纯电动汽车热泵空调系统仿真及控制策略研发

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近年来电动汽车凭借着其能量转换效率高、行驶过程无污染的优势站上了历史舞台。但由于其电池容量以及续航里程问题尚待解决,因此目前为止电动汽车在市场上所占份额较小。除了直接针对电池的研究,不少学者还从电动汽车辅助系统着手研究,其中作为汽车辅助系统中能耗最高的空调系统成为了研究重点。现今已上市的电动汽车大多搭载蒸汽压缩式制冷和PTC电加热供暖系统,由于PTC能量转换效率的限制,冬季暖风系统开启严重影响了车辆行驶里程;而热泵空调作为目前已知的能效比最高的空调系统,在汽车上推广使用可以减小对续航里程的不利影响。
  本文以某电动汽车作为研究对象,对原空调系统进行仿真分析后,对该系统进行改进,提出低压补气型热泵空调系统,尝试在KULI中搭建仿真模型,研究其冬季制热性能,最后针对制热工况建立相应的压缩机控制策略。
  针对空调系统的研究主要有实验和计算机仿真两种手段,本文主要通过仿真方法进行研究。选择一维热管理软件KULI作为仿真平台,在分析了该软件中空调系统主要部件仿真原理的基础上,建立了所研究车型原始空调系统制冷工况模型并进行标定。为了对空调系统制冷性能有更好的了解,本文选取了环境温度、冷凝器风量以及蒸发器风量三个参数,分析了不同参数变化对空调系统的影响。
  为了改善汽车在冬季制热时的性能,提出了低压补气型热泵空调系统,首先对其原理和构型进行了分析;之后将以上原始空调模型作为基础,搭建了新型空调系统制热工况模型。鉴于在建立室内外换热器单体模型时所用于标定的数据为制冷工况时,无法体现制热时室内外换热器功能对换时的换热性能,因此本文选择用理论计算的方法对两换热器进行重新标定。进一步的,为了研究低压补气型热泵空调的制热性能,以稳态模型为基础,分别将环境温度、室外换热器风量、舱内温度以及相对补气量作为变量,对不同条件下对空调运行参数及性能进行了分析,为之后控制策略的制定提供参考。此外,考虑到热泵系统冬季易结霜问题,以某论文中的实验数据作为参照,在KULI中运用换热器的换热因子和压降进行等效替代,分析了结霜过程中热泵系统性能的相关参数,进一步通过对比各除霜方式的特点最终选择改进的逆循环除霜方法。
  空调系统控制策略的制定主要以乘员舱需求为标准。在分析了汽车冬季热负荷的基础上,在一定使用范围内选择若干工况点,根据计算所得的热负荷调整压缩机转速,共得1855组样本数据;之后尝试通过智能算法建立控制策略,用回归型支持向量机(SVR)建立了回归模型,并通过对中国城市工况和美国工况进行压缩机转速预测验证了模型有效性,同时和PTC电加热系统相比节能效果突出。
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