CN110254174B - 一种基于信息融合的电动汽车热管理*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信息融合的电动汽车热管理***,包括评价指标体系、***产热模型、传感器模块、信息融合平台和电子控制***;评价指标体系包括续航里程模型、动力模型和能耗参数模型;***产热模型对电动汽车的产热部件的产热量进行实时计算;传感器模块包括温度传感器、电流传感器和电压传感器等;信息融合平台将评价指标体系、***产热模型和传感器模块中的数据进行交互比对,并融合提取传感器模块监测到的数据;所述电子控制***计算出电机、电池最适工作温度的调控参数,对空调***中的控制器发出控制信号。本发明实现对汽车动力电池、电机、车内环境的温度综合实时调控,充分利用能源,同时保证电动汽车的续航里程、动力性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车热管理***领域,具体是一种基于信息融合的电动汽车热管理***。
背景技术
随着电动汽车的迅猛发展和普及,电动汽车安全事故也随之频发,其中不少起火甚至是***事件,引起了人们对电动汽车安全性的质疑,这对电动汽车热管理***的研究与开发提出了新的课题与挑战。目前,全球汽车工业发达的国家都相当重视电动汽车热管理技术的研究,将其作为汽车发展研究计划的主要研究内容之一。
电动汽车热管理***研究对象一般主要包括三个部分:车内环境热管理、驱动电机热管理和动力电池热管理。与传统汽车一样,电动汽车也要满足乘客对车内环境舒适度的要求,即配备较好的车内环境热管理***,夏季制冷、冬季制热。而驱动电机作为纯电动轿车的能量转换单元,以电池为动力源,把电能转化为机械能,继而驱动车轮。由于在能量转换过程中不可避免的出现机械损失、摩擦损失等产生的热量,如果这些热量不及时的散出,会加重电机的热疲劳,降低电机的使用性能。电池是电动汽车的核心部件,其工作的电化学效能与其温度紧密相关。如果没有有效的动力电池热管理,温度的升高会加速化学反应速率和老化降解的过程,甚至会导致灾难性的失效;同理,如果温度过低,电池的能量密度和容量会显著下降,因此需要对车用电池进行严格的热管理。目前,国内外现有的大多数电动汽车的动力电池、电机和车内环境热管理***是相对独立的,没有有效地统一集成管理,使得总体热管理效果差,能耗高,严重影响了整车的续航里程和性能。
近年来,新能源汽车集成化整车热管理也有了一定的研究成果,例如发明专利CN108357327A公开了一种纯电动汽车整车热管理***,对热管理***各循环回路的智能控制,从而保证了电驱动机、电池等均在合适的温度区间内工作。专利CN201611262189(一种纯电动汽车整车多功能一体化热管理***)类似,可以实现电动汽车的冬季供热、夏季制冷、动力电池冷热管理、动力电机冷却等多种热功能。这种研究主要研究对象为控制热管理***的各回路,没有涉及信息数据的收集和处理,只考虑了驱动电机、电池等在合适的温度区间工作,没有考虑到整车的续航里程、动力性和经济性。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种基于信息融合的电动汽车热管理***及方法。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于信息融合的电动汽车热管理***,包括评价指标体系、***产热模型、传感器模块、信息融合平台和电子控制***;
所述评价指标体系包括续航里程模型、动力模型和能耗参数模型,评价指标体系用于综合分析电动汽车续航里程、动力性和经济性;
所述***产热模型包括电机产热模型、电池产热模型和空调***产热模型;根据传感器模块监测的实时数据,通过***产热模型中的电机、电池和空调***的产热模型分别对电动汽车的产热部件的产热量进行实时计算;
所述传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器,所述温度传感器和湿度传感器均设置在电机、电池、空调***和车内环境,用于实时探测电机、电池和空调***部件的工作温度、湿度,以及车内环境的温度和湿度;所述压力传感器设置在车内环境,用于监测驾驶室内的气压;所述电流传感器和电压传感器设置在电机、电池和空调***部件的电流和电压输入输出位置;
所述信息融合平台将评价指标体系的分析结果、***产热模型的计算结果和传感器模块中的数据进行交互比对,利用卡尔曼滤波法融合提取传感器模块监测到的数据;
