刻的端电压值之差的绝对值大于端电压变化临界值ΔUc时，aij取A，否则aij取0；bij代表i时刻编号为j的电芯的温度相关加权系数值，当编号为j的电芯i时刻的温度大于电芯警戒温度tmax时，bij取B，否则Bij取0；以上端电压变化临界值ΔUc取值在0.05V至0.1V之间，电芯警戒温度tmax取值在35℃至45℃之间，A和B的取值均在1至5之间。
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