CN113359411A - 一种电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车液冷管路前馈‑反馈控制系统及控制方法，所述控制系统包括控制模块(7)，电参数采集器(8)和温度采集器(9)，所述控制模块(7)包括前馈控制器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述控制方法包括前馈控制环节、反馈控制环节和整合输出环节。本发明提供的控制系统结构简单、成本低廉，其控制方法稳定可靠、适应性广、易于实现，十分适合大倍率突然放电场景下的电池包温度调节。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，具体涉及一种电动汽车液冷管路前馈-反馈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电池包液冷管路的控制策略是实时采集电池包的温度值并与其给定值比较，根据比较结果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电池包的温度调节。当通过电池包的总电流值变化不大时，上述反馈控制方法基本可以满足电池包的温度调节需求；但是，当电池包的总电流值突然急剧增大时，也会立即带来其产热量的突然升高，但由于热传递现象具有一定的时间滞后性，需要经过一段时长后才会体现出电池包温度采集值的上升。等发现温度采集值上升之后再采取相应的反馈控制措施，由于之前电池包内部积蓄了大量热量并已经对电芯造成了不利影响，故反馈控制方式存在不可避免的时间滞后问题，不能很好地满足上述温度控制需求。因此，有必要在反馈控制的基础上增加前馈控制环节，设计一种新的电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统及控制方法，以更好地满足电池包热管理需求。
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电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统及控制方法。本发明解决上述问题的技术方案是：一种电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统，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；所述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统包括控制模块(7)以及与控制模块(7)电性连接的电参数采集器(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)包括前馈控制器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述电参数采集器(8)用于实时采集电池包(5)的总端电压值和总电流值，所述温度采集器(9)用于实时采集电池包(5)内部多处位置的温度测试值并同步地对这些温度测试值取平均后作为电池包(5)的温度值以用于输出。
基于上述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统，提供一种电动汽车液冷管路前馈-反馈控制方法，包括基于前馈控制器(71)的前馈控制环节、基于PID控制器(72)的反馈控制环节和基于截断器(73)的整合输出环节，且所述前馈控制环节和反馈控制环节同步输出各自的运算结果，其中：
(a)前馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用电参数采集器(8)获得电池包(5)的总端电压值时间序列和总电流值时间序列，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值时间序列，将以上采集信息送入前馈控制器(71)计算并输出电机调速值Δn1；
(b)反馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值并与给定的电池包(5)的温度设定值相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入PID控制器(72)，经PID运算后输出电机调速值Δn2；
(c)整合输出环节，将前馈控制环节输出的电机调速值Δn1和反馈控制环节输出的电机调速值Δn2相加后送入截断器(73)，同时将可调速电机(2)的当前转速值ni送入截断器(73)，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(1)中，Δn1、Δn2和Δn分别为前馈控制器(71)、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，n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。
上述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制方法，所述前馈控制环节中利用前馈控制器(71)计算并输出电机调速值Δn1的方法，分为以下步骤：
步骤1、基于采集得到的电池包(5)的总端电压值时间序列、总电流值时间序列和温度值时间序列，获得当前时刻电池包(5)的当前总端电压值Ui、当前总电流值Ii和当前温度值Ti，并计算获得当前时刻之前的Δt时间段内电池包(5)的平均端电压值Um、平均总电流值Im和平均温度值Tm，其中时间段的时长Δt处于1分钟至10分钟之间；
