CN115214297A - 一种电动汽车电池包冷却控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电动汽车电池包冷却装置的冷却控制系统，包括控制器(13)及与控制器(13)电性连接的可调速水泵(3)、三通阀(4)、可调速压缩机(6)和冷却液温度采集模块(11)，所述冷却控制系统还包括基于控制器(13)的判别模块(131)、第一控制模块(132)、第一截断模块(133)、第二控制模块(134)和第二截断模块(135)，本发明还公开了一种电动汽车电池包冷却控制方法，每次执行控制时先执行判别环节，再执行第一控制环节，然后根据判别环节输出结果执行决定是否执行第二控制环节，所述冷却控制系统结构简单、运行可靠，相应的控制方法环境和工况适应性好、逻辑清晰、可靠性高、节能效果显著，有效实现了可调速水泵(3)和可调速压缩机(6)的解耦控制。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车，特别涉及一种电动汽车电池包冷却控制系统及其控制方法。
背景技术
电动汽车因具有绿色环保和舒适高效等优点而得到了迅速发展。电动汽车通常使用锂离子动力电池包供能。锂离子电池包工作过程中会产生大量热量并导致其自身温度上升，故需要采取散热措施使电池包的温度不至于太高，否则将导致电池包的性能下降甚至带来安全隐患。目前主流的电动汽车一般采取液冷的方式为电池包散热，冷却剂流经液冷板与电池包换热，温度上升后的冷却剂再和外界空气或者空调系统的冷媒进行换热以降低冷却剂的温度并再次流入液冷板循环工作。
当前公知的电动汽车冷却技术中，对冷却系统的结构和运行控制的技术方案较多，但大多忽略了冷却系统自身的能耗，而冷却系统自身的能耗也对电动汽车的续航里程具有较大影响。电动汽车液冷系统工作过程自身的空调压缩机、水泵和风扇等动力设备也要消耗大量的电量，其中通常空调压缩机的功率为数千瓦及以上，水泵的功率为数百瓦及以上，风扇的功率为数十瓦，而且这些动力设备的功率随着其转速的上升而急剧增大，在转速的大部分范围内，同一动力设备的功率比大致等于其转速比的立方。一般地，在其他条件不变的情况下，增大某一种动力设备的转速均有助于强化电池包的冷却。但是在不同环境和工况下，某种动力设备的转速增大一定比例所带来的电池包冷却能力提升程度是不一样的。因此，有必要根据实际情况，对电池包进行较优的在线冷却控制，既达到电池包的冷却效果又尽可能地降低冷却系统自身的耗能。
此外，对于包含空调制冷的电池包液冷系统，要提高液冷系统对电池包的冷却能力，既可以通过增大水泵转速，提升冷却液的流速来增大对流换热系数，进而强化液冷系统与电池包之间的换热；也可以增大空调系统压缩机转速，提高空调制冷能力，降低冷却液的温度来增大冷却液和电池包之间的温差，进而强化液冷系统与电池包之间的换热。亦即电池包的冷却控制是水泵转速和压缩机转速二者的耦合问题，如何实现二者的控制解耦及控制过程的稳定可靠性，也是需要进行技术改进的重要方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、运行可靠的电动汽车电池包冷却控制系统，并提供一种相应的环境和工况适应性好、可靠性高、逻辑清晰、节能效果显著且实现水泵转速和压缩机转速解耦控制的电动汽车电池包冷却控制方法。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：根据本发明的一个方面，提供一种电动汽车电池包冷却控制系统，所述冷却控制系统用于电动汽车电池包冷却装置，所述电池包冷却装置包括电池包、液冷板、可调速水泵、三通阀、冷却器、可调速压缩机、冷凝器、膨胀阀、风扇、散热器、冷却液温度采集模块、电池包温度采集模块和控制器，所述液冷板与电池包紧密贴合并用于冷却电池包，所述液冷板内部设有液冷流道，所述风扇位于冷凝器和散热器附近且电池包冷却装置工作过程风扇以恒定转速持续转动以促使外界环境空气流动并实现冷凝器和散热器向外界环境的散热，所述液冷板通过管道依次与可调速水泵、三通阀和冷却器相连并构成第一回路，所述液冷板还通过管道依次与可调速水泵、三通阀和散热器相连并构成第二回路，所述冷却器通过管道依次与可调速压缩机、冷凝器和膨胀阀相连并构成第三回路，所述第一回路和第二回路中填充冷却剂，所述第三回路中填充制冷剂，所述冷却液温度采集模块位于液冷板内液冷流道中间位置处且用于采集冷却液温度值，所述电池包温度采集模块包括若干固定于电池包表面的温度传感器以采集电池包内部若干位置的温度值；所述三通阀包括第一通道、第二通道和第三通道，当第一通道和第三通道打开且第二通道关闭时，第二回路导通且第一回路不导通；当第一通道和第二通道打开且第三通道关闭时，第一回路导通且第二回路不导通；所述控制器分别与可调速水泵、三通阀、可调速压缩机、冷却液温度采集模块和电池包温度采集模块电性连接以实现数据采集、存储、运算和控制功能；所述冷却控制系统包括控制器及与控制器电性连接的可调速水泵、三通阀、可调速压缩机和冷却液温度采集模块，所述控制器包括判别模块、第一控制模块、第一截断模块、第二控制模块和第二截断模块。
