熱管理中的電機堵轉(zhuǎn)輔熱技術

一、電機堵轉(zhuǎn)輔熱技術第四代整車熱管理系統(tǒng)是在特斯拉ModelY車型上的典型應用，該系統(tǒng)采用“八通閥”將座艙、電機、電控、動力電池等具有熱管理需求的部件進行統(tǒng)一的熱量管理，全車可實現(xiàn)如低溫環(huán)境下的車輛預熱、除霧、除霜以及為電池系統(tǒng)降溫等共計12種制熱模式和3種制冷模式，其具體功能如下：圖1

特斯拉ModelY熱管理實現(xiàn)功能目前對于該熱管理系統(tǒng)在整車上的應用其在技術上的關鍵主要有四點：高集成八通閥、熱泵及余熱回收、電機堵轉(zhuǎn)輔熱以及熱量智能分配與管理，本文主要與諸君交流的是其中的電機堵轉(zhuǎn)輔熱技術。圖2

關鍵技術在傳統(tǒng)的觀念中，大多數(shù)人對于電機‘堵轉(zhuǎn)’的理解是電機或其關聯(lián)系統(tǒng)在運行過程中受到外物的影響從而被卡住導致了停止轉(zhuǎn)動，如車窗在上升過程中，通過外力阻止其上升，此過程中電機便發(fā)生了傳統(tǒng)意義上的堵轉(zhuǎn)。但在熱管理中的電機堵轉(zhuǎn)技術卻并非如此，其是指在有加熱需求時的某一條件下，系統(tǒng)通過主動控制驅(qū)動電機讓其降低輸出效率，從而使電機產(chǎn)生的熱量為有需求區(qū)域提供輔熱的過程。諸君也清楚驅(qū)動電機的輸出功率其需求是來源于踏板信號，該信號經(jīng)過VCU處理后給到MCU，最終由MCU控制驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)速與扭矩，而轉(zhuǎn)速與扭矩的匹配便是最終驅(qū)動電機的輸出狀態(tài)。如下圖所示，在電機效率MAP中，不同扭矩與轉(zhuǎn)速所組成的具有相同輸出功率的功率曲線所經(jīng)過的效率區(qū)間是不相同的，而電機堵轉(zhuǎn)技術便是在合適的效率區(qū)間內(nèi)選取合適的功率點讓熱量需求與整車動力性能得以平衡的一種技術手段。圖3

電機效率MAP在下圖所示的驅(qū)動系統(tǒng)架構中，動力電池輸出的電流經(jīng)MCU及線束后，由于損耗的存其輸出電流將由I1變?yōu)镮2。而在電機的運行過程中，由于電機繞組等會發(fā)熱，此過程會繼續(xù)對電流造成損耗，因此電機的輸出功率與MCU輸出端的功率便不會相同，此二者的比值通常情況下便是電機的效率值。圖4

驅(qū)動系統(tǒng)架構當系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，電機的輸出效率=（Pout/P2）*100%，其中，P2=U*I2，Pout=轉(zhuǎn)速*扭矩/9550。從上述公式我們可看出，當系統(tǒng)需要利用電機堵轉(zhuǎn)技術進行輔熱時，降低電機效率的方式便有兩種，一種是通過保持整車的驅(qū)動性能（即Pout不變），去增大驅(qū)動電機的輸入功率（即增大P2），由于整車電壓通常不會有太大的變化，因此通常是通過增加輸入電流I2得以實現(xiàn)。此方式下的整車可確保其動力性，但由于利用了更多的電能用于熱轉(zhuǎn)換，因此理論上對于整車的續(xù)航會有一定的影響。另一種方式則是保持驅(qū)動電機輸入端的輸入功率不變，通過降低驅(qū)動電機輸出端的功率以讓系統(tǒng)熱損耗增加，以實現(xiàn)熱量的產(chǎn)生與應用。在此方案的應用階段中，整車的動力性將會有所下降，但由于輸入端的功率保持不變，因此理論上整車的續(xù)航將不受影響。對電機堵轉(zhuǎn)技術所采取的不同方案總結如下所示：圖5

電機堵轉(zhuǎn)輔熱技術方案二、系統(tǒng)回路由于通過電機堵轉(zhuǎn)進行輔熱是一種制熱技術，在整車熱管理系統(tǒng)的應用中電池、電機的液冷管路具有同類性，因此該技術主要被應用于為電池系統(tǒng)的輔助制熱中，其過程回路是：電子水泵20→動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)21→DC/DC22→油冷器23→八通閥1（F口）→八通閥1（D口）→電池2（水冷板3）→ECU控制單元5（截止閥4關閉）→八通閥1（C口）→八通閥1（E口）→電子水泵20，如下如：圖6

電池系統(tǒng)制熱回路三、應用場景該技術主要應用于能為動力電池提供快速加熱的環(huán)境場景中，如在動力電池有充電需求時，通過系統(tǒng)的熱量管理讓電池提前預熱以進入最佳充電溫度，又如在低溫環(huán)境中用車時，通過啟動車輛并采用電機堵轉(zhuǎn)技術，以電機線圈繞組的阻絲為發(fā)熱源，通過冷卻液將產(chǎn)生的熱量傳遞給動力電池，以實現(xiàn)為電池快速加熱并讓其進入正常工作溫度的目的。四、控制策略主要是針對應用場景進行策略開發(fā)，這里以保持車輛動力性為前提的方案做說明。如在進行充電前的預熱時，可通過對路徑的規(guī)劃計算出車子到達充電點所需的時間，再以當前電池溫度為基點，計算電池到達充電最佳溫度的溫度差，結合時間以及通過熱值公式計算出在相應時間內(nèi)獲得最佳溫度差所需的電流，由此電流值便可得到相應的電能與熱能轉(zhuǎn)換過程中的功率值，此功率與整車動力需求下的功率之和便可近似認為是電機正常工作下的功率值。圖7

功率選取基本流程對于系統(tǒng)的控制策略而言，如何在系統(tǒng)獲得最佳熱量的同時，盡可能的讓驅(qū)動電機效率損耗最低是該控制策略的關鍵，因此在運行中對于輸出功率點的選取需不斷地平衡效率、熱量以及動力需求。而在低溫環(huán)境下通過電機堵轉(zhuǎn)技術對車輛啟動后的動力電池進行加熱輔助，其目的是需要讓動力電池快速進入最佳的工作溫度區(qū)間，在此需求下，以安全為前提的電機堵轉(zhuǎn)技術則是以盡可能多的為動力電池提供熱量為目的。此工況下，對于功率點的選取則是在電機及整車性能要求的范圍內(nèi)盡量選擇效率損耗較大的點，通過多損耗電能的方式將其轉(zhuǎn)換為熱能以實現(xiàn)系統(tǒng)的快熱功能。此工況下的策略與充電預熱下的策略不同之處在于，此工況無需考慮效率高低，只要確保在性能允許下讓電能盡量為熱管理服務，因此此時的電機效率通常會較之前一種低許多，也由于在控制策略上所需考慮的因素少了，所以相對較充電預熱下的控制也顯得簡單些。另外，由于應用電機堵轉(zhuǎn)輔熱技術為整車熱管理服務的場景并不多，同時使用該技術參與熱管理的實際時間也不會太長，所以即使是通過降低效率以輔助加熱也