韓敬賢 高悅

摘 要：汽車空調(diào)的主要功用是通過空調(diào)的暖起、通風和制冷等方式來維持車內(nèi)適于成員的環(huán)境溫度、濕度。但是電動汽車空調(diào)的運行功耗影響電池續(xù)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(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)和電池特性都進行了解釋和建模。通過系統(tǒng)建模在不同條件下汽車空調(diào)的控制，估算電動汽車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)的控制設計的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展方向。

關鍵詞：電動汽車;空調(diào)系統(tǒng);建模分析;優(yōu)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(huán)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(xiàn)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(xù)航里程，有限的電池續(xù)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?shù)碾姵厝萘拷档偷?0%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(tǒng)汽車形成鮮明對比是再生制動系統(tǒng)增加車輛的續(xù)駛里程。再生制動系統(tǒng)在將汽車的動能轉化為電能的同時，還代替了制動系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)根據(jù)具體情況進行調(diào)整，其續(xù)航里程和動力性能可以從車輛參數(shù)獲得，而動態(tài)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(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)由汽車空調(diào)電控單元進行控制，為車內(nèi)乘員提供適宜的溫度和濕度。[4]通常汽車空調(diào)由于是單區(qū)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(diào)熱舒適度（PMV）進行系統(tǒng)建模，并對該模型系統(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。這些也被稱為多區(qū)域汽車空調(diào)控制，其采用具有可變風量的復雜通風系統(tǒng)（VAV）控制，優(yōu)點是精確控制個別乘客（每個區(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)結構包括變速風扇、多個閥門阻尼器及控制混合閥門、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機等。變速風扇為各個區(qū)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(huán)空氣的混合物不進入系統(tǒng)。有一些空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)成員不會聞到難聞的氣味。系統(tǒng)中的加熱器和冷卻器（蒸發(fā)器，冷凝器，壓縮機等）通過交換熱量控制和調(diào)節(jié)空氣溫度。空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)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(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)行為。此外，可以添加更多的控制開關、傳感器和控制區(qū)域，使得空調(diào)系統(tǒng)建模更加復雜。濕度也是影響空調(diào)功耗的重要隱私，但是通常不直接測量其數(shù)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(nèi)的溫度（區(qū)域）受到車內(nèi)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(nèi)溫度的熱力學行為，車內(nèi)的溫度變化主要取決于車內(nèi)的空氣，但是車內(nèi)飾與座椅的熱容量、空氣的熱容量、車內(nèi)空氣流入率也會影響車內(nèi)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(nèi)溫度、車外溫度、熱交換系數(shù)以及車外區(qū)域的太陽輻射這些因素隨著時間的變化而變化的?？照{(diào)系統(tǒng)里車內(nèi)的空氣與車外空氣混合后進入循環(huán)系統(tǒng)，因此空氣混合器進行了充分的混合后的溫度即為空調(diào)系統(tǒng)的溫度。空調(diào)系統(tǒng)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(diào)空氣入口和出口氣流能量差異，將冷凝器或蒸發(fā)器對空氣的冷卻和加熱功耗作為效率參數(shù)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(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)電動汽車的設計要求進行優(yōu)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(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，而準確的估算SOC則非常重要，可用于保持電池運行在安全狀態(tài)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(nèi)阻增加。電池的壽命與電池的健康狀態(tài)（SOH）相關，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間（▽SOH）主要是根據(jù)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(shù)參數(shù)。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(shù)表示電池壽命[6]。

鋰電池里的鋰離子由于化學反應產(chǎn)生了大量的熱量，產(chǎn)生的熱量會引起內(nèi)阻變化或熵變導致的損失離子。根據(jù)電池使用情況，可以對產(chǎn)生的熱量和電池溫度進行建模估算。電池的工作狀態(tài)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(diào)分析

在前面的內(nèi)容中已經(jīng)對電動汽車的電機功率、空調(diào)系統(tǒng)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(tài)。因此，也可以分析空調(diào)系統(tǒng)對電池的影響。我們對空調(diào)系統(tǒng)建模是在連續(xù)時間模型中，但是空調(diào)系統(tǒng)的工作是在離散時域內(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，使用多個狀態(tài)變量模型來對空調(diào)系統(tǒng)的當前狀況進行建模。此外，模擬狀態(tài)的系統(tǒng)方程式需要按照工作需要對采樣周期（△t）進行離散化。

車內(nèi)溫度可以控制空調(diào)的狀態(tài)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(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)變量，最小化預定義成本函數(shù)，成本函數(shù)可以是車內(nèi)溫度波動、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)化控制輸入應用于空調(diào)系統(tǒng)。估算電動汽車電動機的功耗與車內(nèi)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(diào)系統(tǒng)基于當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)過優(yōu)化，用于最小化空調(diào)功耗，通過降低▽SOH延長電池壽命，并將車內(nèi)溫度穩(wěn)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(nèi)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(diào)有足夠的能量來調(diào)整車內(nèi)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(jīng)看到空調(diào)系統(tǒng)可以影響電動汽車的功耗、電池壽命和續(xù)駛里程。并且車內(nèi)溫度的優(yōu)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(xù)駛里程。同時也可見，空調(diào)系統(tǒng)還可以從壓縮機驅動電機的節(jié)能優(yōu)化、空調(diào)系統(tǒng)制冷方式的改變等等，使人們在駕駛電動汽車不會再出現(xiàn)不敢開空調(diào)的現(xiàn)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(yè)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(diào)仿真模塊開發(fā)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(jié)能型空調(diào)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(diào)車身熱負荷計算方法分析與比較[J].制冷與空調(diào)，2002，2（6）： 17-20.

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