新能源汽車電動空調控制系統及其實現研究

劉健豪

摘 要：本文旨在通過開發電動汽車電池工作過程中的熱量回收系統，根據整車電流負載大小、電池荷電狀態和車內實測溫度與設定溫度的溫差等參數，利用車載網絡技術，通過模糊控制、神經網絡控制等智能控制算法，實時對壓縮機輸出功率、風門開度及風機轉速等執行器的精確調節，實時對整車運行狀態的監測和故障模式的判別，實現人、車、充電設備的聯網和智能化的人機交換。

關鍵詞：電動汽車;電池;能力回收;控制算法

0 引言

電動汽車是未來汽車技術發展的方向，其空調系統的節能、智能和舒適性，是設計的主要目標。本文旨在通過開發電動汽車電池工作過程中的熱量回收系統，提高電池與智能空調系統之間的熱轉換效率，提高電動汽車的續駛里程，具有節能的意義，降低汽車電池的工作溫度，提高汽車的安全性;提出智能空調控制系統與整車控制集成化管理，研究智能空調系統動力模式和經濟模式下的控制策略，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、爬坡等工況下，達到最佳的整車性能。通過先進的智能控制方法，對車廂空氣進行柔性調節的同時，實現人、車充電設備的聯網和人際交換的智能化。

1 燃料電池余熱利用空調系統

所謂燃料電池就是在相關燃料利用過程中與氧化劑發生相應化學反應，然后將發生反應的能源進行直接性的電能轉換，其在具體的轉化效率可以達到55%-65%，然后將剩余部分通過一定方式轉化為廢熱、溫水及蒸汽，通過轉化裝置將其能量作為主要的動力來源，在具體的能源利用當中，其在具體的能源利用率與普通燃料動力來源相比，明顯高于后者數倍。如果在運行當中存在相應燃料電池過熱狀況，會導致其所具有的工作效率下降，并造成其相關的性能惡化，所以可將燃料電池所產生余熱能源直接用在相關車輛供暖當中，對于車輛的經濟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。其與傳統的以甲醇和汽油為其燃料的電池相比，在具體的成本、環境效益以及效率等方面綜合考量來看，在燃料電池汽車當中氫是首要的能源選擇目標。通過電解質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）。從相關的車輛動力方面綜合考量來看，世界各大車廠對質子交換膜燃料電池更加關注和所重視，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，在冷啟動時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到85%，其所排出的廢熱溫度可以達到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選擇上，可以根據實際需要采用吸收式制冷空調系統，利用其排出的熱源來實現對熱泵的動力供應作用，熱源可以從燃料所排出的冷卻水當中進行提取，吸收式熱泵在輸出功率耗費方面明顯優于傳統壓縮式空調系統，其在具體的運作過程中只有溶液泵對少量的電能進行消耗，其相關的總需求的電能狀況與壓縮式熱泵相比，是后者的4%。

2 設計內容

設計與電池管理系統集成化的智能空調控制系統，對電池工作過程中的熱量進行再利用，利用電池放電熱量對車廂進行加熱的同時，實現對電池的溫度控制，提高整車的安全性。對智能空調系統中的制冷系統、制熱系統及車廂等建立數學模型。對模糊控制、神經網絡控制等智能控制方法進行比較研究，利用Matlab/Simulink系統仿真分析，確定最佳的控制算法，對車廂內空氣溫度、濕度及新鮮度等進行智能控制。利用車聯網技術，將空調系統與整車負載、電池能量進行實時匹配，并進行友好的人機交互，實現空調系統的高度智能化。搭建電動智能空調控制系統，進行試驗研究和對比，根據試驗結果，對控制系統進行優化設計。通過項目開發出具有智能控制器的電動空調系統，具有控制精度高、響應速度快、能耗低、穩定性好的性能。

3 試驗

試驗條件，將車置于環境溫度30℃陽光充足的天氣，車輛以50 km/h的速度勻速行駛，空調出風口調至最大開，空調調至最大風速。分別測量空調系統氣流速度，駕駛員、乘客頭部溫度，以及壓縮機開啟時間。

測量方法為，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。試驗開始部壓縮機一直處于停機狀態，前部區域與后部區域均有乘客存在，故此兩處壓縮機工作，由試驗表格壓縮機工作時間可以看出開始快速制冷時，兩處壓縮機均滿負荷工作，制冷較快。但從第6 min開始，由于車廂內溫度達到人體舒適性指標，此時前部乘客數量較少區域處壓縮機開始間斷性工作，以減少耗能，由試驗可知，車廂溫度稍有上升。后部區域由于滿員乘坐，壓縮機工作時間相對較長，滿足乘客對制冷量的需求。

4 結束語

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

（2）提出新能源客車智能空調與整車的匹配，根據整車的工作狀態參數，包括電池的荷電狀態、負載、車速等。運用高效利用能量的控制策略，實現整車電能的合理分配，保證汽車在啟動或爬坡等各工況下，達到最佳的整車性能。

（3）根據整車電流負載大小、電池荷電狀態和車內實測溫度與設定溫度的溫差等參數，利用車載網絡技術，通過模糊控制、神經網絡控制等智能控制算法，實時對壓縮機輸出功率、風門開度及風機轉速等執行器的精確調節，實時對整車運行狀態的監測和故障模式的判別，實現人、車、充電設備的聯網和智能化的人機交換。

參考文獻：

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