纯电动汽车空调系统优化

纯电动汽车空调系统匹配及优化张瑞栋（重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆404100）摘要:电动汽车需要为驾乘人员提供舒适的使用环境，空调是不可或缺的重要组成部分。如何将空调系统恰当的应用到电动车上，并减少对电动车动力性和续驶里程的影响，使电动车空调系统的开发及匹配设计成为开发电动车的重要课题。根据使用环境条件，确定系统的不同工况，计算匹配参数，进行合适的系统建模及分析。关键词：电动汽车空调系统匹配设计中图分类号：TK-9MatchingAndOptimizationForAirConditioningSystemOfElectricVehicleZHANGRuidong(CollegeofMechanicalandAutomobileEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing404100)Abstract：Electriccarsneedtoprovideacomfortableenvironmentfortheoccupants,airconditioningisanimportantpartof.Howtousetheproperapplicationoftheairconditioningsystemtotheelectricvehicle,andreducetheinfluenceoftheelectricvehiclepowerandthedrivingrange,thedevelopmentandmatchingdesignofelectricvehicleairconditioningsystemisanimportantissueforthedevelopmentofelectricvehicles.Accordingtotheuseofenvironmentalconditions,determinethesystem'sdifferentconditions,calculatethematchingparameters,theappropriatesystemmodelingandanalysis.Keywords:ElectriccarAirconditioningSystemmatchingdesign0前言随着全球变暖、能源危机愈演愈烈，传统燃油汽车由于消耗大量石油，对环境造成严重污染，已经不能满足人们对环境保护的要求[1]。在日益注重环保的今天，电动车以其低能耗、低排放、对环境不造成污染、噪音小等优点，以及其动力性和经济型方面已经接近甚至超越传统燃油汽车的特点而广泛受到世界关注。电动车这一领域中国的发展与外国基本处于相近甚至领先的起跑线[2]，技术水平与产业化差距相对较小。电动车的有效能量利用率约为18％，总的能量利用率高于传统燃油汽车[3]。电动空调系统是电动车功耗电能最大的辅助子系统，功耗可占所有电子辅助系统功耗的60％到75％[4]，电动空调系统的使用消耗了大量的动力电池电量。由于电动车与传统燃油电池的驱动动力不同，使得电动车的空调系统区别也很大，因此对空调系统的优化是十分有必要的。1空调系统的研究的现状、发展动态1.1热电式制冷空调系统热电式制冷空调系统采用热点制冷原理进行降温，利用高效的PTC(positivetemperaturecoefficient)加热元件进行采暖和对挡风玻璃进行除雾除霜。以珀尔帖、塞贝克屋里效应为理论基础[5]。冷却器及散热器均由若干组热电堆组成。热点制冷系统可由太阳能进行辅助[6]，系统不仅热电式制冷系统车内进行降温，利用PTC作为加热元件进行制热以及对前风挡除霜除雾。利用太阳能进行辅助空调系统作为能量来源可以有效降低动力电池的消耗。1.2电动压缩机空调系统电动汽车以动力电池为整车的动力源，电动压缩机的驱动源可以由动力电池所输出的高压电来进行提供[7]，所以电动车可以采用电动空调压缩机制冷系统进行制冷。该系统使用电池的直流电来驱动压缩机中的电动机进行工作，制冷剂在空调系统零部件内进行循环，外程制冷回路从而达到制冷目的。此系统对于传统汽车空调系统改动量较小，只改变了压缩机的驱动方式，相对其他方案实施难度小，技术较成熟[8]。目前各企业和科研机构研究的电动压缩机空调系统制冷系统基本相同，较大的区别在于取暖部分，大体可分为PTC空调系统和热泵空调系统两大类。[9]1.2.1PTC空调系统采用高效高压PTC取代传统空调中的散热芯体，因此可间接的将燃油汽车空调系统改为电动车空调系统。早期开发的电动汽车空调系统中常用此方案。该方案方法简单易实现，但耗电量大，效率低，且通过PTC吹出的空气十分干燥，降低了乘员的舒适性。此外，可以利用电机及控制器等部件循环散热系统产生的热对车舱取暖和电池组取暖，充分利用循环系统的余热，节省电池组能量，提高效率[10]。1.2.2热泵空调系统和家用热泵空调累死，利用四通阀进行不同工况下的制冷剂换向，允许制冷剂反向流动，可以实现冬天供热，夏天制冷的功能，是目前较为常见的一种应用较广泛的电动车空调系统。此系统由于受制冷剂温度的限制，不能工作在较低的温度，但可以辅助于PTC为车舱进行加热。目前广泛应用的热泵空调系统是以R134a、CO2作为制冷剂的热泵空调系统[11]。1.3电动空调系统开发的现状、发展动态通用汽车公司开发的EVI电动汽车采用了哈里森热泵式空调[12]。哈里森热泵式空调运用先进技术可以使乘客进入车舱前就预先调好车内的温度，但是由于没有发动机的余热，空调制热效果并不太理想。日本本田公司在EV电动车上开发出了一种自动恒温的热泵空调系统，该系统应用了一个反向换流器控制压缩机[13]。此外为了满足在严寒气候条件下的空调系统的使用，顾客可以需安装一个内燃机式暖风系统。丰田普锐斯轿车空调系统采用了电动压缩机和加热用的电动水泵[14]，压缩机和水泵分别由空调逆变器和直流逆变器驱动。