电动汽车空调系统的建模分析与优化

韩敬贤 高悦

摘 要：汽车空调的主要功用是通过空调的暖起、通风和制冷等方式来维持车内适于成员的环境温度、湿度。但是电动汽车空调的运行功耗影响电池续航里程和寿命十分明显，在电动汽车的使用过程中，除了驱动电机以外，空调系统已成为电动汽车电能消耗最大的部件。在本文中，对电动汽车、空调系统和电池特性都进行了解释和建模。通过系统建模在不同条件下汽车空调的控制，估算电动汽车电池的使用寿命和续航里程。此外，还阐述了空调系统的控制设计的现状和今后的发展方向。

关键词：电动汽车;空调系统;建模分析;优化

1 绪论

电动汽车运行过程中的零排放可以很好的解决当前日趋严重的环境问题，例如（GHG）排放，空气污染和噪音污染。电动汽车虽然出现的很早，但是由于电池和电机技术的显著进步，电动汽车才开始走出实验室，进入百姓生活中，因此这也对电动汽车提出了新的要求。最为紧迫的有：（1）电池的续航里程，有限的电池续航里程可能会让驾驶员对于驾驶电动汽车出行担心;（2）电池的寿命指标，也称为电池健康指标（SOH），表示与额定值相比的电池容量随着时间的推移，电池容量会降低，此外，当的电池容量降低到20%时，电池变得无用，这增加了车主电池更换的成本。

2 电动汽车驱动电机

电动汽车使用电动机提供车辆行驶的牵引力。各种不同的电动机适用于不同的电动汽车。而且电动汽车与传统汽车形成鲜明对比是再生制动系统增加车辆的续驶里程。再生制动系统在将汽车的动能转化为电能的同时，还代替了制动系统提供了制动力。因此，电动机的主要功能：一方面消耗电能，转化为车辆的动能;另一方面机械能在再生制动系统下重新转化为电能。相互转换的效率主要取决与电动机的转速以及所需扭矩。

电动汽车Nissan Leaf模型参数根据具体情况进行调整，其续航里程和动力性能可以从车辆参数获得，而动态变量如：车速、加速度和斜坡坡度可以通过advisor 2002软件进行模拟车辆行驶工况。需要注意的是驾驶员的行为也会影响车辆行驶工况，但是考虑到驾驶员的行为超出了本文的范畴，在此不做讨论。

3 空调系统

空调系统由汽车空调电控单元进行控制，为车内乘员提供适宜的温度和湿度。[4]通常汽车空调由于是单区温度控制，造成无法维持整个车厢温度在适宜的目标温度。此外，基于空调热舒适度（PMV）进行系统建模，并对该模型系统在不同条件下分析空调的影响。有研究表明，乘员在温度均匀的环境下并不能获得最大的热舒适度，因此，目前开始引入其他方法为不同的乘员提供不均匀的环境温度，以提高空调的舒适性并降低其能耗。这些也被称为多区域汽车空调控制，其采用具有可变风量的复杂通风系统（VAV）控制，优点是精确控制个别乘客（每个区域）的温度，湿度和气流，可以提高热舒适度显着降低能耗。

该空调系统结构包括变速风扇、多个阀门阻尼器及控制混合阀门、蒸发器、冷凝器、压缩机等。变速风扇为各个区域提供不同的风速，阀门阻尼器用于控制外部空气和再循环空气的混合物不进入系统。有一些空调系统利用烟雾传感器，当其检测到CH化合物或其他物质时，立即关闭外部空气入口，使车内成员不会闻到难闻的气味。系统中的加热器和冷却器（蒸发器，冷凝器，压缩机等）通过交换热量控制和调节空气温度。空调系统内部件的热力学和物理变化可以使用低阶方程建模，该模型满足分析空调系统的瞬态行为。此外，可以添加更多的控制开关、传感器和控制区域，使得空调系统建模更加复杂。湿度也是影响空调功耗的重要隐私，但是通常不直接测量其数值。因此，温度等效代表干空气和与之相同实际比焓的湿空气混合物的温度。

车内的温度（区域）受到车内供气、与外界的热交换以及太阳辐射的影响。通过能量平衡方程来描述车内温度的热力学行为，车内的温度变化主要取决于车内的空气，但是车内饰与座椅的热容量、空气的热容量、车内空气流入率也会影响车内温度的变化。与外界和太阳辐射交换的热量建模为热负荷，热负荷与车内温度、车外温度、热交换系数以及车外区域的太阳辐射这些因素随着时间的变化而变化的。空调系统里车内的空气与车外空气混合后进入循环系统，因此空气混合器进行了充分的混合后的温度即为空调系统的温度。空调系统的功耗可以分为三个部分，冷却功率、加热功率和风扇功率。我们考虑空调空气入口和出口气流能量差异，将冷凝器或蒸发器对空气的冷却和加热功耗作为效率参数建模。[5]

