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电动汽车热系统性能及控制优化研究

作　者: 瞿晓华
导　师: 陈江平
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 电动汽车微通道换热器电池热管理控制优化 CFD
分类号: U469.72
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

能源危机、全球变暖、环境污染等因素促使电动汽车成为未来汽车的发展方向。动力电池需要热管理才能保证其使用安全性及较高的性能。另外，汽车动力系统更改后，整车热特性有很大的变化，对空调，特别是对取暖有本质的影响。电动车不仅要提供乘员舱舒适驾乘环境，还要为动力电池及其他电动机及逆变器等电器部件进行热管理。热管理系统的性能优劣及能效比将直接决定了电动车的续航里程、驾乘舒适性及行驶安全。设计开发高能效比、节能和稳定的热系统与控制系统对电动车的开发与推广具有非常高的现实意义。因此，本文在分析比较电动车热管理系统方案的基础上，搭建了电动车热管理系统，并通过理论结合实验的研究手段对空调箱及控制系统进行了设计与节能优化。本文主要内容及成果如下：一、采用层次分析方法建立了电动车热管理方案的工程评价模型。对常见的电动车热管理可行方案进行了分析，并基于专家的群决策知识开展支持，通过电动车热管理系统功能相对于客户需求总目标优劣次序的排序。模型在定量分析各方案的技术、成本、性能、控制等多方面因素的基础上，获取最优的电动车热管理系统工程应用方案。研究结果表明采用独立的电池空调箱对电池进行热管理具有明显的优势。随后，通过实验对比研究了电池采用风冷与电池采用水冷这两种独立空调的热管理方案。实验表明：两种电池热管理形式都可以满足工程应用，而相对而言，水冷方案具有更好的空调降温和升温特性，且电池SOC消耗也要小于风冷形式。二、通过数值分析理论与实验验证的方法建立了空调箱空气侧数值分析的CFD模型，模型流量最大误差为3％，最大温度误差为1.4℃。并通过CFD模拟结合实验的研究手段，基于节能目的对电动车乘员舱空调箱进行了空气侧优化设计。在满足空调箱的各项舒适性指标的同时，优化了空调箱内部流道，降低了内部流阻、减少了暖风芯体的漏热、改善了气流在蒸发器表面的分布。优化后制冷模式风量提升11%，制冷性能提升16.6%；制热模式风量提升16.5%，制热性能提升11.1%。大大提升了空调箱的能效比，达到了节能的设计优化目的。三、提出了人体/电池及电器件的热感知舒适度指标TCI，并基于此建立了前向神经网络，在分析电动车热系统特点的基础上，基于热系统节能的目标，结合模糊神经网络控制理论，建立了电动车热系统控制的模糊神经网络模型。以TCI指标作为热管理系统的控制目标参数，控制对象为电动压缩机、PTC加热器、电动水泵、鼓风机、步进电机、电磁阀等。控制的主体策略为根据输入条件判断，在各个控制对象之间找到一种最匹配的控制方式，使得车厢内、电池包及电器的温度快速达到设定温度，温度波动小、SOC消耗低。四、基于节能目的，结合微通道蒸发器系统特点，开发了一套更适于电动车微通道蒸发器空调系统的温度控制系统。控制系统具有更好的控制灵敏度和控制反应特性，温控区间可设置在[0,4]。最低蒸发温度达到冷凝水的冰点温度0℃，低于传统设计采用空气温度传感器的[4,5.5]，最低蒸发温度下降2℃，最大极限地挖掘了空调系统的制冷性能。五、将本文研究得到的基于节能的空调箱优化方案和热管理系统控制策略应用于本文搭建的电动车热管理系统中进行实验研究，并与优化前的方案及传统原型车进行对比。试验结果表明:优化设计后的热系统控制稳定，且可根据用户设定迅速响。电动车空调箱及控制系统优化后，降温性能得到明显提升，降温速率提升，出风口温度下降2.2℃，头部温度下降2.0℃；升温性能速率略有提升，另外由于控制策略，限制PTC加热器及发动机的运行间隔和时常，升温特性优化前后无明显差异。而同时，空调系统对SOC的消耗则得到了明显改善，制冷工况能耗降低SOC17%；制热工况能耗降低SOC18%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
目录  11-14
