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基于電動汽車電池加熱器的控制方法優(yōu)化
2021-03-08 20:53:06· 來源：焉知動力驅動系統(tǒng)
作者 |趙繼嶺等/廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院來源 |電動學堂目前電池的加熱方式主要分為內部加熱和外部加熱兩種。內部加熱主要包含高低頻交流電加熱
作者 | 趙繼嶺等/廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院
來源 | 電動學堂
目前電池的加熱方式主要分為內部加熱和外部加熱兩種。內部加熱主要包含高低頻交流電加熱和電池內部放電加熱，加熱方式主要通過電池內部的化學反應產(chǎn)生熱量直接對電池進行加熱，該方式加熱效率高，能耗低，但是對電池自身性能要求高且控制復雜。
外部加熱主要包括熱風加熱、液體加熱、加熱膜加熱和外置加熱器（PositiveTemperatureCoefficient，PTC）加熱，加熱方式通過外部加熱組件產(chǎn)生熱量，從外部對電池進行加熱，該方式能效低，加熱時間長，但是加熱簡單，更加安全實用。
本文采用的是外部加熱的方法，通過PTC將水溫加熱到較高的溫度，加熱后的熱水流經(jīng)電池內部，與電池進行熱交換實現(xiàn)電池的加熱功能。本文將針對PTC的特性進行研究，并提出一種PTC的控制方法實現(xiàn)電池低溫加熱的功能，從而提升整車的動力性和續(xù)航能力。
1、電池低溫加熱系統(tǒng)介紹
本文以某款純電動汽車為研究對象，該車型的電池加熱系統(tǒng)主要由動力電池、加熱器PTC、水泵、PTC水溫傳感器以及相關的管路組成，見圖1。動力電池采用一款容量為170Ah的三元鋰離子電池，在檢測到電池的溫度低于一定值后進入低溫加熱模式，請求PTC工作，通過調節(jié)PTC的不同加熱檔位將PTC的水溫控制在目標溫度區(qū)間，在PTC工作的同時請求水泵運轉提供7L/min的流量，使冷卻液流經(jīng)電池內部與電池進行熱量交換實現(xiàn)電池的加熱功能。
本系統(tǒng)的核心是通過控制PTC工作將水溫加熱到一個目標溫度值并維持在目標值附近。本文設定的加熱目標溫度區(qū)間是45-50℃，設定的目標值過低會導致加熱效率過低，設置過高會導致電池內部溫差過大，通過請求PTC以不同的檔位進行加熱來維持冷卻液在目標溫度區(qū)間內。
2、PTC介紹
2.1 PTC檔位介紹
PTC加熱器，是一類以鈦酸鋇（BaTiO3）鈦酸鍶（SrTiO3），鈦酸鉛（PbTiO3）為基本組成的半導體陶瓷。
這種陶瓷在較低溫度時，電阻值偏低，但當溫度在某一溫度（稱為居里溫度）以上時，其自身電阻急劇上升3~8個數(shù)量級（103~108倍），電阻體具有較大的正溫度系數(shù)。PTC具有換熱效率高、安全性高和壽命長的優(yōu)點。
本文的加熱器是由三個不同加熱功率的PTC（PTC1、PTC2、PTC3）組成，每個PTC分別由1個，絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）控制通斷，通過汽車總線將加熱需求以及加熱檔位發(fā)送給PTC控制器，PTC控制器根據(jù)需求指令及當前狀態(tài)，控制不同的PTC工作將車載動力電源的電能轉化為熱能。
加熱器的電氣結構見圖2，PTC1、PTC2、PTC3分別具有不同的加熱功率，通過請求不同的PTC或者請求多個PTC同時工作組合成6個加熱檔位，見表1，PTC的檔位請求采用脈沖寬度調制（Pulsewidthmodulation，PWM）信號作為IGBT驅動電路的輸入信號，通過改變PWM信號的占空比來控制加熱器以不同的檔位工作。