4 儲能电池

储能电池是电动汽车的动力源，主要储存和供给电能。电动汽车的电池通常要满足其主要设计要求，例如最大功率、最大行驶里程等。但是，汽车的各方面因素都会影响电池的使用，例如汽车的尺寸、外形、辅助电器等。储能电池以电池组的形式使用，一般会包含多喝电池模块，通过串联或并联在一起。连接的电池单元数量及其连接方式可以根据电动汽车的设计要求进行优化。而且，电池的电极和电解质可以用各种具有不同化学特性的材料制造的。目前，锂离子由于其高能量密度和足够的功率密度被认为是最好的电池材料，被广泛的用于电动汽车的电池中。

电池的荷电状态的定义为剩余容量与全荷电容量之比，用SOC表示。有很多种方法可以估算，而准确的估算SOC则非常重要，可用于保持电池运行在安全状态下，并提高电池寿命。但是，随着时间的推移，电池的容量会因为电池的老化而逐渐降低。电池老化的原因电池里的化学物质反应使得电池的内阻增加。电池的寿命与电池的健康状态（SOH）相关，SOH表示蓄电池容量、健康度、性能状态。各种方法估算电池的寿命即性能退化时间（▽SOH）主要是根据电池的充放电周期进行的。因此，充电周期对▽SOH的影响在建模时定义为常数参数。电池容量减少，蓄电池的寿命也会降低。当电池容量降低到20%，通常被认为电池报废了。因此，也可以使用充电周期或者放电次数表示电池寿命[6]。

锂电池里的锂离子由于化学反应产生了大量的热量，产生的热量会引起内阻变化或熵变导致的损失离子。根据电池使用情况，可以对产生的热量和电池温度进行建模估算。电池的工作状态也会影响电池的寿命，比如电池温度，但是已超出了本文的研究范围，在此不做讨论。

5 实验结果和空调分析

在前面的内容中已经对电动汽车的电机功率、空调系统热力学和功耗、电池寿命和充电周期进行了阐述，并使用常微分方程建模和估算。通过输入电动汽车的总功耗可以估算和分析电池模型及其状态。因此，也可以分析空调系统对电池的影响。我们对空调系统建模是在连续时间模型中，但是空调系统的工作是在离散时域内完成的，这主要是由于空调系统的工作特性所决定的。因此，使用多个状态变量模型来对空调系统的当前状况进行建模。此外，模拟状态的系统方程式需要按照工作需要对采样周期（△t）进行离散化。

车内温度可以控制空调的状态和控制方式。而更复杂的温度控制方法可以利用预测模型（MPC）控制进行控制。MPC算法可以优化空调系统变量，最小化预定义成本函数，成本函数可以是车内温度波动、乘客舒适度、空调功耗、电池寿命中的之一或者所有。最终，优化控制输入应用于空调系统。估算电动汽车电动机的功耗与车内温度预估电池寿命一样，使用驱动器配置文件输入。然后，空调系统基于当前估算控制窗口的变量、状态变量控制输入。其中，变量已经过优化，用于最小化空调功耗，通过降低▽SOH延长电池寿命，并将车内温度稳定在目标温度附近。另外，离散时间方程可用于控制时间窗口约束算法。汽车车内温度控制电机功耗，估算电池寿命。当电机的功耗很低时，空调有足够的能量来调整车内温度，从而增大行驶里程和增加电池寿命。

6 结束语

通过本文，我们已经看到空调系统可以影响电动汽车的功耗、电池寿命和续驶里程。并且车内温度的优化控制，可以估算电池寿命并对电机控制，从而改善电池寿命，延长续驶里程。同时也可见，空调系统还可以从压缩机驱动电机的节能优化、空调系统制冷方式的改变等等，使人們在驾驶电动汽车不会再出现不敢开空调的现象。

参考文献：

[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]鲍远通.汽车性能评价与选购[M].机械工业出版社，2014：72-73.

[3]闵海涛，曹云波，曾小华等.基于ADVISOR的电动空调仿真模块开发及性能仿真[J].汽车工程，2010，32（4）：359-362.

[4] 王清，唐莉萍，欧阳文斌.基于热舒适度的节能型空调控制算法[J].东华大学学报（自然科学版），2010，36（1）：57-60.

[5] 吴双.汽车空调车身热负荷计算方法分析与比较[J].制冷与空调，2002，2（6）： 17-20.

[6]吴泽民，潘香英，冯超.纯电动汽车电池组热管理系统设计[J].汽车电器，2013（01）：10～12.