電動(dòng)汽車熱系統(tǒng)性能及控制優(yōu)化研究.pdf

1、能源危機(jī)、全球變暖、環(huán)境污染等因素促使電動(dòng)汽車成為未來汽車的發(fā)展方向。動(dòng)力電池需要熱管理才能保證其使用安全性及較高的性能。另外，汽車動(dòng)力系統(tǒng)更改后，整車熱特性有很大的變化，對(duì)空調(diào)，特別是對(duì)取暖有本質(zhì)的影響。電動(dòng)車不僅要提供乘員艙舒適駕乘環(huán)境，還要為動(dòng)力電池及其他電動(dòng)機(jī)及逆變器等電器部件進(jìn)行熱管理。熱管理系統(tǒng)的性能優(yōu)劣及能效比將直接決定了電動(dòng)車的續(xù)航里程、駕乘舒適性及行駛安全。設(shè)計(jì)開發(fā)高能效比、節(jié)能和穩(wěn)定的熱系統(tǒng)與控制系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)車的開發(fā)與

2、推廣具有非常高的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文在分析比較電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，搭建了電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)，并通過理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究手段對(duì)空調(diào)箱及控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與節(jié)能優(yōu)化。本文主要內(nèi)容及成果如下:
　　 一、采用層次分析方法建立了電動(dòng)車熱管理方案的工程評(píng)價(jià)模型。對(duì)常見的電動(dòng)車熱管理可行方案進(jìn)行了分析，并基于專家的群決策知識(shí)開展支持，通過電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)功能相對(duì)于客戶需求總目標(biāo)優(yōu)劣次序的排序。模型在定量分析各方案的技術(shù)、成本、性能、控

3、制等多方面因素的基礎(chǔ)上，獲取最優(yōu)的電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)工程應(yīng)用方案。研究結(jié)果表明采用獨(dú)立的電池空調(diào)箱對(duì)電池進(jìn)行熱管理具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了電池采用風(fēng)冷與電池采用水冷這兩種獨(dú)立空調(diào)的熱管理方案。實(shí)驗(yàn)表明:兩種電池?zé)峁芾硇问蕉伎梢詽M足工程應(yīng)用，而相對(duì)而言，水冷方案具有更好的空調(diào)降溫和升溫特性，且電池SOC消耗也要小于風(fēng)冷形式。
　　 二、通過數(shù)值分析理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法建立了空調(diào)箱空氣側(cè)數(shù)值分析的CFD模型，模型流量最

4、大誤差為3％，最大溫度誤差為1.4℃。并通過CFD模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究手段，基于節(jié)能目的對(duì)電動(dòng)車乘員艙空調(diào)箱進(jìn)行了空氣側(cè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足空調(diào)箱的各項(xiàng)舒適性指標(biāo)的同時(shí)，優(yōu)化了空調(diào)箱內(nèi)部流道，降低了內(nèi)部流阻、減少了暖風(fēng)芯體的漏熱、改善了氣流在蒸發(fā)器表面的分布。優(yōu)化后制冷模式風(fēng)量提升11％，制冷性能提升16.6％;制熱模式風(fēng)量提升16.5％，制熱性能提升11.1％。大大提升了空調(diào)箱的能效比，達(dá)到了節(jié)能的設(shè)計(jì)優(yōu)化目的。
　　 三、提出了人

5、體/電池及電器件的熱感知舒適度指標(biāo)TCI，并基于此建立了前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在分析電動(dòng)車熱系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于熱系統(tǒng)節(jié)能的目標(biāo)，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論，建立了電動(dòng)車熱系統(tǒng)控制的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以TCI指標(biāo)作為熱管理系統(tǒng)的控制目標(biāo)參數(shù)，控制對(duì)象為電動(dòng)壓縮機(jī)、PTC加熱器、電動(dòng)水泵、鼓風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等。控制的主體策略為根據(jù)輸入條件判斷，在各個(gè)控制對(duì)象之間找到一種最匹配的控制方式，使得車廂內(nèi)、電池包及電器的溫度快速達(dá)到設(shè)定溫度，溫度波

6、動(dòng)小、SOC消耗低。
　　 四、基于節(jié)能目的，結(jié)合微通道蒸發(fā)器系統(tǒng)特點(diǎn)，開發(fā)了一套更適于電動(dòng)車微通道蒸發(fā)器空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)具有更好的控制靈敏度和控制反應(yīng)特性，溫控區(qū)間可設(shè)置在[0，4]。最低蒸發(fā)溫度達(dá)到冷凝水的冰點(diǎn)溫度0℃，低于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用空氣溫度傳感器的[4，5.5]，最低蒸發(fā)溫度下降2℃，最大極限地挖掘了空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能。
　　 五、將本文研究得到的基于節(jié)能的空調(diào)箱優(yōu)化方案和熱管理系統(tǒng)控制策略應(yīng)用于

7、本文搭建的電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與優(yōu)化前的方案及傳統(tǒng)原型車進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化設(shè)計(jì)后的熱系統(tǒng)控制穩(wěn)定，且可根據(jù)用戶設(shè)定迅速響。電動(dòng)車空調(diào)箱及控制系統(tǒng)優(yōu)化后，降溫性能得到明顯提升，降溫速率提升，出風(fēng)口溫度下降2.2℃，頭部溫度下降2.0℃;升溫性能速率略有提升，另外由于控制策略，限制PTC加熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行間隔和時(shí)常，升溫特性優(yōu)化前后無明顯差異。而同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)對(duì)SOC的消耗則得到了明顯改善，制冷工況能耗降低SOC1