纯电动汽车废热回收双热源热泵系统研究与设计

空调系统作为改善驾驶环境、提升汽车舒适性的重要手段,是现代汽车必不可少的组件之一。本文针对纯电动汽车动力电池、驱动电机和车内环境热管理需求复杂以及空调系统冬季制热能耗高的问题,提出废热回收双热源热泵系统,并对该系统的性能以及控制系统进行研究。首先,通过研究驱动电机、动力电池和车内环境的热特性,分析其热管理需求,提出并设计废热回收双热源热泵系统方案,具有如下功能:(1)夏季车内制冷;(2)冬季车内制热;(3)电机热管理及其冬季余热回收;(4)冬季车外换热器除霜;(5)冬季车内除湿;(6)电池热管理。其次,针对废热回收双热源热泵系统的控制需求,利用Altium Designer/Matlab/Simulink研究设计双热源热泵控制系统,主要包括:研制基于Freescale MC9S12XEP100的热泵系统控制器硬件;研究热泵系统控制策略,设计控制软件;移植开发控制器CCP标定系统,用于系统的开发、测试和标定。并在dSPACE平台上完成系统的硬件在环仿真。然后,通过搭建废热回收双热源热泵模拟实验系统,在环境舱内完成系统性能测试。通过不同工况下的制冷制热试验,研究电子膨胀阀开度、电池电机散热量对系统性能的影响。实验表明:在不同转速下,系统存在一个最佳过热度,此时系统效率最优;电子膨胀阀开度是影响过热度的重要因素;冬季工况下,双热源热泵系统能够有效地回收利用电机废热提高系统制热效率。最后,在实验的基础上,利用AMESim建立纯电动汽车双热源热泵系统仿真模型,并利用实验数据对仿真模型进行验证;在仿真模型的基础上,对城市道路循环工况UDDS下,系统性能和控制策略进行研究。仿真结果表明:制冷模式下,该热泵系统能有效地满足车内环境和动力电池的热管理需求,而且动力电池的冷却对热泵性能的影响不大;制热模式下,该热泵系统能有效地回收驱动电机的废热,减轻车外换热器的负荷;与空气源热泵相比,系统的制热性能有所提高。建立的仿真模型能够较准确的模拟系统实际的性能,可为双热源热泵系统及其控制策略的设计优化提供依据,缩短系统开发的周期。