電動礦山運人車熱管理系統(tǒng)設(shè)計與仿真

摘要： 為解決礦山作業(yè)高溫環(huán)境下工程車輛熱管理散熱與駕駛室舒適性問題，對某電動礦山運人車整車熱管理系統(tǒng)與控制策略開展設(shè)計研究。針對礦山運人車熱管理需求特點，對整車駕駛室、電池、電機三大系統(tǒng)提出獨立冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案與控制原則，完成核心系統(tǒng)部件的選型匹配與仿真模型構(gòu)建。結(jié)合AMESim與MATLAB/Simulink軟件建立了比例積分微分（PID）控制器和模糊PID控制器，并在不同外界溫度與車速工況下開展了聯(lián)合仿真分析，仿真結(jié)果表明，模糊PID控制反應(yīng)靈敏，超調(diào)小，能將駕駛室溫度更加平穩(wěn)地控制到目標溫度，滿足設(shè)計要求。該熱管理系統(tǒng)設(shè)計可為今后礦山工程車輛熱管理系統(tǒng)智能化提供一種設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：

熱管理；空調(diào)系統(tǒng)；模糊PID；礦山運人車

中圖分類號： TD525

文獻標志碼： A

在碳達峰、碳中和大背景下，綠色轉(zhuǎn)型的需求愈發(fā)迫切，“十四五”期間為碳達峰的關(guān)鍵時間窗口，憑借清潔安全、高能量利用率的優(yōu)勢，工程車輛電動化發(fā)展引發(fā)前所未有的關(guān)注，加緊了傳統(tǒng)燃油型工程機械向電動化迭代發(fā)展的全產(chǎn)業(yè)鏈謀劃布局^［1-2］。目前，我國熱管理產(chǎn)業(yè)民族企業(yè)整體實力不強，大部分企業(yè)維持在中低端領(lǐng)域，高端系統(tǒng)裝置及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展受到制約，熱控及熱管理產(chǎn)業(yè)作為未來工業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心，必定是具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性的戰(zhàn)略必爭高地。

國內(nèi)外學(xué)者針對礦山作業(yè)高溫環(huán)境下工程車輛熱管理散熱與駕駛室舒適性問題開展了相關(guān)研究。YI等^［3］對電池組出風(fēng)口位置、出風(fēng)口尺寸、隔板寬度和背板等單一因素對電池組散熱特性的影響進行了研究，利用粒子群等智能算法得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合對電動裝載機電池組進行優(yōu)化，提高了電池組的散熱效果。YU等^［4］基于計算流體力學(xué)仿真對輪式裝載機冷卻系統(tǒng)換熱性能進行優(yōu)化，通過使用新的冷卻風(fēng)扇和改進的艙口開口優(yōu)化發(fā)動機艙，提高了裝載機各種熱源的熱交換器效率。陳俊宇^［5］針對電動挖掘機鋰電池組空氣散熱系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，并對風(fēng)扇風(fēng)速進行了模糊PID控制方法研究，結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制效果較好。同時，國內(nèi)外工程車輛研發(fā)機構(gòu)也加快了工程車輛電動化升級，熱管理系統(tǒng)設(shè)計與PID控制方式在電動礦用車輛空調(diào)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，極大提高了駕駛室的熱舒適性。

工程車輛電動化技術(shù)應(yīng)用過程中，汽車熱管理系統(tǒng)的作用愈發(fā)受到重視，源于電動化車的續(xù)航和安全等問題尤為突出，同時在系統(tǒng)效率、控制精度方面也有了更高要求。本研究中電動礦山運人車整車熱管理系統(tǒng)主要包含電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機電控冷卻系統(tǒng)以及駕駛室空調(diào)系統(tǒng)^［6］，為實現(xiàn)電池系統(tǒng)的高效散熱，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)被設(shè)計為逐漸與車輛空調(diào)系統(tǒng)耦合，此技術(shù)在特斯拉、比亞迪等車企的車型中運用較為廣泛。作為電動車輛核心部件的驅(qū)動電機，其冷卻系統(tǒng)多數(shù)設(shè)計為采用油冷與水冷方式^［7］。LINDH等^［8］在客車上采用電機液冷技術(shù)用于電機冷卻，研究結(jié)果表明，電機液冷技術(shù)的冷卻性能安全可靠，同時豐田Prius電動汽車對驅(qū)動電機內(nèi)外部散熱也運用了液冷方式^［9］。

