新能源汽车冷却泵控制系统研究_韩煜娴.pdf

基金项目：江苏省高校自然科学基金重大项目（编号：21KJA460012）收稿日期：20221105新能源汽车冷却泵控制系统研究*韩煜娴1，娄平1，文凯2，杨佩琦2，朱昊2（1.福特汽车南京研究院有限公司，南京211100；2.南京工程学院 信息与通信工程学院，南京211167）摘要：电池和电机系统冷却泵是保障新能源汽车安全行驶的重要设备。为了提高电池组的使用寿命、增强电动机性能、提高能源利用率，基于嵌入式处理器设计了新能源汽车电池组冷却泵自适应控制系统。系统的硬件部分采用MC9S12XEQ512芯片为核心，包括AD采集模块、CAN通信模块、测温模块以及直流电机驱动模块等。软件部分选择了基于模糊PID的智能控制策略，构建了理论控制模型，讨论了输入变量和输出变量论域的确定及其模糊化处理、隶属函数的确定、模糊规则设计和输出的解模糊处理。基于C语言实现了控制算法，给出了部分控制代码。使用Matlab软件建立仿真模型，观察比较得到的曲线波形，分析不同参数如Ki、Kp、Kd等对曲线的影响。最后调试了参数，使其达到最佳控制效果。关键词：新能源汽车；冷却泵：自适应控制中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02006804Research on the Control System of Cooling Pump for New Energy VehiclesHan Yuxian1，Lou Ping1，Wen Kai2，Yang Peiqi2，Zhu Hao2（1.Ford Motor Research&Engineering Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China;2.School of Information and Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China）Abstract:The cooling water pump of battery and motor system is important equipment for the normal operation of new energy vehicles.Inorder to improve the service life of the battery pack,enhance the motor performance and improve the energy utilization rate,an adaptive controlsystem for the cooling water pump of the new energy vehicle battery pack based on the embedded processor was designed.The hardware part ofthe system used MC9S12XEQ512 chip as the core,including AD acquisition module,CAN communication module,temperature measurementmodule and DC motor drive module.In the software part,the intelligent control strategy based on fuzzy PID was selected,and the determinationof the universe of input variables and output variables,their fuzzification,the determination of membership functions,the design of fuzzy rulesand the de fuzzification of outputs were discussed.The Matlab software was used to establish a simulation model,observe and compare thecurve waveforms,and analyze the influence of different parameters such as Ki,Kp,Kd,etc.on the curve.Finally,the parameters were adjusted toachieve the best control effect.Key words:new energy vehicles;cooling water pump:adaptive control2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.016韩煜娴，娄平，文凯，等.