论文信息:基于热泵的纯电动汽车热管理系统的实验研究和仿真分析,田镇
将建立的热管理系统仿真模型嵌入到整车仿真软件 ADVISOR 中,建立了热管理模块与 ADVISOR 软件的集成开发平台,为纯电动汽车整车参数匹配和设计开发提供实用价值。
纯电动汽车的研发方式主要分为三种,包括实验台架研发、实车平台研发和计算机仿真研发。涉及整车性能的动态测试难度较大,可操作性差。计算机仿真技术使得系统之间参数设置和传递更加灵活,可以有效缩短纯电动汽车的研发周期。目前应用较为广泛的纯电动汽车整车仿真软件主要包括:美国国家可再生能源实验室(NERL)开发的 ADVISOR,奥地利 AVL 实验室开发的 CRUISE,美国芝加哥大学国家实验室(ANL)开发的 PSAT。
ADVISOR 中纯电动汽车的结构参数由整车“Vehicle”,电池“Energy Storage”,驱动电机“Motor”,传动系统“Transmission”,传动系控制“Power Train Control”,车轮“Wheel”和电器附件“Accessory”等组成。目前,国内外对于纯电动汽车热管理系统的研究与应用刚刚起步,ADVISOR 仿真软件还不支持纯电动汽车热管理系统与整车性能的联合仿真。ADVISOR 软件二次开发的目的是通过改进模型和建立新模型,实现纯电动汽车热管理系统与整车性能的联合仿真。
ADVISOR 软件中,空调等电动附件能量消耗一般采用经验值或者额定值加以估算并进行整车性能计算。而对于包含热泵系统、电机冷却、电池冷却的热管理系统,单一的经验值必然影响整车性能仿真的准确性。对 ADVISOR 进行二次开发,以实现纯电动汽车热管理系统与整车性能联合仿真。相比于 ADVISOR 原有纯电动汽车模型,主要进行的二次开发功能如表所示。
1、热泵系统模型
将所建立的热泵模块嵌入到“electric acc loads”某块中,将原有“power_constant”替换为纯电动汽车热管理系统模块(EVTMS)输出的压缩机耗电量。
2、驱动电机热管理系统
3、动力电池热管理系统
热泵系统的模糊控制
热泵系统的能耗对纯电动汽车性能有很大的影响,为了使系统保持较高的运行效率,必须采用有效的控制策略。涡旋压缩机转速和电子膨胀阀开度是热泵系统制冷量和制热量的主要控制量,采用模糊控制对车内温度进行控制。
将采样时刻的室温与设定值温差及变化率作为输入量,通过模糊推理对压缩机转速和电子膨胀阀开度进行控制;当车内温度与设定温度温差绝对值大于 15℃时,为了使车内温度尽快达到设定值,压缩机以最高转速和电子膨胀阀以最大开度运行;室温偏差绝对值在 15℃以内时,采用模糊控制算法控制压缩机转速和电子膨胀阀开度。基于上述控制原则,建立纯电动汽车热泵系统的模糊控制器。
所设计的热泵系统模糊控制器是双输入和双输出,其中输入量为车车内温度设定值与实测值之差的模糊量 E 以及该偏差变化率的模糊量 EC;输出量为压缩机转速(Ncomp)和电子膨胀阀开度(Neev)。
热管理系统与ADVISOR联合仿真分析
ADVISOR 中的循环工况、车身、车轮/车轴、主减速器、变速箱、电动机/控制器、电器附件、动力总线、蓄电池等模块,存储于“models”文件夹中,是整车仿真的基础。根据纯电动汽车主要技术参数及相应的实验数据,将二次开发的驱动电机热管理模块、动力电池热管理模块以及热泵系统模块嵌入到 ADVISOR,建立综合管理系统与ADVISOR 联合仿真模型,如图所示。在进行二次开发过程中,要兼顾前向过程和后向过程,对相关的 M 文件进行修改,实现输入变量和输出变量的传递。
对整车仿真软件 ADVISOR 进行二次开发,建立了纯电动汽车热泵系统的模糊控制模块,将所建立的热管理系统仿真模型嵌入到 ADVISOR 中,实现了纯电动汽车热管理系统与 ADVISOR 的联合仿真。针对 UDDS 循环工况,可以分析车内制冷和制热效果以及冬季电机热回收和夏季电池冷却对电池 SOC 的影响,进而对热管理系统的经济性进行分析。