CN115284819B - 一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统及控制方法，该电动汽车空调系统包括主风道、回风风道、环境空气旁通风道、负荷预测模块和运行模式控制模块；其中，主风道上设置有环境空气风阀；回风风道上设置有回风阀；环境空气旁通风道上设置有环境空气旁通阀；负荷预测模块用于根据汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息，动态预测车内显热冷负荷；运行模式控制模块用于根据负荷预测模块预测的车内显热冷负荷，考虑环境空气干球温度、环境空气湿度、最大送风量、所需送风量、所需送风温度、车内空调设定温度和人体舒适空气含湿量，选取系统运行模式及相应送风量和送风温度。本发明可有效降低汽车空调系统的能耗。

Description

一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统及控制方法

技术领域

本发明涉及新能源及汽车空调技术领域，特别涉及一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统及控制方法。

背景技术

电动汽车车舱是一种和建筑类似的人类活动空间，为满足车内人员热舒适，需通过汽车空调系统维持车内热环境在舒适的范围之内。

电动汽车需要电能驱动空调系统制冷或采暖，一般采用蒸汽压缩式制冷循环，夏季运行在制冷模式下，冬季运行在热泵模式下，能耗较高。空调系统是电动汽车中能耗最高的辅助设备，采用蓄电池供电，因此一定程度上会影响汽车续航里程。而目前的电动汽车本身就续航能力有限，且充电时间较长。

因此，合理利用自然冷源，降低电动汽车空调能耗，对于提升电动汽车续航里程，推动交通运输领域节能和可持续发展具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统及控制方法，以解决现有的用于电动汽车的空调系统能耗较高，影响汽车续航里程的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统，包括主风道、回风风道和环境空气旁通风道；

其中，所述主风道一端与汽车车舱连通，另一端与车外环境连通，所述回风风道一端与汽车车舱连通，另一端与所述主风道连通，所述环境空气旁通风道一端与汽车车舱连通，另一端与所述主风道连通；

所述主风道中依次设置有环境空气风阀、过滤器、蒸发器以及送风机，所述蒸发器通过制冷剂管道与压缩机、冷凝器以及膨胀阀组成闭合回路；所述回风风道上设置有回风阀；所述环境空气旁通风道上设置有环境空气旁通阀；

所述空调系统还包括负荷预测模块和运行模式控制模块；所述负荷预测模块用于根据汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息，动态预测车内显热冷负荷；所述运行模式控制模块用于根据负荷预测模块预测的车内显热冷负荷，考虑环境空气干球温度t_ambi、环境空气湿度ω_ambi、最大送风量G_max、所需送风量G_s、所需送风温度t_s、车内空调设定温度t_set和人体舒适空气含湿量ω^*，选取空调系统运行模式及相应送风量G_s和送风温度t_s。

进一步地，所述汽车围护结构信息包括：汽车围护结构的传热系数和面积；

所述环境参数包括：环境空气干球温度、太阳辐射强度以及空调设定温度；

所述车内热源信息包括：车内人员的数量和散热强度、车内灯具的数量和散热强度，以及车内设备的数量和散热强度。

进一步地，所述空调系统运行模式包括机械制冷模式、混合模式和自然冷源模式。

进一步地，所述运行模式控制模块具体用于：

当t_ambi>t_set或ω_ambi>ω^*时，选取机械制冷模式作为当前空调系统运行模式，此时不引入环境空气，采用机械制冷模式对车舱内回风进行降温，G_s＝G_max；

当t_s<t_ambi<t_set且ω_ambi<ω^*时，选取混合模式作为当前空调系统运行模式，此时引入环境空气，环境空气经机械制冷降温到t_s后送入车舱内，G_s＝G_max；

当t_ambi<t_set、ω_ambi<ω^*且G_s<G_max时，选取自然冷源模式作为当前空调系统运行模式，此时直接将车外的环境空气送入车舱内，t_s＝t_ambi。

进一步地，在所述机械制冷模式下，所述环境空气旁通阀和所述环境空气风阀关闭，所述回风阀开启；汽车车舱内空气通过所述回风风道进入所述主风道，经过所述蒸发器降低到所需送风温度后，由所述送风机送入汽车车舱内。

进一步地，在所述混合模式下，所述环境空气旁通阀和所述回风阀关闭，所述环境空气风阀开启；环境空气经过所述过滤器，由所述主风道引入所述蒸发器进行降温，并在降温后由所述送风机送入汽车车舱内。

进一步地，在所述自然冷源模式下，所述环境空气风阀和所述回风阀关闭，所述环境空气旁通阀开启；环境空气经过所述过滤器，流经所述环境空气旁通风道，再由所述送风机送入汽车车舱内。

