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原文传递新能源汽车热管理系统能量梯级管理策略研究

论文题名：	新能源汽车热管理系统能量梯级管理策略研究
关键词：	新能源汽车;热管理系统;能量梯级管理策略
摘要：	随着能源与环境问题的日益严重以及双碳政策的提出，汽车领域的改革已成必然趋势，以纯电动汽车为首的新能源汽车在急速发展。与传统汽车不同，新能源汽车冬季制热模式可用架构较多，系统也更为复杂。低温制热效率较低、制热困难是目前新能源汽车热管理系统面临的挑战。为了提升新能源汽车热管理系统的能源效率，减小能耗，本文提出了一种余热梯级回收利用的多热源整车热管理系统，本系统集乘员舱、电池和电机热管理于一体，可实现联合热管理。本系统有效解决了热管理系统模式单一的问题，并提升能源效率。　　本文通过零部件试验测试与一维仿真模拟相结合的方式对整车热管理系统性能进行研究。基于AMESim工程软件搭建一维仿真模型，并通过关键零部件性能试验数据对仿真模型进行修正与优化，以数学模型修正、效率拟合等方式对压缩机、换热器、膨胀阀等关键零部件仿真模型进行改进。研究结果表明：电机产热随着车速的升高而升高；随着SOC的降低，电池开路电压降低；随着冷却液温度的升高，PTC电加热器的产热功率下降。优化后的压缩机模型仿真误差在5%以内，排气温度误差不超过1.5℃，电子膨胀阀最大仿真误差小于5%。室内冷凝器原模型换热量最大误差7.39%，压降最大误差61.48%，而优化后模型换热量误差在5%以内，同时最大压降误差降为16.94%。室外蒸发器优化模型换热量最大误差为17.8%，压降最大误差为24.8%，而原始模型压降最大误差高达66.3%。本文对仿真模型的改进与优化有效提升了仿真的可靠性。　　为了搭建最优的能量管理策略，选择最佳的模式，本文基于上述一维仿真模型对电机余热热源、室外空气热源和PTC热源三种热源进行特征分析。分析结果表明：随着余热量从0增加到3kW，制热系统总COP升高27.0%-28.1%；电机冷却液进口水温的升高会导致电机对空气的散热增强，从而造成电机余热的浪费；环境温度过低会导致热泵系统出风温度偏低，达不到采暖需求；随着室内冷凝器风量的升高，制热量和COP同时增大，但过大的风量会导致出风温度偏低，反而不利于制热；PTC加热功率的增大可以提高制热系统的出风温度，但会导致制热系统总COP的降低。基于分析结果搭建能量梯级管理策略，通过采集环境、电机、乘员舱、电池等温度信号，选择最优的制热模式，通过逻辑门的方式控制截止阀，以实现不同模式的灵活切换。通过PI、PWM、逻辑门等方式控制压缩机、PTC等零部件工作状态，实现整车热管理系统的能量梯级管理。　　为了验证热管理系统性能，在等速工况和NEDC、WLTC、CLTC变速工况下对乘员舱、电池和电机温度进行模拟，结果表明：高温工况下，本系统可以在950??以内使乘员舱温度制冷到25℃；电池温度随着环境温度升高而升高，但始终保持在40℃以下，满足电池的最佳工作温度要求；电机温度保持在85℃以下。低温工况乘员舱在700-1600s内制热到16℃，温度波动范围小于3℃；电池温度在1400-2400s间加热到22℃，随着环境温度降低，电池所需加热时间逐渐延长；电机温度随着环境温度和车速的降低而降低，防止电机温度过高造成电机余热过度浪费。并以电池SOC为衡量标准，将本系统与传统PTC电加热系统进行能耗对比分析，结果表明：等速工况下本文系统电池SOC较PTC系统节省1.3%-5.3%，NEDC、WLTC和CLTC工况下最多可节省6.7%、7.0%和6.8%电池SOC。这说明本系统有效降低了热管理系统能耗，对新能源汽车热管理系统的发展具有重要意义。
作者：	吕然
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023