《电动车热泵空调及其自动控制系统研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动车热泵空调及其自动控制系统研究（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上海交通大学硕士学位论文电动车热泵空调及其自动控制系统研究姓名：谢卓申请学位级别：硕士专业：制冷与低温工程指导教师：陈江平20060201电动车热泵空调及其自动控制系统研究 摘 要 本文通过分析电动车与普通燃油汽车的区别 采用在风道中设置两个换热器一个蒸发器一个内部冷凝器使用四通换向阀来切换制冷和制热模式 采用这种结构不仅不需要为此系统开发专门的部件而且能有效的避免在制热工况 系统从融霜模式转换成制热模式时换热器上的凝结水迅速蒸发在挡风玻璃上结霜 对驾驶安全性的影响 本文建立了热泵空调系统的数学模型 对系统的控制方法进行了研究由于车室空间狭窄热容较小风道中没有热水芯调节送风温度 采用了同时控制
2、压缩机转速和风机风量的方法来调节车室内的温度并采用模糊控制来调节新风/ 循环风风门和模式风门的开度考虑到电动车运行环境温度和湿度变化幅度大 采用了模糊自修正除霜控制技术 通过搭建电动车热泵空调系统的实验台 验证了采用基于实验转换的部件模型在系统仿真中的结果 热泵空调系统在制冷工况和制热工况下的制冷量和制热量可以满足电动车车室的舒适性要求 并能在各种工况下保持较高的效率 关键词电动车热泵空调系统自动控制仿真模型 RESEARCH OF ELECTRICAL VEHICLE HEAT PUMP AIR CONDITIONER AND ITS AUTOMATIC CONTROL SYSTEM A B
3、 S T R A C T By analysis of the difference between electrical vehicle and traditional vehicle, two heat exchangers are used in the wind tunnel: an evaporator and an interior condenser, a four-way valve is used to switch from refrigeration mode to heating mode. By using this configuration, we dont ne
4、ed to develop special component for the system, demisting the wind shield can also be avoid in order to secure safe driving when the system is switched from demisting mode to heating mode. Simulation models of heat pump air conditioner have been developed for control algorithm. As cabin is narrow an
5、d has small heat capacity, with no heating core in wind tunnel, air temperature of cabin is adjusted by compressor speed and air flow of fan and fuzzy algorithm is used to control the fresh air/recirculating air door and mode door. Considering electrical vehicle running at a circumstance with temper
6、ature and humidity varying in a wide range, self-tune fuzzy control algorithm is used to demist. The results of system simulation using components converting from experimental data have been validated by building up the system experimental set-up; the cool capacity and heat capacity of the heat pump
7、 air conditioner can meat the requirement of electrical vehicle with high efficiency. Key words: electrical vehicle, heat pump, air conditioning system, automatic control, simulation model 申请上海交通大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 Re 雷诺数 1L 送风量kg/s A 面积m2 pc 车室内空气比容J/kg K 1pc 送风比容J/kg K c 比热J/kg K d 直径m ad 空气侧特征长度