步骤2、根据步骤1获得的当前温度值Ti和平均温度值Tm，查阅事先存储在前馈控制器(71)中的电池包(5)的不同温度下总开路电压值的信息表格，选取与当前温度值Ti最为接近的两个温度值所对应的总开路电压值以及与平均温度值Tm最为接近的两个温度值所对应的总开路电压值，并通过插值计算获得与当前温度值Ti对应的电池包(5)的当前总开路电压值Ei以及与平均温度值Tm对应的电池包(5)的平均总开路电压值Em；
步骤3、将电池包(5)的当前总开路电压值Ei与当前总端电压值Ui之差乘以当前总电流值Ii获得当前产热量估计值Pi，并将电池包(5)的平均总开路电压值Em与平均总端电压值Um之差乘以平均总电流值Im获得平均产热量估计值Pm；
步骤4、根据下式计算电机调速值Δn1并输出：
式(2)中，Δn1为前馈控制器(71)输出的电机调速值，单位为r/min；Pi和Pm分别为当前产热量估计值和平均产热量估计值；k为取值在10至500之间的比例系数；q为取值在1.2至5之间的判别系数。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统仅包括控制模块、电参数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、本发明的控制方法在反馈控制的基础上增加了前馈控制环节，通过电池包产热量的估算及其当前值与平均值的比较来判断是否触发前馈控制，若当前的产热量估计值显著大于其过去一段时间内的平均值，则输出额外的转速调节值并与常规的反馈控制环节输出的转速调节值相叠加后输出，这可以充分解决电池包突然大电流放电时所带来的温度控制时滞问题，并对电池包的温度进行提前调节以尽量减少控制系统的超调现象，最终有效克服电池包总放电电流变化对控制过程带来的扰动影响，故稳定可靠、适应性广、易于实现，十分适合大倍率突然放电场景下的电池包温度调节。
3、本发明的控制方法中，在前馈控制器和反馈控制器的基础上增设截断器，将前馈控制环节和反馈控制环节各自输出的电机调速值之和以及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为电参数采集器，9为温度采集器。
图2为本发明实施例中电动汽车液冷管路前馈-反馈控制方法的流程图，其中2为可调速电机，8为电参数采集器，9为温度采集器，71为前馈控制器，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，一种电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统，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；所述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统包括控制模块(7)以及与控制模块(7)电性连接的电参数采集器(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)包括前馈控制器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述电参数采集器(8)用于实时采集电池包(5)的总端电压值和总电流值，所述温度采集器(9)用于实时采集电池包(5)内部多处位置的温度测试值并同步地对这些温度测试值取平均后作为电池包(5)的温度值以用于输出。膨胀水箱(3)用于补偿因温度变化造成的冷却液容积变动。
进一步地，所述第二换热器(6)中冷却液的冷却方式包括但不限于自然冷却、强制外界空气冷却、强制乘员舱空气冷却和空调制冷剂换热冷却。
如图2所示，基于上述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统的控制方法，包括基于前馈控制器(71)的前馈控制环节、基于PID控制器(72)的反馈控制环节和基于截断器(73)的整合输出环节，且所述前馈控制环节和反馈控制环节同步输出各自的运算结果，其中：
(a)前馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用电参数采集器(8)获得电池包(5)的总端电压值时间序列和总电流值时间序列，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值时间序列，将以上采集信息送入前馈控制器(71)计算并输出电机调速值Δn1。
进一步地，所述前馈控制环节中利用前馈控制器(71)计算并输出电机调速值Δn1的方法，分为以下步骤：
步骤1、基于采集得到的电池包(5)的总端电压值时间序列、总电流值时间序列和温度值时间序列，获得当前时刻电池包(5)的当前总端电压值Ui、当前总电流值Ii和当前温度值Ti，并计算获得当前时刻之前的Δt时间段内电池包(5)的平均端电压值Um、平均总电流值Im和平均温度值Tm，其中时间段的时长Δt处于1分钟至10分钟之间；
步骤2、根据步骤1获得的当前温度值Ti和平均温度值Tm，查阅事先存储在前馈控制器(71)中的电池包(5)的不同温度下总开路电压值的信息表格，选取与当前温度值Ti最为接近的两个温度值所对应的总开路电压值以及与平均温度值Tm最为接近的两个温度值所对应的总开路电压值，并通过插值计算获得与当前温度值Ti对应的电池包(5)的当前总开路电压值Ei以及与平均温度值Tm对应的电池包(5)的平均总开路电压值Em；
步骤3、将电池包(5)的当前总开路电压值Ei与当前总端电压值Ui之差乘以当前总电流值Ii获得当前产热量估计值Pi，并将电池包(5)的平均总开路电压值Em与平均总端电压值Um之差乘以平均总电流值Im获得平均产热量估计值Pm；
步骤4、根据下式计算电机调速值Δn1并输出：
式(2)中，Δn1为前馈控制器(71)输出的电机调速值，单位为r/min；Pi和Pm分别为当前产热量估计值和平均产热量估计值；k为取值在10至500之间的比例系数；q为取值在1.2至5之间的判别系数。