新能源汽车冷却泵控制系统研究 J.机电工程技术，2023，52（02）：68-71.0引言近年来，新能源产业发展势头迅猛。在国内，以纯电动汽车为代表的新能源汽车产业更是未来发展的重点和热点。但是，在新能源汽车使用量不断增加的同时，以起火为代表的有关新能源汽车故障的报道也越来越多的见诸于各种媒体。新能源汽车的安全问题也已经成为人们重点关注的焦点。相对于传统燃油车，新能源汽车的区别除了以电池、电机、和电控系统为核心取代传统发动机之外，还体现在重要性大幅度提升的热管理系统。与燃油车相比，新能源汽车的冷却系统更复杂，冷却要求更高1-2。新能源汽车使用大功率电机作为驱动，工作时会产生大量热量。目前新能源汽车常用的电机冷却方式主要分为风冷、水冷、油冷等形式。风冷主要通过自然空气流动带走热量。相比之下水冷和油冷通过泵将冷却液输送至电机表面或轴承，虽然结构复杂但效果更好3-4。除了电机之外，动力电池也是散热控制的重点关注对象。目前新能源汽车最常用的动力电池是锂电池。由于锂电池能量密度高，在使用过程中也会产生很多的热量。另一方面，锂电池工作温度过高时，还会对自身产生损伤，降低电池寿命。因此电池热管理系统也十分重要。目前常用的电池冷却系统主要有风冷、液冷、箱变材料冷却以及热管冷却4种5-6。其中以冷却泵为核心的液冷是效果最好应用最广的一种方法。由此可见，对于新能源汽车中的冷却泵及其控制方法展开系统研究对于提高车辆安全性，提升车辆使用寿命具有重要意义。1系统硬件设计1.1核心控制器选择MC9S12XEQ512 是飞思卡尔推出的 16 位单片机。68C9S12X系列是 MC9S12系列的升级款，功能更加强大。MC9S12XEQ512集成度高，一般主频可设置为 32 MHz。片内含有内存保护单元和增强的EEPROM 等功能模块。MC9S12XE 系列包括64 kb 的RAM、容量为512 kb的程序存储器、2412b的AD转换器，此外，该芯片还集成了 CAN 总线模块。它的工作温度一般在-40 85，具有扩展性强、可靠性高、功耗低的优点并且价格低廉。1.2温度传感器选型在控制器系统中，需要将传感器贴合在泵的进水口或出水口进行测温。传感器接触式温度传感器有热敏电阻和温差电偶等。常用的温度传感器有 NTC 温度传感器、热电偶传感器等，例如 PT100/1000、DS18B20、TCN75、TMP03、AD7314 温 度 传 感 器。其 中 PT100、PT1000温度传感器为热敏电阻传感器，根据其阻值随温度升高而降低的特性制造。此类传感器可安装在汽车冷却泵内与冷却液直接接触。实际应用中，汽车冷却液温度传感器一般均采用NTC传感器。且PT100温度传感器其测温范围为-200 350。实际应用中考虑到汽车冷却泵的工作环境与传感器的测量方式，关于温度传感器的选型可选择接触式的高温型DS18B20温度传感器。DS18B20 可通过控制器直接驱动和通信，有较高的可靠性和较长的稳定性实用性强。DS18B20 测量的温度范围为-55 125，测温误差不超过2，工作所需电源为 3.05.5 V，适于接入控制器电路此类型传感器广泛应用于轴瓦、汽车空调等设备。1.3MOS管选型虽然单片机可以输出直流的电流信号，但其驱动能力有限且电机驱动时工作于大电流，高频高速状态。且由于MOS管为电压控制型器件，多用于高频高速电路，高输入阻抗，损耗小，适合单片机控制输出驱动，三极管为电流型控制器件，损耗大，饱和导通压降大，驱动电流大，大电流工作状态下发热严重。所以单片机一般通过驱动大功率的MOS管，产生大电流从而驱动无刷直流电机或舵机工作，且能通过输入PWM信号至电路中驱动芯片达到控制电机转速的目的。作为直流电机驱动模块中H桥驱动电路的重要组成部 分，在 设 计 控 制 器 的 电 机 驱 动 电 路 时 参 考 了MC9S12XEQ512MAL开发板上相关模块的电路部分，使用了N沟道的MOS管。控制器所使用的直流电机工作参数为12 V的工作电压、2W的功率，所以MOS管选用了IRF1010E场效应管，其通态漏源电阻12 m、耗散功率200 W、漏源击穿电压 60 V，可使得该 H 桥具有高达84 A的驱动能力，工作参数范围远大于电机所要求，选择IRF1010E型号的MOS管有丰富的盈余还可驱动更大功率的电机，IRF1010E的工作的温度为-55 175，也适合泵的工作环境。