基于热泵技术的纯电动汽车集成热管理系统研究

作     者：张隆 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗勇

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：纯电动汽车 超级水壶 热泵空调 集成式热管理系统 最优控制 

摘      要：随着纯电动汽车的不断发展,热管理技术逐步成为纯电汽车发展的重要组成部分,纯电汽车热管理系统相对复杂,需要兼顾多个部件和子系统的热特性,而且低温制热效率低、能耗高等问题对驾乘体验影响很大。因此,在保证各子系统在最佳温度范围的前提下,提升热管理系统性能并降低能耗成为研究热点和难点。 本文依托重庆市技术创新与应用发展专项重大项目“新能源汽车先进动力系统设计与高效集成控制关键工具链研究,以纯电动汽车为研究对象,基于企业超级水壶并结合热泵空调技术开发整车集成式热管理系统,并设计整车集成式热管理最优控制策略,以达到提升热源制热效率并降低能耗的目的。主要研究内容如下: 首先对超级水壶和热泵空调系统的组成、工作原理及涉及到的热力学循环进行介绍;明确各子系统热管理功能需求,在对比不同车型方案的基础上,设计新的整车集成式热管理系统方案并划分不同方案的循环线路;整合不同模式下阀部件控制信息,为搭建控制策略模型奠定基础。 然后对方案中涉及到的部件进行参数匹配,匹配的前提是对各子系统热负荷特性进行分析,并以此作为匹配选型的基准量;分析各子系统热交换转移途径,并搭建仿真模型探究室外空气、电机/电控余热和PTC热源对制热效率的影响;根据热源分析结果及子系统最佳温度范围设计最优顶层控制逻辑,并对压缩机转速、PTC输出功率和电子膨胀阀等关键部件的控制过程进行介绍及建模。 最后分析各子系统不同模式下制冷/热性能,在确定最优热源、最佳余热阀值、热泵空调和PTC切换条件等信息后,开发整车集成式热管理系统控制策略并搭建模型,依据不同评价指标探究新开发的整车集成式热管理系统及控制策略的优越性。结果表明:模糊PID控制下的压缩机转速节约23%的制热时间,稳定温度及COP值波动较小;在整车制热时,整车集成式热管理控制策略的耗电量均较低:在环境温度分别为-10℃和0℃时整车集成式控制策略下的耗电量分别为2.83 k Wh和1.35k Wh,相较于传统PTC和热泵空调制热能耗分别降低37.3%、15.5%和55.4%、11.3%;在环境温度分别为-20℃和-15℃时整车集成式控制策略下的耗电量分别为4.07 k Wh和3.52 k Wh,相较于传统PTC和热泵/PTC/余热制热耗能降低29.6%、22.1%和32.3%、20.2%;充分说明在确保车辆运行稳定和乘坐舒适前提下,新系统有效提高制热效率,并减少整车电能损耗。