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        電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的建模分析與優(yōu)化

        2019-10-21 09:15:59韓敬賢高悅
        時(shí)代汽車(chē) 2019年14期
        關(guān)鍵詞:空調(diào)系統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)化

        韓敬賢 高悅

        摘 要:汽車(chē)空調(diào)的主要功用是通過(guò)空調(diào)的暖起、通風(fēng)和制冷等方式來(lái)維持車(chē)內(nèi)適于成員的環(huán)境溫度、濕度。但是電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)的運(yùn)行功耗影響電池續(xù)航里程和壽命十分明顯,在電動(dòng)汽車(chē)的使用過(guò)程中,除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)以外,空調(diào)系統(tǒng)已成為電動(dòng)汽車(chē)電能消耗最大的部件。在本文中,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、空調(diào)系統(tǒng)和電池特性都進(jìn)行了解釋和建模。通過(guò)系統(tǒng)建模在不同條件下汽車(chē)空調(diào)的控制,估算電動(dòng)汽車(chē)電池的使用壽命和續(xù)航里程。此外,還闡述了空調(diào)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展方向。

        關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車(chē);空調(diào)系統(tǒng);建模分析;優(yōu)化

        1 緒論

        電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的零排放可以很好的解決當(dāng)前日趨嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,例如(GHG)排放,空氣污染和噪音污染。電動(dòng)汽車(chē)雖然出現(xiàn)的很早,但是由于電池和電機(jī)技術(shù)的顯著進(jìn)步,電動(dòng)汽車(chē)才開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入百姓生活中,因此這也對(duì)電動(dòng)汽車(chē)提出了新的要求。最為緊迫的有:(1)電池的續(xù)航里程,有限的電池續(xù)航里程可能會(huì)讓駕駛員對(duì)于駕駛電動(dòng)汽車(chē)出行擔(dān)心;(2)電池的壽命指標(biāo),也稱(chēng)為電池健康指標(biāo)(SOH),表示與額定值相比的電池容量隨著時(shí)間的推移,電池容量會(huì)降低,此外,當(dāng)?shù)碾姵厝萘拷档偷?0%時(shí),電池變得無(wú)用,這增加了車(chē)主電池更換的成本。

        2 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

        電動(dòng)汽車(chē)使用電動(dòng)機(jī)提供車(chē)輛行駛的牽引力。各種不同的電動(dòng)機(jī)適用于不同的電動(dòng)汽車(chē)。而且電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)形成鮮明對(duì)比是再生制動(dòng)系統(tǒng)增加車(chē)輛的續(xù)駛里程。再生制動(dòng)系統(tǒng)在將汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí),還代替了制動(dòng)系統(tǒng)提供了制動(dòng)力。因此,電動(dòng)機(jī)的主要功能:一方面消耗電能,轉(zhuǎn)化為車(chē)輛的動(dòng)能;另一方面機(jī)械能在再生制動(dòng)系統(tǒng)下重新轉(zhuǎn)化為電能。相互轉(zhuǎn)換的效率主要取決與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及所需扭矩。

        電動(dòng)汽車(chē)Nissan Leaf模型參數(shù)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整,其續(xù)航里程和動(dòng)力性能可以從車(chē)輛參數(shù)獲得,而動(dòng)態(tài)變量如:車(chē)速、加速度和斜坡坡度可以通過(guò)advisor 2002軟件進(jìn)行模擬車(chē)輛行駛工況。需要注意的是駕駛員的行為也會(huì)影響車(chē)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(diào)系統(tǒng)

