【技术实现步骤摘要】
一种基于能耗优化的纯电动车集成热管理控制方法
[0001]本专利技术属于纯电动汽车热管理
，具体涉及一种基于能耗优化的纯电动车集成热管理控制方法。
技术介绍
[0002]随着新能源汽车产业的深入转型，作为电动汽车重点课题的整车热管理，已不仅限于单纯解决电驱、电池的冷却问题，而是涉及电驱系统安全性、提升续航里程、缩短充电时长、改善人员热舒适性等多方面整车性能指标的重要技术解决方案。新一代集成热管理系统在满足子系统考核工况设计性能外，还需兼顾控制稳定性、动态响应速度与整车能耗。建立电池、电驱、乘员舱、外界环境间的“热纽带”，将电动车四大“热板块”整合一体，提升整车效率。实现“系统热设计”、“动态热管控”、“能耗热优化”三大核心热管理技术问题的统筹协调与集成开发。
[0003]目前电动车热管理系统控制存在如下技术问题：电子水泵、电子风扇作为电驱热管理系统的主要执行部件，通常采用定转速、分级转速、PID等控制方式；基于定转速、分级转速的Rule
‑
based准则控制策略具有逻辑设计简单、开发成本低等优点，但其局限性也十分突出，如部件温度控制精准性不足，低负荷及部分负荷存在过度冷却等问题；单纯的PID控制策略虽然可以实现系统流量的连续调节，但是由于缺乏前馈目标修正，难以良好解决热管理系统存在的非最小相位问题以及MIMO系统的多参干涉问题；此外，PID控制针对如执行器能耗等约束原则缺乏全局择优能力，难以实现系统经济性和温控稳定性的协同兼顾，在应对复杂的电动车集成热管理系统控制问题中存在技术瓶颈。<...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于能耗优化的纯电动车集成热管理控制方法，其特征在于包括如下内容：步骤一、集成热管理系统能够实现电驱独立、电池串联、余热利用和串联预热四种工作模式；根据集成热管理系统的能量平衡方程、对流传热方程、散热器传热方程、流量平衡方程、压力平衡方程，分别构建四种工作模式的数学模型；由所构建数学模型作为系统状态预测模块，表征系统状态X关于系统边界输入U
con
和控制输入U之间的数学关系；步骤二，在系统控制输入U的数值范围内取随机值定义为系统控制输入初始值U
int
，由系统状态预测模块根据当前系统边界输入U
con
和U
int
计算系统状态预估值X
cal
；步骤三、以系统控制目标限值R为约束条件，对系统控制输入初始值U
int
进行筛选，满足约束条件的U
int
归类为约束输入集合F
tag
进入步骤四；不满足约束条件的U
int
进入步骤六，按照PSO算法更新迭代新一轮的U
int
；步骤四、构建系统各模式的能耗目标优化函数F
opt
，根据系统控制输入初始值U
int
和系统边界输入U
con
进行系统能耗计算，水泵部件能耗计算公式如下：进行系统能耗计算，水泵部件能耗计算公式如下：进行系统能耗计算，水泵部件能耗计算公式如下：式中，W
pmot
为前驱水泵能耗，W
pbat
电池水泵能耗，W
pwar
暖风水泵能耗，η
mmot
为电驱水泵机械效率，η
mbat
为电池水泵机械效率，η
mwar
为暖风水泵机械效率，V
pmot
为电驱水泵体积流量，V
pbat
为电池水泵体积流量，V
pwar
为暖风水泵体积流量，H
pmot
为电驱水泵扬程，H
pbat
为电池水泵扬程，H
pwar
为暖风水泵扬程，ρ
c
为冷却液密度，g为重力加速度，N
pmot
为电驱水泵转速，N
pbat
为电池水泵转速，N
pwar
为暖风水泵转速；散热器冷却风扇能耗计笪公式如下：式中，W
fan
为风扇能耗，P
fan
风扇进出口压升，ρ
a
空气密度，M
a
为散热器进风质量流量；PTC能耗计算公式如下，忽略PTC加热能量损失，认为完全转化为加热功率：W
PTC
＝Q
PTG
式中，W
PTC
为PTC能耗，Q
PTC
为PTC加热功率；电驱独立模式的系统能耗优化目标分别为电驱水泵转速和风扇转速组合，以及电池水泵转速，该模式的目标优化函数形式如下：F
opr_mm
＝(w
pmot
+W
fan
|(N
pmot
，N
fan
)∈F
tag_mm
)F
opt_mb
＝(W
pbat
|N
pbat
∈F
tag_mb
)式中，F
opt_mm
为电驱独立模式的电驱水泵、风扇整体目标优化函数，其为该模式电驱水泵和风扇能耗；F
opt_mb
为电驱独立模式的电池水泵目标优化函数，其为该模式电池水泵能耗，F
tag_mm
为电驱独立模式的电驱水泵转速、风扇转速约束输入集合，F
tag_mb
为电驱独立模式的电池水泵转速约束输入集合，N