另一方面，本发明还提供了一种上述的基于动态负荷预测的电动汽车空调系统的控制方法，所述控制方法包括：

获取汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息；

根据汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息，动态预测车内显热冷负荷；

根据预测的车内显热冷负荷，考虑环境空气干球温度、环境空气湿度、最大送风量、所需送风量、所需送风温度、车内空调设定温度和人体舒适空气含湿量，选取系统运行模式及相应送风量和送风温度。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提供了一种可利用环境空气作为自然冷源的新型电动汽车空调系统，并提供了一种基于负荷预测结果的控制策略，本发明可基于电动汽车动态显热冷负荷预测结果，综合考虑车内设定温度和环境干球温度，环境空气湿度、最大送风量、所需送风量、所需送风温度，人体舒适空气含湿量等因素对系统运行模式、送风量及送风温度进行智能调控，从而可以有效降低电动汽车空调系统的能耗，适用于温和地区、寒冷地区、严寒地区和夏热冬冷地区使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的电动汽车空调系统的负荷预测原理及控制策略示意图；

图2是本发明实施例提供的电动汽车空调系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的电动汽车空调系统在机械制冷模式下的空气处理过程示意图；

图4是本发明实施例提供的电动汽车空调系统在混合制冷模式下的空气处理过程示意图；

图5是本发明实施例提供的电动汽车空调系统在自然冷源模式下的空气处理过程示意图。

附图标记说明：

1、主风道；2、回风风道；3、环境空气旁通风道；4、送风机；5、过滤器；

6、蒸发器；7、压缩机；8、冷凝器；9、膨胀阀；10、制冷剂管道；

11、环境空气旁通阀；12、环境空气风阀；13、回风阀；

14、湿度传感器；15、温度传感器；16、汽车车舱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

基于电动汽车续航能力有限，充电时间较长，因此一般作为通勤工具在固定地区运行，运行过程中的气候条件确定，而汽车空调系统负荷主要以显热负荷为主的实际情况，本实施例从处理显热负荷的角度提供了一种适用于小型电动汽车的基于动态负荷预测的采用环境空气辅助降温的电动汽车空调系统，该电动汽车空调系统可根据车内乘客设定温度及环境温度预测车内显热冷负荷，并判定系统运行模式、送风量及送风温度，以降低压缩制冷的制冷量及电耗。

具体地，如图2所示，本实施例提供的电动汽车空调系统包括主风道1、回风风道2和环境空气旁通风道3；其中，主风道1一端与汽车车舱16连通，另一端与车外环境连通，回风风道2一端与汽车车舱16连通，另一端与主风道1连通，环境空气旁通风道3一端与汽车车舱16连通，另一端与主风道1连通。

主风道1中依次设置有环境空气风阀12、过滤器5、蒸发器6及送风机4，蒸发器6通过制冷剂管道10与压缩机7、冷凝器8及膨胀阀9组成闭合回路；回风风道2上设置有回风阀13；环境空气旁通风道3上设有环境空气旁通阀11。此外，本实施例在主风道1的一端还设置有湿度传感器14以及温度传感器15，同时，汽车车舱16内也设置有温度传感器15。

进一步地，本实施例的空调系统还包括负荷预测模块和运行模式控制模块；负荷预测模块主要考虑车厢围护结构传热、透光玻璃日射得热和车内人员、灯光、设备散热，通过传感器获得汽车车舱内外空气温度及太阳辐射强度，根据空气温度和太阳辐射强度、车内空调设定温度、围护结构传热系数和面积、人员、灯光、设备散热情况，实现车内显热冷负荷动态预测，如图1所示，该模块的输入为汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息；其中，汽车围护结构信息包括汽车围护结构的综合传热系数和面积；环境参数包括环境空气干球温度t_ambi、太阳辐射强度以及空调设定温度；车内热源信息包括车内人员的数量和散热强度、车内灯具的数量和散热强度，以及车内设备的数量和散热强度；输出为冷负荷Q(可采用几部分简单相加的方式，具体算法不限)。

运行模式控制模块用于在负荷预测模块预测的动态显热冷负荷基础上，考虑t_ambi、环境空气湿度ω_ambi、最大送风量G_max(若运行在自动模式下，其值为系统最大风量，若人为调节风量，则其值为所调节风量)、所需送风量G_s、所需送风温度t_s、车内乘员设定温度t_set和人体舒适空气含湿量ω^*，选取空调系统运行模式及相应的送风温度t_s和送风量G_s。

进一步地，在本实施例中，空调系统运行模式包括机械制冷模式、混合模式和自然冷源模式三种运行模式。各模式切换的控制逻辑如图1所示。

机械制冷模式切换条件：当t_ambi>t_set或ω_ambi>ω^*时，选择机械制冷模式，此时不引入环境空气，采用机械制冷模式对车内回风进行降温，G_s＝G_max；

混合模式切换条件：当t_s<t_ambi<t_set且ω_ambi<ω^*时，选择混合模式，此时引入环境空气，环境空气经机械制冷降温到t_s后送入车内，G_s＝G_max；

自然冷源模式切换条件：当t_ambi<t_set、ω_ambi<ω^*且G_s<G_max时，选择自然冷源模式，此时直接将环境空气送入车内，t_s＝t_ambi。

