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原文传递电动汽车热管理直冷系统研究及其控制分析

论文题名：	电动汽车热管理直冷系统研究及其控制分析
关键词：	电动汽车;热管理直冷系统;全生命周期;电池状态;预控制估值
摘要：	应对高能量密度动力电池的热安全应用，处理复杂多变环境与工况的车辆热需求，热管理系统正逐步向高效轻质的热流传输结构，集成多变的系统循环架构，智能可靠的联动控制体系推进，形成整车功能性热管理系统，以推动电动汽车高安全性、强动力性、长续航性、低能耗性、优舒适性的发展，在此过程中具有高换热能力的直冷系统在电动汽车中逐渐受到关注。　　本文基于制冷剂直冷的新型热管理传输模式，依托实验测控与模拟计算的手段，对电动汽车热管理系统的热力流动特性、流程布局设计、动态管控制定、老化衰变作用、协同优化管理进行探究。　　设计搭建了电动汽车直冷热管理系统实验台，测试探究直冷电池热管理回路的热流特性和调控规律。结果表明，制冷剂蒸发温度与电池趋稳温度间存在有能力界限特征的关联特性，制冷剂质量流量与热管理换热量存在传热饱和现象。进一步，提出优先电池温降，并结合工质热流特性进而保障电池温均的梯级参变调控策略，具体在不同电池放电速率下优选对应的最佳制冷剂流量和目标蒸发温度限定值，为控制电池温降和温均水平提供新思路。　　基于上述章节的直冷系统实验操控平台，对所构建的三维电池模组热流传输模型以及一维集成热管理系统模型予以验证，以深入探究电动汽车直冷集成热管理系统内部热力交互关系以及性能管控机制。通过识别系统及部件的性能参数变化，表征传热工质的热力流动状态，为集成系统的建立提供理论依据。验证结果表明仿真模型具有较高的准确性和置信度，可用于后续的计算分析。　　首先，耦合电池直冷系统与乘员舱空调系统模型，并组合电池直冷多流程构形，提出并设计了典型的串联、并联、混联流程布局，形成多热力过程制冷集成系统。在选择的典型工况下系统探索集成过程的性能特征，研究包括制冷剂充注量的影响，热管理系统的热力学能量能质特性分析，从系统流程构形的结构特性和增加调控策略的管控过程两方面对比分析电池和乘员舱热行为，以及系统能效特性。研究结果表明，在所研究的工况背景下，系统流程以及负荷的改变对制冷剂最佳充注量不产生作用影响。相同工况和运行条件下，串联系统的COP（CoefficientofPerformance）以及?效率?ex高于并联系统，冷却效果也优于并联结构。综合提出的系统调控机制，得出目前主流连接模式的并联系统在乘员舱温度响应速率方面的性能较优，而串联系统对电池温控能力以及系统能效方面皆有较优的性能表现，可作为集成热管理耦合方式的选择和参考。　　在研究直冷集成系统的耦合关联关系基础上，进一步考虑电池全生命周期性能衰变特性，探索其与直冷热管理的作用关系和规律。考虑常规老化构建电池衰变模型，首先对电池热衰变参数均一性分布进行探索，并分析改变换热结构、增加均衡策略等措施对电池参数一致性的优化改善情况。同时，基于规定的基本工况，以环境温度周期性变化、SOC运行区间水平不同为背景，分析热管理系统与电池衰变间的影响关系。在印证合理有效的热管理措施有助于延长电池寿命的基础上，协同热管理系统寄生能耗的不利影响，提出并解决了电池热管理目标温度的优化问题。结果表明，环境温度在电池良好的工作温度区域10~40℃时，电池保持在该温度?1℃可使系统能耗与电池衰减综合效果较优。进一步提出电池全生命周期下的预控制估值前馈，通过识别判定从内阻角度表征的电池健康状态SOHR更新控制参量，达到最佳的热管理控制实施。研究结果为制定电池寿命优先热管理方案，延长使用年限提供指导帮助。　　最后，在完成直冷热管理系统关键部件的结构和热特性分析、系统的设计与集成、老化衰变要素的完善与丰富后，构建热管理系统整体运行模式架构，探索车用背景下的控制与优化。通过基于方差的全局敏感性分析方法，衡量目标量与受控量间作用影响的敏感度，利用NSGA-Ⅱ算法，对热管理系统驱动参数进行多目标输出优化。以直冷串联、并联系统，以及典型负荷工况为例，在系统多目标优化函数（被控部件温变速率、动力电池瞬时功率、热管理系统能耗、电池容量衰减速率）作用下，保证被控部件温度水平，结合制定的基本控制模式，对热管理系统开展优化对比分析。算例表明，相同工况下经优化管控，串联系统可实现电池老化速率、温降速率以及系统能耗水平较并联系统依次提升15.29%、45.23%、23.10%，并联系统则在乘员舱温降速率以及电池峰值功率方面较串联系统分别有4.51%、50.09%的提升。这意味着串联系统利于实现电池性能与系统长时能耗水平的最优，并联系统利于实现乘员舱舒适度与系统瞬时功率水平的最优。　　本文研究工作基于电动汽车直冷热管理系统的实验测试与仿真模拟，内容覆盖从电池热管理回路热力调控性能分析到集成耦合系统构架设计探究，从全新的电池状态到老化衰变状态的全生命周期考量，从单一的温度控制到多目标优化管控，较为系统地对新型直冷热管理体系进行探索和研究，相关工作不但具有前瞻性和创新性，并且为后续研究和技术应用奠定基础和提供指导。
作者：	申明
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	高青
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021