fan
为风扇转速；电池串联模式的系统能耗优化目标为电驱水泵转速、电池水泵转速和风扇转速的组
合，该模式的目标优化函数形式如下：F
opt_ba
＝(W
pmot
+W
pbat
+W
fan
|(N
pmot
，N
pbat
，N
fan
)∈F
tag_ba
)式中，F
opt_ba
为电池串联模式的电驱水泵、电池水泵、风扇整体目标优化函数，其为该模式电驱水泵、电池水泵和风扇的整体能耗，F
tag_ba
为电池串联模式的电驱水泵转速、电池水泵转速、风扇转速约束输入集合；余热利用模式的系统能耗优化目标为PTC能耗，该模式下热泵系统COP＞1，该模式的目标优化函数形式如下：F
opt_wr
＝(W
PTC
|(Q
PTC
，N
pmot
，N
pbat
)∈F
tag_wr
)式中，F
opt_wr
为余热利用模式的PTC目标优化函数，其为该模式PTC能耗；F
tag_wr
为余热利用模式的PTC加热功率、电驱水泵转速、电池水泵转速约束输入集合；串联预热模式，系统能耗优化目标为PTC能耗，该模式的目标优化函数形式如下：F
opt_pw
＝(W
PTC
|(Q
PTC
，N
pmot
，N
pbat
，N
pwar
)∈F
tag_pw
)式中，F
opt_pw
为串联预热模式的PTC目标优化函数，其为该模式PTC能耗，F
tag_pw
为串联预热模式的电驱水泵转速、电池水泵转速、暖风水泵转速约束输入集合；步骤五、以系统能耗最低为优化原则，对各模式目标优化函数进行全局寻优，将历次控制输出初始值U
int
对应的目标优化函数值记为局部最优值F
local
，将局部最优值的极小值记为目标优化函数的全局最优值F
global
；步骤六、以第i次目标优化函数的局部最优值和全局最优值之间的残差ε作为收敛判断依据，若不满足判定依据：ε≤10
‑3，则按照PSO算法，根据当前U
int
的局部最优值，以及10个辅助随机粒子对应的局部最优值进行极值比对，按照10％的突变速度和90％的极值迁移速度更新迭代控制输入试算值U
tri
′
，并将U
tri
′
作为第i+1次的控制输入初始值U
int
重复步骤二至六；若满足判定依据：ε≤10
‑3，则说明第i次和第i
‑
1次的局部最优值迁移量＜10
‑3，将第i次局部最优值视为全局最优值，认为求解过程计算收敛，将F
global
对应的系统全局最优控制输入U
global
作为前馈优化补偿输出给PID控制器；步骤七、PID控制器以R作为各模式下系统控制目标，以系统全局最优控制输入U
global
作为前馈优化补偿，根据当前系统状态x和系统边界输入U
con
反馈系统优化控制输入U
opt
，其中U
opt
包括优化电驱水泵转速N
pmot_opt
，电优化池水泵转速N
pbat_opt
，优化暖风水泵转速N
pwar_opt
，优化风扇转速N
fan_opt
，优化PTC加热功率Q
PTC_opt
。2.根据权利要求1所述的一种基于能耗优化的纯电动车集成热管理控制方法，其特征在于包括所述步骤一中电动汽车集成热管理系统数学建模方法如下，包含系统及部件的能量平衡方程、对流传热方程、散热器传热方程、流量平衡方程、压力平衡方程；其中：能量平衡方程：在系统各部件能量平衡方程中，1忽略水泵的摩擦生热和管路与外界环境的热量交换，认为上游部件的出水温度等于下游部件的入水温度；2忽略PTC、水冷冷凝器、暖风芯体和Chiller的质量热容，认为全部热量均传递给冷却液；3集总参数化处理电驱系统，将内部的电机、逆变器、HAD和ETC视为统一整体，由当量温度表示内部整体平均温度，由当量比热容表示内部整体平均比热容；4忽略电池内部温度分布梯度，由当量温度表示内部平均温度，由当量比热容表示整体平均比热容；电驱独立模式、电池串联模式和余热利用模式下的电驱系统及水套内冷却液的能量平
衡方程形式如下，其传热方向为电驱系统向冷却液传热：衡方程形式如下，其传热方向为电驱系统向冷却液传热：其中Q
mot
为电驱系统总发热量，Q
cm
为电驱系统与冷却液的总对流换热量，T
mot
为电驱系统当量温度，m
mot
为电驱系统总质量，c
mot
为电驱系统当量比热容，c
c
为冷却液比热容，M
cm
电驱系统冷却液质量流量，m
cm
为电驱系统水套内冷却液质量，T
cmin
为电驱系统入水温度，T
cmout
为电驱系统出水温度，t为时间；串联预热模式下的电驱系统及水套内冷却液的能量平衡方程形式如下，其传热方向为冷却液向电驱系统传热：冷却液向电驱系统传热：电驱独立模式、电池串联模式和余热利用模式下的动力电池及水套内冷却液的能量平衡方程形式如下，其传热方向为动力电池向冷却液传热：衡方程形式如下，其传热方向为动力电池向冷却液传热：其中Q
