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(fēng)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(dòng)汽車空調(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)汽車的使用過程中，除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)以外，空調(diào)系統(tǒng)已成為電動(dòng)汽車電能消耗最大的部件。在本文中，對(duì)電動(dòng)汽車、空調(diào)系統(tǒng)和電池特性都進(jìn)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(dòng)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(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;空調(diào)系統(tǒng);建模分析;優(yōu)化

1 緒論

電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中的零排放可以很好的解決當(dāng)前日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題，例如（GHG）排放，空氣污染和噪音污染。電動(dòng)汽車雖然出現(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)汽車才開始走出實(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)汽車出行擔(dān)心;（2）電池的壽命指標(biāo)，也稱為電池健康指標(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)，電池變得無用，這增加了車主電池更換的成本。

2 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)

電動(dòng)汽車使用電動(dòng)機(jī)提供車輛行駛的牽引力。各種不同的電動(dòng)機(jī)適用于不同的電動(dòng)汽車。而且電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車形成鮮明對(duì)比是再生制動(dòng)系統(tǒng)增加車輛的續(xù)駛里程。再生制動(dòng)系統(tǒng)在將汽車的動(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)力性能可以從車輛參數(shù)獲得，而動(dòng)態(tài)變量如：車速、加速度和斜坡坡度可以通過advisor 2002軟件進(jìn)行模擬車輛行駛工況。需要注意的是駕駛員的行為也會(huì)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(jìn)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(gè)車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(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)閥門阻尼器及控制混合閥門、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(xué)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(huì)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(fù)荷，熱負(fù)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(shí)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(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。空調(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)汽車的動(dòng)力源，主要儲(chǔ)存和供給電能。電動(dòng)汽車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，汽車的各方面因素都會(huì)影響電池的使用，例如汽車的尺寸、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。通過輸入電動(dòng)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(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)汽車電動(dòng)機(jī)的功耗與車內(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)過優(yōu)化，用于最小化空調(diào)功耗，通過降低▽SOH延長(zhǎng)電池壽命，并將車內(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。汽車車內(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(jié)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(dòng)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(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，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)汽車不會(huì)再出現(xiàn)不敢開空調(diào)的現(xiàn)象。

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