主要符号表  14-16
第一章绪论  16-30
  1.1 研究背景和意义  16-17
  1.2 研究现状和文献综述  17-28
    1.2.1 电动车电池热管理系统  17-23
    1.2.2 电动车空调系统  23-28
  1.3 本文主要研究内容  28-30
第二章电动车热管理系统方案分析  30-49
  2.1 层次分析法模型  30
  2.2 电动车热管理系统  30-33
  2.3 模型建立  33-39
    2.3.1 建立层次结构模型  33-34
    2.3.2 判断矩阵的构造与分析  34-39
  2.4 电动车热管理方案实验研究  39-48
    2.4.1 电池独立风冷方案  39-41
    2.4.2 电池独立水冷方案  41-43
    2.4.3 实验装置和系统  43-44
    2.4.4 实验结果分析  44-48
  2.5 本章小结  48-49
第三章基于节能的电动车空调箱性能优化  49-77
  3.1 试验装置和测量方法  49-53
    3.1.1 风量测试  49-50
    3.1.2. 性能测试  50-52
    3.1.3 测量不确定度分析  52-53
  3.2 数值模型  53-56
    3.2.1 控制方程  54-55
    3.2.2 湍流模型  55-56
  3.3 边界条件  56
  3.4 子模型与验证  56-58
    3.4.1 蒸发器模型  56-57
    3.4.2 暖风芯体模型  57-58
    3.4.3 鼓风机模型  58
  3.5 网格独立性  58-59
  3.6 模型验证  59-60
  3.7 鼓风机进风口特性优化  60-63
    3.7.1 鼓风机进风罩壳形状  61-62
    3.7.2 鼓风机进风罩壳进风口面积  62
    3.7.3 外部障碍物与鼓风机进风罩壳距离  62-63
  3.8 蒸发器表面风速分布优化  63-66
  3.9 空调箱内部流道优化  66-73
    3.9.1 空调箱出风口优化  67-69
    3.9.2 冷热气流混合比优化  69-71
    3.9.3 混合腔优化  71-73
  3.10 空调箱漏热优化  73-74
  3.11 空调箱性能提升  74-76
  3.12 本章小结  76-77
第四章基于节能的电动车热系统控制优化  77-112
  4.1 控制理论与控制模型  77-79
  4.2 电动车热管理控制系统  79-83
  4.3 电动车热系统控制模型  83-91
  4.4 电动车空调系统及温控系统  91-111
    4.4.1 系统组成及主要参数  92-95
    4.4.2 实验台架及测试系统  95-96
    4.4.3 环模实验  96-97
    4.4.4 理论分析  97-100
    4.4.5 结果与分析  100-111
  4.5 本章小结  111-112
第五章电动车热管理系统实验研究  112-123
  5.1 实验测试工况  112-113
  5.2 实验结果分析  113-117
    5.2.1 热系统控制稳定性  113-116
    5.2.2 热系统控制跟随性  116-117
  5.3 系统性能实验研究  117-121
    5.3.1 优化后的空调系统降温性能  117-118
    5.3.2 空调系统降温性能对比  118-119
    5.3.3 优化后的热系统升温性能  119-120
    5.3.4 热系统升温性能对比  120-121
  5.4 系统能耗  121
  5.5 本章小结  121-123
第六章总结论与展望  123-126
  6.1 总结论  123-124
  6.2 本文创新点  124-125
  6.3 展望  125-126
参考文献  126-136
致谢  136-137
攻读博士学位期间发表或录用的论文、获得奖励及申请专利  137

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