2.2 PTC沖擊電流
PTC的陶瓷體電阻與自身溫度有關。在溫度很低時，PTC阻值隨著溫度的上升而下降，呈現(xiàn)負的溫度系數(shù)；PTC的溫度上升到一定值后，PTC阻值隨著溫度上升而上升，呈現(xiàn)正的溫度系數(shù)。圖3為PTC的電阻-溫度特性曲線，在曲線a點PTC的溫度較低，電阻比較小，在恒定電壓下PTC有較大的工作電流；隨著PTC產(chǎn)生的熱量逐漸增加，PTC溫度上升，電阻值會進一步下降到達b點，電流值此時達到最大；當PTC的溫度進一步升高達到c點后，電阻值開始有上升的趨勢，電流也會跟隨逐漸減小，c點以后很小的溫度上升就會導致電阻的大幅度增長，電流也會跟隨迅速降低。如上分析在PTC工作過程中電流一升一降就形成了沖擊電流。
圖4統(tǒng)計了在PTC水溫40℃左右的條件下，每次檔位切換時產(chǎn)生的沖擊電流（因為PTC水溫的目標控制值在40℃以上，所以此處統(tǒng)計了40℃時不同檔位的沖擊電流），可以看出各個檔位下的沖擊電流較大，部分檔位最大的沖擊電流已經(jīng)超過正常工作電流的一倍。動力電池在低溫下放電能力變弱，換擋產(chǎn)生的大電流導致PTC的消耗功率瞬間增大，當增大的瞬時功率超過電池的最大放電功率時，會造成電池過放的風險。換擋越頻繁伴隨產(chǎn)生的沖擊電流次數(shù)也就越多，對動力電池的危害也就越大。
3、PTC控制及優(yōu)化
本文對針對PTC加熱的控制思路如下：當檢測到電池的溫度低于0℃時，電池進入加熱模式，啟動PTC，通過發(fā)送不同的PWM占空比請求PTC以對應的檔位工作，使PTC的水溫維持在45-50℃之間，通過水泵運轉實現(xiàn)熱水與電池的熱交換。當電池的溫度加熱到5℃后退出加熱模式，請求PTC和水泵停止工作。
由于每次切換PTC檔位都會有大電流沖擊，為減小電流沖擊對電池壽命造成的危害，在PTC控制過程中需要降低檔位切換的頻率。
3.1 PTC的控制方法
PTC的核心控制是將PTC的水溫加熱到目標溫度區(qū)間，水溫到達目標區(qū)間后控制PTC的加熱檔位使水溫一直維持在目標區(qū)間之內。最常用的控制方法是根據(jù)PTC實際水溫值請求不同的PTC加熱檔位。當水溫很低時為了提高加熱效率采用最高檔位6檔進行加熱；當水溫升高并達到目標溫度區(qū)間內，根據(jù)PTC實際水溫切換檔位使水溫維持在目標區(qū)間；當水溫將要超過目標區(qū)間上限時請求小檔位工作或者關閉PTC。表2為不同的PTC水溫對應請求的不同加熱檔位。為避免由于PTC水溫波動引起的檔位跳動，在每次切換檔位時需要有15s的換擋確認時間，即下一個目標檔位對應的PTC水溫必須持續(xù)15s不變后才會切換至目標檔位。
采用上述控制方法在實車進行試驗，在高寒環(huán)境下（環(huán)境溫度低于-25℃）靜置車輛12小時。電池從-25℃開始加熱，加熱到5℃后停止，實車上的試驗結果見圖5。從試驗結果可以看出采用上述的控制方法PTC的水溫可以穩(wěn)定在45-50℃之間，電池的整個加熱過程用時57min，但是PTC的加熱換擋次數(shù)卻高達33次，并且每次換擋都會伴隨著很大的電流沖擊。
3.2 PTC的控制方法優(yōu)化
上述控制方法可以滿足電池低溫加熱的需求，但是不能解決加熱過程中檔位頻繁跳動的問題。本文提出了一種基于目標加熱水溫尋找平衡檔位的控制方法，實現(xiàn)平衡檔位下可以將水溫可以長時間控制在目標值附近，以降低換擋電流的沖擊的頻率。優(yōu)化后的控制方法見控制流程圖6。