根据本发明的另一个方面，提供应用于所述电动汽车电池包冷却控制系统的冷却控制方法，控制系统启动初始时刻，打开三通阀的第一通道和第三通道且关闭第二通道，关闭可调速压缩机，将可调速水泵的转速设置为其最低许可转速Mmin；控制系统启动后，每隔固定的时间间隔Δt执行一次判别环节，所述时间间隔Δt位于10秒至100秒之间；控制过程第一控制环节始终执行，而是否激活第二控制环节则由判别环节的比较结果决定，其中：
所述判别环节中，判别模块通过冷却液温度采集模块读取冷却液温度T并分别与预存于判别模块的第一临界温度修正值Tc1和第二临界温度修正值Tc2比较，若T<Tc1，则打开三通阀的第一通道和第三通道且关闭第二通道；若T>Tc2，则打开三通阀的第一通道和第二通道且关闭第三通道；其中第一临界温度修正值Tc1＝Tc-a，第二临界温度修正值Tc2＝Tc+a，Tc为冷却液临界温度，a处于0.1℃至0.3℃之间；
所述第一控制环节中，将判别模块获得的冷却液温度T与预存于第一控制模块的第一温度设定值ST1相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第一控制模块，经PID运算后输出水泵调速值Δmm1至第一截断模块，第一截断模块读取可调速水泵当前转速值Δmmi和第一控制模块输出的水泵调速值Δm1，经计算后输出水泵调速值Δm2至可调速水泵进行转速调节，其中水泵调速值Δm2由下式计算：
式中，Δm1和Δm2分别为第一控制模块、第一截断模块的水泵调速值运算结果，Mmin和Mmax分别为根据设计资料事先输入第一截断模块的可调速水泵的最低许可转速和最高许可转速，mi为可调速水泵的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
所述第二控制环节中，若判别环节中T>Tc2，则激活判别模块并将判别模块获得的冷却液温度T与预存于第二控制模块的第二温度设定值ST2相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第二控制模块，经PID运算后输出压缩机调速值Δn1至第二截断模块，第二截断模块读取可调速压缩机当前转速值ni和第二控制模块输出的压缩机调速值Δn1，经计算后输出压缩机调速值Δn2至可调速压缩机进行转速调节，其中压缩机调速值Δn2由下式计算：
式中，Δn1和Δn2分别为第二控制模块、第二截断模块的压缩机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入第二截断模块的可调速压缩机的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速压缩机的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min；若判别环节中T≤Tc2，则判别模块获得的冷却液温度T不传输至第二控制环节，第二控制环节不执行，可调速压缩机维持关闭状态。
上述电动汽车电池包冷却控制方法，所述判别环节中冷却液临界温度Tc，在电动汽车出厂前，依次通过以下步骤由实验确定：
步骤S1、将电动汽车充满电置于实验室中，实验室环境温度维持为电动汽车的最高许可运行的环境温度，通过冷却液温度采集模块和电池包温度采集模块分别采集冷却液温度值和电池包内部若干位置的温度值；
步骤S2、打开三通阀的第一通道和第三通道且关闭第二通道，开启风扇，将可调速水泵的转速设置为其最高许可转速Mmax，将可调速压缩机的转速设置为其最高许可转速Nmax，使电池包以其最大许可持续放电电流进行持续放电；
步骤S3、将可调速压缩机的转速降低Δn0，其中Δn0为可调速压缩机的最高许可转速Nmax和最低许可转速Nmin之差的1％；
步骤S4、维持所有设置不变，等待5分钟；
步骤S5、观察电池包温度采集模块采集得到电池包内部若干位置的温度值，若其最大值大于或等于电池包内电池的最高温度许可值，则终止实验并将冷却液温度采集模块此时采集得到的冷却液温度值作为冷却液临界温度Tc；否则跳转到步骤S3。
