CN113968120A - 一种多档调节控制的高压水暖ptc控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，包括PTC加热器及PTC控制器，所述PTC控制器用于控制PTC加热器工作以实现对PTC出水温度的控制；所述PTC加热器配置为多档功率调节，所述PTC控制器根据上位机发来的挡位信号控制PTC输出对应挡位来控制PTC输出口的温度。本发明的优点在于：通过多种功率挡位对PTC进行控制，使其工作在最合适的挡位，在满足加热电池需求的同时减少耗电量，从而减少电池加热对于续航里程的影响。功率的控制可以按照最大功率工作快速达到水温目标值后通过自动读取识别判断的方式来调整降低或升高挡位，直至PTC功率挡位处于最合适的状态，达到耗电和电池加热的平衡，以最少的耗电量达到电池的加热需求。

Description

一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电池加热领域，特别涉及一种多档调节控制的高压水暖控制系统及方法。
背景技术
传统燃料机动车能够利用发动机产生的热量满足车内制暖功能，然而纯电动汽车没有发动机，故需要重新构筑热源。现有纯电(BEV)车型、混动(HEV)车型均采用PTC加热元件进行车内制暖(根据制暖形式又分为：高压风暖(Air Positive TemperatureCoefficient简称：APTC)、高压水暖(Water Positive Temperature Coefficient简称：WPTC))或对电池包进行加热，以保证乘员舱在低温环境下的舒适性以及电池包在低温环境下的充放电性能。
现有车型均采用固定功率PTC(功率范围3千瓦至10千瓦)对乘员舱或电池包进行加热制暖。鉴于低温环境下电池包进水温度有严苛要求，PTC出水温度在达到符合电池包进水温度要求的目标温度后会停止工作，但电池包仍未达到加热目标温度。故在整个加热过程PTC会按固定功率频繁的启动、停止工作，这样会造成整个加热过程时间长，PTC能耗高而导致整车实际续航里程变短。因此，现有技术中的PTC固定功率加热的控制系统不能满足对于电动汽车的能耗、加热的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多档调节控制的高压水暖控制系统及方法，提供一种可以选择多个挡位功率的PTC加热控制来实现对于电池的有效加热的同时减少电池能量的消耗。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，包括PTC加热器及PTC控制器，所述PTC控制器用于控制PTC加热器工作以实现对PTC出水温度的控制；所述PTC加热器配置为多档功率调节，所述PTC控制器根据上位机发来的挡位信号控制PTC输出对应挡位来控制PTC输出口的温度。
所述上位机通过汽车总线将加热需求指令和加热挡位发送至PTC控制器中；所述上位机通过电池温度传感器采集电池温度数据来判断加热需求；所述上位机通过水温传感器采集PTC输出口水温数据来计算加热挡位。
所述PTC控制器通过晶体管来控制PTC加热器的通断电从而控制其工作。
所述PTC加热器的数量为至少两个，所述PTC加热器通过控制PTC加热器中的部分或全部工作来满足挡位对应的功率。
每个所述的PTC加热器的功率各不相同，且通过控制每个PTC加热器的工作可以组合实现多个挡位对应的功率。
一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)、在电池包进入加热模式后，控制PTC加热器工作在最高功率挡位工作设定时间后进入步骤(2)；
(2)、判断是否调节PTC加热器的功率挡位；
(3)若是，采用调节后的PTC加热器功率挡位控制PTC加热器的工作设定时间返回步骤(2)，否则继续采用此时的PTC加热功率挡位并在工作设定时间后返回步骤(2)。
步骤(2)中，判断方法包括：