1.4核心控制电路结构本系统主要包括4个模块：电源模块、数据处理模块、环境温度采集模块、直流无刷电机驱动模块。数据处理模块主要是由MC9S12XEQ512核心芯片及其附属电路组成；环境参数采集模块主要由PCB板上的相关电路与外接的贴片式高温型DS18B20温度传感器组成。温度传感器数据发送端与数据处理模块内核心芯片的21号引脚相连接，采集环境温度后将数据发送至数据处理模块，根据软件中设置好的温度阈值对当前环境温度进行判断并发出相应指令来调节直流无刷电机的转动速率。电机驱动模块电路如图1所示，在电机驱动电路的器件选型中参考了MC9S12XEQ512开发板的相关器件选型，选用IR2103S驱动由IRF1010E组成的H桥。H桥电路常用于调节无刷直流电机的转速和旋转方向。Q71、Q74导通，Q72、Q73截止时，电机反转；Q72、Q73导通，Q74、Q74截止时，电机正转。通过PWM波可以控制电机转速。需要注意的是，工作中，Q71和Q73不能同时导通，Q72与Q74也是如此。在设计程序时还要注意PWM波占空比不能达到100%。焊接完成后的控制器实物如图2所示。2控制系统设计2.1控制算法选择模糊PID控制属于智能算法范畴。智能算法的最大优点是不需要精确的数学模型，便可以达到优秀的控制效果，满足高精度的需求7-8。模糊PID 主要是利用模糊图1电机驱动模块电路图2焊接完成后的控制器实物韩煜娴，娄平，文凯，等：新能源汽车冷却泵控制系统研究 69规则和模糊推理方法，模拟人思考判断，实现机器所不具有的模糊化判断。主要优点是能够实时调整PID控制器的参数。现实生活中绝大多数系统的都不满足线性条件。一般情况经典PID控制无法满足泵系统的控制需求。而其衍生算法模糊PID控制便是为此类系统设计的9。模糊控制器一般分为两大部分，一部分由模糊化、迷糊推理、解模糊构成；另一部分由知识库组成。使用知识库进行模糊推理是模糊系统的精髓所在。通过实时改变Kp、Ki、Kd这3个参数，来根据需要调节PID控制器的增益。2.2模糊控制器设计2.2.1模糊集合及隶属函数选择关于模糊控制器的设计步骤，首先是传递函数的确定；然后是模糊子集和隶属度函数的选取；接着模糊规则设置和推理方法选取，这是模糊控制器设计的重中之重；最后是解模糊化算法的选取。传递函数的零极点情况能够反应系统的特性。根据泵工作特点，本文选择一阶纯滞后系统作为其数学模型。在此基础上，将给定论域U，U到0，1闭区间的任一映射A:U 0，1定义为模糊集合。一般来说，模糊集合越多控制则越复杂。因此本文根据新能源汽车冷却泵系统的特性，设置控制器的e、ec、Kp、Ki、Kd的模糊子集均为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB（负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB）。模糊控制的性能与比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd这三个参数相关。本系统将输入信号e和ec的论域分别设为-5，5和-3，3。输出信号Kp、Ki、Kd的论域设为-0.6，0.6、0.03，0.03和-3，3。隶属度函数用于描述模糊量的模糊程度。正确使用模糊集合理论解决实际系统问题的前提，是能够正确且合适地确定变量的隶属度函数10。隶属度函数的选择没有严格的标准，通常参考实际应用中的经验。隶属函数的图形斜率越小，则相应控制的效果会相对较好，系统也会比较稳定；反之，隶属函数的图形斜率越大，则控制会更加灵敏，对参数变化更加敏感。隶属度函数也对控制器性能有着一定程度的影响。（1）正态型是最主要的也是最常见的一种分布，一般表示如下式所示：(x)=e-(x-ab)2b 0（1）（2）型如下式所示：(x)=0 x 0()xe-xx 0（2）式中：0，0；当x=时，隶属度为1。（3）三角形如下式所示：(x)=|0 x ax-ab-aa x bc-xc-bb x c0 x c（3）本系统从鲁棒性和灵敏性的角度考虑，选用三角型隶属度函数。2.2.2模糊规则设置模糊控制规则并非精确的数学模型，而是通过长时间的工程应用积累而成的经验模型。设置的常规策略如下。（1）当偏差为NB或NM且偏差变化量也为负值时，控制量的变化应该取PB，以便抑制不断负向增大的偏差。（2）当偏差为NB且偏差变化量为PB时，系统偏差返回的趋势较大，控制量的变化通常取ZO，以避免产生超调量。（3）当偏差为NB且偏差变化量为PM时，控制量变化量通常取PM或PS，以便在消除偏差的同时，不至于产生过大的超调量。