上述电动汽车电池包冷却控制方法，所述第一控制环节中的第一温度设定值ST1＝Tc-b，第二控制环节中的第二温度设定值ST2＝Tc，其中Tc为冷却液临界温度，b处于0.5℃至3℃之间。
本发明的有益效果在于：
1、该电动汽车电池包冷却控制系统结构简单、运行可靠，通过三通阀的调节可分别实现散热器冷却模式和空调冷却模式这两种电池包冷却模式，且可以根据具体的环境和工况特点进行两种模式的切换和可调速水泵及可调速压缩机的转速调节。
2、该电动汽车电池包冷却控制方法环境和工况适应性好、可靠性高、逻辑清晰、节能效果显著且有效实现了水泵转速和压缩机转速的解耦控制。考虑到电池包温度的可控因素主要在于液冷板与电池包之间的换热强度，该冷却控制方法将对电池包的冷却控制问题转化为了对液冷板中冷却液的温度和流速的控制问题，这样更为直接且跟随性较好，有助于克服控制的时间滞后性。为此，首先通过出厂前的实验，在处于最高许可运行的环境温度并最大许可持续放电电流进行持续放电这一极端环境和运行工况下，确定电池包内电池达到其最高温度许可值这一临界安全状态下时冷却液的临界温度Tc，作为控制方法的重要参数，即电动汽车运行期间当冷却液温度高于该冷却液临界温度Tc时须启动功耗较大的空调制冷系统以降低冷却液温度。其次，控制过程首先执行判别环节，在冷却液临界温度Tc的基础上略微增大或减小一定的温度a，分别得到第一临界温度修正值Tc1和第二临界温度修正值Tc2，并依次作为是否启动或关闭空调制冷回路的判据，当冷却液温度高于Tc2时才启动空调制冷，而冷却液温度低于Tc1时则关闭空调制冷，这既有助于节约空调系统压缩机的运行能耗又避免了空调制冷的频繁启闭。第一控制环节和第二控制环节中，既使用PID控制器以保证控制的精确性、稳定性和快速响应能力，又使用截断方法时可调速水泵和可调速压缩机的转速处于其许可范围。此外，该控制方法实现了可调速水泵和可调速压缩机二者之间较好的解耦控制：针对可调速水泵，第一控制环节中始终以比冷却液临界温度Tc稍小的第一温度设定值ST1为控制目标，而当处于调节死区即冷却液温度低于或高于该控制目标且无法调节到位时，可调速水泵以最节能的最低许可转速或换热能力最强的最高许可转速运行；针对高能耗的可调速压缩机，第二控制环节以冷却液临界温度Tc为控制目标且只有冷却液温度略微高于冷却液临界温度Tc时才激活可调速压缩机的运转；而可调速压缩机运转时，可调速水泵必然处于其最高许可转速运行状态，这样利用能耗较低的可调速水泵来达到尽可能高的冷却液流速，以充分利用可调速压缩机的制冷能力获得尽可能大的电池包冷却效果。总之，可调速压缩机只负责将冷却液温度控制在其冷却液临界温度Tc以下，当满足这一条件时则只使用能耗较低的可调速水泵来实现冷却液温度和速度的调节，并最终实现电池包冷却的控制。
附图说明
附图1为本发明实施例中电动汽车电池包冷却装置的结构示意图。
附图2为本发明实施例中电动汽车电池包冷却控制方法的流程图。
附图3为本发明实施例中电动汽车电池包冷却控制方法中，确定冷却液临界温度Tc所采用的实验流程图。
实施例
下面结合附图以具体实施例来对本发明做进一步的说明。
如附图1所示，一种电动汽车电池包冷却控制系统，所述冷却控制系统用于电动汽车电池包冷却装置，所述电池包冷却装置包括电池包1、液冷板2、可调速水泵3、三通阀4、冷却器5、可调速压缩机6、冷凝器7、膨胀阀8、风扇9、散热器10、冷却液温度采集模块11、电池包温度采集模块12和控制器13，所述液冷板2与电池包1紧密贴合并用于冷却电池包1，所述液冷板2内部设有液冷流道，所述风扇9位于冷凝器7和散热器10附近且电池包冷却装置工作过程风扇9以恒定转速持续转动以促使外界环境空气流动并实现冷凝器7和散热器10向外界环境的散热，所述液冷板2通过管道依次与可调速水泵3、三通阀4和冷却器5相连并构成第一回路，所述液冷板2还通过管道依次与可调速水泵3、三通阀4和散热器10相连并构成第二回路，所述冷却器5通过管道依次与可调速压缩机6、冷凝器7和膨胀阀8相连并构成第三回路，所述第一回路和第二回路中填充冷却剂，所述第三回路中填充制冷剂，所述冷却液温度采集模块11位于液冷板2内液冷流道中间位置处且用于采集冷却液温度值，所述电池包温度采集模块12包括若干固定于电池包1表面的温度传感器以采集电池包1内部若干位置的温度值；所述三通阀4包括第一通道41、第二通道42和第三通道43，当第一通道41和第三通道43打开且第二通道42关闭时，第二回路导通且第一回路不导通；当第一通道41和第二通道42打开且第三通道43关闭时，第一回路导通且第二回路不导通；所述控制器13分别与可调速水泵3、三通阀4、可调速压缩机6、冷却液温度采集模块11和电池包温度采集模块12电性连接以实现数据采集、存储、运算和控制功能；所述冷却控制系统包括控制器13及与控制器13电性连接的可调速水泵3、三通阀4、可调速压缩机6和冷却液温度采集模块11，所述控制器13包括判别模块131、第一控制模块132、第一截断模块133、第二控制模块134和第二截断模块135。
