一种基于跨临界CO2热管理的能量流系统的控制方法

本发明属于新能源汽车，特别涉及一种基于跨临界co2热管理的能量流系统的控制方法。

背景技术：

1、随着制冷剂的更迭，co2作为一种天然工质被广泛应用；但是，当前行业内并没有对以co2循环为核心的能量流，提出综合全面以及反映co2循环特性的控制方法和策略。

2、目前，行业内一致认为，以跨临界co2为循环的热泵空调技术，在冬季制热时展现出良好的制热效果，能够有效提升电池温度，增加电池的单次放电容量，在能量流优化方案的优化过程中能够发挥更大的作用，综合提升整车的续航性、动力性和舒适性。然而，现有新能源汽车能量流系统的控制方法，很少能综合考虑整车的续航、动力、舒适三大特性实现统筹优化，且其单独部分的控制逻辑也不够完善和精确，电池、电机的车用控制逻辑通常都是最简单的启停式控制方法；通过设定条件，当条件达成时开启控制策略使被控量恢复到设定范围，然后停止控制执行，这样的控制方法十分粗犷，效率很低，不利于整车性能的提升；另外，当电池、电机、乘员舱三大能量消耗模块同时需要能量分配时，没有相应的控制算法对能量流进行整体评估，实现全方位的性能提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于跨临界co2热管理的能量流系统的控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，统筹考量了电池、电机、乘员舱的不同需求，并且结合跨临界co2循环的特性进行综合控制，能够全方位地提升新能源汽车的整车性能。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于跨临界co2热管理的能量流系统的控制方法，

4、所述基于跨临界co2热管理的能量流系统包括：锂离子电池、电机、co2压缩机、室外换热器、前端水散热器、室内换热器、电池冷却器、四通换向阀、回热器、第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀、第一电子水泵、第二电子水泵、室内风机、室外风机和气液分离器；其中，

5、所述锂离子电池的冷却液出口经所述电池冷却器的第二换热通道、所述第一电子水泵与所述锂离子电池的冷却液进口相连通；所述电机的冷却液出口经所述前端水散热器的第二换热通道、所述第二电子水泵与所述电机的冷却液进口相连通；所述室内风机用于通过所述室内换热器的第二换热通道向乘员舱通风；所述室外换热器的第二换热通道与所述前端水散热器的第一换热通道相连通，所述室外风机用于通过所述室外换热器的第二换热通道向所述前端水散热器的第一换热通道通风；所述co2压缩机的出口与所述四通换向阀的a口相连通；所述四通换向阀的b口分成两路，一路经所述室内换热器的第一换热通道与所述第一电子膨胀阀的进口相连通，另一路经所述电池冷却器的第一换热通道与所述第二电子膨胀阀的进口相连通；所述第一电子膨胀阀的出口和所述第二电子膨胀阀的出口汇合后经所述回热器的第一换热通道、所述室外换热器的第一换热通道与所述四通换向阀的c口相连通；所述四通换向阀的d口经所述气液分离器、所述回热器的第二换热通道与所述co2压缩机的进口相连通；

6、所述基于跨临界co2热管理的能量流系统中，制热模式时，所述四通换向阀的a口与所述四通换向阀的b口相连通，所述四通换向阀的c口与所述四通换向阀的d口相连通；制冷模式时，所述四通换向阀的a口与所述四通换向阀的c口相连通，所述四通换向阀的b口与所述四通换向阀的d口相连通；

7、所述控制方法中，提出电池能量流管理评价指标、乘员舱能量流管理评价指标、电机能量流管理评价指标，通过数学拟合获得三项指标和各个执行元件的功耗、部件信息及环境信息的函数关系，使用最大梯度寻优法，对系统进行动态寻优以实现路径最优化；