8、m g 重力加速度m/s2 H 翅宽m h 焓J/kg 0h 蒸发比焓J/kg k 管内粗糙度m L 管长m M% 千摩尔质量kg/kmol m 质量kg dry airm虚线箭头表示制热运行方式,这时向车内吹热风使车内升温加热或对挡风玻璃除雾霜通过感受车室温度逆变器调制电动机电源的脉冲宽度来控制压缩机转速的大小,从而改变空调系统的冷(热)量大小,以满足各种环境条件下车室的舒适性及除雾霜要求从原理上讲该系统与普通的热泵空调并无区别,只是由于此系统是用于电动车这一特殊场合,该系统所用的主要部件有其特殊性 图2 热泵空调系统图 该系统中使用的压缩机就是专门为电动车开发的旋叶式双工作腔滑片压缩机如图
9、3所示,圆形转子同心地安装在扁圆形气缸内,5个滑片置于转子上开设的槽中并能来回滑动,原动机驱动转子转动时,滑片靠离心力被甩出,紧贴在气缸内表面上,把气缸内腔分隔成若干个随转子转角变化其容积的小空间(称为基元),随着转子转动,基元容积的大小周期性地变化,从而完成气体的吸入压缩排出等工作过程它具有加工简单起动冲击小高转速下的振动和噪音小等优点它同涡旋压缩机性能比较如图4所示在低转速时COP值比涡旋式压缩机要大但当转速超过2500r/min时要低于涡旋式压缩机 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4图 3 双工作腔滑片压缩机 图 4 压缩机 COP 比较 此系统的 COP 与传统的燃油汽车空
10、调系统的比较如图 5 所示虽然当压缩机转速较高时系统的性能有较大的提高 但当压缩机在低转速运行时系统的性能还有待改进 图 5 压缩机不同转速时 COP 比较图 但是采用普通热泵空调系统的结构不仅需要开发允许双向流动的膨胀阀并且在热泵工况下系统从融霜模式转为制热模式时风道内换热器上的冷凝水将迅速蒸发在挡风玻璃上结霜会影响驾驶的安全性电装DENSO公司开发出的一套 R134a 电动车热泵空调系统3它在风道中使用了两个换热器一个内部冷凝器一个蒸发器制冷时制冷剂只经过蒸发器制热时制冷剂则只经过内部冷凝器当系统以除霜/除湿模式运行时制冷剂将经过所有三个换热器它从压缩机到内部冷凝器外部冷凝器再到内部蒸发器
11、然后回到压缩机空气将通过蒸发器来除湿和将空气冷却到除霜所需要的温度再通过内部冷凝器加热然后将它送到车室不仅可以解决汽车安全驾驶的问题而且在融霜时还能同时控制出风口空气的温度但是其制热量较少且由于系统中采用了两个电子膨胀阀控制系统比较复杂 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5由于自然工质 C O2良好的热物理性能日本电装公司4为电动车开发了一套C O2热泵空调系统系统的运行图如图 6所示它采用了在风道内设置一个蒸发器和一个内部冷凝器通过旁通阀的开闭来切换制冷和制热模式当系统为制冷模式时制冷剂同时流经内部冷凝器和外部冷凝器此时可以利用内部冷凝器的热量通过调节蒸发器出风风门的开度来控制出风
12、温度满足车室内舒适性的要求但是由于 C O2热泵空调系统有其特殊性且价格昂贵目前还不能在我国普遍推广 图 6 C O2热泵空调系统及其运行图 为了使热泵空调系统在各种工况都能保持高效运行设计合适的控制系统非常重要由于国内汽车空调系统的电子化程度比较低大多数仍采用手动控制或简单的位式控制已经不能满足舒适性和节能性的要求而且电动车的热泵空调系统的压缩机转速可控控制系统有点类似于房间热泵空调系统但是由于应用于汽车空调这一特定场合它既不同于普通的房间热泵空调系统又不同于普通的燃油汽车空调系统 为了使电动车空调系统在各种工况下都有很好的舒适性和节能性我们应当专门研究适用于电动车的控制策略及全自动控制系统
13、使得系统在各种工况下都能保持较高的效率 日本学者松冈博士于 1 9 8 4年提出矩阵电子控制法6它是将空调器制冷系统看作是一个线性多输入多输出系统 通过将系统的仿真结果整理成线性函数关系, 并将其系数存入微电脑中在实机运行中, 通过简单的矩阵运算, 即可得出运行工况下的调节量, 以实现对空调器能力和制冷剂状态等的实时控制随着空调器的普及和控制技术的发展松冈通过改变压缩机转速电子膨胀阀开度和换热器风机转速对制冷系统进行了实验研究, 根据三者对系统动态特性的影响规律,申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 6并于 1 9 8 7年提出了变频空调器的系统相关指令控制法, 首次将人工神经网络技术和
14、模糊控制技术综合应用于空调器 近年来, 变频空调器的控制研究都是集中于模糊控制, 文献7 8提出了模糊控制思想及硬件方法, 但是未对制冷系统进行深入的仿真研究为了研究变频空调制冷系统的性能段振刚等9通过将压缩机蒸发器制冷系统简化为二阶加纯迟延对象来研究; 王沣浩等10对模糊控制中 k e k e c k u 三个比例因子进行了深入分析, 其仿真中假定空调系统为纯迟延的一阶惯性环节, 且时间常数和延迟时间不变但制冷系统实际上是一个多干扰参数强耦合工况多变化的非线性系统, 故应用简单的传递函数仿真将引起较大的误差 周兴禧11等人通过集总参数法创建蒸发器冷凝器膨胀阀及压缩机的模块结合房间对象模块对模
15、糊控制器在不同工况下的性能进行了研究 X i a n g d o n g H e12等利用集中参数模型设计了 3 3多输入多输出控制系统其中输入参数为压缩机转速电子膨胀阀开度和室外机风扇转速控制参数为蒸发器出口过热度蒸发压力和冷凝压力系统中含有以观察器为基础带有积分功能的补偿器L Q G以减少可能存在的稳态误差仿真表明三个输入协同调节输出具有受外界干扰小过渡平稳的效果并且具有比单输入单输出系统更高的 C O P 值 Y o u n C h e o l P a r k 等13对一种以线性电子膨胀阀为膨胀元件配置一个变速压缩机的变频空调系统建立了一个系统仿真程序 系统性能分析针对压缩机运行频率房间负荷电子膨胀阀开度等进行研究表明压缩机运行频率受到负荷的限制当系统的制冷量能够满足外在负荷的时候为了得到最高的 C O