采集PTC出水口温度数据，当PTC出水口温度≥目标温度值T1则，则判断PTC加热器功率挡位调低一档；若PTC出水口温度小于升档温度阈值T2时，则判断PTC加热器功率挡位调高一档；若当PTC出水口温度处于T2～T1之间时，判断维持当前PTC加热器功率挡位。
PTC加热器的数量至少为两个，PTC加热器的不同功率挡位通过控制每个PTC加热器的工作与否来实现多种功率挡位的控制。
当判断PTC加热器功率挡位调低一档时，首先控制PTC停止工作直至PTC出水口温度到达T1-ΔT时，启动PTC加热器按照调低一档后的功率挡位工作；当判断PTC加热器功率挡位调高一档时，则直接采用调高一档后的功率挡位控制PTC加热器的工作。
在调节后的功率挡位为PTC加热器的最低挡位后，PTC加热器工作在最低功率挡位，若此时判断仍需要调低功率挡位，此时控制PTC加热器工作在最低档位且间歇性启动工作。
本发明的优点在于：通过多种功率挡位对PTC进行控制，使其工作在最合适的挡位，在满足加热电池需求的同时减少耗电量，从而减少电池加热对于续航里程的影响。功率的控制可以按照最大功率工作快速达到水温目标值后通过自动读取识别判断的方式来调整降低或升高挡位，直至PTC功率挡位处于最合适的状态，达到耗电和电池加热的平衡，以最少的耗电量达到电池的加热需求；控制精准可靠，侧面上提升了用户体验和电池的续航里程。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明控制方法的流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
现有车型均采用固定功率PTC(功率范围3千瓦至10千瓦)对乘员舱或电池包进行加热制暖。鉴于低温环境(-25℃)下电池包进水温度有严苛要求(如以某款电池包数据为例：适宜温度范围45℃至50℃)，PTC出水温度在达到目标温度50℃后会停止工作，但电池包仍未达到加热目标温度50℃。故在整个加热过程PTC会按固定功率频繁的启动、停止工作，这样会造成整个加热过程时间长，PTC能耗高而导致整车实际续航里程变短。且由于是固定PTC加热器功率的，其功率与实际上的匹配可能不合适，也会造成功率的浪费，从而增加费电，造成不变，因此现有技术的固定功率的PTC加热器对于电池包的加热是无法满足要的，基于此，本申请提供一种可调功率挡位的PTC加热器，通过功率调节策略使得PTC加热器工作在满足加热需求的功率下减少能源浪费。具体如下：
一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，包括PTC加热器及PTC控制器，PTC控制器用于控制PTC加热器工作以实现对PTC出水温度的控制；PTC加热器配置为多档功率调节，PTC控制器根据上位机发来的挡位信号控制PTC输出对应挡位来控制PTC输出口的温度。
上位机通过汽车总线将加热需求指令和加热挡位发送至PTC控制器中；
上位机通过电池温度传感器采集电池温度数据来判断加热需求，当电池温度低于设定值可以判断此时需要进行加热，判断为有加热需求需要控制PTC加热器工作，发出控制PTC加热器启动工作的指令；上位机通过水温传感器采集PTC输出口水温数据来计算加热挡位，然后将控制PTC工作的挡位信息发送至PTC控制器中，由PTC控制器按照接收到的上位机的控制信号来实现PTC加热器的控制。上位机一般采用BMS来实现，通过BMS中集成控制策略来实现对于PTC控制器的控制。
本申请的PTC加热器配置为多档功率可调，其采用多个PTC加热器工作状态来实现功率的不同。PTC加热器的数量为至少两个，PTC加热器通过控制PTC加热器中的部分或全部工作来满足挡位对应的功率。每个所述的PTC加热器的功率各不相同，且通过控制每个PTC加热器的工作可以组合实现多个挡位对应的功率。
