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原文传递基于热泵的纯电动汽车热管理系统的实验研究与仿真分析

论文题名：	基于热泵的纯电动汽车热管理系统的实验研究与仿真分析
关键词：	电动汽车;热泵;热管理系统;驱动电机;动力电池
摘要：	纯电动汽车具有无排放污染、能源利用效率高、运行噪声低等优点，是未来新能源汽车的理想发展方向。但是，车舱热舒适与动力模块散热是制约纯电动汽车发展的两大关键因素。相比于传统燃油车，纯电动车没有车舱取暖所需要的发动机余热；而采用PTC（Positive Temperature Coefficient,PTC）电加热进行车舱采暖会严重影响纯电动汽车的续航里程。在纯电动汽车运行过程中，驱动电机和动力电池会产生大量的热，如果没有配置合理的冷却系统，会因温度过高导致动力模块工作效率下降，影响续航里程，甚至产生安全隐患。因此，需要研发制冷、制热双向运行的高效热泵系统，并且将热泵系统与动力模块冷却系统相结合。纯电动汽车热管理系统既满足车舱热舒适，又能保证驱动电机和动力电池的运行在安全温度范围内，是纯电动汽车发展的必然趋势。　　本文设计了基于热泵系统，并集成驱动电机冷却系统和动力电池冷却系统的纯电动汽车热管理系统，并对所提出的方案进行了实车组装测试；通过实验与仿真相结合的手段，对纯电动汽车热管理系统性能以及热管理系统与整车性能之间的交互关系进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下：　　1.设计了一种基于热泵的纯电动汽车热管理系统，该系统兼顾驱动电机和动力电池的冷却。根据设计方案，搭建了纯电动汽车热管理系统性能测试实验台，可以实现不同压缩机转速、不同环境温度、不同风速、不同电子膨胀阀开度、不同驱动电机和动力电池热负荷条件下，热管理系统性能的测试。　　2.对所设计的纯电动汽车热管理系统进行了制冷剂充注量实验，确定系统最佳制冷剂充注量为400 g。研究了压缩机转速、膨胀阀开度、环境温度、车速、电机热负荷和电池热负荷等因素对热管理系统热力性能的影响，对比分析了电机废热回收技术对热泵制热性能的影响。实验结果表明，存在“最佳过热度”使得纯电动汽车热管理系统COP（Coefficient of Performance,COP）获得最大值；制冷工况下，系统的“最佳过热度”范围是21~28℃；制热工况下，系统的“最佳过热度”范围是5~10℃。制冷工况下，车速的增大有利于冷凝压力的降低，制冷性能得到提升。电池冷却回路开启时，系统制冷COP降低16.1%~27.5%；所设计的电池冷却回路，能够保证电池在安全（24.1℃~38.8℃）运行范围内。相对于单一空气源热泵，环境温度为-7℃，废热量为500 W时，系统制热量提高了22.1%~27.5%，COP提高了19%~21.3%；废热量为1000 W时，系统制热量提高了47%~50.5%，COP提高了26.6%~29.3%。　　3.对比了三种经典的微通道流动沸腾换热关联式，即叠加模型（B_Correlation）、选择模型（KB_Correlation）和拟合模型（SM_Correlation）的精度；针对现有流动沸腾换热关联式的精度不高的问题，提出了基于对流换热强化因子（Enew）和核态沸腾抑制因子（Snew）的流动沸腾换热关联式。仿真结果表明，新提出的流动沸腾关联式预测值和实验值的平均相对误差为7.9%，为车用微通道平行流蒸发器仿真模型的建立奠定了基础。　　4.基于ANN（Artificial Neural Network,ANN）模型和理论模型混合仿真的方法，建立了纯电动汽车热管理系统仿真模型，并与实验数据进行了对比分析。结果表明，系统制冷/热量的平均相对误差为8.5%，耗电量的平均相对误差为10.3%，COP的平均相对误差为7.6%；仿真结果与实验结果基本吻合，模型可以准确预测纯电动汽车热管理系统热力性能。　　5.对整车仿真软件ADVISOR（AdvanceD VehIcle SimulatOR,ADVISOR）进行二次开发，将热管理系统仿真模块和模糊控制模块嵌入ADVISOR中，建立了热管理模块与ADVISOR软件的集成开发平台。针对UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule,UDDS）循环工况，分析了热管理系统对整车性能的影响，并进行经济性分析。结果表明，制冷工况下，采用空调系统，相比于空调系统关闭时，车辆的百公里能耗增加了19.1%~25.3%，续航里程减少了15.5%~28.7%。开启电池冷却回路时，相比于单冷空调系统，车辆的百公里能耗增加了5.5%~12.3%，续航里程减少了6.5%~11.3%，制冷COP降低了16%~23.8%。制热工况下，采用热管理系统时，相比PTC电加热，纯电动汽车百公里能耗减少16.4%~23.7%，车辆续航里程提高19.6%~31.1%。含废热回收的热管理系统比单一热源热泵系统的制热 COP提高了33.8%~48.6%。
作者：	田镇
专业：	制冷与低温工程
导师：	谷波
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文