熱管理中的電機(jī)堵轉(zhuǎn)輔熱技術(shù)

一、電機(jī)堵轉(zhuǎn)輔熱技術(shù)第四代整車熱管理系統(tǒng)是在特斯拉ModelY車型上的典型應(yīng)用，該系統(tǒng)采用“八通閥”將座艙、電機(jī)、電控、動(dòng)力電池等具有熱管理需求的部件進(jìn)行統(tǒng)一的熱量管理，全車可實(shí)現(xiàn)如低溫環(huán)境下的車輛預(yù)熱、除霧、除霜以及為電池系統(tǒng)降溫等共計(jì)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(shí)現(xiàn)功能目前對(duì)于該熱管理系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用其在技術(shù)上的關(guān)鍵主要有四點(diǎn)：高集成八通閥、熱泵及余熱回收、電機(jī)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(jī)堵轉(zhuǎn)輔熱技術(shù)。圖2

關(guān)鍵技術(shù)在傳統(tǒng)的觀念中，大多數(shù)人對(duì)于電機(jī)‘堵轉(zhuǎn)’的理解是電機(jī)或其關(guān)聯(lián)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到外物的影響從而被卡住導(dǎo)致了停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如車窗在上升過程中，通過外力阻止其上升，此過程中電機(jī)便發(fā)生了傳統(tǒng)意義上的堵轉(zhuǎn)。但在熱管理中的電機(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)卻并非如此，其是指在有加熱需求時(shí)的某一條件下，系統(tǒng)通過主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓其降低輸出效率，從而使電機(jī)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(dòng)電機(jī)的輸出功率其需求是來源于踏板信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過VCU處理后給到MCU，最終由MCU控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)的輸出狀態(tài)。如下圖所示，在電機(jī)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(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)便是在合適的效率區(qū)間內(nèi)選取合適的功率點(diǎn)讓熱量需求與整車動(dòng)力性能得以平衡的一種技術(shù)手段。圖3

電機(jī)效率MAP在下圖所示的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)中，動(dòng)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(jī)的運(yùn)行過程中，由于電機(jī)繞組等會(huì)發(fā)熱，此過程會(huì)繼續(xù)對(duì)電流造成損耗，因此電機(jī)的輸出功率與MCU輸出端的功率便不會(huì)相同，此二者的比值通常情況下便是電機(jī)的效率值。圖4

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電機(jī)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(dāng)系統(tǒng)需要利用電機(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)進(jìn)行輔熱時(shí)，降低電機(jī)效率的方式便有兩種，一種是通過保持整車的驅(qū)動(dòng)性能（即Pout不變），去增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率（即增大P2），由于整車電壓通常不會(huì)有太大的變化，因此通常是通過增加輸入電流I2得以實(shí)現(xiàn)。此方式下的整車可確保其動(dòng)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(duì)于整車的續(xù)航會(huì)有一定的影響。另一種方式則是保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入端的輸入功率不變，通過降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端的功率以讓系統(tǒng)熱損耗增加，以實(shí)現(xiàn)熱量的產(chǎn)生與應(yīng)用。在此方案的應(yīng)用階段中，整車的動(dòng)力性將會(huì)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(duì)電機(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)所采取的不同方案總結(jié)如下所示：圖5

電機(jī)堵轉(zhuǎn)輔熱技術(shù)方案二、系統(tǒng)回路由于通過電機(jī)堵轉(zhuǎn)進(jìn)行輔熱是一種制熱技術(shù)，在整車熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用中電池、電機(jī)的液冷管路具有同類性，因此該技術(shù)主要被應(yīng)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(dòng)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(guān)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(yīng)用場(chǎng)景該技術(shù)主要應(yīng)用于能為動(dòng)力電池提供快速加熱的環(huán)境場(chǎng)景中，如在動(dòng)力電池有充電需求時(shí)，通過系統(tǒng)的熱量管理讓電池提前預(yù)熱以進(jìn)入最佳充電溫度，又如在低溫環(huán)境中用車時(shí)，通過啟動(dòng)車輛并采用電機(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)，以電機(jī)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(dòng)力電池，以實(shí)現(xiàn)為電池快速加熱并讓其進(jìn)入正常工作溫度的目的。四、控制策略主要是針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行策略開發(fā)，這里以保持車輛動(dòng)力性為前提的方案做說明。如在進(jìn)行充電前的預(yù)熱時(shí)，可通過對(duì)路徑的規(guī)劃計(jì)算出車子到達(dá)充電點(diǎn)所需的時(shí)間，再以當(dāng)前電池溫度為基點(diǎn)，計(jì)算電池到達(dá)充電最佳溫度的溫度差，結(jié)合時(shí)間以及通過熱值公式計(jì)算出在相應(yīng)時(shí)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(yīng)的電能與熱能轉(zhuǎn)換過程中的功率值，此功率與整車動(dòng)力需求下的功率之和便可近似認(rèn)為是電機(jī)正常工作下的功率值。圖7

功率選取基本流程對(duì)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(shí)，盡可能的讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率損耗最低是該控制策略的關(guān)鍵，因此在運(yùn)行中對(duì)于輸出功率點(diǎn)的選取需不斷地平衡效率、熱量以及動(dòng)力需求。而在低溫環(huán)境下通過電機(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)車輛啟動(dòng)后的動(dòng)力電池進(jìn)行加熱輔助，其目的是需要讓動(dòng)力電池快速進(jìn)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(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)則是以盡可能多的為動(dòng)力電池提供熱量為目的。此工況下，對(duì)于功率點(diǎn)的選取則是在電機(jī)及整車性能要求的范圍內(nèi)盡量選擇效率損耗較大的點(diǎn)，通過多損耗電能的方式將其轉(zhuǎn)換為熱能以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快熱功能。此工況下的策略與充電預(yù)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(wù)，因此此時(shí)的電機(jī)效率通常會(huì)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(duì)較充電預(yù)熱下的控制也顯得簡(jiǎn)單些。另外，由于應(yīng)用電機(jī)堵轉(zhuǎn)輔熱技術(shù)為整車熱管理服務(wù)的場(chǎng)景并不多，同時(shí)使用該技術(shù)參與熱管理的實(shí)際時(shí)間也不會(huì)太長(zhǎng)，所以即使是通過降低效率以輔助加熱也