        空調(diào)系統(tǒng)由汽車(chē)空調(diào)電控單元進(jìn)行控制,為車(chē)內(nèi)乘員提供適宜的溫度和濕度。[4]通常汽車(chē)空調(diào)由于是單區(qū)溫度控制,造成無(wú)法維持整個(gè)車(chē)廂溫度在適宜的目標(biāo)溫度。此外,基于空調(diào)熱舒適度(PMV)進(jìn)行系統(tǒng)建模,并對(duì)該模型系統(tǒng)在不同條件下分析空調(diào)的影響。有研究表明,乘員在溫度均勻的環(huán)境下并不能獲得最大的熱舒適度,因此,目前開(kāi)始引入其他方法為不同的乘員提供不均勻的環(huán)境溫度,以提高空調(diào)的舒適性并降低其能耗。這些也被稱(chēng)為多區(qū)域汽車(chē)空調(diào)控制,其采用具有可變風(fēng)量的復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)(VAV)控制,優(yōu)點(diǎn)是精確控制個(gè)別乘客(每個(gè)區(qū)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(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括變速風(fēng)扇、多個(gè)閥門(mén)阻尼器及控制混合閥門(mén)、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等。變速風(fēng)扇為各個(gè)區(qū)域提供不同的風(fēng)速,閥門(mén)阻尼器用于控制外部空氣和再循環(huán)空氣的混合物不進(jìn)入系統(tǒng)。有一些空調(diào)系統(tǒng)利用煙霧傳感器,當(dāng)其檢測(cè)到CH化合物或其他物質(zhì)時(shí),立即關(guān)閉外部空氣入口,使車(chē)內(nèi)成員不會(huì)聞到難聞的氣味。系統(tǒng)中的加熱器和冷卻器(蒸發(fā)器,冷凝器,壓縮機(jī)等)通過(guò)交換熱量控制和調(diào)節(jié)空氣溫度??照{(diào)系統(tǒng)內(nèi)部件的熱力學(xué)和物理變化可以使用低階方程建模,該模型滿足分析空調(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)行為。此外,可以添加更多的控制開(kāi)關(guān)、傳感器和控制區(qū)域,使得空調(diào)系統(tǒng)建模更加復(fù)雜。濕度也是影響空調(diào)功耗的重要隱私,但是通常不直接測(cè)量其數(shù)值。因此,溫度等效代表干空氣和與之相同實(shí)際比焓的濕空氣混合物的溫度。

        車(chē)內(nèi)的溫度(區(qū)域)受到車(chē)內(nèi)供氣、與外界的熱交換以及太陽(yáng)輻射的影響。通過(guò)能量平衡方程來(lái)描述車(chē)內(nèi)溫度的熱力學(xué)行為,車(chē)內(nèi)的溫度變化主要取決于車(chē)內(nèi)的空氣,但是車(chē)內(nèi)飾與座椅的熱容量、空氣的熱容量、車(chē)內(nèi)空氣流入率也會(huì)影響車(chē)內(nèi)溫度的變化。與外界和太陽(yáng)輻射交換的熱量建模為熱負(fù)荷,熱負(fù)荷與車(chē)內(nèi)溫度、車(chē)外溫度、熱交換系數(shù)以及車(chē)外區(qū)域的太陽(yáng)輻射這些因素隨著時(shí)間的變化而變化的??照{(diào)系統(tǒng)里車(chē)內(nèi)的空氣與車(chē)外空氣混合后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),因此空氣混合器進(jìn)行了充分的混合后的溫度即為空調(diào)系統(tǒng)的溫度??照{(diào)系統(tǒng)的功耗可以分為三個(gè)部分,冷卻功率、加熱功率和風(fēng)扇功率。我們考慮空調(diào)空氣入口和出口氣流能量差異,將冷凝器或蒸發(fā)器對(duì)空氣的冷卻和加熱功耗作為效率參數(shù)建模。[5]

        4 儲(chǔ)能電池

        儲(chǔ)能電池是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源,主要儲(chǔ)存和供給電能。電動(dòng)汽車(chē)的電池通常要滿足其主要設(shè)計(jì)要求,例如最大功率、最大行駛里程等。但是,汽車(chē)的各方面因素都會(huì)影響電池的使用,例如汽車(chē)的尺寸、外形、輔助電器等。儲(chǔ)能電池以電池組的形式使用,一般會(huì)包含多喝電池模塊,通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)在一起。連接的電池單元數(shù)量及其連接方式可以根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化。而且,電池的電極和電解質(zhì)可以用各種具有不同化學(xué)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(rèn)為是最好的電池材料,被廣泛的用于電動(dòng)汽車(chē)的電池中。

        電池的荷電狀態(tài)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(zhǔn)確的估算SOC則非常重要,可用于保持電池運(yùn)行在安全狀態(tài)下,并提高電池壽命。但是,隨著時(shí)間的推移,電池的容量會(huì)因?yàn)殡姵氐睦匣饾u降低。電池老化的原因電池里的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)使得電池的內(nèi)阻增加。電池的壽命與電池的健康狀態(tài)(SOH)相關(guān),SOH表示蓄電池容量、健康度、性能狀態(tài)。各種方法估算電池的壽命即性能退化時(shí)間(▽SOH)主要是根據(jù)電池的充放電周期進(jìn)行的。因此,充電周期對(duì)▽SOH的影響在建模時(shí)定義為常數(shù)參數(shù)。電池容量減少,蓄電池的壽命也會(huì)降低。當(dāng)電池容量降低到20%,通常被認(rèn)為電池報(bào)廢了。因此,也可以使用充電周期或者放電次數(shù)表示電池壽命[6]。