如附图2所示，应用于所述电动汽车电池包冷却控制系统的控制方法，控制系统启动初始时刻，打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42，关闭可调速压缩机6，将可调速水泵3的转速设置为其最低许可转速Mmin；控制系统启动后，每隔固定的时间间隔Δt执行一次判别环节，所述时间间隔Δt位于10秒至100秒之间；控制过程第一控制环节始终执行，而是否激活第二控制环节则由判别环节的比较结果决定，其中：
所述判别环节中，判别模块131通过冷却液温度采集模块11读取冷却液温度T并分别与预存于判别模块131的第一临界温度修正值Tc1和第二临界温度修正值Tc2比较，若T<Tc1，则打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42；若T>Tc2，则打开三通阀4的第一通道41和第二通道42且关闭第三通道43；其中第一临界温度修正值Tc1＝Tc-a，第二临界温度修正值Tc2＝Tc+a，Tc为冷却液临界温度，a处于0.1℃至0.3℃之间；
所述第一控制环节中，将判别模块131获得的冷却液温度T与预存于第一控制模块132的第一温度设定值ST1相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第一控制模块132，经PID运算后输出水泵调速值Δm1至第一截断模块133，第一截断模块133读取可调速水泵3当前转速值mi和第一控制模块132输出的水泵调速值Δm1，经计算后输出水泵调速值Δm2至可调速水泵3进行转速调节，其中水泵调速值Δm2由下式计算：
式1中，Δm1和Δm2分别为第一控制模块132、第一截断模块133的水泵调速值运算结果，Mmin和Mmax分别为根据设计资料事先输入第一截断模块133的可调速水泵3的最低许可转速和最高许可转速，mi为可调速水泵3的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
所述第二控制环节中，若判别环节中T>Tc2，则激活判别模块并将判别模块131获得的冷却液温度T与预存于第二控制模块134的第二温度设定值ST2相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第二控制模块134，经PID运算后输出压缩机调速值Δn1至第二截断模块135，第二截断模块135读取可调速压缩机6当前转速值ni和第二控制模块134输出的压缩机调速值Δn1，经计算后输出压缩机调速值Δn2至可调速压缩机6进行转速调节，其中压缩机调速值Δn2由下式计算：
式2中，Δn1和Δn2分别为第二控制模块134、第二截断模块135的压缩机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入第二截断模块135的可调速压缩机6的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速压缩机6的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min；若判别环节中T≤Tc2，则判别模块131获得的冷却液温度T不传输至第二控制环节，第二控制环节不执行，可调速压缩机6维持关闭状态。
需要指出的是，以上输出水泵调速值和压缩机调速值，均为在水泵和压缩机当前转速基础上的增加量，若调速值为正则转速增加，若调速值为负则转速降低。但无论调速值为多少，可调速水泵3和可调速压缩机6运行时其转速始终维持在其最低和最高许可转速范围内。
如附图3所示，所述电动汽车电池包冷却控制方法判别环节中冷却液临界温度Tc，在电动汽车出厂前，依次通过以下步骤由实验确定：
步骤S1、将电动汽车充满电置于实验室中，实验室环境温度维持为电动汽车的最高许可运行的环境温度，通过冷却液温度采集模块11和电池包温度采集模块12分别采集冷却液温度值和电池包1内部若干位置的温度值；
