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混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略研究
2020-07-05 16:56:25· 來(lái)源：汽車(chē)熱管理之家
【摘要】為解決混合動(dòng)力汽車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題，針對(duì)其鎳氫動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)提出了一種新的控制策略。根據(jù)對(duì)電池冷卻系統(tǒng)控制因素的分析，設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)控
【摘要】為解決混合動(dòng)力汽車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題，針對(duì)其鎳氫動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)提出了一種新的控制策略。根據(jù)對(duì)電池冷卻系統(tǒng)控制因素的分析，設(shè)計(jì)了冷卻系統(tǒng)控制策略。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略可以將車(chē)內(nèi)噪聲聲壓級(jí)降低1～3 dB（A），且能保證電池組工作在合適的溫度區(qū)間。
1 前言
相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)搭載了動(dòng)力電池系統(tǒng)與電機(jī)等部件，因而也增加了更多噪聲源，所以協(xié)調(diào)整車(chē)運(yùn)行時(shí)的噪聲極其重要。
混合動(dòng)力汽車(chē)所搭載的鎳氫動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)普遍采用風(fēng)冷方式且布置在車(chē)廂內(nèi)部，因此需要嚴(yán)格控制其冷卻系統(tǒng)噪聲以提高乘坐舒適性。目前，降低冷卻系統(tǒng)噪聲的主要措施是調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)和采取相應(yīng)的控制策略。但隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟，以及增加吸聲材料、加強(qiáng)密封、安裝彈性支承、優(yōu)化風(fēng)道等措施的使用，對(duì)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的降噪效果難以進(jìn)一步提升；而目前的控制策略在設(shè)計(jì)時(shí)只關(guān)注動(dòng)力電池溫度而忽視系統(tǒng)噪聲因素的影響，因此在噪聲控制方面存在較大的優(yōu)化空間。為此，本文在原有控制策略基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證冷卻系統(tǒng)散熱能力的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制其噪聲，實(shí)現(xiàn)了正常工況下車(chē)內(nèi)噪聲的降低。
2 冷卻系統(tǒng)噪聲控制因素分析
2.1 溫度因素
鎳氫電池的最佳工作溫度范圍為20～40℃，每升高10℃化學(xué)反應(yīng)速率加倍，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池壽命減半[6，7]。由于受行駛工況與環(huán)境因素的影響，混合動(dòng)力汽車(chē)工作溫度范圍可達(dá)-30～60℃，為保證鎳氫動(dòng)力電池組的使用壽命，其最高溫度必須控制在50℃以下。溫度偏高或偏低時(shí)，可根據(jù)噪聲限值控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)電芯的工作溫度。但當(dāng)溫度超過(guò)鎳氫電池安全范圍時(shí)，應(yīng)以溫度控制為主，同時(shí)調(diào)整動(dòng)力電池充放電功率以控制電池發(fā)熱量。
2.2 噪聲因素
車(chē)內(nèi)噪聲主要來(lái)源于進(jìn)排氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、行駛狀態(tài)控制件、空調(diào)系統(tǒng)以及動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)等[4，5]，各噪聲源涉及變量較多，且計(jì)算過(guò)程繁瑣，所以將除冷卻風(fēng)機(jī)以外的所有噪聲因素歸為車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲。標(biāo)準(zhǔn)GB/ T18697—2002聲學(xué)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)量方法中規(guī)定，以車(chē)速代表被測(cè)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的運(yùn)行條件，因此可將車(chē)速作為衡量車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲的依據(jù)。
該動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)選用無(wú)級(jí)調(diào)速的低壓風(fēng)機(jī)，與分級(jí)調(diào)速相比具有節(jié)能高效、控制精確、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，其聲功率計(jì)算式為[3]：
式中，LW為聲功率；P為風(fēng)機(jī)功率；Q為風(fēng)量；p為風(fēng)壓；k為電機(jī)容量系數(shù)，取1.5；η為風(fēng)機(jī)全壓效率。
由式（1）和式（2）可知，降低風(fēng)機(jī)噪聲的關(guān)鍵在于限制其輸出功率，而風(fēng)機(jī)功率的控制主要依靠風(fēng)量的調(diào)節(jié)，即冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，但在控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)還應(yīng)滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)的散熱需求。
3 冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
根據(jù)影響因素設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略如圖1所示，該控制策略是通過(guò)噪聲限制、溫度匹配及功率限制等3方面來(lái)實(shí)現(xiàn)降低車(chē)內(nèi)噪聲與控制電池溫度。
圖1 冷卻系統(tǒng)噪聲控制策略
3.1 功率限制