        鋰電池里的鋰離子由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱量,產(chǎn)生的熱量會(huì)引起內(nèi)阻變化或熵變導(dǎo)致的損失離子。根據(jù)電池使用情況,可以對(duì)產(chǎn)生的熱量和電池溫度進(jìn)行建模估算。電池的工作狀態(tài)也會(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和空調(diào)分析

        在前面的內(nèi)容中已經(jīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)功率、空調(diào)系統(tǒng)熱力學(xué)和功耗、電池壽命和充電周期進(jìn)行了闡述,并使用常微分方程建模和估算。通過(guò)輸入電動(dòng)汽車(chē)的總功耗可以估算和分析電池模型及其狀態(tài)。因此,也可以分析空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電池的影響。我們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)建模是在連續(xù)時(shí)間模型中,但是空調(diào)系統(tǒng)的工作是在離散時(shí)域內(nèi)完成的,這主要是由于空調(diào)系統(tǒng)的工作特性所決定的。因此,使用多個(gè)狀態(tài)變量模型來(lái)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的當(dāng)前狀況進(jìn)行建模。此外,模擬狀態(tài)的系統(tǒng)方程式需要按照工作需要對(duì)采樣周期(△t)進(jìn)行離散化。

        車(chē)內(nèi)溫度可以控制空調(diào)的狀態(tài)和控制方式。而更復(fù)雜的溫度控制方法可以利用預(yù)測(cè)模型(MPC)控制進(jìn)行控制。MPC算法可以優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)變量,最小化預(yù)定義成本函數(shù),成本函數(shù)可以是車(chē)內(nèi)溫度波動(dòng)、乘客舒適度、空調(diào)功耗、電池壽命中的之一或者所有。最終,優(yōu)化控制輸入應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)。估算電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)的功耗與車(chē)內(nèi)溫度預(yù)估電池壽命一樣,使用驅(qū)動(dòng)器配置文件輸入。然后,空調(diào)系統(tǒng)基于當(dāng)前估算控制窗口的變量、狀態(tài)變量控制輸入。其中,變量已經(jīng)過(guò)優(yōu)化,用于最小化空調(diào)功耗,通過(guò)降低▽SOH延長(zhǎng)電池壽命,并將車(chē)內(nèi)溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近。另外,離散時(shí)間方程可用于控制時(shí)間窗口約束算法。汽車(chē)車(chē)內(nèi)溫度控制電機(jī)功耗,估算電池壽命。當(dāng)電機(jī)的功耗很低時(shí),空調(diào)有足夠的能量來(lái)調(diào)整車(chē)內(nèi)溫度,從而增大行駛里程和增加電池壽命。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)本文,我們已經(jīng)看到空調(diào)系統(tǒng)可以影響電動(dòng)汽車(chē)的功耗、電池壽命和續(xù)駛里程。并且車(chē)內(nèi)溫度的優(yōu)化控制,可以估算電池壽命并對(duì)電機(jī)控制,從而改善電池壽命,延長(zhǎng)續(xù)駛里程。同時(shí)也可見(jiàn),空調(diào)系統(tǒng)還可以從壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的節(jié)能優(yōu)化、空調(diào)系統(tǒng)制冷方式的改變等等,使人們?cè)隈{駛電動(dòng)汽車(chē)不會(huì)再出現(xiàn)不敢開(kāi)空調(diào)的現(xiàn)象。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]鮑遠(yuǎn)通.汽車(chē)性能評(píng)價(jià)與選購(gòu)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014:72-73.

        [3]閔海濤,曹云波,曾小華等.基于ADVISOR的電動(dòng)空調(diào)仿真模塊開(kāi)發(fā)及性能仿真[J].汽車(chē)工程,2010,32(4):359-362.

        [4] 王清,唐莉萍,歐陽(yáng)文斌.基于熱舒適度的節(jié)能型空調(diào)控制算法[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,36(1):57-60.

        [5] 吳雙.汽車(chē)空調(diào)車(chē)身熱負(fù)荷計(jì)算方法分析與比較[J].制冷與空調(diào),2002,2(6): 17-20.

        [6]吳澤民,潘香英,馮超.純電動(dòng)汽車(chē)電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)電器,2013(01):10~12.

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