電動汽車空調系統的建模分析與優化

韓敬賢 高悅

摘 要：汽車空調的主要功用是通過空調的暖起、通風和制冷等方式來維持車內適于成員的環境溫度、濕度。但是電動汽車空調的運行功耗影響電池續航里程和壽命十分明顯，在電動汽車的使用過程中，除了驅動電機以外，空調系統已成為電動汽車電能消耗最大的部件。在本文中，對電動汽車、空調系統和電池特性都進行了解釋和建模。通過系統建模在不同條件下汽車空調的控制，估算電動汽車電池的使用壽命和續航里程。此外，還闡述了空調系統的控制設計的現狀和今后的發展方向。

關鍵詞：電動汽車;空調系統;建模分析;優化

1 緒論

電動汽車運行過程中的零排放可以很好的解決當前日趨嚴重的環境問題，例如（GHG）排放，空氣污染和噪音污染。電動汽車雖然出現的很早，但是由于電池和電機技術的顯著進步，電動汽車才開始走出實驗室，進入百姓生活中，因此這也對電動汽車提出了新的要求。最為緊迫的有：（1）電池的續航里程，有限的電池續航里程可能會讓駕駛員對于駕駛電動汽車出行擔心;（2）電池的壽命指標，也稱為電池健康指標（SOH），表示與額定值相比的電池容量隨著時間的推移，電池容量會降低，此外，當的電池容量降低到20%時，電池變得無用，這增加了車主電池更換的成本。

2 電動汽車驅動電機

電動汽車使用電動機提供車輛行駛的牽引力。各種不同的電動機適用于不同的電動汽車。而且電動汽車與傳統汽車形成鮮明對比是再生制動系統增加車輛的續駛里程。再生制動系統在將汽車的動能轉化為電能的同時，還代替了制動系統提供了制動力。因此，電動機的主要功能：一方面消耗電能，轉化為車輛的動能;另一方面機械能在再生制動系統下重新轉化為電能。相互轉換的效率主要取決與電動機的轉速以及所需扭矩。

電動汽車Nissan Leaf模型參數根據具體情況進行調整，其續航里程和動力性能可以從車輛參數獲得，而動態變量如：車速、加速度和斜坡坡度可以通過advisor 2002軟件進行模擬車輛行駛工況。需要注意的是駕駛員的行為也會影響車輛行駛工況，但是考慮到駕駛員的行為超出了本文的范疇，在此不做討論。

3 空調系統

空調系統由汽車空調電控單元進行控制，為車內乘員提供適宜的溫度和濕度。[4]通常汽車空調由于是單區溫度控制，造成無法維持整個車廂溫度在適宜的目標溫度。此外，基于空調熱舒適度（PMV）進行系統建模，并對該模型系統在不同條件下分析空調的影響。有研究表明，乘員在溫度均勻的環境下并不能獲得最大的熱舒適度，因此，目前開始引入其他方法為不同的乘員提供不均勻的環境溫度，以提高空調的舒適性并降低其能耗。這些也被稱為多區域汽車空調控制，其采用具有可變風量的復雜通風系統（VAV）控制，優點是精確控制個別乘客（每個區域）的溫度，濕度和氣流，可以提高熱舒適度顯著降低能耗。

該空調系統結構包括變速風扇、多個閥門阻尼器及控制混合閥門、蒸發器、冷凝器、壓縮機等。變速風扇為各個區域提供不同的風速，閥門阻尼器用于控制外部空氣和再循環空氣的混合物不進入系統。有一些空調系統利用煙霧傳感器，當其檢測到CH化合物或其他物質時，立即關閉外部空氣入口，使車內成員不會聞到難聞的氣味。系統中的加熱器和冷卻器（蒸發器，冷凝器，壓縮機等）通過交換熱量控制和調節空氣溫度。空調系統內部件的熱力學和物理變化可以使用低階方程建模，該模型滿足分析空調系統的瞬態行為。此外，可以添加更多的控制開關、傳感器和控制區域，使得空調系統建模更加復雜。濕度也是影響空調功耗的重要隱私，但是通常不直接測量其數值。因此，溫度等效代表干空氣和與之相同實際比焓的濕空氣混合物的溫度。

車內的溫度（區域）受到車內供氣、與外界的熱交換以及太陽輻射的影響。通過能量平衡方程來描述車內溫度的熱力學行為，車內的溫度變化主要取決于車內的空氣，但是車內飾與座椅的熱容量、空氣的熱容量、車內空氣流入率也會影響車內溫度的變化。與外界和太陽輻射交換的熱量建模為熱負荷，熱負荷與車內溫度、車外溫度、熱交換系數以及車外區域的太陽輻射這些因素隨著時間的變化而變化的。空調系統里車內的空氣與車外空氣混合后進入循環系統，因此空氣混合器進行了充分的混合后的溫度即為空調系統的溫度。空調系統的功耗可以分為三個部分，冷卻功率、加熱功率和風扇功率。我們考慮空調空氣入口和出口氣流能量差異，將冷凝器或蒸發器對空氣的冷卻和加熱功耗作為效率參數建模。[5]