（4）当偏差为NB且偏差变化量为PS时，控制量变化量可以考虑取PM。（5）当偏差为NS时，系统本身趋近稳态，若偏差变化量为负值，控制量变化量可以考虑取PS或PM。若偏差为正值，控制量变化量可以考虑取ZO或PS。（6）当偏差为正值时，各种情况与上述负值时类似。在尽快消除偏差的同时，尽可能避免超调。本系统的模糊规则选择如表13所示。ecNBNMNSZOPSPMPBeNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPMPSZOZONSPMPMPSPSZONSNSZOPMPSPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMZOZONSNMNMPBNBPBZOZOPSNMPMNBNBecNBNMNSZOPSPMPBeNBNBNBNBNMNMZOZONMNBNBNMNMNSZOZONSNMNMNSPSZOPSPSZONMNSNSPSNSPSPMPSNSNSZOPSPSPMPMPMZOZOPSNMPMPBPBPBZONSPSNMPBPBPB表1Kp的模糊规则表2Ki的模糊规则2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期 702.3系统控制软件设计主程序程序框图如图3所示。在软件设计中，模糊PID算法的设计尤为重要，第一步确定误差e和误差变化率ec的论域，并对其进行模糊化处理，Ki、Kd、Kp经过模糊推理转换为真实值，并输入到模糊PID控制器。最后控制器输出控制量。3仿真与测试为测试上述模型的实际效果，文本使用在Simulink中Fuzzy Logic Toolbox工具箱中的Fuzzy Logic Controller模块进行了仿真。具体操作过程如图4所示，首先在Matlab中输入fuzzy，打开模糊逻辑模块，确定两个输入量e、ec，以及3个输出量Ki、Kd、Kp。接下来确定输入输出变量的模糊子集，如NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB，设置其论域，设置误差E、误差变化EC的论域为-6 6，控制量U的论域为-1010；然后为模糊语言变量选取相应的隶属度函数。打开如图5所示隶属度函数编辑器，分别对输入输出变量定义论域范围，添加隶属函数。保存建立的模糊控制器。在Matlab命令窗口中输入Simulink打开Simulink，然后使用Simulink Library Browser根据模糊控制系统原理选择自己需要的模块，可以得到如图6所示的仿真模型。下一步在Matlab命令窗口输入表3Kd的模糊规则ecNBNMNSZOPSPMPBeNBPSPSZOZOZONSPBNMNSNSNSNSZOPSPMNSNBNBNMNMZOPSPSZONBNMNMZOZOPSPMPSNBNSNSNSPSPSPSPMNMNSNSNSZOPSPBPBPSZOZOZOZOPBPB图3主程序框图图5隶属度函数编辑器图6模糊逻辑控制仿真模型图4模糊逻辑控制模块（下转第117页）韩煜娴，娄平，文凯，等：新能源汽车冷却泵控制系统研究 71技术整合负荷侧资源，可以有效实现风光等分布式电源的就地消纳。微网调度部门以风光消纳率最大为目标，在微网部门的引导下，负荷聚合商通过聚合负荷侧柔性负荷资源，以非合作博弈的方式参加日前电力市场投标，可以积极调动负荷侧柔性负荷资源积极参与电力市场调控，帮助微网平抑峰谷差，提高风光消纳效率。参考文献：1 高赐威,梁甜甜,李扬,等.自动需求响应的理论与实践综述J.电网技术,2014,38(2):352-359.2 刘晓峰,高丙团,罗京,等.基于非合作博弈的居民负荷分层调度模型J.电力系统自动化,2017,41(14):54-60.3 ZHANG C,WANG C,WANG J,et al.Real-time procurementstrategies of a proactive distribution company with aggregator-based demand responseJ.IEEE Transactions on Smart Grid,2018,9(2):766-776.4 WEI Y,YANG Z,LIU H.Optimal dispatching strategy of load aggregators considering peak load shiftingC/2019 IEEE Innovative Smart Grid Technologies Asia(ISGT Asia),Chengdu,China,2019:2661-2665.5 潘冰,杨柳.