步骤S2、打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42，开启风扇9，将可调速水泵3的转速设置为其最高许可转速Mmax，将可调速压缩机6的转速设置为其最高许可转速Nmax，使电池包1以其最大许可持续放电电流进行持续放电；
步骤S3、将可调速压缩机6的转速降低Δn0，其中Δn0为可调速压缩机6的最高许可转速Nmax和最低许可转速Nmin之差的1％；
步骤S4、维持所有设置不变，等待5分钟；
步骤S5、观察电池包温度采集模块12采集得到电池包1内部若干位置的温度值，若其最大值大于或等于电池包1内电池的最高温度许可值，则终止实验并将冷却液温度采集模块11此时采集得到的冷却液温度值作为冷却液临界温度Tc；否则跳转到步骤S3。
所述电动汽车电池包冷却控制方法的第一控制环节中的第一温度设定值ST1＝Tc-b，第二控制环节中的第二温度设定值ST2＝Tc，其中Tc为冷却液临界温度，b处于0.5℃至3℃之间。
第一控制模块132和第二控制模块134中，实现存储有整定好的比例系数、积分系数和微分系数等PID控制参数。
具体地，本实施例中，电池包为1并96串三元电芯构成，额定容量150Ah，额定电压350V，流经液冷板2的冷却剂为乙二醇溶液，流经冷凝器7的制冷剂为R134a，温度采集模块12采集电池包内部3个不同位置的温度值。可调速水泵3的转速M的最低许可值Mmin＝1000r/min，最高许可值Mmax＝9000r/min，可调速压缩机6的转速N的最低许可值Nmin＝1000r/min，最高许可值Nmax＝8000r/min，风扇9的运行功率恒定为60W，可调速水泵3和可调速压缩机6在其最大转速时运行功率最高，可调速水泵3和可调速压缩机6的最高运行功率分别为400W和3000W。而可调速水泵3的转速为其最低许可值时运行功率最低，约4W；可调速压缩机6的转速为其最低许可值时运行功率最低，约为8W。
本实施例中，首先通过实验确定判别环节中冷却液临界温度Tc，在电动汽车出厂前，采取如下实验步骤：
步骤S1、将电动汽车充满电置于实验室中，实验室环境温度维持为电动汽车的最高许可运行的环境温度60℃，通过冷却液温度采集模块11和电池包温度采集模块12分别采集冷却液温度值和电池包1内部3处不同位置的温度值；
步骤S2、打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42，开启风扇9，将可调速水泵3的转速设置为其最高许可转速Mmax＝9000r/min，将可调速压缩机6的转速设置为其最高许可转速Nmax＝8000r/min，使电池包1以其最大许可持续放电电流100A进行持续放电；
步骤S3、将可调速压缩机6的转速降低Δn0，其中Δn0为可调速压缩机6的最高许可转速Nmax和最低许可转速Nmin之差的1％，即Δn0为70r/min；
步骤S4、维持所有设置不变，等待5分钟；
步骤S5、观察电池包温度采集模块12采集得到电池包1内部若干位置的温度值，若其最大值大于或等于电池包1内电池的最高温度许可值45℃，则终止实验并将冷却液温度采集模块11此时采集得到的冷却液温度值作为冷却液临界温度Tc；否则跳转到步骤S3。
需要指出的是，若实验中途电池包放电完毕，则应将其充满电后继续实验；步骤S4等待5分钟的过程中电池包也在持续放电，等待5分钟是为了让电池包及其冷却装置的温度分布稳定。
本实施例中，当步骤S3至S5循环10次时，电池包温度采集模块12采集得到电池包1内部若干位置的温度值，其最大值为45.2℃，开始大于电池包1内电池的最高温度许可值45℃，此时对终止实验，并将冷却液温度采集模块11此时采集得到的冷却液温度值40℃作为冷却液临界温度Tc；
本实施例中，a取0.2℃、b取2℃，第一临界温度修正值Tc1＝Tc-a＝39.8℃，第二临界温度修正值Tc2＝Tc+a＝40.2℃，第一温度设定值ST1＝Tc-b＝38℃，第二控制环节中的第二温度设定值ST2＝Tc＝40℃，
某次在35℃户外环境下驾驶电动汽车，电动汽车启动时控制系统也同步启动，启动初始时刻即时间t＝0s时，打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42，关闭可调速压缩机6，将可调速水泵3的转速设置为其最低许可转速Mmin＝1000r/min；控制系统启动后，每隔固定的时间间隔50秒执行一次判别环节；控制过程第一控制环节始终执行，而是否激活第二控制环节则由判别环节的比较结果决定。