功率限制是指限制電池發(fā)熱的同時(shí)防止其在高溫等極端情況下仍高負(fù)荷工作，以保證電池的使用壽命與安全。動(dòng)力電池工作功率的控制是通過(guò)動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)給混合動(dòng)力控制單元HCU（Hybrid Control Unit），HCU通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩控制其工作電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。為保障整車(chē)動(dòng)力性需求，此處功率限制取的是10 s內(nèi)動(dòng)力電池平均功率，即允許短時(shí)超功率運(yùn)行，但總功率平均值須低于該限值。
功率限制主要功能[8]為：限制電池組工作功率以減少發(fā)熱，輔助控制電池溫度；根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)限制充放電功率，以延長(zhǎng)其使用壽命；保證整車(chē)在百公里加速、上陡坡、坡道起動(dòng)等工況下瞬時(shí)高功率的需求；發(fā)生故障時(shí)保障電池安全。其控制策略為：根據(jù)溫度與SOC值查表確定當(dāng)前功率限值（見(jiàn)圖2和圖3），再由故障類(lèi)別、歷史功率、健康狀態(tài)SOH（State of Health）等因素對(duì)該限值進(jìn)行處理并作為最終功率限值輸出。其中故障類(lèi)別包括動(dòng)力電池電壓、電流、溫度、SOC、電池箱體部件（含繼電器、傳感器、冷卻風(fēng)機(jī)等）、系統(tǒng)安全與通信以及監(jiān)控層。在此僅討論與溫度相關(guān)的故障判定，其定義與處理措施如表1所示。
圖2 輸出功率限值
圖3 輸入功率限值
表1 故障等級(jí)定義
3.2 溫度匹配
溫度匹配是指在保障電池得到足夠散熱量的同時(shí)盡量降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是通過(guò)各布點(diǎn)傳感器所采集到的溫度確定電池散熱需求，并由此決定風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出。具體控制邏輯如表2所示。由表2可知，當(dāng)最低溫度低于0℃時(shí)，風(fēng)機(jī)以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，利用駕駛艙內(nèi)相對(duì)溫度較高的空氣提高動(dòng)力電池組溫度；最低溫度在0～3℃時(shí)為暖機(jī)模式回差區(qū)間，即根據(jù)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)判斷其是否處于暖機(jī)模式，若風(fēng)機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài)則最低溫度升至3℃時(shí)才可關(guān)閉，用于防止溫度抖動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)頻繁啟停；最高溫度在34～36℃時(shí)為冷卻模式回差區(qū)間，即根據(jù)風(fēng)機(jī)狀態(tài)判斷其是否處于冷卻模式，若風(fēng)機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài)則最高溫度降至34℃時(shí)才可關(guān)閉；當(dāng)最高溫度在36～50℃時(shí)，除對(duì)風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行線性插值外，還需要根據(jù)各傳感器間的溫差確定風(fēng)機(jī)的散熱模式，協(xié)調(diào)電池組各模塊間的均衡性。
表2 溫度控制邏輯
3.3 噪聲限制
噪聲限制是指根據(jù)車(chē)速、車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，在電池溫度處于安全范圍的情況下限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速極值。
車(chē)內(nèi)環(huán)境聲壓級(jí)與風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)疊加計(jì)算式見(jiàn)式（3），由此可以得出兩聲源間聲壓級(jí)差與總聲壓級(jí)增值ΔLp之間的關(guān)系如圖4所示。
式中，Lp為總聲壓級(jí)；Lpf為風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)；Lpe為車(chē)內(nèi)環(huán)境聲壓級(jí)。
圖4 兩噪聲聲源疊加曲線
由圖4可看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)低于車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲6 dB（A）以上時(shí)，總聲壓增值的降低趨勢(shì)逐漸放緩，因此，為實(shí)現(xiàn)降低車(chē)內(nèi)噪聲的同時(shí)兼顧散熱能力，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使其噪聲聲壓級(jí)低于車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲6～9 dB（A）較為合理。
為將風(fēng)機(jī)噪聲與車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲的聲壓級(jí)差值轉(zhuǎn)換為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車(chē)速間的關(guān)系，必須分別測(cè)試風(fēng)機(jī)和車(chē)速單一因素影響下駕駛艙內(nèi)的噪聲。噪聲測(cè)試使用LMS公司的LMS Test.LAB軟件及LMS SCADAS Mobile前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將聲學(xué)麥克風(fēng)安裝在車(chē)后排中間位置，關(guān)閉車(chē)窗及空調(diào)等一切輔助裝置，以10 s為一個(gè)測(cè)量周期對(duì)車(chē)內(nèi)聲壓信號(hào)進(jìn)行采集，極差小于2 dB（A）方為有效測(cè)量周期，選取3個(gè)有效周期的平均值作為最終數(shù)據(jù)記錄。進(jìn)行車(chē)速與車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲關(guān)系測(cè)試時(shí)，關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)并控制整車(chē)在國(guó)道上勻速行駛，其中車(chē)速在0～30 km/h時(shí)整車(chē)運(yùn)行分為純電動(dòng)（Electric Vehicle，EV）與混合動(dòng)力（Hybrid-Electric Vehicle，HEV）兩種模式，車(chē)內(nèi)噪聲與車(chē)速關(guān)系如圖5所示，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及車(chē)內(nèi)環(huán)境聲壓級(jí)與風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)差值要求可以確定不同車(chē)速下風(fēng)機(jī)噪聲限值。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車(chē)內(nèi)噪聲關(guān)系測(cè)試在整車(chē)靜止時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，由此可將風(fēng)機(jī)的噪聲限值轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速限值，從而可知車(chē)速對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限值（見(jiàn)圖7），并建立車(chē)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性插值表。