4 儲能電池

儲能電池是電動汽車的動力源，主要儲存和供給電能。電動汽車的電池通常要滿足其主要設計要求，例如最大功率、最大行駛里程等。但是，汽車的各方面因素都會影響電池的使用，例如汽車的尺寸、外形、輔助電器等。儲能電池以電池組的形式使用，一般會包含多喝電池模塊，通過串聯或并聯在一起。連接的電池單元數量及其連接方式可以根據電動汽車的設計要求進行優化。而且，電池的電極和電解質可以用各種具有不同化學特性的材料制造的。目前，鋰離子由于其高能量密度和足夠的功率密度被認為是最好的電池材料，被廣泛的用于電動汽車的電池中。

電池的荷電狀態的定義為剩余容量與全荷電容量之比，用SOC表示。有很多種方法可以估算，而準確的估算SOC則非常重要，可用于保持電池運行在安全狀態下，并提高電池壽命。但是，隨著時間的推移，電池的容量會因為電池的老化而逐漸降低。電池老化的原因電池里的化學物質反應使得電池的內阻增加。電池的壽命與電池的健康狀態（SOH）相關，SOH表示蓄電池容量、健康度、性能狀態。各種方法估算電池的壽命即性能退化時間（▽SOH）主要是根據電池的充放電周期進行的。因此，充電周期對▽SOH的影響在建模時定義為常數參數。電池容量減少，蓄電池的壽命也會降低。當電池容量降低到20%，通常被認為電池報廢了。因此，也可以使用充電周期或者放電次數表示電池壽命[6]。

鋰電池里的鋰離子由于化學反應產生了大量的熱量，產生的熱量會引起內阻變化或熵變導致的損失離子。根據電池使用情況，可以對產生的熱量和電池溫度進行建模估算。電池的工作狀態也會影響電池的壽命，比如電池溫度，但是已超出了本文的研究范圍，在此不做討論。

5 實驗結果和空調分析

在前面的內容中已經對電動汽車的電機功率、空調系統熱力學和功耗、電池壽命和充電周期進行了闡述，并使用常微分方程建模和估算。通過輸入電動汽車的總功耗可以估算和分析電池模型及其狀態。因此，也可以分析空調系統對電池的影響。我們對空調系統建模是在連續時間模型中，但是空調系統的工作是在離散時域內完成的，這主要是由于空調系統的工作特性所決定的。因此，使用多個狀態變量模型來對空調系統的當前狀況進行建模。此外，模擬狀態的系統方程式需要按照工作需要對采樣周期（△t）進行離散化。

車內溫度可以控制空調的狀態和控制方式。而更復雜的溫度控制方法可以利用預測模型（MPC）控制進行控制。MPC算法可以優化空調系統變量，最小化預定義成本函數，成本函數可以是車內溫度波動、乘客舒適度、空調功耗、電池壽命中的之一或者所有。最終，優化控制輸入應用于空調系統。估算電動汽車電動機的功耗與車內溫度預估電池壽命一樣，使用驅動器配置文件輸入。然后，空調系統基于當前估算控制窗口的變量、狀態變量控制輸入。其中，變量已經過優化，用于最小化空調功耗，通過降低▽SOH延長電池壽命，并將車內溫度穩定在目標溫度附近。另外，離散時間方程可用于控制時間窗口約束算法。汽車車內溫度控制電機功耗，估算電池壽命。當電機的功耗很低時，空調有足夠的能量來調整車內溫度，從而增大行駛里程和增加電池壽命。

6 結束語

通過本文，我們已經看到空調系統可以影響電動汽車的功耗、電池壽命和續駛里程。并且車內溫度的優化控制，可以估算電池壽命并對電機控制，從而改善電池壽命，延長續駛里程。同時也可見，空調系統還可以從壓縮機驅動電機的節能優化、空調系統制冷方式的改變等等，使人們在駕駛電動汽車不會再出現不敢開空調的現象。

參考文獻：

[1]J. Neubauer and E. Wood，“The impact of range anxiety and home， workplace，and public charging infrastructure on simulated battery electric vehicle lifetime utility，” Journal of Power Sources，pp.12–20，2014.

[2]鮑遠通.汽車性能評價與選購[M].機械工業出版社，2014：72-73.

[3]閔海濤，曹云波，曾小華等.基于ADVISOR的電動空調仿真模塊開發及性能仿真[J].汽車工程，2010，32（4）：359-362.

[4] 王清，唐莉萍，歐陽文斌.基于熱舒適度的節能型空調控制算法[J].東華大學學報（自然科學版），2010，36（1）：57-60.

[5] 吳雙.汽車空調車身熱負荷計算方法分析與比較[J].制冷與空調，2002，2（6）： 17-20.

[6]吳澤民，潘香英，馮超.純電動汽車電池組熱管理系統設計[J].汽車電器，2013（01）：10～12.