t＝50s时，判别环节中，判别模块131通过冷却液温度采集模块11读取冷却液温度T＝33.5℃，分别与预存于判别模块131的第一临界温度修正值Tc1＝39.8℃和第二临界温度修正值Tc2＝40.2℃比较，得到T<Tc1且T<Tc2，故打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42。
t＝50s至t＝100s之间的第一控制环节中，将冷却液温度T与预存于第一控制模块132的第一温度设定值ST1＝38℃相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第一控制模块132，经PID运算后输出水泵调速值Δm1至第一截断模块133，第一截断模块133读取可调速水泵3当前转速值Δmi和第一控制模块132输出的水泵调速值Δm1，经计算后输出水泵调速值Δm2至可调速水泵3进行转速调节，其中水泵调速值Δm2由下式计算：
式1中，Δm1和Δm2分别为第一控制模块132、第一截断模块133的水泵调速值运算结果，Mmin＝1000r/min，Mmax＝9000r/min。t＝50s至t＝100s之间的第一控制环节中，冷却液温度T不断变化，可调速水泵3的转速值也在1000r/min至3000r/min的范围内不断变化。
由于t＝50s时判别环节中T≤Tc2，则判别模块131获得的冷却液温度T不传输至第二控制环节，第二控制环节不执行，可调速压缩机6维持关闭状态。
此后t＝100s、150s、200s、250s、300s时，一直有T<Tc1且T<Tc2，故三通阀4的第一通道41和第三通道43打开且第二通道42关闭的状态，第二控制环节不执行，可调速压缩机6维持关闭状态，第一控制环节中可调速水泵3的转速值也在2000r/min至9000r/min的范围内不断变化。
t＝350s时，判别环节中，判别模块131通过冷却液温度采集模块11读取冷却液温度T＝41.5℃，故T>Tc1且T>Tc2，故打开三通阀4的第一通道41和第二通道42且关闭第三通道43。
t＝350s至t＝400s之间的第一控制环节中，冷却液温度T一直大于第一温度设定值ST1，这期间可调速水泵3的转速值一直维持为其最高许可值9000r/min。
由于t＝350s时判别环节中T>Tc2，故激活第二控制环节，t＝350s至t＝400s之间将判别模块131获得的冷却液温度T与预存于第二控制模块134的第二温度设定值ST2＝40℃相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第二控制模块134，经PID运算后输出压缩机调速值Δn1至第二截断模块135，第二截断模块135读取可调速压缩机6当前转速值ni和第二控制模块134输出的压缩机调速值Δn1，经计算后输出压缩机调速值Δn2至可调速压缩机6进行转速调节，其中压缩机调速值Δn2由下式计算：
式2中，Δn1和Δn2分别为第二控制模块134、第二截断模块135的压缩机调速值运算结果，Nmin＝1000r/min，Nmax＝8000r/min。t＝350s至t＝400s之间压缩机调速在1000r/min至3000r/min的范围内不断变化。
t＝450s时，判别环节中，判别模块131通过冷却液温度采集模块11读取冷却液温度T＝39.5℃，此时T<Tc1且T<Tc2，故打开三通阀4的第一通道41和第三通道43且关闭第二通道42。
t＝450s至t＝500s之间的第一控制环节中，可调速水泵3的转速值在5000r/min至9000r/min的范围内不断变化。
由于t＝450s时判别环节中T≤Tc2，则判别模块131获得的冷却液温度T不传输至第二控制环节，第二控制环节不执行，可调速压缩机6关闭。
此后，电池包运行期间，基本上只依靠散热器10向外界环境散热，可调速水泵3的转速不断变化以同时满足电池包散热和节能两方面的需要；在少数情况下，当冷却液温度过高时，需要激活可调速压缩机6的工作，依靠空调系统临时性强化散热并维持较低的冷却液温度。