以三个PTC加热器为例，本申请中的多档位WPTC加热器是可由三个不同加热功率PTC(三个的功率可以相同或不同，本申请以三个功率不同的PTC加热器来进行介绍，其中三个PTC加热器的功率分别为PTC1＜PTC2＜PTC3)组成，由于当三个PTC加热器均工作则加热工作为三者之和，若两两工作或其中一个工作，则会产生不同的组合形成不同的功率，也就是本申请说的功率挡位，通过PTC控制器控制每个PTC加热器工作与否就可以实现功率挡位的控制。每个PTC分布由一个绝缘双极型晶体管(IGBT)控制通断，通过汽车总线将加热需求以及加热档位发送给PTC控制器，PTC控制器根据需求指令及当前状态，控制不同的PTC工作将车载电池包电能转化为热能。PTC档位请求采用脉冲宽度调制(PWM)信号作为驱动电路输入信号，通过改变PWM信号的占空比来控制加热器以不同档位工作。
至于三个PTC加热器实现多个挡位的组合，可以实现6中组合功率挡位具体如下表：
表1加热器的加热档位
Figure BDA0003391426750000051
Figure BDA0003391426750000061
挡位6为三个PTC均工作从而实现大挡位对应的大功率；挡位1则对应的是最低功率运行的PTC加热器，功率挡位对应的功率由小到大依次为1、2、3、4、5、6，工作的PTC加热器分别为PTC1、PTC2、PTC3、PTC1和PTC3、PTC2和PTC3、PTC1和PTC2和PTC3。
PTC的核心控制策略是将PTC的水温加热到目标温度区间，水温到达目标区间后控制PTC的加热档位使水温一直维持在目标区间之内。本专利结合某纯电车型在低温环境(-25℃)下电池包加热工况时WPTC具体控制及工作流程如下：
一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)、在电池包进入加热模式后，控制PTC加热器工作在最高功率挡位工作设定时间后进入步骤(2)；
(2)、判断是否调节PTC加热器的功率挡位；
(3)若是，采用调节后的PTC加热器功率挡位控制PTC加热器的工作设定时间返回步骤(2)，否则继续采用此时的PTC加热功率挡位并在工作设定时间后返回步骤(2)。
在步骤1中，首先当电池包监测温度低于一定数值，判断需要进行加热，则此时进入加热模式，在进入加热模式后首先采用最高功率挡位进行加热，其目的是使得用于加热电池的PTC出水口温度迅速达到目标值T1。做到快速可以加热电池的目的。
在PTC出水口温度可以满足加热电池后，需要对PTC工作的功率挡位进行判断，判断功率与加热是否匹配。当不匹配则需要进行调节功率，更换不同的挡位。这样做的目的可以节省电池的电量，在小功率就可以达到加热电池目的就不需要大功率浪费电能。
步骤(2)中，判断方法包括：采集PTC出水口温度数据，当PTC出水口温度≥目标温度值T1则，则判断PTC加热器功率挡位调低一档；若PTC出水口温度小于升档温度阈值T2时，则判断PTC加热器功率挡位调高一档；若当PTC出水口温度处于T2～T1之间时，判断维持当前PTC加热器功率挡位。其中T1、T2可以根据电池的性能、工作温度等参数来合理设定或标定。
PTC加热器的数量至少为两个，PTC加热器的不同功率挡位通过控制每个PTC加热器的工作与否来实现多种功率挡位的控制。
当判断PTC加热器功率挡位调低一档时，首先控制PTC停止工作直至PTC出水口温度到达T1-ΔT时，启动PTC加热器按照调低一档后的功率挡位工作；当判断PTC加热器功率挡位调高一档时，则直接采用调高一档后的功率挡位控制PTC加热器的工作。在调低一档后先停止工作使得出水口温度下降，其目的是在高功率加热出水口水温后过高，若直接采用调低后的则会使得温度始终大于T1，但是实际上不需要始终大于T1，这就会造成了浪费电能，停止一会也不会影响对电池的加温且还可以节省电量，一举两得。
在调节后的功率挡位为PTC加热器的最低挡位后，PTC加热器工作在最低功率挡位，若此时判断仍需要调低功率挡位，此时控制PTC加热器工作在最低档位且间歇性启动工作。当最低挡位后，如果温度仍然大于T1则需要进一步调低挡位，因为在最低功率挡位时，工作功率仍然大于所需功率及其对应的温度，也就是说加热功率大了，但是没法再降低功率了，因此设置间歇性工作，可以设定工作的周期时间，按照周期性的启动和关闭工作最低挡位的PTC加热器，从而实现减少功率来满足加热出水口水温同时可以节约电能。