所述电子控制***结合信息融合平台中提取的数据与电子控制***所记录的电机、电池的最佳工作温度比对,在满足汽车使用者对车内温度、车速的情况下,利用评价指标体系和***产热模型计算出电机、电池最适工作温度的调控参数,通过智能决策***中的专家***、模糊逻辑控制理论对空调***中的制冷***和制热***中的控制器发出控制信号。
进一步的,所述续航里程模型用来计算续航里程,该模型如下:
S=3600uWη/P
式中P为电机的输出功率,单位为W;m为整车质量,单位为mg;g为重力加速度,取9.8m/s2;CD为空气阻力系数;A为迎风面积,单位为m2;r为滚动半径,单位为m;u为车速,单位为m/s;ηr为传动系数比;i为传动系速比;f为滚动阻力系数比;S为续航里程,单位为m;η为电机效率;W为电池电量,单位为W·h。
进一步的,所述动力模型为动力电池输出的有效功率:
其中,Pe为电池输出的有效功率,U为电池组端电压,I为电池组端电流,ηtotal为电池总效率,m为整车质量,α为坡度的角度,u为车速,CD为空气阻力系数,A为迎风面积,Ff为滚动阻力,Fw为空气阻力,Fi为坡度阻力,Fj为加速阻力,a为整车加速度。
进一步的,所述能耗参数模型主要为百公里耗电量:
式中,E为百公里耗电量,Pe为电池功率,单位为W;m整车质量,单位为mg;u为车速,单位为m/s。
进一步的,所述电池产热模型主要采用Bernardi电池产热速率模型:
式中,q为电池产热速率,i为充电电流,放电时取负值;U为电池单体端电压;U0为电池电动势,数值上等于开路电压;T为电池的平均温度。
进一步的,电机工作时,电机内部产生的热量主要来源于绕组产热,绕组产热量Q为:
Q=∫I2rdt
式中,I为绕组相电流,r为绕组相电阻,t为电机工作时间。
进一步的,所述空调***产热模型的主要为压缩机、冷凝器、蒸发器、换热器、空调加热芯和PTC辅助加热器的产热模型,具体的,空调***产热模型主要包括以下部件的产热模型:
压缩机制冷量为:
其中,q0为单位制冷量,单位为kJ/kg;n为压缩机转速,单位为r/min;λ为输气系数;v1为吸气比容,单位为m3/kg;Vh为压缩机排量,单位为mL/r。
冷凝器的热平衡方程和传热方程:
QK=3600Vρc(t0-ti)
QK=KFΔtm
式中,V为冷却介质体积流体,单位为m3/h;ρ为冷却介质的密度,单位为kg/m3;c为冷却介质的定压比热,单位为kJ/(kg·K);t0和ti分别为冷却介质进口和出口的温度,单位为K;K为冷凝器的传热系数,单位为W/(m2·K);F为冷凝器的传热面积,单位为m2;Δtm为平均对数传热温差,单位为K。
蒸发器传热模型中,制冷剂侧的蒸发换热方程为:
Q0=αiFi(ti-t0)
式中,αi为蒸发器管内制冷剂蒸发时的换热系数,单位为W/(m2·K);Fi为传热总面积,单位为m2;t0和ti分别为进口和出口介质温度,单位为K。空气侧的流动换热方程为:
Q1=Ga(hai-ha0)=ξα0F0(tai-ta0)
式中,ξ为析湿系数;α0为空气侧显热换热系数,单位为W/(m2·K);F0为传热有效面积,单位为m2;tai为空气侧平均温度,单位为K;ta0为蒸发器管内平均温度,单位为K。
换热器的传热方程为:
Qk=kFθm
式中,k为换热器的传热系数,单位为W/(m2·K);F为换热器的传热面积,单位为m2;θm为对数平均温差,单位为K。
空调加热芯和PTC辅助加热器的产热模型为:
进一步的,所述制冷***包括压缩机、冷凝器和蒸发器等;制热***包括换热器、空调加热芯和PTC辅助加热器等。
本发明的有益效果是实时、多信息融合地统一集成管理电动汽车各部件热量,最大化保证电动汽车的经济性、动力性、舒适性及安全性。
附图说明
图1为本实施例的信息融合平台信息采集和信息融合过程示意图;
图2为电子控制***控制过程示意图;
图3为本实施例的一种基于信息融合的电动汽车热管理***整体结构方框图;
图4为本实施例提的一种基于信息融合的电动汽车热管理***示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的内容进行进一步描述,但其不代表为本发明的唯一实施方式。
如图1和图3所示的一种基于信息融合的电动汽车热管理***,包括:评价指标体系、***产热模型、传感器模块和电子控制***;
评价指标体系包含续航里程模型、动力模型、能耗参数模型。其中,续航里程模型用来分析可续航里程,公式如下:
S=3600uWη/P