8、所述控制方法中，以提出的评价指标为判断标准，使得评价指标最优的排气压力为最佳执行排气压力。

9、本发明控制方法的进一步改进在于，所述控制方法中，

10、由所述co2压缩机的转速控制总制冷、制热量的需求；其中，随着所述co2压缩机的转速增高，所述室内换热器和所述电池冷却器的换热量之和增大；随着所述co2压缩机的转速增高，所述室外风机的换热量增大；所述室外风机的转速随着车速的增高而降低，随着车速的降低而增高；

11、由所述室内风机控制室内送风温度；其中，随着送风温度需求与环境温度的差异的降低，室内风机的送风量增大；

12、由所述第一电子膨胀阀控制所述室内换热器的换热量；其中，随着乘员舱换热量的需求升高，所述第一电子膨胀阀的开度增大；随着乘员舱换热量的需求降低，所述第一电子膨胀阀的开度减小；

13、由所述第二电子膨胀阀控制所述电池冷却器的换热量；其中，随着电池换热量的需求升高，所述第二电子膨胀阀的开度增大；随着电池换热量的需求降低，所述第二电子膨胀阀的开度减小；

14、由所述第一电子水泵控制电池冷却水的流量，由所述第二电子水泵控制电机冷却水流量。

15、本发明控制方法的进一步改进在于，所述控制方法的优化控制目标包括：锂离子电池放电倍率、锂离子电池温度、电机温度、电机扭矩、乘员舱舒适性和整车热管理系统cop能效比；其中，

16、使用co2压缩机、第二电子膨胀阀、第一电子水泵调节电池冷却器中的换热量，此部分能量作为电池的主要冷却或加热能量来源；同时，兼顾电池不同倍率带来的自发热量，电池和环境自然对流换热的热量，用电池冷却器中的换热量调控电池温度，提升电池的单次放电容量；通过平衡压缩机功耗和电池单次放电容量提升效果，改善电池热管理效率；

17、使用co2压缩机、第一电子膨胀阀、室内风机调控室内换热器的换热量，此部分能量作为乘员舱的主要冷却或加热能量来源，用于调控乘员舱的温度和温度场，维持乘员舱中乘客的热舒适性；

18、使用第二电子水泵、室外风机调控前端水散热器中的换热量，此部分能量作为冷却电机、电控的主要冷量来源，用于调控电机温度，保障电机的动力极限。

19、本发明控制方法的进一步改进在于，所述使用co2压缩机、第二电子膨胀阀、第一电子水泵调节电池冷却器中的换热量，此部分能量作为电池的主要冷却或加热能量来源；同时，兼顾电池不同倍率带来的自发热量，电池和环境自然对流换热的热量，用电池冷却器中的换热量调控电池温度，提升电池的单次放电容量；通过平衡压缩机功耗和电池单次放电容量提升效果，改善电池热管理效率的步骤中，

20、定义电池有效热管理率mbat，表示为，

21、mbat＝(qdis，e-qdis，r)/qchiller；

22、式中，qdis，r是在当前环境温度下电池的单次额定放电容量；qdis,e是执行热管理策略后电池在所处温度下的单次额定放电容量，容量值大于环境温度下不进行热管理的单次额定放电容量；qchiller为系统中电池冷却器中提供给电池的热量或冷量值；

23、通过电池有效热管理率的函数关系式，对系统在当前运行状态下进行多元线性方程组的目标优化求解，优化对象为copbat，可行域为各元件的功率和温度运行范围，得到只关于放电倍率cdis的单次放电容量的函数，进而通过高等数学极值点的求解方式获得最优单次放电容量；

24、其中，

25、定义锂离子电池的单次放电容量大小q、电池温度tba、放电倍率cdis之间的关系；其中，

26、对放电倍率和电池温度的定义为，

27、cdis＝f(ie，ir)＝f(ir,ie,eng,ie,comp,ie,otr,ie,pump1,ie,pump2,iblower,ifan)

28、＝f(ir,peng,pcomp,potr,ppump1,ppump2,pblower,pfan)

