混动车辆热管理系统能耗优化研究

作     者：王春辉 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高青

授予年度：2023年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：混合动力 热管理 多工况 协同加热 能耗优化 

摘      要：随着汽车行业的迅速发展和可再生能源的衰竭,提升车辆的能源利用率成为了汽车开发阶段的主要目标。本文以混合动力汽车热系统架构为研究背景,研究了混动车辆工作时热系统的能耗,并结合高低温工况下热系统工作模式,提出了热管理控制策略,进一步优化了整车热系统能耗。首先,根据所选的混动车辆类型,阐明了整车热系统结构,掌握了空调系统、电池循环系统、电机及电子元器件冷却系统、发动机冷却系统和加热系统的工作原理,建立了数值模型,确定了部件参数,依靠理论知识支撑,通过一维仿真软件构建了整车动力系统及热系统模型。其次,实现了热系统模型运行调控,制定了混合动力汽车能量分配策略,通过NEDC工况验证动力系统模型的车速及扭矩跟随情况,校核了空调系统的部件性能,优化了电子膨胀阀的控制方式,并且分析了汽车在高温室外暴晒后空调系统的降温性能。接着,验证了整车热系统平衡性能,包含不同车速和不同高温下的整车降温性能,以及低温NEDC工况下的整车加热性能。结果表明,在不同的高温工况下整车热系统部件降温情况良好,低温工况下部件温升较快,但对应的整车冷却能耗和加热能耗偏高。进一步,在高温工况的不同环境温度和不同车速下,通过改变压缩机和水循环水泵转速,得到了不同工况下乘员舱和电池的降温时间,同时观测电机和发动机升温后的散热效果,分析得到电机和发动机的低转速即可满足需求。根据乘员舱和电池的降温时间选取了同时间下压缩机和电池循环水泵的转速和能耗,引入了归一化算法,通过加入权重系数对降温时间和能耗进行了综合考虑,获得了在不同的权重系数下的多个拟合曲面,并且依据拟合数据标准差选取了最佳转速的拟合数据。在不同于上述工况中的环境温度和车速条件下,对所选的最佳转速拟合数据进行了泛化性验证,通过NEDC工况验证了转速控制策略的有效性。结果表明,仿真值与拟合值误差较小,拟合转速适用于该模型的各种工况。随后在环境温度30℃,35℃和40℃下,选取连续两个NEDC工况探究了乘员舱和电池的降温时间。结果表明,在三种环境温度下,使用最佳转速策略相比于线性转速乘员舱和电池平均降温时间下降了14.7s和194s,整车热系统能耗减少了35.8%、12%和6.1%。最后研究了车辆热系统的低温加热能耗,制定了加热工况协同控制策略。根据各子系统产热和热需求,结合部件正常工作温度,将发动机循环水回路、电池循环回路、电机电子元器件循环回路和暖风回路相连,整车热系统共用一个PTC,每个回路与PTC回路连接处设置一个阀门,通过不同的部件温度和温差对PTC档位进行控制。随着加热时间的增加,划分部件温度区间,根据不同的温度区间控制各支路阀门开度,在部件温度上升至预设值时,关闭支路水泵。结果表明,在不考虑阀门开度和水泵开关协同加热控制的情况下,相比于各部件独立加热能够有效降低能耗22.2%,考虑交互阀门和水泵开关的协同热管理更是能进一步降低16.7%。