电动空调系统相对于传统空调系统具有很多优点，但是在电动汽车上匹配时需要注意对整车性能特别是续驶里程和最高车速的影响，要综合考虑。2电动车空调系统方案确定对于电动车空调方案有很多解决方案，对车企来说选择电动车空调系统方案要考虑以下因素：1）空调系统制冷能力能否满足乘员和整车需求；2）空调系统的能耗能否满足整车动力性和续驶里程要求；3）空调系统方案及零部件成熟度能否满足大规模生产需求；4）空调系统方案控制方法是否复杂5）空调系统能否满足车辆行驶条件和环境需求；按照这五个方面进行详细的方案分析[15]。对于热点制冷空调系统，采用的电热材料转换效率比较低，制冷效果也不能满足电动车的需求[16]，并且热电材料的产能受到构成热电元件的矿物质碲元素产量的限制等诸多问题，不能满足电动车产业化的发展需求[17]。对于余热式制冷空调系统，其体积大、并且系统复杂，对电动车的动力电池以及电池管理系统要求很高，在使用过程中产生废气物，需要定期清理。另外，余热式制冷空调系统只有应用在余热的热源比较稳定的燃料电池电动汽车上才具有可行性，应用到电动车上，效果就不是很理想。对于热泵空调系统，其在温度小于0°C时，冷凝器将结霜不能适应特别寒冷的地区（如我国的东北地区）；并且其控制方法比较复杂、零件的成熟度也不稳定，所以不能满足我们的项目需求[18]。综上所述，热电制冷空调系统、热泵空调系统以及余热式制冷空调系统应用在电动车上的节能性、制冷能力以及技术方案成熟度均不如电动压缩机制冷空调系统。相比较而言，采用电动压缩机制冷空调系统更适合电动车。对于不同类型的电动车，该方案的通用性较好，并且对传统车改装为电动车的空调系统结构改变较小，制冷功能的实现通过采用电动压缩机取代传统发动机带动的压缩机即可。故最终确定电动汽车制冷空调系统解决方案采用电动压缩机制冷空调系统[19]。3电动车电动化辅件控制系统设计采用S7-200系列小型PLC(MicroPLC)作为电辅件的控制系统，S7-200系列小型PLC可以应用于各种自动化系统。结构紧凑，低成本以及功能强大的指令集，使得S7-200控制器是各种小型控制任务理想的解决方案。多种多样的CPU尺寸及电压范围以及基于Windows的编程工具，可以更加灵活、方便地解决自动化任务[20][21]。3.1PLC可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController)，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分[22]。3.2基于PLC的电动化辅助系统设计整个系统实验平台主要由西门子PLCS7-200CPU模块，模拟量输入模块EM2318AI，模拟量输出模块EM2322AO，空调压缩机电机、电动液压助力转向系统电机和电动空压机电机，电源、电流传感器和电压传感器，数据采集系统、上位机等组成。CPU的供电电压为AC220V，模拟量模块EM231和EM232的供电电压均为DC24V，CPU模块上自带的24V直流电源可以用于给传感器供电，也可用于给模拟量模块供电。其中模拟量输入模块EM231用于接收传感器信号，模拟量输出模块EM232用于输出变频器可以接受的模拟量信号以直接控制变频器，CPU模块则是处理经模拟量输入模块接收到的模拟量信号，并经过运算后控制变接触器的通断[23]。4电动车空调系统模型建立纯电动车汽车空调系统是由一系列纵横交错的子模块组成的系统[]，本文建立地模型关注于空调的两个重要指标，一是空调系统消耗的功率，二是空调系统对室内温度的调节能力，所建立的模型都与这两个参数有着紧密联系[24]。4.1车室热负荷模型车辆空调系统是能够按照操作人员的要求对汽车内部分温度进行调节，使人感觉舒适。而汽车本身及外部条件存在一些影响因素，会使车室内的温度上升或下降，这些影响条件对车室产生的影响就叫做负荷。而能够影响车室内热量升高降低的负荷叫做热负荷[25]。4.2电动压缩机模型电动压缩机模型原理是损耗分析法，逐一列出压缩机工作过程中的各种效率。包括制冷剂在系统运行过程中损失的效率、系统各个部件运动过程中摩擦产生的机械效率和电机效率[26]。4.3热交换模型热交换器为车辆空调的不可缺少的部分，它由冷凝器和蒸发器组成，当制冷过程时，热交换器的性能直接影响到车辆空调制冷量、效率等性能[45]热交换器的效力是两个不同气温不同压力的制冷剂之间的冷热互传[27]。4.4空调控制器模型根据以上确立的输入输出变量隶属度函数和模糊控制规则，运用MATLABFUZZY工具箱，建立电机控制的转速控制器。4.5温度计算模型车室温度的变化主要受车室热负荷和制冷量的影响，将车室热量变化转化为温度变化即得到车室终温[28]。4.6数据文件设计空调模型各模块运行时需要读取相关参数，有些参数如车室实时温度、电动压缩机需求转速、需求功率可从其他模块的Simulink模型运用goto函数传递[29]，其他参数如整车尺寸、模糊控制输出参数需从Workspace空间中读取，对于这些数据要编写参数的M文件，将这些变量输入到工作空间中[30]。5结语通过对纯电动公交车空调系统匹配及部件选型、优化了空调控制方法、完成了电动空调系统的建模及基于ADVISOR的电动汽车整车模型设计，最后进行了不同情况下的实验进行验证所建电动空调系统的准确性，对控制方法进行了仿真比较。参考文献[1]863计划能源技术领域办公室电动汽车重大专项目总体组。国家“十五”863计划电动汽车重大专项技术研讨会学术报告汇编[R]．2004:1-8．Planenergytechnologyfieldofficeelectricvehiclemajorspecialprojectteam.Thenationalfifteen863planforelectricvehiclesmajorspecialtechnicalseminaracademicreportcompiled