本实施例提供的电动汽车电池包冷却控制系统结构简单、运行可靠，通过三通阀的调节可分别实现散热器冷却模式和空调冷却模式这两种电池包冷却模式，且可以根据具体的环境和工况特点进行两种模式的切换和可调速水泵及可调速压缩机的转速调节。对应的控制方法环境和工况适应性好、可靠性高、逻辑清晰、节能效果显著且有效实现了水泵转速和压缩机转速的解耦控制。考虑到电池包温度的可控因素主要在于液冷板与电池包之间的换热强度，该冷却控制方法将对电池包的冷却控制问题转化为了对液冷板中冷却液的温度和流速的控制问题，这样更为直接且跟随性较好，有助于克服控制的时间滞后性。为此，首先通过出厂前的实验，在处于最高许可运行的环境温度并最大许可持续放电电流进行持续放电这一极端环境和运行工况下，确定电池包内电池达到其最高温度许可值这一临界安全状态下时冷却液的临界温度Tc，作为控制方法的重要参数，即电动汽车运行期间当冷却液温度高于该冷却液临界温度Tc时须启动功耗较大的空调制冷系统以降低冷却液温度。其次，控制过程首先执行判别环节，在冷却液临界温度Tc的基础上略微增大或减小一定的温度a，分别得到第一临界温度修正值Tc1和第二临界温度修正值Tc2，并依次作为是否启动或关闭空调制冷回路的判据，当冷却液温度高于Tc2时才启动空调制冷，而冷却液温度低于Tc1时则关闭空调制冷，这既有助于节约空调系统压缩机的运行能耗又避免了空调制冷的频繁启闭。第一控制环节和第二控制环节中，既使用PID控制器以保证控制的精确性、稳定性和快速响应能力，又使用截断方法时可调速水泵和可调速压缩机的转速处于其许可范围。此外，该控制方法实现了可调速水泵和可调速压缩机二者之间较好的解耦控制：针对可调速水泵，第一控制环节中始终以比冷却液临界温度Tc稍小的第一温度设定值ST1为控制目标，而当处于调节死区即冷却液温度低于或高于该控制目标且无法调节到位时，可调速水泵以最节能的最低许可转速或换热能力最强的最高许可转速运行；针对高能耗的可调速压缩机，第二控制环节以冷却液临界温度Tc为控制目标且只有冷却液温度略微高于冷却液临界温度Tc时才激活可调速压缩机的运转；而可调速压缩机运转时，可调速水泵必然处于其最高许可转速运行状态，这样利用能耗较低的可调速水泵来达到尽可能高的冷却液流速，以充分利用可调速压缩机的制冷能力获得尽可能大的电池包冷却效果。总之，可调速压缩机只负责将冷却液温度控制在其冷却液临界温度Tc以下，当满足这一条件时则只使用能耗较低的可调速水泵来实现冷却液温度和速度的调节，并最终实现电池包冷却的控制。
Claims (4)
1.一种电动汽车电池包冷却控制系统，其特征在于，所述冷却控制系统用于电动汽车电池包冷却装置，所述电池包冷却装置包括电池包(1)、液冷板(2)、可调速水泵(3)、三通阀(4)、冷却器(5)、可调速压缩机(6)、冷凝器(7)、膨胀阀(8)、风扇(9)、散热器(10)、冷却液温度采集模块(11)、电池包温度采集模块(12)和控制器(13)，所述液冷板(2)与电池包(1)紧密贴合并用于冷却电池包(1)，所述液冷板(2)内部设有液冷流道，所述风扇(9)位于冷凝器(7)和散热器(10)附近且电池包冷却装置工作过程风扇(9)以恒定转速持续转动以促使外界环境空气流动并实现冷凝器(7)和散热器(10)向外界环境的散热，所述液冷板(2)通过管道依次与可调速水泵(3)、三通阀(4)和冷却器(5)相连并构成第一回路，所述液冷板(2)还通过管道依次与可调速水泵(3)、三通阀(4)和散热器(10)相连并构成第二回路，所述冷却器(5)通过管道依次与可调速压缩机(6)、冷凝器(7)和膨胀阀(8)相连并构成第三回路，所述第一回路和第二回路中填充冷却剂，所述第三回路中填充制冷剂，所述冷却液温度采集模块(11)位于液冷板(2)内液冷流道中间位置处且用于采集冷却液温度值，所述电池包温度采集模块(12)包括若干固定于电池包(1)表面的温度传感器以采集电池包(1)内部若干位置的温度值；所述三通阀(4)包括第一通道(41)、第二通道(42)和第三通道(43)，当第一通道(41)和第三通道(43)打开且第二通道(42)关闭时，第二回路导通且第一回路不导通；当第一通道(41)和第二通道(42)打开且第三通道(43)关闭时，第一回路导通且第二回路不导通；所述控制器(13)分别与可调速水泵(3)、三通阀(4)、可调速压缩机(6)、冷却液温度采集模块(11)和电池包温度采集模块(12)电性连接以实现数据采集、存储、运算和控制功能；所述冷却控制系统包括控制器(13)及与控制器(13)电性连接的可调速水泵(3)、三通阀(4)、可调速压缩机(6)和冷却液温度采集模块(11)，所述控制器(13)包括判别模块(131)、第一控制模块(132)、第一截断模块(133)、第二控制模块(134)和第二截断模块(135)。
2.应用于权利要求1所述电动汽车电池包冷却控制系统的控制方法，其特征在于，控制系统启动初始时刻，打开三通阀(4)的第一通道(41)和第三通道(43)且关闭第二通道(42)，关闭可调速压缩机(6)，将可调速水泵(3)的转速设置为其最低许可转速Mmin；控制系统启动后，每隔固定的时间间隔Δt执行一次判别环节，所述时间间隔Δt位于10秒至100秒之间；控制过程第一控制环节始终执行，而是否激活第二控制环节则由判别环节的比较结果决定，其中：