以三个PTC加热器的六个功率挡位的PTC总成为例，一般动力电池的工作范围为45-50摄氏度，设置值T1为50℃，T2为43℃，T1-ΔT为45℃，如图1所示，在BMS检测电池温度时，当温度满足设置的加热温度范围时，如温度小于设定的电池包加热启动温度，则就会启动工作进入电池包加热模式，进入电池包加热模式后，先进入最高功率挡位启动PTC加热器工作，使得PTC加热器工作在6档，工作在设定时间后(可以标定)，然后判断PTC加热器的出水口温度是否大于50℃，若否则不调整功率挡位，继续按照6档工作；当出水口水温大于50℃，则需要调整挡位降低一档，将PTC加热器停止工作直至PTC出水温度降低至45℃后启动5档功率工作；
在5档工作设定时间后对PTC出水温度进行温度判断，当温度大于50℃时，则需要降低一档，将PTC加热器停止工作直至PTC出水温度降低至45℃后启动4档功率工作；当PTC出水温度小于43℃时，需要升高一档，采用6档控制PTC加热器工作；若出水口水温在43-59之间水温，挡位不变，采用该挡位重新运行设定时间后进入调整判断步骤判断是否需要调整挡位。
在4档工作设定时间后，对PTC出水温度进行温度判断，当温度大于50℃时，则需要降低一档，将PTC加热器停止工作直至PTC出水温度降低至45℃后启动3档功率工作；当PTC出水温度小于43℃时，需要升高一档，采用5档控制PTC加热器工作；若出水口水温在43-59℃之间水温，挡位不变，采用该挡位重新运行设定时间后进入调整判断步骤判断是否需要调整挡位。
在PTC3档工作设定时间后，进入判断步骤，判断是否调整挡位，对PTC出水温度进行温度判断，当温度大于50℃时，则需要降低一档，将PTC加热器停止工作直至PTC出水温度降低至45℃后启动2档功率工作；当PTC出水温度小于43℃时，需要升高一档，采用4档控制PTC加热器工作；若出水口水温在43-59℃之间水温，挡位不变，采用该挡位重新运行设定时间后进入调整判断步骤判断是否需要调整挡位。
在PTC2档工作设定时间后，进入判断步骤，判断是否调整挡位，对PTC出水温度进行温度判断，当温度大于50℃时，则需要降低一档，将PTC加热器停止工作直至PTC出水温度降低至45℃后启动1档功率工作；当PTC出水温度小于43℃时，需要升高一档，采用3档控制PTC加热器工作；若出水口水温在43-59℃之间水温，挡位不变，采用该挡位重新运行设定时间后进入调整判断步骤判断是否需要调整挡位。
在PTC工作在1档时，也就是最低挡位时，进入判断步骤，判断是否调整挡位，对PTC出水温度进行温度判断，当温度大于50℃时，则需要降低一档，但是1档属于最低挡位，因此无法降档，按照1档持续工作肯定满足水温要求，但是这种加热后的水温实际上是超出电池包最适宜温度45-50℃的加热水温的要求的，因此会造成电能的浪费，基于此本申请设计间歇性工作在1档，在判断需要降低一个档位后，仍然采用1档工作设定时间，设定时间内按照周期间歇启动和关闭工作的方式来节能；如工作1分钟停止1分钟，反复工作直至达到工作设定时间后进入判断步骤判断是否调整。当PTC出水温度小于43℃时，需要升高一档，采用2档控制PTC加热器工作；若出水口水温在43-59℃之间水温，挡位不变，采用该挡位重新运行设定时间后进入调整判断步骤判断是否需要调整挡位。这种方式可以在满足加热水温的要求的基础上大大减少或者尽可能的减少电量消耗，从而保证了续航。
以上WPTC加热器控制策略是为了不断寻找当前水温条件下加热器平衡档位，使平衡档位可以在目标温度区间工作更长时间，在满足电池进水温度要求的同时使用最低功率来工作以降低能量的消耗。策略中温度阀值T1、T2等可根据不同电池包(电池包或电芯供应商处)参数进行设置。本申请的控制方法可以集成在BMS中，由BMS进行控制实现，简单方便且成本低，无需过多硬件改进。
