增程式电动汽车系统热管理与APU协调控制技术研究

现阶段,随着十三五规划的发布,我国逐渐重视对新能源汽车的发展,增程式电动汽车由于具有低成本、低排放、可增加续驶里程等优点,成为了各汽车厂商和高校的重要研究方向。对于增程式电动汽车而言,适宜的工作温度范围才能保证动力电池的安全性以及循环寿命,考虑人体热舒适性,还需要控制乘员舱的温度。因此,为了控制动力电池和乘员舱的温度,需要一套完整的热管理系统,而热管理系统会增大动力电池的能量消耗,影响纯电动行驶里程。相对于纯电动汽车,增程式电动汽车增加了一套辅助动力单元APU,结合APU的协调控制,建立一套高效节能的热管理系统是增程式电动汽车开发过程中非常重要的一个环节。本文首先分析总结了增程式电动汽车热管理系统的研究现状和趋势,然后,在课题组的一个项目车型的基础上,为了减少热管理系统对整车能量的消耗,针对动力电池和乘员舱的热管理,并结合热管理系统工作负荷的性能需求,设计了一套考虑APU协调控制的高效节能的热管理系统。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)热管理系统结构分析与设计。在项目车型的基础上研究了动力系统和热管理系统的架构,并通过对动力电池和乘员舱热特性的研究及热负荷的计算,得出整车热管理系统对整车能量消耗较大的结论。基于此,设计了结合APU协调控制的集成热管理系统,完成了空调系统的参数匹配,并通过试验研究了压缩机转速与功率、制冷量的关系。(2)增程式电动汽车动力系统建模和控制策略制定。通过AMESim软件建立增程式电动汽车动力系统模型,并对其工作模式进行划分,基于传统增程式电动汽车CD+CS的恒温器控制策略制定了动力系统控制策略,通过发动机特性曲线以及汽车功率平衡方程选取了APU的工作点,仿真并验证了APU工作点选取的合理性。(3)热管理系统建模及控制策略制定。通过计算得出制冷系统和制热系统各个部件的参数配置,并基于AMESim软件搭建了针对动力电池和乘员舱温度控制的整车集成热管理系统模型。分别对制冷系统和制热系统制定了结合APU协调控制的热管理系统控制策略:对于制冷系统控制策略,空调系统需要灵活的转换工作模式以满足动力电池和乘员舱的温度控制,并提高整车经济性及能量利用率;对于制热系统控制策略,根据动力电池和乘员舱的制热需求控制APU合理启停,以减少制热系统对整车能量的需求。(4)增程式电动汽车热管理系统仿真。通过AMESim和Simulink联合仿真,针对制冷系统,高温条件下,在极限工况下仿真验证了制冷系统对动力电池和乘员舱温度的控制效果,并在不同环境温度、一定循环工况下对比了不同压缩机动力源工作的发动机燃油消耗量,说明本文设计的制冷系统和控制策略的高效节能性;针对制热系统,在低温条件下,通过不同环境温度下的仿真验证制热系统的功能性,并对比了动力电池有无加热的情况下的整车燃油消耗,进一步得到低温条件下对动力电池和乘员舱加热的必要性。