圖5 風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲與車(chē)速關(guān)系曲線
圖6 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車(chē)內(nèi)噪聲關(guān)系曲線
圖7 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速限值
噪聲限制是在溫度匹配的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制，其控制方法如下：根據(jù)當(dāng)前車(chē)速查閱車(chē)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線性插值表，限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不超過(guò)當(dāng)前車(chē)速下的查表值。同時(shí)，為防止低速行駛時(shí)電池溫度過(guò)高影響其使用壽命，當(dāng)電池組最高溫度在46～50℃時(shí)逐漸削弱噪聲影響因子，該階段輸出轉(zhuǎn)速按式（4）計(jì)算。而當(dāng)電池組最高溫度超過(guò)50℃時(shí)，風(fēng)機(jī)以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不考慮噪聲因素。
式中，n為輸出轉(zhuǎn)速；ntemp為最高溫度線性插值所得轉(zhuǎn)速；nv為根據(jù)車(chē)速查表所得轉(zhuǎn)速極值；T為電池組最高溫度。
3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證該控制策略是否符合設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)分為兩個(gè)部分：一是進(jìn)行噪聲測(cè)試，對(duì)比冷卻系統(tǒng)控制策略優(yōu)化前、后車(chē)內(nèi)噪聲；二是進(jìn)行溫度測(cè)試，觀察風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受限后能否滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)散熱需求。
噪聲測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度約為34℃，先關(guān)閉冷卻風(fēng)機(jī)并駕駛試驗(yàn)車(chē)急加減速，當(dāng)電池溫度上升至36℃以上時(shí)開(kāi)始測(cè)試，試驗(yàn)路段依然選擇國(guó)道，試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉車(chē)窗及空調(diào)等一切輔助裝置，控制車(chē)輛勻速行駛并記錄后排中間位置噪聲聲壓。冷卻系統(tǒng)控制策略優(yōu)化前、后車(chē)內(nèi)噪聲對(duì)比結(jié)果如圖8所示，由圖8可看出，控制策略優(yōu)化后噪聲降低了1～3 dB（A），效果顯著。
圖8 優(yōu)化前、后車(chē)內(nèi)噪聲對(duì)比結(jié)果
溫度測(cè)試在北京交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，CAN信號(hào)采集設(shè)備包括筆記本電腦、OBD車(chē)載設(shè)備、德國(guó)Vector公司的CANalyzer軟件及配套CAN總線工具。
為測(cè)試?yán)鋮s系統(tǒng)散熱能力，需盡量模擬動(dòng)力電池高強(qiáng)度使用且冷卻環(huán)境較差的情況，所以試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉空調(diào)并打開(kāi)車(chē)窗，控制試驗(yàn)車(chē)采用頻繁急加減速，車(chē)速信息如圖9所示，此時(shí)動(dòng)力電池電流如圖10所示，充電為正放電為負(fù)。電池在高強(qiáng)度充、放電過(guò)程中產(chǎn)生大量熱能，以此檢測(cè)冷卻系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池溫度的控制能力。試驗(yàn)過(guò)程中，電池內(nèi)部各采樣點(diǎn)溫度如圖11所示，由于車(chē)輛處于長(zhǎng)時(shí)間暴曬狀態(tài)，電池系統(tǒng)內(nèi)部各采樣點(diǎn)溫度初始值均在45℃以上，為此打開(kāi)車(chē)窗以保證進(jìn)風(fēng)口溫度與環(huán)境溫度基本一致，約為36℃左右。由圖11可知，試驗(yàn)過(guò)程中電池模組間最高采樣溫度保持在50℃以下，且各采樣點(diǎn)間最大溫差低于5℃，符合混合動(dòng)力汽車(chē)鎳氫電池溫度控制范圍，表明該控制策略能滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)散熱需求。
圖9 試驗(yàn)車(chē)速
圖10 動(dòng)力電池電流
圖11 各采樣點(diǎn)溫度
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)某款混合動(dòng)力汽車(chē)的冷卻系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，在根據(jù)溫度因素控制冷卻風(fēng)機(jī)和動(dòng)力電池工作功率的基礎(chǔ)上，通過(guò)車(chē)內(nèi)環(huán)境噪聲與風(fēng)機(jī)噪聲間的疊加關(guān)系，在合理工作溫度范圍內(nèi)限制冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的控制策略一方面降低了車(chē)內(nèi)噪聲聲壓級(jí)1～3 dB（A），另一方面依然能滿足動(dòng)力電池在高強(qiáng)度工況下的散熱需求。該控制策略效果顯著可操作性強(qiáng)，可為使用風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)的研發(fā)提供參考。
作者：程子洋1,3喜冠南1朱建新2,3儲(chǔ)愛(ài)華3
單位：
1.南通大學(xué)
2.上海交通大學(xué)汽車(chē)電子技術(shù)研究所
3.科力遠(yuǎn)混合動(dòng)力技術(shù)有限公司
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