本申请的加热器控制策略是为了不断寻找当前水温条件下加热器平衡档位，使平衡档位可以在目标温度区间工作更长时间并使水温维持在电池包适宜温度范围内；能有效减短电池包加热时长，并降低PTC加热所需能耗从而提升电动车在低温环境下的实际续航里程。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，包括PTC加热器及PTC控制器，所述PTC控制器用于控制PTC加热器工作以实现对PTC出水温度的控制；其特征在于：所述PTC加热器配置为多档功率调节，所述PTC控制器根据上位机发来的挡位信号控制PTC输出对应挡位来控制PTC输出口的温度。
2.如权利要求1所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，其特征在于：所述上位机通过汽车总线将加热需求指令和加热挡位发送至PTC控制器中；所述上位机通过电池温度传感器采集电池温度数据来判断加热需求；所述上位机通过水温传感器采集PTC输出口水温数据来计算加热挡位。
3.如权利要求1或2所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，其特征在于：所述PTC控制器通过晶体管来控制PTC加热器的通断电从而控制其工作。
4.如权利要求1或2所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，其特征在于：所述PTC加热器的数量为至少两个，所述PTC加热器通过控制PTC加热器中的部分或全部工作来满足挡位对应的功率。
5.如权利要求4所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统，其特征在于：每个所述的PTC加热器的功率各不相同，且通过控制每个PTC加热器的工作可以组合实现多个挡位对应的功率。
6.如权利要求1所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、在电池包进入加热模式后，控制PTC加热器工作在最高功率挡位工作设定时间后进入步骤(2)；
(2)、判断是否调节PTC加热器的功率挡位；
(3)若是，采用调节后的PTC加热器功率挡位控制PTC加热器的工作设定时间返回步骤(2)，否则继续采用此时的PTC加热功率挡位并在工作设定时间后返回步骤(2)。
7.如权利要求6所述的多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，其特征在于：步骤(2)中，判断方法包括：
采集PTC出水口温度数据，当PTC出水口温度≥目标温度值T1则，则判断PTC加热器功率挡位调低一档；若PTC出水口温度小于升档温度阈值T2时，则判断PTC加热器功率挡位调高一档；若当PTC出水口温度处于T2～T1之间时，判断维持当前PTC加热器功率挡位。
8.如权利要求7所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，其特征在于：PTC加热器的数量至少为两个，PTC加热器的不同功率挡位通过控制每个PTC加热器的工作与否来实现多种功率挡位的控制。
9.如权利要求7或8所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，其特征在于：当判断PTC加热器功率挡位调低一档时，首先控制PTC停止工作直至PTC出水口温度到达T1-ΔT时，启动PTC加热器按照调低一档后的功率挡位工作；当判断PTC加热器功率挡位调高一档时，则直接采用调高一档后的功率挡位控制PTC加热器的工作。
10.如权利要求7或8所述的一种多档调节控制的高压水暖PTC控制系统的控制方法，其特征在于：在调节后的功率挡位为PTC加热器的最低挡位后，PTC加热器工作在最低功率挡位，若此时判断仍需要调低功率挡位，此时控制PTC加热器工作在最低档位且间歇性启动工作。
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