在低溫環(huán)境下，車輛啟動后，電動汽車電池進入加熱模式，首先控制系統(tǒng)請求PTC以最大檔位6檔開始加熱，當PTC水溫從較低的溫度加熱到目標溫度區(qū)間上限50℃時，請求PTC停止加熱工作即發(fā)送0檔。經(jīng)PTC加熱的熱水通過水泵運轉流經(jīng)電池，與電池進行熱交換使水溫不斷降低。當水溫降低到目標溫度區(qū)間下限45℃時，再次請求PTC工作，此次請求的加熱檔位較初次啟動時降低一檔，即請求PTC以5檔開始加熱，將水溫從45℃加熱到50℃。隨著加熱檔位降低，加熱功率會變低，隨之水溫上升速率也變慢，在目標溫度區(qū)間加熱時間延長，即PTC的5檔加熱功率小于6檔，5檔可以在目標溫度區(qū)間工作更長時間。當PTC以5檔將水溫加熱到50℃后，再次發(fā)送0檔關閉加熱器。在熱水通過與電池熱交換降溫到45℃后，同理，再次以4檔進行加熱。PTC以4檔工作，將水溫加熱到50℃后，再次發(fā)送0檔關閉加熱器。按照如上規(guī)則每次加熱到目標水溫上限50℃后則發(fā)送0檔，然后等水溫降到目標溫度下限45℃后請求降一檔進行加熱。當電池溫度加熱到5℃后，電池退出加熱模式關閉PTC。
按上述加熱檔位的控制原理，高檔位（5、6檔）加熱功率大，可以保證PTC水溫快速上升，但是當加熱檔位降到某個檔位后，加熱功率偏低，使其水溫不能維持在45℃以上，則應該在該檔位的基礎上返回上一檔進行加熱，從而將水溫加熱到45℃以上。以上說明上升后的檔位是能維持PTC水溫在目標溫度區(qū)間的最小檔位，故該檔位是最理想的平衡檔位，是可以在目標溫度區(qū)間持續(xù)工作最長時間的檔位。例如，按上述降檔優(yōu)化方法，PTC以4檔加熱到50℃后，關閉PTC，等PTC水溫降到了目標溫度區(qū)間下限45℃后，應該以降檔以3檔進行加熱，但是在3檔加熱過程中PTC水溫不能上升到45℃以上，反而一直下降，等PTC水溫降到43℃后，此時應該立即升檔進行加熱，即再次返回到4檔進行加熱。此時可以判斷出PTC的4檔才是目前溫度條件下最優(yōu)的平衡檔位，4檔是可以將PTC水溫從45℃加熱到50℃持續(xù)工作時間最長的檔位。
本節(jié)提出的加熱器控制方法是為了不斷尋找在當前水溫條件下PTC工作的平衡檔位，使平衡檔位可以在目標溫度區(qū)間工作更長時間。請求的加熱檔位越接近平衡檔位，該檔位在目標溫度區(qū)間工作時間越長，整個加熱過程檔位切換的次數(shù)也就越小。并且在每次加熱到目標水溫上限后關閉PTC，利用余熱維持水溫在目標區(qū)間，在一定程度上也降低了整個加熱過程中PTC檔位切換的頻率。除此之外還考慮到了低檔位下加熱功率不足的問題，當目前檔位不能維持PTC水溫在目標區(qū)間內時進行升檔，并通過升檔進一步確認最優(yōu)平衡檔位。
3.3 PTC的控制方法優(yōu)化后試驗
對優(yōu)化后的控制方法進行實車試驗，同樣在高寒環(huán)境下靜置車輛12小時，電池從-25℃開始加熱，加熱到5℃后停止，試驗結果見圖7。試驗證明優(yōu)化后的控制方法可以使PTC的水溫維持在45-50℃，并且PTC的加熱換擋次數(shù)減小到了5次，沖擊電流發(fā)生的頻率明顯降低，優(yōu)化后效果顯著。此外，由于每次換擋加熱都會將水溫加熱到50℃，提高了加熱的效率，整個加熱過程持續(xù)了40min，相比優(yōu)化前加熱時間縮短了17min。
4、結束語
為保證電動汽車在低溫下的動力性和續(xù)駛里程，本文提出了一種通過PTC加熱動力電池的方法，并針對加熱器檔位頻繁跳動的問題進行了控制優(yōu)化，與優(yōu)化前相比，整個加熱過程加熱器的檔位切換次數(shù)從33多次下降到5次，很大程度上降低了檔位頻繁跳動的頻率，優(yōu)化效果顯著。本文優(yōu)化后的PTC控制方法不僅滿足了電池加熱的需求，而且減小了由于PTC檔位頻繁切換對電池帶來的危害。
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