新能源汽車電動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)研究

劉健豪

摘 要：本文旨在通過開發(fā)電動(dòng)汽車電池工作過程中的熱量回收系統(tǒng)，根據(jù)整車電流負(fù)載大小、電池荷電狀態(tài)和車內(nèi)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度的溫差等參數(shù)，利用車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法，實(shí)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)輸出功率、風(fēng)門開度及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等執(zhí)行器的精確調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)對(duì)整車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和故障模式的判別，實(shí)現(xiàn)人、車、充電設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和智能化的人機(jī)交換。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池;能力回收;控制算法

0 引言

電動(dòng)汽車是未來汽車技術(shù)發(fā)展的方向，其空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、智能和舒適性，是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。本文旨在通過開發(fā)電動(dòng)汽車電池工作過程中的熱量回收系統(tǒng)，提高電池與智能空調(diào)系統(tǒng)之間的熱轉(zhuǎn)換效率，提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，具有節(jié)能的意義，降低汽車電池的工作溫度，提高汽車的安全性;提出智能空調(diào)控制系統(tǒng)與整車控制集成化管理，研究智能空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)力模式和經(jīng)濟(jì)模式下的控制策略，確保整車電能的合理分配和能量的高效利用，保證汽車在啟動(dòng)、爬坡等工況下，達(dá)到最佳的整車性能。通過先進(jìn)的智能控制方法，對(duì)車廂空氣進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)人、車充電設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和人際交換的智能化。

1 燃料電池余熱利用空調(diào)系統(tǒng)

所謂燃料電池就是在相關(guān)燃料利用過程中與氧化劑發(fā)生相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，然后將發(fā)生反應(yīng)的能源進(jìn)行直接性的電能轉(zhuǎn)換，其在具體的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到55%-65%，然后將剩余部分通過一定方式轉(zhuǎn)化為廢熱、溫水及蒸汽，通過轉(zhuǎn)化裝置將其能量作為主要的動(dòng)力來源，在具體的能源利用當(dāng)中，其在具體的能源利用率與普通燃料動(dòng)力來源相比，明顯高于后者數(shù)倍。如果在運(yùn)行當(dāng)中存在相應(yīng)燃料電池過熱狀況，會(huì)導(dǎo)致其所具有的工作效率下降，并造成其相關(guān)的性能惡化，所以可將燃料電池所產(chǎn)生余熱能源直接用在相關(guān)車輛供暖當(dāng)中，對(duì)于車輛的經(jīng)濟(jì)效益和能量利用率狀況都具有很好的提升效果，從而使燃料電池在具體的車輛用能方面更加具有合理性。其與傳統(tǒng)的以甲醇和汽油為其燃料的電池相比，在具體的成本、環(huán)境效益以及效率等方面綜合考量來看，在燃料電池汽車當(dāng)中氫是首要的能源選擇目標(biāo)。通過電解質(zhì)的方法可以將燃料電池劃分為五種類型，分別是磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）以及固體氧化物燃料電池（SOFC）。從相關(guān)的車輛動(dòng)力方面綜合考量來看，世界各大車廠對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池更加關(guān)注和所重視，這種燃料電池的工作電流為（1-5A/cm2，0.7V），其相應(yīng)的比功率高為（0.2-0.3kW/kg），這種能源不僅具有很好的比能量，而且在具體的能量效率上也非常高，在冷啟動(dòng)時(shí)間短也是其它能源所無法比擬的。這種電池所具有的正常工作溫度為65℃-110℃，并且在具體的室溫狀況下其在額定功率還可以達(dá)到85%，其所排出的廢熱溫度可以達(dá)到75℃。如果采用這種燃料作為其能量來源，其在具體的汽車空調(diào)選擇上，可以根據(jù)實(shí)際需要采用吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)，利用其排出的熱源來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱泵的動(dòng)力供應(yīng)作用，熱源可以從燃料所排出的冷卻水當(dāng)中進(jìn)行提取，吸收式熱泵在輸出功率耗費(fèi)方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，其在具體的運(yùn)作過程中只有溶液泵對(duì)少量的電能進(jìn)行消耗，其相關(guān)的總需求的電能狀況與壓縮式熱泵相比，是后者的4%。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