空調(diào)系統(tǒng)對于工程車輛熱舒適性具有重要意義^［10-11］，其控制策略與智能控制方式就成為電動車輛熱管理系統(tǒng)設(shè)計的核心環(huán)節(jié)。XIE等^［12］針對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，提出了一種雙層控制策略，該方法采用模糊PID算法調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速，使實際機艙溫度接近規(guī)劃溫度，能很好地節(jié)省能量，且對溫度控制的最大波動較小。XIE等^［13］針對座艙舒適性提出了一種基于模糊PID的控制策略，該方法能夠自動設(shè)定座艙目標溫度來提高熱舒適性，并使空調(diào)系統(tǒng)的能耗降低了10%。HAN等^［14］建立的整車熱管理系統(tǒng)中，采用模糊PID的控制策略控制電動壓縮機轉(zhuǎn)速。結(jié)合其他控制策略，整車熱管理系統(tǒng)不同溫度下的制冷效果可以達到適當?shù)拈撝怠ＹZ立進^［15］基于PID控制優(yōu)化出PI控制器對新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)進行控制，該方法能夠有效提高空調(diào)系統(tǒng)的控制精度和時效性。

針對礦山地下工程車輛作業(yè)的高溫環(huán)境特點，需對整車駕駛室、電池、電機三大系統(tǒng)提出獨立冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案與控制原則，以解決工程車輛核心部件散熱需求，同時針對駕駛室舒適性問題提出了智能化溫控要求。在此背景下，本研究以某電動礦山運人車作為研究對象，開展整車熱管理系統(tǒng)與控制策略設(shè)計研究，研究工作擬為今后礦山工程車輛熱管理系統(tǒng)智能化提供一種設(shè)計思路。

1 整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 整車熱管理系統(tǒng)介紹

本研究電動礦山運人車熱管理系統(tǒng)主要包括電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、駕駛室空調(diào)系統(tǒng)與電機冷卻系統(tǒng)，鑒于安全運行考慮，三個系統(tǒng)均獨立工作，其中電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、駕駛室空調(diào)系統(tǒng)分別匹配有獨立制冷系統(tǒng)以實現(xiàn)溫度的精確控制。整車熱管理系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 整車熱管理控制策略設(shè)計

以實現(xiàn)整車熱管理系統(tǒng)高效散熱為目標，根據(jù)上述設(shè)計方案制定合理控制策略。為使運人車駕駛室室溫能夠快速調(diào)節(jié)到目標溫度，對駕駛室空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機采用模糊PID算法進行控制。整車熱管理系統(tǒng)各子系統(tǒng)控制原則與控制邏輯如表1所示。其整體控制邏輯主要為整車熱管理系統(tǒng)監(jiān)測并反饋冷卻回路關(guān)鍵點冷卻液溫度信息，電池管理系統(tǒng)BMS與整車控制單元VCU根據(jù)反饋信息依照設(shè)定好的控制策略對電子水泵、冷凝風(fēng)扇、壓縮機等部件進行實時控制，使整車熱管理系統(tǒng)對電池、電機和駕駛室溫度實現(xiàn)精確調(diào)控，具體控制流程如圖2所示。

2 駕駛室空調(diào)熱管理系統(tǒng)匹配設(shè)計

壓縮機制冷系統(tǒng)是電動礦山運人車駕駛室空調(diào)系統(tǒng)的核心部分，本研究選用定排量壓縮機。

制冷劑質(zhì)量流量公式：

G1=Q1（1-x）γ， （1）

式中，Q1指蒸發(fā)器制冷量；x指蒸發(fā)器進口處制冷劑干度，一般取為0.15；γ指制冷劑在蒸發(fā)溫度下的汽化潛熱，這里取197.2 kJ/kg。

冷劑體積流量公式：

V1=G1·V ′， （2）

式中，V1指制冷劑體積流量；V′指制冷劑在壓縮機入口處的比體積。

壓縮機容積效率公式：

ηv=V1V2， （3）

式中，ηv指壓縮機容積效率，通常取值為0.65～0.75；V2指壓縮機理論體積流量。

壓縮機理論體積流量公式：

V2=n60 L·10^-6 （4）

式中，L為壓縮機理論排量；n為壓縮機轉(zhuǎn)速。

綜上，經(jīng)計算可得壓縮機排量L為102.6 cm3/r。為滿足壓縮機理論排量及輕量化要求，匹配的壓縮機主要參數(shù)如表2所示。

運人車空調(diào)系統(tǒng)換熱器分為車內(nèi)換熱器與車外換熱器，用來實現(xiàn)車內(nèi)駕駛室與車外的熱量交換，主要包括熱平衡方程與傳熱方程。冷凝器換熱量匹配可將蒸發(fā)器制冷量乘以冷凝器儲備系數(shù)獲得，冷凝器儲備系數(shù)取1.1。車內(nèi)換熱器與車外換熱器參數(shù)計算結(jié)果如表3所示。設(shè)計匹配的蒸發(fā)器與冷凝器具體參數(shù)分別如表4與表5所示。