所述判别环节中，判别模块(131)通过冷却液温度采集模块(11)读取冷却液温度T并分别与预存于判别模块(131)的第一临界温度修正值Tc1和第二临界温度修正值Tc2比较，若T<Tc1，则打开三通阀(4)的第一通道(41)和第三通道(43)且关闭第二通道(42)；若T>Tc2，则打开三通阀(4)的第一通道(41)和第二通道(42)且关闭第三通道(43)；其中第一临界温度修正值Tc1＝Tc-a，第二临界温度修正值Tc2＝Tc+a，Tc为冷却液临界温度，a处于0.1℃至0.3℃之间；
所述第一控制环节中，将判别模块(131)获得的冷却液温度T与预存于第一控制模块(132)的第一温度设定值ST1相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第一控制模块(132)，经PID运算后输出水泵调速值Δm1至第一截断模块(133)，第一截断模块(133)读取可调速水泵(3)当前转速值mi和第一控制模块(132)输出的水泵调速值Δm1，经计算后输出水泵调速值Δm2至可调速水泵(3)进行转速调节，其中水泵调速值Δm2由下式计算：
式(1)中，Δm1和Δm2分别为第一控制模块(132)、第一截断模块(133)的水泵调速值运算结果，Mmin和Mmax分别为根据设计资料事先输入第一截断模块(133)的可调速水泵(3)的最低许可转速和最高许可转速，mi为可调速水泵(3)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
所述第二控制环节中，若判别环节中T>Tc2，则激活判别模块并将判别模块(131)获得的冷却液温度T与预存于第二控制模块(134)的第二温度设定值ST2相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入第二控制模块(134)，经PID运算后输出压缩机调速值Δn1至第二截断模块(135)，第二截断模块(135)读取可调速压缩机(6)当前转速值ni和第二控制模块(134)输出的压缩机调速值Δn1，经计算后输出压缩机调速值Δn2至可调速压缩机(6)进行转速调节，其中压缩机调速值Δn2由下式计算：
式(2)中，Δn1和Δn2分别为第二控制模块(134)、第二截断模块(135)的压缩机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入第二截断模块(135)的可调速压缩机(6)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速压缩机(6)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min；若判别环节中T≤Tc2，则判别模块(131)获得的冷却液温度T不传输至第二控制环节，第二控制环节不执行，可调速压缩机(6)维持关闭状态。
3.权利要求2所述电动汽车电池包冷却控制方法，其特征在于，所述判别环节中冷却液临界温度Tc，在电动汽车出厂前，依次通过以下步骤由实验确定：
步骤S1、将电动汽车充满电置于实验室中，实验室环境温度维持为电动汽车的最高许可运行的环境温度，通过冷却液温度采集模块(11)和电池包温度采集模块(12)分别采集冷却液温度值和电池包(1)内部若干位置的温度值；
步骤S2、打开三通阀(4)的第一通道(41)和第三通道(43)且关闭第二通道(42)，开启风扇(9)，将可调速水泵(3)的转速设置为其最高许可转速Mmax，将可调速压缩机(6)的转速设置为其最高许可转速Nmax，使电池包(1)以其最大许可持续放电电流进行持续放电；
步骤S3、将可调速压缩机(6)的转速降低Δn0，其中Δn0为可调速压缩机(6)的最高许可转速Nmax和最低许可转速Nmin之差的1％；
步骤S4、维持所有设置不变，等待5分钟；
步骤S5、观察电池包温度采集模块(12)采集得到电池包(1)内部若干位置的温度值，若其最大值大于或等于电池包(1)内电池的最高温度许可值，则终止实验并将冷却液温度采集模块(11)此时采集得到的冷却液温度值作为冷却液临界温度Tc；否则跳转到步骤S3。
4.权利要求2所述电动汽车电池包冷却控制方法，其特征在于，所述第一控制环节中的第一温度设定值ST1＝Tc-b，第二控制环节中的第二温度设定值ST2＝Tc，其中Tc为冷却液临界温度，b处于0.5℃至3℃之间。
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