設(shè)計(jì)與電池管理系統(tǒng)集成化的智能空調(diào)控制系統(tǒng)，對(duì)電池工作過程中的熱量進(jìn)行再利用，利用電池放電熱量對(duì)車廂進(jìn)行加熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的溫度控制，提高整車的安全性。對(duì)智能空調(diào)系統(tǒng)中的制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)及車廂等建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法進(jìn)行比較研究，利用Matlab/Simulink系統(tǒng)仿真分析，確定最佳的控制算法，對(duì)車廂內(nèi)空氣溫度、濕度及新鮮度等進(jìn)行智能控制。利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將空調(diào)系統(tǒng)與整車負(fù)載、電池能量進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，并進(jìn)行友好的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的高度智能化。搭建電動(dòng)智能空調(diào)控制系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)研究和對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過項(xiàng)目開發(fā)出具有智能控制器的電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、能耗低、穩(wěn)定性好的性能。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)條件，將車置于環(huán)境溫度30℃陽光充足的天氣，車輛以50 km/h的速度勻速行駛，空調(diào)出風(fēng)口調(diào)至最大開，空調(diào)調(diào)至最大風(fēng)速。分別測(cè)量空調(diào)系統(tǒng)氣流速度，駕駛員、乘客頭部溫度，以及壓縮機(jī)開啟時(shí)間。

測(cè)量方法為，汽車第2排位置坐1人，第4、5、6、7排座椅不坐人，第8、9、10排座椅滿員，分別測(cè)量第2排左1座椅、第5排右2座椅及第9排座椅左1處乘客頭部的溫度和氣流速度。試驗(yàn)開始部壓縮機(jī)一直處于停機(jī)狀態(tài)，前部區(qū)域與后部區(qū)域均有乘客存在，故此兩處壓縮機(jī)工作，由試驗(yàn)表格壓縮機(jī)工作時(shí)間可以看出開始快速制冷時(shí)，兩處壓縮機(jī)均滿負(fù)荷工作，制冷較快。但從第6 min開始，由于車廂內(nèi)溫度達(dá)到人體舒適性指標(biāo)，此時(shí)前部乘客數(shù)量較少區(qū)域處壓縮機(jī)開始間斷性工作，以減少耗能，由試驗(yàn)可知，車廂溫度稍有上升。后部區(qū)域由于滿員乘坐，壓縮機(jī)工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，滿足乘客對(duì)制冷量的需求。

4 結(jié)束語

（1）將新能源客車智能空調(diào)控制系統(tǒng)與電池的管理系統(tǒng)集成化，對(duì)電池工作過程的熱量進(jìn)行再利用，在保證電池處于最佳工作溫度的前提下，充分利用電池運(yùn)行過程的熱量對(duì)車廂進(jìn)行加熱，提高續(xù)駛里程。

（2）提出新能源客車智能空調(diào)與整車的匹配，根據(jù)整車的工作狀態(tài)參數(shù)，包括電池的荷電狀態(tài)、負(fù)載、車速等。運(yùn)用高效利用能量的控制策略，實(shí)現(xiàn)整車電能的合理分配，保證汽車在啟動(dòng)或爬坡等各工況下，達(dá)到最佳的整車性能。

（3）根據(jù)整車電流負(fù)載大小、電池荷電狀態(tài)和車內(nèi)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度的溫差等參數(shù)，利用車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制算法，實(shí)時(shí)對(duì)壓縮機(jī)輸出功率、風(fēng)門開度及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等執(zhí)行器的精確調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)對(duì)整車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和故障模式的判別，實(shí)現(xiàn)人、車、充電設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和智能化的人機(jī)交換。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁鵬，王忠，王瑩，馮淵，李慶蓮.分布式新能源汽車空調(diào)控制系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018（02）.

[2]尹立春.淺談新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（01）.

[3]陳帥，杜碧雪.新能源汽車空調(diào)控制系統(tǒng)研究[J].汽車與駕駛維修（維修版），2017（11）.