电动汽车一体化热管理系统设计及综合评价方法研究

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电动汽车以其行驶过程中零排放、能源利用率高、噪声污染小等优点成为汽车行业未来发展的主流方向,然而续驶里程短是制约其发展的关键因素,其中热管理系统能耗在整车耗能中占据较大比例。电动汽车热管理系统既需要满足乘员舱舒适性要求,还需要维持电池、电机及电机控制器在合适温度内运行,同时还应使能耗尽可能低,因此,合理设计热管理系统方案对其功能实现和续驶里程提升具有重要意义。而在诸多方案中,有效地对各方案的优劣性进行综合评价和比较,对热管理系统的发展具有促进作用。目前尽管国内外学者、企业对电动汽车的热管理系统进行了大量研究,但仍存在构型方案单一,功能简单、性能优化不足,综合评价研究少见等问题。对此本文对电动汽车一体化热管理系统的设计及其综合评价方法进行了研究,主要研究内容和结果如下:
  ①从一体化热管理系统的各个子系统出发,研究了各个子系统可能的热管理方案,结合各子系统的实际应用情况以及主流研究趋势,对一体化热管理系统构型方案进行了设计。该方案采用三换热器热泵系统,兼具乘员舱的制冷、制热、除湿,电池的冷却和加热,电机及电机控制器的冷却和余热利用,室外换热器的除霜等多种功能,且部分功能可由多种方式实现。
  ②利用AMEsim仿真平台搭建了一体化热管理系统仿真模型,其中关键部件进行了实验验证和标定。
  ③对设计的一体化热管理系统夏季工况和冬季工况性能进行了仿真分析。夏季工况下,空调系统仅对乘员舱制冷时,可满足乘员舱制冷需求。电池采用散热器方式冷却时,冷却液流量对电池温度的影响大于空气流量的影响。电池耦合空调系统冷却时,电池不持续以大功率产热情况下,电池可得到有效冷却。对于电机及电机控制器的冷却,串联构型比并联构型更具有优势。冬季工况下,基础热泵系统在环境温度为-15℃、压缩机转速为6000r/min时,乘员舱温度为18.4℃。采用补气增焓系统后,在压缩机转速为4000r/min时,相对于基础热泵系统,制热量提升了23.5%,乘员舱温度提升了20.3%。采用余热回收可有效提高热泵制热性能,在环境温度较高时,制热性能提升程度越高。对于电池的加热,在环境温度为-15℃时,汽车启动同时,利用电机与电机控制器产生的热量结合2000W的PTC(Positive TemperatureCoefficient)的加热方式,相对于PTC以3000W功率直接将电池加热到10℃,该模式时间增加了3.6%,可节省能量31.0%。
  ④采用层次分析法(AHP)与模糊综合评判法(FCE)相结合的评价方法,建立了一体化热管理系统的综合评价模型,该方法从性能、经济性和可靠性三个方面对热管理系统进行综合评价,其中可靠性的权重最大。该评价方法既可对单一方案进行评价,也可对各个方案进行比较,同时还可为热管理系统的优化方向提供参考。
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