(b)反馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值并与给定的电池包(5)的温度设定值相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入PID控制器(72)，经PID运算后输出电机调速值Δn2。
进一步地，PID控制器(72)事先存储已经整定好的比例系数、积分系数和微分系数等控制参数。
(c)整合输出环节，将前馈控制环节输出的电机调速值Δn1和反馈控制环节输出的电机调速值Δn2相加后送入截断器(73)，同时将可调速电机(2)的当前转速值ni送入截断器(73)，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(1)中，Δn1、Δn2和Δn分别为前馈控制器(71)、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，n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。
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。
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)；以5℃为间隔，制作得到-10℃至60℃范围内电池包(5)的不同温度下总开路电压值的信息表格并存储至前馈控制器(71)；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)。
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10个不同位置布置了温度测点，使用温度采集器(9)实时采集这10个位置的温度值并同步地对这些温度测试值取平均后作为电池包(5)的温度值用于输出。
该电动汽车某日开展测试。开始一段时间，该电动汽车未开空调，在平直的公路上匀速慢速行驶，其电池包的总电流基本保持稳定，控制系统中给定电池包(5)的温度设定值ST＝35℃，前馈控制环节输出的电机调速值Δn1基本为0，主要利用反馈控制环节输出的电机调速值Δn2进行可调速电机(2)的转速调节，可调速电机(2)的转速维持在2000r/min左右。
突然，该电动汽车打开空调制冷，并将加速踏板踩到底驶向陡坡，这导致其电池包(5)的总放电电流急剧上升。前馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用电参数采集器(8)获得电池包(5)的总端电压值时间序列和总电流值时间序列，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值时间序列。基于以上时间序列，获得当前时刻电池包(5)的当前总端电压值Ui＝300V、当前总电流值Ii＝150A、当前温度值Ti＝37℃，并计算获得当前时刻之前的2分钟时间段内电池包(5)的平均端电压值Um＝330V、平均总电流值Im＝55A、平均温度值Tm＝36℃。
查阅事先存储在前馈控制器(71)中的电池包(5)的不同温度下总开路电压值的信息表格，选取与当前温度值Ti＝37℃最为接近的两个温度值35℃和40℃所对应的总开路电压值，通过差值计算得到电池包(5)的当前总开路电压值Ei＝360V；类似地，选取与平均温度值Tm＝36℃最为接近的两个温度值35℃和40℃所对应的总开路电压值，通过差值计算得到电池包(5)的平均总开路电压值Em＝352V。于是，将电池包(5)的当前总开路电压值Ei与当前总端电压值Ui之差乘以当前总电流值Ii获得当前产热量估计
Pi＝(Ei-Ui)×Ii＝(360-300)×150＝9000W，并将电池包(5)的平均总开路电压值Em与平均总端电压值Um之差乘以平均总电流值Im获得平均产热量估计值
Pm＝(Em-Um)×Im＝(352-330)×55＝1210W。
前馈控制器(71)计算电机调速值Δn1的公式中，取比例系数k＝10、判别系数q＝2，易知Pi/Pm＝9000/1210＝7.44>q，故计算电机调速值Δn1为：Δn1＝kPi/Pm＝10×7.44＝744r/min，并将电机调速值Δn1输出。
反馈控制调节环节中，由于热传递过程的时间滞后性性，虽然该时刻电电池包(5)的产热量急剧上升，但其检测到的其温度值变化并不明显，通过温度采集器(9)获得的电池包(5)的温度值为37℃，由于该时刻以及该时刻之间的一段时间内电池包(5)的温度值与温度设定值ST＝35℃相差不大，将温度偏差比较结果输入PID控制器(72)并经运算后，输出的电机调速值Δn2为：Δn2＝185r/min。
最后进入整合输出环节，将前馈控制环节输出的电机调速值Δn1＝744r/min和反馈控制环节输出的电机调速值Δn2＝185r/min相加后送入截断器(73)，同时将可调速电机(2)的当前转速值ni＝2105r/min送入截断器(73)，由于三者之和Δn1+Δn2+ni＝744+185+2105＝3034r/min，其值处于最低许可转速Nmin＝500r/min、最高许可转速Nmax＝5000r/min之间，故不经截断处理，得到可调速电机(2)的调速值Δn＝Δn1+Δn2＝744+185＝929r/min，并最终输出调速值929r/min至可调速电机(2)完成该时刻对应的转速调节。
由以上可知，若仅采取反馈控制方法而不加前馈控制环节，则该时刻可调速电机(2)的转速仅仅只增加185r/min，很难满足大电流突然放电下的电池包温度控制需要；而同时采取前馈和反馈控制之后，其转速增加值急剧上升为929r/min，能够迅速带来更大的冷却流量，从而提高电池包的换热能力，改善电池包的温度控制效果。若后续不再出现大电流放电现象，则前馈控制环节的作用也会立即减弱乃至消失，主要依靠反馈环节进行控制，控制系统的稳定性好。