AMESim軟件可對多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算與細致分析，該軟件也可用于單一元件或系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的研究。本文基于AMESim軟件建立車外與車內(nèi)換熱器模型如圖3所示。針對駕駛室空調(diào)系統(tǒng)不同工況下制冷性能，基于AMESim與Matlab/Simulink軟件建立駕駛室空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型如圖4所示。

3 駕駛室空調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計

3.1 駕駛室空調(diào)系統(tǒng)控制器設(shè)計

PID控制是工業(yè)控制領(lǐng)域中常用控制方式，其控制性能具有良好的魯棒性和穩(wěn)定性。PID控制的一般形式為

u（t）=Kpe（t）+Ki∫t0e（t）dt+Kdde（t）dt，（5）

式中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，u（t）是PID控制的輸出，e（t）是系統(tǒng)輸入與輸出的誤差。

由于工程車輛熱管理系統(tǒng)往往具有不確定性和隨機性，本研究通過采用模糊PID控制方式來獲得熱管理系統(tǒng)更優(yōu)的控制效果，相較于傳統(tǒng)PID控制能夠?qū)崟r調(diào)整控制參數(shù)，具有更強的自適應(yīng)性^［16-17］。模糊PID控制器原理如圖5所示。

模糊PID控制器是將輸入的駕駛室目標溫度與實際溫度的偏差e和偏差變化率ec，經(jīng)過模糊推理輸出調(diào)整量ΔKp，ΔKi，ΔKd用以PID控制器實時調(diào)參。通過調(diào)整的PID控制器再根據(jù)駕駛室目標溫度與實際溫度的偏差，對空調(diào)系統(tǒng)壓縮機的轉(zhuǎn)速進行控制。模糊PID控制計算公式如下

：Kp=Kp0+ΔKp，

Ki=Ki0+ΔKi，（6）

Kd=Kd0+ΔKd，

式中，Kp0，Ki0，Kd0分別為PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)初始值。ΔKp，ΔKi，ΔKd分別為比例、積分、微分系數(shù)的增量。

本研究駕駛室空調(diào)系統(tǒng)是一個單輸入單輸出系統(tǒng)，被控變量為壓縮機轉(zhuǎn)速的占空比。基于AMESim與Matlab/Simulink軟件開展PID控制和模糊PID控制效果的仿真對比分析，其中，駕駛室空調(diào)系統(tǒng)實際溫度通過聯(lián)仿接口傳輸?shù)絊imulink中，通過Simulink中搭建的PID控制器以及模糊PID控制器輸出一個壓縮機占空比信號重新輸入到AMESim中進行壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

基于PID控制器的空調(diào)系統(tǒng)仿真控制模型如圖6所示。

針對駕駛室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計模糊PID控制器為兩輸入與三輸出。定義輸入與輸出變量模糊子集為負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）。其中，輸入量e與ec基本論域分別取［-3，3］和［-0.5，0.5］，模糊論域均取［-1，1］，故量化因子Ke和Kec分別為1/3，2；輸出量ΔKp，ΔKi，ΔKd基本論域分別取 ［-3，3］，［-0.01，0.01］，［-1，1］，模糊論域分別取［-3，3］，［-0.4，0.4］，［-0.1，0.1］，故對應(yīng)量化因子分別為1，1/40和10 。

本研究采用雙輸入三輸出模糊PID控制器設(shè)計，其模糊規(guī)則如表6所示。

本文建立的模糊PID控制仿真分析模型如圖7所示。

3.2 溫度控制仿真分析

根據(jù)礦山運人車整車熱管理匹配與控制特點，設(shè)置仿真模型運行參數(shù)，將駕駛室體積設(shè)置為4 m3，環(huán)境空氣濕度設(shè)置為60%，設(shè)置三種環(huán)境溫度工況，設(shè)置駕駛室制冷目標溫度為24 ℃。運人車最大設(shè)計車速為40 km/h，選擇三種對比車速行駛工況，溫度控制對比方案見表7。當外界溫度為40 ℃時，基于模糊PID和PID控制的溫度仿真分析結(jié)果見圖8。