一种计及风光储的虚拟电厂多目标调度控制模型J.电器与能效管理技术,2019(21):56-62.6 赵杉.接纳大规模分布式光伏电源的农村配电网建设研究D.济南:山东大学,2015.7 姜海洋,谭忠富,胡庆辉,等.用户侧虚拟电厂对发电产业节能减排影响分析J.中国电力,2010,43(6):37-40.8 王皓靖,修晓青,张宇,等.基于遗传算法的虚拟电厂经济性分析J.电器与能效管理技术,2018(6):11-17.9 张连勇.新能源富集电网状态估计方法及智能应急调度策略研究J.内蒙古电力技术,2022,40(2):28-35.10 张晶晶,张鹏,吴红斌,等.负荷聚合商参与需求响应的可靠性及风险分析J.太阳能学报,2019,40(12):3526-3533.11 林立乾.分布式储能聚合服务商参与电网辅助服务策略研究D.北京:华北电力大学,2019.12 M D McKay,VR J Beckman,VW J Conover.A comparison ofThree Methods for Selecting Values of Input Variables in theAnalysis of Output from a Computer Code:proceedings of the37th conference on winter simulationJ.Technimetrics,2012,42(1):202-208.13 陈星莺,陈璐,廖迎晨,等.考虑可中断负荷和需求侧竞价的供电电价模型研究J.电力需求侧管理,2010,12(5):14-18.14 冷钊莹,陈中,邢强,等.基于负荷类型细分的负荷聚合商日前投标非合作博弈模型J.电网与清洁能源,2020,36(5):17-28.作者简介：庞贺元（1995-），男，河南新乡人，硕士研究生，研究领域为电力系统稳定性、电力系统优化、配电网自动化。（编辑：王智圣）fuzzy=readfis（fuzzy-control），将之前设计好的模糊规则fuzzy.fis文件输入到模糊逻辑控制器中即可进行仿真。使用基本PID算法和模糊PID算法仿真结果如图7、图8所示。由此可知，在基本PID算法的控制下，当T为150 s左右时出现超调现象，超调量11.26。当T接近400 s的时候，才趋于稳态。总体上看，系统调整时间较长，超调量也较大。改为模糊PID控制后，当T接近200 s时，就趋于稳态。从波形中可以发现，超调量约为7.3，温度在135 s时升到最高，随后出现一个小幅度下降，到达稳态。可见，模糊PID控制相比较于基本PID，超调量要小得多，而到达稳态的时间也短的多，最终保持在85 0.002，稳定性良好。具有响应快、误差小的性能优势。4结束语本文以新能源汽车为对象，介绍了基于嵌入式控制器的硬件系统和基于模糊PID的软件控制策略。给出了关键模块的电路图和程序代码。通过Matlab对控制算法的仿真，分析了该控制策略的优势。参考文献：1 黄科薪,蒙富华,李盛福.新能源汽车集成化冷却系统技术方案J.汽车工艺师,2020(11):53-55.2 郭少杰,王军雷,夏天,等.基于专利分析的新能源汽车驱动电机冷却技术发展现状分析J.汽车文摘,2020(5):8-12.3 娄刘生.新能源汽车冷却系统性能分析及优化控制的研究D.镇江:江苏大学,2018.4 高银桥.新能源汽车驱动电机冷却技术的发展现状研究J.内燃机与配件,2020(12):249-250.5 赵冲,王有镗,郑斌,等.新能源汽车动力电池冷却技术分析J.内燃机与配件,2020(1):192-193.6 韩颖,周欢.新能源汽车动力电池的冷却技术研究J.中国设备工程,2022(20):206-208.7 冯艳红,唐岚,陈林彬,等.基于ESP的模糊PID和PID控制策略对比J.汽车实用技术,2022,47(17):109-112.8 张洪凯,姜明明.基于PID控制与模糊PID控制的比较J.轻工科技,2021,37(11):71-73.9 杨佩琦,张颖,文凯,等.模糊PID控制在汽车发动机冷却水泵系统中的应用J.机电工程技术,2020,49(12):120-122.10 潘华,肖雨涵,梁作放,等.基于改进隶属度函数的电动汽车充放电多目标优化调度模型J.电力科学与技术学报,2021,36(6):85-93.作者简介：韩煜娴（1983-），女，硕士，工程师，研究领域为汽车系统设计。朱昊（1980-），男，教授，研究领域为电子系统设计。（编辑：王智圣）图7基本PID仿真结果图8模糊PID仿真结果（上接第71页）庞贺元：负荷聚合商参与风光消纳调度策略研究117