热管理中的电机堵转辅热技术

一、电机堵转辅热技术

第四代整车热管理系统是在特斯拉Model Y(图片|配置|询价)车型上的典型应用，该系统采用“八通阀”将座舱、电机、电控、动力电池等具有热管理需求的部件进行统一的热量管理，全车可实现如低温环境下的车辆预热、除雾、除霜以及为电池系统降温等共计12种制热模式和3种制冷模式，其具体功能如下：

图1 特斯拉Model Y热管理实现功能

目前对于该热管理系统在整车上的应用其在技术上的关键主要有四点：高集成八通阀、热泵及余热回收、电机堵转辅热以及热量智能分配与管理，本文主要与诸君交流的是其中的电机堵转辅热技术。

图2 关键技术

在传统的观念中，大多数人对于电机‘堵转’的理解是电机或其关联系统在运行过程中受到外物的影响从而被卡住导致了停止转动，如车窗在上升过程中，通过外力阻止其上升，此过程中电机便发生了传统意义上的堵转。

但在热管理中的电机堵转技术却并非如此，其是指在有加热需求时的某一条件下，系统通过主动控制驱动电机让其降低输出效率，从而使电机产生的热量为有需求区域提供辅热的过程。诸君也清楚驱动电机的输出功率其需求是来源于踏板信号，该信号经过VCU处理后给到MCU，最终由MCU控制驱动电机的输出转速与扭矩，而转速与扭矩的匹配便是最终驱动电机的输出状态。如下图所示，在电机效率MAP中，不同扭矩与转速所组成的具有相同输出功率的功率曲线所经过的效率区间是不相同的，而电机堵转技术便是在合适的效率区间内选取合适的功率点让热量需求与整车动力性能得以平衡的一种技术手段。

图3 电机效率MAP

在下图所示的驱动系统架构中，动力电池输出的电流经MCU及线束后，由于损耗的存其输出电流将由I1变为I2。而在电机的运行过程中，由于电机绕组等会发热，此过程会继续对电流造成损耗，因此电机的输出功率与MCU输出端的功率便不会相同，此二者的比值通常情况下便是电机的效率值。

图4 驱动系统架构

当系统处于正常运行状态时，电机的输出效率=（Pout/P2）*100%，其中，P2=U*I2，Pout=转速*扭矩/9550。从上述公式我们可看出，当系统需要利用电机堵转技术进行辅热时，降低电机效率的方式便有两种，一种是通过保持整车的驱动性能（即Pout不变），去增大驱动电机的输入功率（即增大P2），由于整车电压通常不会有太大的变化，因此通常是通过增加输入电流I2得以实现。此方式下的整车可确保其动力性，但由于利用了更多的电能用于热转换，因此理论上对于整车的续航会有一定的影响。

另一种方式则是保持驱动电机输入端的输入功率不变，通过降低驱动电机输出端的功率以让系统热损耗增加，以实现热量的产生与应用。在此方案的应用阶段中，整车的动力性将会有所下降，但由于输入端的功率保持不变，因此理论上整车的续航将不受影响。对电机堵转技术所采取的不同方案总结如下所示：

图5 电机堵转辅热技术方案

二、系统回路

由于通过电机堵转进行辅热是一种制热技术，在整车热管理系统的应用中电池、电机的液冷管路具有同类性，因此该技术主要被应用于为电池系统的辅助制热中，其过程回路是：电子水泵20→动力转换系统21→DC/DC22→油冷器23→八通阀1（F口）→八通阀1（D口）→电池2（水冷板3）→ECU控制单元5（截止阀4关闭）→八通阀1（C口）→八通阀1（E口）→电子水泵20，如下如：

图6 电池系统制热回路

三、应用场景

该技术主要应用于能为动力电池提供快速加热的环境场景中，如在动力电池有充电需求时，通过系统的热量管理让电池提前预热以进入最佳充电温度，又如在低温环境中用车时，通过启动车辆并采用电机堵转技术，以电机线圈绕组的阻丝为发热源，通过冷却液将产生的热量传递给动力电池，以实现为电池快速加热并让其进入正常工作温度的目的。

四、控制策略

主要是针对应用场景进行策略开发，这里以保持车辆动力性为前提的方案做说明。如在进行充电前的预热时，可通过对路径的规划计算出车子到达充电点所需的时间，再以当前电池温度为基点，计算电池到达充电最佳温度的温度差，结合时间以及通过热值公式计算出在相应时间内获得最佳温度差所需的电流，由此电流值便可得到相应的电能与热能转换过程中的功率值，此功率与整车动力需求下的功率之和便可近似认为是电机正常工作下的功率值。

图7 功率选取基本流程

对于系统的控制策略而言，如何在系统获得最佳热量的同时，尽可能的让驱动电机效率损耗最低是该控制策略的关键，因此在运行中对于输出功率点的选取需不断地平衡效率、热量以及动力需求。

而在低温环境下通过电机堵转技术对车辆启动后的动力电池进行加热辅助，其目的是需要让动力电池快速进入最佳的工作温度区间，在此需求下，以安全为前提的电机堵转技术则是以尽可能多的为动力电池提供热量为目的。

此工况下，对于功率点的选取则是在电机及整车性能要求的范围内尽量选择效率损耗较大的点，通过多损耗电能的方式将其转换为热能以实现系统的快热功能。此工况下的策略与充电预热下的策略不同之处在于，此工况无需考虑效率高低，只要确保在性能允许下让电能尽量为热管理服务，因此此时的电机效率通常会较之前一种低许多，也由于在控制策略上所需考虑的因素少了，所以相对较充电预热下的控制也显得简单些。

另外，由于应用电机堵转辅热技术为整车热管理服务的场景并不多，同时使用该技术参与热管理的实际时间也不会太长，所以即使是通过降低效率以辅助加热也不会对整车实际的续航有太大的影响。又由于该技术的应用前提是整车热管理处于高度集成下，经过精准的温度控制，可以让整车热量、电能的利用率达到最佳，从整车层面而言，相关技术的应用不仅不会降低整车续航，反而对于提升续航起到了一定的作用。

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