相同外界溫度不同車速工況下溫度控制仿真對比分析結(jié)果如表8所示。

由仿真結(jié)果可知，PID控制器和模糊PID控制器均能使駕駛室空調(diào)系統(tǒng)保持穩(wěn)定，較為準確地達到所設(shè)置的目標溫度。行駛車速越低，駕駛室溫度調(diào)節(jié)精度越高。雖然PID控制器最終收斂較快，且誤差較小，但存在較大超調(diào)現(xiàn)象，會使駕駛室在極短時間內(nèi)出現(xiàn)溫度明顯上下波動，熱舒適性方面會較差。模糊PID控制器反應(yīng)靈敏，超調(diào)小，溫度曲線開始收斂后能更為平穩(wěn)地趨向所設(shè)置目標溫度，且模糊PID控制器的最終溫度誤差在1.2%，能夠滿足駕駛室的熱管理需求。

當行駛車速為40 km/h時，基于模糊PID和PID控制的溫度仿真分析對比結(jié)果如圖9（a）、圖9（b）、圖9（c）所示，相同車速不同外界溫度工況下溫度控制仿真對比分析結(jié)果如表9所示。

由仿真結(jié)果可知，當外界環(huán)境為35 ℃時，PID控制器和模糊PID控制器對駕駛室溫度調(diào)節(jié)均會產(chǎn)生波動，而模糊PID控制器的波動振幅較小，且穩(wěn)定時間較快。當外界環(huán)境溫度增加，二者產(chǎn)生的波動均會減少，但模糊PID控制器超調(diào)量要小于PID控制器，更能保證駕駛室的熱管理需求。綜合判斷得出，外界環(huán)境溫度變化對模糊PID控制器的控制影響較小，駕駛室溫度會更穩(wěn)定地收斂于目標溫度且溫度超調(diào)較小，駕駛室熱舒適性更優(yōu)，模糊PID控制器對駕駛室溫度調(diào)節(jié)效果是優(yōu)于PID控制器。

4 結(jié) 論

（1）為解決地下礦山作業(yè)高溫環(huán)境下整車熱管理核心部件散熱問題，設(shè)計開發(fā)了駕駛室、電池、電機三大系統(tǒng)的獨立冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案與控制原則，完成核心系統(tǒng)部件的選型匹配與仿真模型構(gòu)建；

（2）面向駕駛室舒適性問題提出了智能化溫度控制策略，結(jié)合AMESim與MATLAB＼Simulink軟件建立了比例積分微分（PID）控制器和模糊PID控制器，仿真分析了不同控制策略的溫控效果，其中，模糊PID控制器的波動振幅較小，穩(wěn)定時間較快，在駕駛室溫控方面優(yōu)于PID控制效果，最終溫差控制精度均在1.3%以下，模糊PID控制下的駕駛室熱舒適性也更能滿足用戶需求；

（3）針對電動礦山運人車整車散熱需求與駕駛室舒適性這一綜合性問題，提出了整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案與智能化控制策略，將為今后礦山工程車輛智能熱管理系統(tǒng)研發(fā)提供良好基礎(chǔ)。

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Design and Simulation of Thermal Management System for Electric Mine Transport Vehicle

DU Xianfeng1， YOU Bo1， SUI Xi2， SUN Shuai2， LIU Zhongwei2， JIN Jigang1

（1. School of Mechanical and Electrical Automotive Engineering， Yantai University， Yantai 264005， China; 2. Yantai Xingye Machinery CO.， Ltd， Yantai 264100， China）

Abstract：The design and study of the whole vehicle thermal management system and control strategy of electric mine carrier vehicles are carried out to solve the problem of heat dissipation and cab comfort of engineering vehicles under outside high temperature environment. According to the characteristics of thermal management demand of mine transport vehicle， the design scheme and control principle of independent cooling system are proposed for the whole vehicle cab， battery and motor， and the matching of core system components and the construction of simulation model are completed. The proportional integral differential （PID） controller and fuzzy PID controller are established by combining AMESim and MATLAB/Simulink software， and the joint simulation analysis is carried out under different external temperatures and vehicle speeds. The simulation results show that the fuzzy PID control response is sensitive， the overshoot is small， and the cab temperature can be more steadily controlled to the target temperature， meeting the design requirements. This thermal management system design can provide a design idea for intelligent thermal management system of mine engineering vehicles in the future.

Keywords：thermal management; air conditioning system; fuzzy PID; mine transport vehicle

（責(zé)任編輯 李春梅）