本实施例提供的电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统仅包括控制模块、电参数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，在反馈控制的基础上增加了前馈控制环节，通过电池包产热量的估算及其当前值与平均值的比较来判断是否触发前馈控制，若当前的产热量估计值显著大于其过去一段时间内的平均值，则输出额外的转速调节值并与常规的反馈控制环节输出的转速调节值相叠加后输出，这可以充分解决电池包突然大电流放电时所带来的温度控制时滞问题，并对电池包的温度进行提前调节以尽量减少控制系统的超调现象，最终有效克服电池包总放电电流变化对控制过程带来的扰动影响；在前馈控制器和反馈控制器的基础上增设截断器，将前馈控制环节和反馈控制环节各自输出的电机调速值之和以及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。因此，本实施例提供的电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统结构简单、成本低廉，对应的控制方法稳定可靠、适应性广、易于实现，十分适合大倍率突然放电场景下的电池包温度调节。
Claims (3)
1.一种电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统，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；所述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统包括控制模块(7)以及与控制模块(7)电性连接的电参数采集器(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)包括前馈控制器(71)、PID控制器(72)和截断器(73)，所述电参数采集器(8)用于实时采集电池包(5)的总端电压值和总电流值，所述温度采集器(9)用于实时采集电池包(5)内部多处位置的温度测试值并同步地对这些温度测试值取平均后作为电池包(5)的温度值以用于输出。
2.基于权利要求1所述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括基于前馈控制器(71)的前馈控制环节、基于PID控制器(72)的反馈控制环节和基于截断器(73)的整合输出环节，且所述前馈控制环节和反馈控制环节同步输出各自的运算结果，其中：
(a)前馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用电参数采集器(8)获得电池包(5)的总端电压值时间序列和总电流值时间序列，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值时间序列，将以上采集信息送入前馈控制器(71)计算并输出电机调速值Δn1；
(b)反馈控制环节中，按照一定的时间间隔，利用温度采集器(9)获得电池包(5)的温度值并与给定的电池包(5)的温度设定值相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入PID控制器(72)，经PID运算后输出电机调速值Δn2；
(c)整合输出环节，将前馈控制环节输出的电机调速值Δn1和反馈控制环节输出的电机调速值Δn2相加后送入截断器(73)，同时将可调速电机(2)的当前转速值ni送入截断器(73)，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(1)中，Δn1、Δn2和Δn分别为前馈控制器(71)、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。
3.基于权利要求2所述电动汽车液冷管路前馈-反馈控制方法，其特征在于，所述前馈控制环节中利用前馈控制器(71)计算并输出电机调速值Δn1的方法，分为以下步骤：
步骤1、基于采集得到的电池包(5)的总端电压值时间序列、总电流值时间序列和温度值时间序列，获得当前时刻电池包(5)的当前总端电压值Ui、当前总电流值Ii和当前温度值Ti，并计算获得当前时刻之前的Δt时间段内电池包(5)的平均端电压值Um、平均总电流值Im和平均温度值Tm，其中时间段的时长Δt处于1分钟至10分钟之间；
步骤2、根据步骤1获得的当前温度值Ti和平均温度值Tm，查阅事先存储在前馈控制器(71)中的电池包(5)的不同温度下总开路电压值的信息表格，选取与当前温度值Ti最为接近的两个温度值所对应的总开路电压值以及与平均温度值Tm最为接近的两个温度值所对应的总开路电压值，并通过插值计算获得与当前温度值Ti对应的电池包(5)的当前总开路电压值Ei以及与平均温度值Tm对应的电池包(5)的平均总开路电压值Em；
步骤3、将电池包(5)的当前总开路电压值Ei与当前总端电压值Ui之差乘以当前总电流值Ii获得当前产热量估计值Pi，并将电池包(5)的平均总开路电压值Em与平均总端电压值Um之差乘以平均总电流值Im获得平均产热量估计值Pm；
步骤4、根据下式计算电机调速值Δn1并输出：
式(2)中，Δn1为前馈控制器(71)输出的电机调速值，单位为r/min；Pi和Pm分别为当前产热量估计值和平均产热量估计值；k为取值在10至500之间的比例系数；q为取值在1.2至5之间的判别系数。
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