bat
为电池发热量，Q
cb
为电池与冷却液的对流换热量，T
bat
为电池当量温度，m
bat
为电池质量，c
bat
为电池当量比热容，M
cb
为电池冷却液质量流量，m
cb
为电池水套内冷却液质量，T
cbin
为电池入水温度，T
cbout
为电池出水温度；串联预热模式下的动力电池及水套内冷却液的能量平衡方程形式如下，其传热方向为冷却液向动力电池传热：冷却液向动力电池传热：余热利用模式下的暖风及水套内冷却液的能量平衡方程形式如下，其传热方向为冷却液向暖风芯体传热：式中，Q
war
为暖风供暖量，M
rw
为暖风冷却液质量流量，T
cwin
为暖风入水温度，T
cwout
为暖风出水温度，m
cw
为暖风内冷却液质量；余热利用模式和串联预热模式下的水冷冷凝器内冷却液能量平衡方程形式如下，其传热方向为水冷冷凝器向冷却液传热：
式中，Q
con
为水冷冷凝器发热量，忽略水冷冷凝器的质量热容，认为全部热量均传递给冷却液；M
cn
为水冷冷凝器冷却液质量流量，T
cnimn
为水冷冷凝器入水温度，T
cnout
为水冷冷凝器出水温度，m
cn
为水冷冷凝器内冷却液质量；余热利用模式和串联预热模式下的PTC加热器内冷却液能量平衡方程形式如下，其传热方向为PTC向冷却液传热：式中，Q
PTC
为PTC加热功率，忽略PTC的质量热容，认为全部热量均传递给冷却液；M
cp
为PTC冷却液质量流量，T
cpin
为PTC入水温度，T
cpout
为PTC出水温度，m
cp
为PTC内冷却液质量；余热利用模式下PTC、水冷冷凝器和暖风芯体之间的总能量平衡方程形式如下，其传热方向为PTC和水冷冷凝器向暖风芯体传热：Q
war
＝Q
con
+Q
PTC
电驱独立模式和余热利用模式下的Chiller内冷却液能量平衡方程形式如下，其传热方向为冷却液向Chiller传热：式中，Q
chi
为Chiller制冷量，M
cc
为Chiller冷却液质量流量，T
ccin
为Chiller入水温度，T
ccout
为Chiller出水温度，m
cc
为Chiller内冷却液质量；对流传热方程：电驱独立模式、电池串联模式和余热利用模式下的电驱系统及水套内冷却液的对流传热方程形式如下，其传热方向为电驱系统向冷却液传热：式中，h
cm
为电驱系统与冷却液的对流换热系数，A
cm
为电驱系统水套换热面积；串联预热模式下的电驱系统及水套内冷却液的对流传热方程形式如下，其传热方向为冷却液向电驱系统传热：电驱独立模式、电池串联模式和余热利用模式下的动力电池及水套内冷却液的对流传热方程形式如下，其传热方向为动力电池向冷却液传热：式中，h
cb
为电池与冷却液的对流换热系数，A
cb
为电池水套换热面积；串联预热模式下的动力电池及水套内冷却液的对流传热方程形式如下，其传热方向为冷却液向动力电池传热：散热器传热方程：
以前端冷却模块散热器为对象，散热器传热方程形式；式中，UA
r
为散热器总换热系数，A
cr
为散热器冷却液侧换热面积，A
t
为散热器翅片换热面积，A
a
为散热器空气侧换热面积；h
cr
为散热器冷却液侧对流换热系数，h
a
为散热器空气侧对流换热系数，η
t
为散热器翅片效率，δ
t
为散热器翅片厚度，λ
t
为翅片导热系数；采用传热单元数法计算散热器总换热量：c
min
＝m1in(|M
cr
·
c
c
|，|M
a
·
c
a
|)c
max
＝max(|M
cr
·
c
c
|，|M
a
·
c
a
|)式中，NTU为散热器传热单元数，C
r
为散热器冷却液侧和空气侧的相对比容，M
cr
为散热器冷却液质量流量，c
a
为空气比热容，M
a
为散热器进风质量流量，M
a
＝F
ma
(V
car
，N
fan
)是关于车速V
car
和风扇转速N
fan
的特性函数，F
ma
为散热器进风流量函数；对于交叉流形式的车用散热器，散热器换热效率ε计算公式如下：再由ε计算散热器总换热量：Q
r
＝ε
·
C
min
·
(T
rcin
‑
T
rain
)...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢鹏宇，张爱文，李英，侯国政，张志强，陈群，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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