29、＝((peng+pcomp+potr,high)/uhigh+(ppump1+ppump2+pblower+pfan)/ulow)/ir；

30、tbat＝f(cdis,qchiller,tambient)＝k1*cdis-k2*qchiller-k3*tambient；

31、式中，ie为电池实际输出电流；ir为电池额定1c放电电流；ie，eng为电机实际电流；ie，comp为压缩机实际电流；ie，otr为其他部件电流；ie，pump1为第一电子水泵实际电流；ie，pump2为第二电子水泵实际电流；iblower为室内风机实际电流；ifan为室外风机电流；peng为电机实际功率；pcomp为压缩机实际功率；ppump1为第一电子水泵实际功率；ppump2为第二电子水泵实际功率；pblower为室内风机实际功率；pfan为室外风机功率；potr为其他部件功率；uhigh为高压电系统电压；ulow为低压电系统电压；tambien为实际环境温度；k1、k2、k3为特定比例系数，k1为与cdis有关的电池内阻相关参数，k2为电池水路中的能量损失，k3为电池和空气换热的对流换热系数相关的参数；

32、单次放电容量与电池温度、放电倍率的关系为，

33、qdis，e＝f(cdis，tbat，qdis，r)＝qdis，r*(1-k4/e^tbat–k5*(e^(cdis-1))；

34、式中，k4和k5分别表现电池温度tbat和放电倍率对c电池单次放电容量qdis，e的影响程度。

35、本发明控制方法的进一步改进在于，所述使用co2压缩机、第一电子膨胀阀、室内风机调控室内换热器的换热量，此部分能量作为乘员舱的主要冷却或加热能量来源，用于调控乘员舱的温度和温度场，维持乘员舱中乘客的热舒适性的步骤中，

36、使用电机水路的进水温度、回水温度、水流量和电机温度定义电机的动力冷却效果meng；使用hvac暖通空调的送风温度、回风温度、风量定义乘员舱的舒适性评估指标mcabin，分别表示为，

37、meng＝l1(tw,out-tw,in)*qw/teng；

38、mcabin＝l2(ta,back-ta,in)*qhvac/tambient；

39、式中，l1和l2是修正系数；tw,in为电机水路的进水温度，tw,out为电机水路的回水温度，qw为电机水路的水流量，teng为电机温度；ta,in为hvac暖通空调的送风温度，ta,back为hvac暖通空调的回风温度，qhvac为hvac暖通空调的风量，tambien为实际环境温度；

40、其中，随着电机扭矩需求的增大，l1值减小；随着太阳辐射增强，l2值减小；对于舒适性需求增高时，提高mcabin值；对于电机动力性能需求增高时，提高meng值；通过增大电机水路的进出水温差和水流量，提升作为电机热管理评估指标的meng值；通过增大hvac暖通空调的送回风温差和风量，提升作为乘员舱评估指标的mcabin值；其中，通过调节第二电子水泵控制水流量，通过调节室内风机控制风量；通过调节室外风机的转速控制进水温度，通过调节co2压缩机的转速和第一电子膨胀阀的开度控制送风温度。

41、本发明控制方法的进一步改进在于，

42、定义全局评价指标mglobal，表示为，

43、mglobal＝m1*mbat+m2*meng+m3*mcabin；

44、式中，m1、m2、m3分别为电池权重、电机权重、车舱权重，m1+m3+m2＝100％，m1、m2、m3<100％；

45、mglobal的状态描述值mglobal,state和机械描述值mglobal,machine，分别表示为，

46、mglobal,state＝f(cdis,qchiller,tambient,tw,out,tw,in,qw,teng,ta,back,ta,in,qhvac,tambient)；