式中P为电机的输出功率,单位为W;m为整车质量,单位为mg;g为重力加速度,取9.8m/s2;CD为空气阻力系数;A为迎风面积,单位为m2;r为滚动半径,单位为m;u为车速,单位为m/s;ηr为传动系数比;i为传动系速比;f为滚动阻力系数比;S为续航里程,单位为m;η为电机效率;W为电池电量,单位为W·h。
电动汽车的主要动力来源是动力电池,动力模型为动力电池输出的有效功率:
其中,Pe为电池输出的有效功率,U为电池组端电压,I为电池组端电流,ηtotal为电池总效率,m为整车质量,α为坡度的角度,u为车速,CD为空气阻力系数,A为迎风面积,Ff为滚动阻力,Fw为空气阻力,Fi为坡度阻力,Fj为加速阻力,a为整车加速度。
能耗参数模型主要为百公里耗电量:
式中,E为百公里耗电量,Pe为电池功率,单位为W;m整车质量,单位为mg;u为车速,单位为m/s。
传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、电流传感器和电压传感器。
***产热模型包括电池产热模型、电机产热模型、空调***产热模型。电池产热模型主要采用Bernardi电池产热速率模型:
式中,q为电池产热速率,i为充电电流,放电时取负值;U为电池单体端电压;U0为电池电动势,数值上等于开路电压;T为电池的平均温度。
电机工作时,内部产生的热量主要来源于绕组产热,绕组产热量为:
Q=∫I2rdt
式中,I为绕组相电流,r为绕组相电阻,t为电机工作时间。
空调***主要产热传热部件为压缩机、冷凝器、蒸发器、空调加热芯和PTC辅助加热器,所以其产热模型主要包括如下:
压缩机制冷量为:
其中,q0为单位制冷量,单位为kJ/kg;n为压缩机转速,单位为r/min;λ为输气系数;v1为吸气比容,单位为m3/kg;Vh为压缩机排量,单位为mL/r。
冷凝器的热平衡方程和传热方程:
QK=3600Vρc(t0-ti)
QK=KFΔtm
式中,V为冷却介质体积流体,单位为m3/h;ρ为冷却介质的密度,单位为kg/m3;c为冷却介质的定压比热,单位为kJ/(kg·K);t0和ti分别为冷却介质进口和出口的温度,单位为K;K为冷凝器的传热系数,单位为W/(m2·K);F为冷凝器的传热面积,单位为m2;Δtm为平均对数传热温差,单位为K。
蒸发器传热模型中,制冷剂侧的蒸发换热方程为:
Q0=αiFi(ti-t0)
式中,αi为蒸发器管内制冷剂蒸发时的换热系数,单位为W/(m2·K);Fi为传热总面积,单位为m2;t0和ti分别为进口和出口介质温度,单位为K。空气侧的流动换热方程为:
Q1=Ga(hai-ha0)=ξα0F0(tai-ta0)
式中,ξ为析湿系数;α0为空气侧显热换热系数,单位为W/(m2·K);F0为传热有效面积,单位为m2;tai为空气侧平均温度,单位为K;ta0为蒸发器管内平均温度,单位为K。
换热器的传热方程为:
Qk=kFθm
式中,k为换热器的传热系数,单位为W/(m2·K);F为换热器的传热面积,单位为m2;θm为对数平均温差,单位为K。
空调加热芯和PTC辅助加热器的产热模型为:
所述温度传感器和湿度传感器均设置在电机、电池、空调***和车内环境,所述压力传感器设置在车内环境,用于监测驾驶室内的气压。传感器模块可以实时监控车内各重要部件的温度、湿度、压力、电流和电压参数,将参数传输到评价指标体系和产热模型中,利用评价体系的分析电动汽车续航里程、动力性和能耗,利用产热模型中的电机、电池和空调***的产热模型对电动汽车的产热部件的产热量进行计算,将上述分析和计算结果输入信息融合平台。信息融合平台对评价指标体系、传感器模块和产热模型输入的数据进行交互比对,利用卡尔曼滤波法融合提取传感器监测到的数据,再将提取的数据传递到电子控制***。
如图2所示,电子控制***与制冷***和制热***相连。电子控制***在接收到信息融合平台输送的数据后,与电子控制***中记录的电机、电池的最佳工作温度进行比对,在满足汽车使用者对车内温度、车速的情况下,利用评价指标体系和产热模型得出电机、电池最适工作温度的调控参数,对制冷***和制热***的MC9S12DG128控制器发出控制信号,控制制冷剂回路的阀门开关、开度和压缩机、冷凝器等部件的功率,对需要降温的***进行制冷;同时将制冷回路中的高温热源的热量通过管路中的制冷剂输送到需升温的***中,对需升温的***进行制热,若制热强度达不到***工作温度的需求,控制PTC辅助加热器进行加热。
如图3所示,不同于目前汽车电机热管理、电池热管理和车内环境热管理的各***单一管理模式,本发明的汽车制冷***和制热***的管路在对车内环境进行热管理的同时,流经电机、电池,如图4所示,电子控制***能通过制冷***和制热***统一集成管理电机、电池和车内环境热管理,在保证电机、电池处于安全工作温度下,满足车内环境温度的要求,最大化合理利用车内热量,减少能耗损失,达到节能、续航强、舒适的效果。
