基于动力涡轮发电的热管理系统用电协调及匹配研究

内燃机余热能量回收对于提高燃油能量利用效率具有重要意义。目前余热能回收的热点技术,如动力涡轮、朗肯循环和热电转化,均是将内燃机余热能转化为电能储存在蓄电池中。但是回收得到的电能只有被有效利用,才能达到道路节油的最终目的。因此,本文提出了动力涡轮回收内燃机余压能-蓄电池存储-热管理电动附件使用的能流系统,研究了热管理附件用能的有效管理方法,以及能量使用与回收的匹配和协调方法。为降低热管理系统本身能耗,本文研究了发动机进出口冷却液温差状态与附件功率协调之间的关联规律,研究表明:在稳态过程中维持发动机出口冷却液温度不变,通过调节发动机进出口冷却液温差,可实现对热管理系统附件总功率的调节,最大可降低热管理系统附件能耗15%,且全工况范围内附件能耗最低对应的最优温差集中在6K-8K。为将该规律应用于道路工况,进一步分析了发动机进出口冷却液温差在动态运行中对于发动机负荷变化的响应特性,提出了一种发动机进出口冷却液温差的优化方法,相比于固定温差的管理方法,实现在HUDDS(Heavy Duty Urban Dynamometer Driving Schedule,重型机车市郊工况)道路工况下,降低附件能耗14.3%。在此基础上,建立了基于传热过程的系统模型,提出了基于模型的热管理系统控制方法,与传统的PID控制相比,在HUDDS道路工况下,可进一步降低发动机热管理系统附件能耗4.89%。从能量使用与回收的匹配和协调角度,分析了动力涡轮转速和动力涡轮通流面积对回收功率的影响规律,提出了基于热管理附件用能需求的动力涡轮匹配方法。对比分析了基于发动机额定工况点,最大扭矩点,以及HUDDS工况下的最常用工况点的三种动力涡轮匹配方案对燃油经济性、以及能量回收与使用盈余关系的影响规律。结果表明,基于最大扭矩点的动力涡轮匹配方案具有更优的燃油经济性,更合理的盈余关系。在HUDDS工况下,能量回收与能量使用基本平衡,相比于传统曲轴机械能驱动的冷却系统,整车百公里油耗降低13.1%。