47、mglobal,machine＝f(pcomp,ppump1,ppump2,pfan,pblower,dvavle1,dvavle2)。

48、本发明控制方法的进一步改进在于，所述全局评价指标mglobal中，

49、环境温度处于满足恶劣工况的预设温度范围时，m1>m3>m2；

50、太阳辐射强度大于预设辐射强度阈值时，m3>m1>m2；

51、电机扭矩大于预设扭矩阈值时，m2>m3>m1；

52、车速大于预设速度阈值时，m3>m1>m2。

53、本发明控制方法的进一步改进在于，所述控制方法的控制过程中，各项状态值为反馈量，各项机械值为控制量，各机械结构为执行机构；根据机械描述值计算得到mgloba的梯度，并沿着梯度方向对系统各自变量进行增大，直到系统梯度为0，找到mglobal在定义域内的最大值，获得最优控制结果。

54、本发明控制方法的进一步改进在于，所述控制方法的控制过程中，通过调节第一电子膨胀阀、第二电子膨胀阀的开度，共同调控系统的排气压力；

55、其中，当mglobal最优时，获得最佳执行排气压力pdis，bestopel，表示为，

56、pdis,bestopel＝f(tambient,cdis,mglobal)*pdis,optimal＝(n1*tambient+n2*cdis+n3*mglobal)*pdis,optimal；

57、式中，n1，n2，n3是拟合修正系数；pdis,optimal为最优排气压力。

58、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

59、本发明提供的技术方案中，在制冷制热两种模式下，均有以下换热过程：电池冷却器通过第一电子水泵和冷却液换热，进而通过第一电子水泵使得冷却液和锂离子电池进行换热，实现电池热管理；室内换热器通过室内风机和空气换热，将换热后的空气送入乘员舱，实现乘员舱热管理；室外换热器中的制冷剂co2通过室外风机和室外空气进行换热，前端水散热器中的冷却液通过室外风机和室外空气进行换热，通过第二电子水泵使得冷却液和电机换热，从而实现电机的热管理。本发明提供的技术方案，统筹考量了电池、电机、乘员舱的不同需求，并且结合跨临界co2循环的特性进行综合控制，能够全方位地提升新能源汽车的整车性能。

60、本发明公开的技术方案中，基于跨临界co2的热管理技术对整车能量流进行优化控制，统筹考量了电池、电机、乘员舱的不同需求，并结合跨临界co2循环的特性进行综合控制；其中，鉴于新能源汽车整车性能受制于多个复杂因素，本发明基于跨临界co2热管理系统提出了整车能量流优化控制方法，精确定义评估了电池、电机、乘员舱的能量流分配需求，提出了一种综合评估算法以实现对于三大模块能量需求的评估，进一步结合跨临界co2热管理系统给出了其排气压力的控制方案，全面地提升了整车表现。

61、本发明中，提出了更精细化的电池热管理策略；具体解释性的，现有方法未考虑热管理需求与实现相应热管理目标所需消耗之间的矛盾，本发明提出了电池热管理最大边际效益点，能够用最少的电池容量消耗换取最大限度的电池单次放电效率提升，可提升整车续航里程。

62、本发明提出了全面评价指标，对电池容量特性、电机动力特性、乘员舱热舒适性进行统筹能量流分配，使用梯度优化方法对整车热管理评价指标进行优化，全方位提升了新能源汽车的续航里程和乘用舒适性。

63、本发明提出了最佳执行排气压力，以整车能量流评价指标为优化目标的排气压力，使得系统从稳态最优到动态全局最优。

64、综上，本发明综合考虑多项指标，按照不同权重提出整车能量流评估指标，并结合不同工况进行分类控制，在上述控制逻辑不变的情况下，对整车评估指标进行优化，通过梯度求解方法找到整车评估最优控制路径，以最快路径实现整车优化控制；在优化过程中，提出最佳执行排气压力的概念，以整车能量流评估指标为最优先考虑的参数，突破传统跨临界co2热管理系统最优排气压力的限制，保障动态全局最优而非稳态能耗最低；进一步的，拟合出跨临界二氧化碳热管理系统最优排气压力和最佳执行排气压力的关系，通过经验关联式获得最优排气压力进而获得最佳执行排气压力。