如图4所示,制冷***包括第一水箱6、压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9、双向阀1、空调***12、单向阀2、电池16、单向阀3、电机18。其中,第一水箱6的输出口与压缩机7入口相连,压缩机7输出口与冷凝器8入口相连,冷凝器8出口与膨胀阀9入口相连,膨胀阀9出口均与双向阀1、单向阀2和单向阀3的入口相连;双向阀1出口与空调***12入口相连,空调***12出口与第一水箱6入口相连;单向阀2出口与电池16入口相连,电池16出口与第一水箱6入口相连;单向阀3出口与电机18入口相连,电机18出口与第一水箱6入口相连。而压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9、双向阀1、单向阀2和单向阀3与控制器相连,双向阀1、单向阀2和单向阀3处于常闭状态。
制热***包括第二水箱20、水泵19、换热器11、单向阀4、空调加热芯13、单向阀5、第一PTC辅助加热器15和第二PTC辅助加热器17,其中空调加热芯13靠近空调***12。第二水箱20出口与水泵19入口相连,水泵19出口与换热器11入口相连,换热器11出口连接单向阀4和单向阀5,单向阀4出口与第一PTC辅助加热器15入口相连,单向阀5出口与第二PTC辅助加热器17入口相连,第一PTC辅助加热器15出口和第二PTC辅助加热器17出口与第二水箱20入口相连。其中,水泵19、换热器8、单向阀4、单向阀5、空调加热芯13、第一PTC辅助加热器15和第二PTC辅助加热器17与控制器相连,单向阀4和单向阀5处于常闭状态。另外,进风格栅10可以对冷凝器产生的热量进行进风冷却。
本发明的汽车制冷***和制热***的管路流经车内环境、电机和电池,其控制过程,包括以下情况和步骤:
S1.当电池16和电机18不需要冷却、驾驶员需要对15进行制冷时,控制器打开压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9和双向阀1。制冷剂从第一水箱6流出,依次经过压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9、双向阀1和空调***12,最终流回第一水箱6。
S2.当电机18和驾驶室14不需要冷却、对电池16进行制冷时,控制器打开压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9和单向阀2。制冷剂从第一水箱6流出,依次经过压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9、单向阀2和电池16,最终流回第一水箱6。
S3.当电池16和驾驶室14不需要冷却、对电机18进行制冷时,控制器打开压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9和单向阀3。制冷剂从第一水箱6流出,依次经过压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9、单向阀3和电机18,最终流回第一水箱6。
S3.当电池16和驾驶室14不需要冷却、对电机18进行制冷时,控制器打开压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9和单向阀3。制冷剂从第一水箱6流出,依次经过压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9、单向阀3和电机18,最终流回第一水箱6。
S4.当驾驶室14、电池16和电机18需要两两进行制冷或者三者同时制冷时,控制器同时打开压缩机7、冷凝器8、膨胀阀9和各***相对应的单向阀,制冷剂经各***后,最终流回第一水箱6,形成多循环回路。
S5.当驾驶室14需要制热时,控制器打开空调***12和空调加热芯13对驾驶室14进行制热,制冷剂从第一水箱6流经空调***12、双向阀1、膨胀阀9、冷凝器8和压缩机7后,流回第一水箱6形成循环回路。
S6.电池16制热有两种方式,第一种方式是:控制器开启第一PTC辅助加热器15对电池16进行加热。第二种方式是:当冷凝器8处于工作状态时,控制器控制水泵19、换热器11和单向阀4打开,液体在换热器11将冷凝器8放出的热量吸收,流经单向阀4后对电池16放热,若热量不足以将电池16加热到所需温度,开启第一PTC辅助加热器15对电池16进行辅助加热。
S7.电机18制热有两种方式,第一种方式是:控制器开启第二PTC辅助加热器17对电机18进行加热。第二种方式是:当冷凝器8处于工作状态时,控制器控制水泵19、换热器11和单向阀5打开,液体在换热器11将冷凝器8放出的热量吸收,流经单向阀5后对电机18放热,若热量不足以将电机18加热到所需温度,开启第二PTC辅助加热器17对电机18进行辅助加热。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合等均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于信息融合的电动汽车热管理***,其特征在于,包括评价指标体系、***产热模型、传感器模块、信息融合平台和电子控制***;
所述评价指标体系包括续航里程模型、动力模型和能耗参数模型,评价指标体系用于综合分析电动汽车续航里程、动力性和经济性;
所述***产热模型包括电机产热模型、电池产热模型和空调***产热模型;根据传感器模块监测的实时数据,通过***产热模型中的电机、电池和空调***的产热模型分别对电动汽车的产热部件的产热量进行实时计算;
所述传感器模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器,所述温度传感器和湿度传感器均设置在电机、电池、空调***和车内环境,用于实时探测电机、电池和空调***部件的工作温度、湿度,以及车内环境的温度和湿度;所述压力传感器设置在车内环境,用于监测驾驶室内的气压;所述电流传感器和电压传感器设置在电机、电池和空调***部件的电流和电压输入输出位置;
所述信息融合平台将评价指标体系的分析结果、***产热模型的计算结果和传感器模块中的数据进行交互比对,利用卡尔曼滤波法融合提取传感器模块监测到的数据;
所述电子控制***结合信息融合平台中提取的数据与电子控制***所记录的电机、电池的最佳工作温度比对,在满足汽车使用者对车内温度、车速需求的情况下利用评价指标体系和***产热模型计算出电机、电池最适工作温度的调控参数,通过专家***、模糊逻辑控制理论对制冷***和制热***中的控制器发出控制信号。
6.根据权利要求1所述的基于信息融合的电动汽车热管理***,其特征在于,电机工作时,电机内部产生的热量主要来源于绕组产热,绕组产热量Q为:
Q=∫I2rdt
式中,I为绕组相电流,r为绕组相电阻,t为电机工作时间。
7.根据权利要求1所述的基于信息融合的电动汽车热管理***,其特征在于,所述空调***产热模型的主要为压缩机、冷凝器、蒸发器、换热器、空调加热芯和PTC辅助加热器的产热模型,具体的,空调***产热模型主要包括以下部件的产热模型:
压缩机制冷量为:
其中,q0为单位制冷量,单位为kJ/kg;n为压缩机转速,单位为r/min;λ为输气系数;v1为吸气比容,单位为m3/kg;Vh为压缩机排量,单位为;
冷凝器的热平衡方程和传热方程:
QK=3600Vρc(t0-ti)
QK=KFΔtm
式中,V为冷却介质体积流体,单位为m3/h;ρ为冷却介质的密度,单位为kg/m3;c为冷却介质的定压比热,单位为kJ/(kg·K);t0和ti分别为冷却介质进口和出口的温度,单位为K;K为冷凝器的传热系数,单位为W/(m2·K);F为冷凝器的传热面积,单位为m2;Δtm为平均对数传热温差,单位为K;
蒸发器传热模型中,制冷剂侧的蒸发换热方程为:
Q0=αiFi(ti-t0)
式中,αi为蒸发器管内制冷剂蒸发时的换热系数,单位为W/(m2·K);Fi为传热总面积,单位为m2;t0和ti分别为进口和出口介质温度,单位为K;空气侧的流动换热方程为:
Q1=Ga(hai-ha0)=ξα0F0(tai-ta0)
式中,ξ为析湿系数;α0为空气侧显热换热系数,单位为W/(m2·K);F0为传热有效面积,单位为m2;tai为空气侧平均温度,单位为K;ta0为蒸发器管内平均温度,单位为K;
换热器的传热方程为:
Qk=kFθm
式中,k为换热器的传热系数,单位为W/(m2·K);F为换热器的传热面积,单位为m2;θm为对数平均温差,单位为K;
空调加热芯和PTC辅助加热器的产热模型为:
8.根据权利要求1所述的基于信息融合的电动汽车热管理***,其特征在于,所述制冷***包括压缩机、冷凝器和蒸发器等;制热***包括换热器、空调加热芯和PTC辅助加热器。
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