进一步地，各运行模式下的空气处理过程如图3至图5所示。

在机械制冷模式下，不引入环境空气。压缩制冷系统工作，处理车内回风，蒸发器6承担所有显热负荷。空气处理过程如图3所示，此时环境空气旁通阀11和环境空气风阀12关闭，回风阀13开启；车内空气通过回风风道2进入主风道1，经过蒸发器6降低到所需送风温度后，由送风机4送入汽车车舱16内。

在混合模式下，引入环境空气，且压缩制冷系统工作，对环境空气进行降温。空气处理过程如图4所示，此时，环境空气旁通阀11和回风阀13关闭，环境空气风阀12开启；环境空气经过过滤器5，由主风道1引入蒸发器6进行降温，并在降温后由送风机4送入汽车车舱16内。

在自然冷源模式下，压缩制冷系统不工作，环境空气承担所有显热负荷。空气处理过程如图5所示，此时，环境空气风阀12和回风阀13关闭，环境空气旁通阀11开启；环境空气经过过滤器5，流经环境空气旁通风道3，再由送风机4送入汽车车舱16内。

综上，本实施例提供了一种可利用环境空气作为自然冷源的新型电动汽车空调系统，并提供了一种基于负荷预测结果的控制策略，可基于电动汽车动态显热冷负荷预测结果，综合考虑车内设定温度和环境干球温度，环境空气湿度、最大送风量、所需送风量、所需送风温度，人体舒适空气含湿量等因素对系统运行模式、送风量及送风温度进行智能调控，从而可以有效降低电动汽车空调系统的能耗，适用于温和地区、寒冷地区、严寒地区和夏热冬冷地区使用。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (5)

1.一种基于动态负荷预测的电动汽车空调系统，其特征在于，包括主风道、回风风道和环境空气旁通风道；其中，所述主风道一端与汽车车舱连通，另一端与车外环境连通，所述回风风道一端与汽车车舱连通，另一端与所述主风道连通，所述环境空气旁通风道一端与汽车车舱连通，另一端与所述主风道连通；

所述主风道中依次设置有环境空气风阀、过滤器、蒸发器以及送风机，所述蒸发器通过制冷剂管道与压缩机、冷凝器以及膨胀阀组成闭合回路；所述回风风道上设置有回风阀；所述环境空气旁通风道上设置有环境空气旁通阀；

所述空调系统还包括负荷预测模块和运行模式控制模块；所述负荷预测模块用于根据汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息，动态预测车内显热冷负荷；所述运行模式控制模块用于根据负荷预测模块预测的车内显热冷负荷，考虑环境空气干球温度t_ambi、环境空气湿度ω_ambi、最大送风量G_max、所需送风量G_s、所需送风温度t_s、车内空调设定温度t_set和人体舒适空气含湿量ω^*，选取空调系统运行模式及相应送风量和送风温度；

所述汽车围护结构信息包括：汽车围护结构的传热系数和面积；

所述环境参数包括：环境空气干球温度、太阳辐射强度以及空调设定温度；

所述车内热源信息包括：车内人员的数量和散热强度、车内灯具的数量和散热强度，以及车内设备的数量和散热强度；

所述空调系统运行模式包括：机械制冷模式、混合模式和自然冷源模式；

所述运行模式控制模块具体用于：

当t_ambi>t_set或ω_ambi>ω^*时，选取机械制冷模式作为当前空调系统运行模式，此时不引入环境空气，采用机械制冷模式对车舱内回风进行降温，G_s＝G_max；

当t_s<t_ambi<t_set且ω_ambi<ω^*时，选取混合模式作为当前空调系统运行模式，此时引入环境空气，环境空气经机械制冷降温到t_s后送入车舱内，G_s＝G_max；

当t_ambi<t_set、ω_ambi<ω^*且G_s<G_max时，选取自然冷源模式作为当前空调系统运行模式，此时直接将车外的环境空气送入车舱内，t_s＝t_ambi。

2.如权利要求1所述的基于动态负荷预测的电动汽车空调系统，其特征在于，在所述机械制冷模式下，所述环境空气旁通阀和所述环境空气风阀关闭，所述回风阀开启；汽车车舱内空气通过所述回风风道进入所述主风道，经过所述蒸发器降低到所需送风温度后，由所述送风机送入汽车车舱内。

3.如权利要求1所述的基于动态负荷预测的电动汽车空调系统，其特征在于，在所述混合模式下，所述环境空气旁通阀和所述回风阀关闭，所述环境空气风阀开启；环境空气经过所述过滤器，由所述主风道引入所述蒸发器进行降温，并在降温后由所述送风机送入汽车车舱内。

4.如权利要求1所述的基于动态负荷预测的电动汽车空调系统，其特征在于，在所述自然冷源模式下，所述环境空气风阀和所述回风阀关闭，所述环境空气旁通阀开启；环境空气经过所述过滤器，流经所述环境空气旁通风道，再由所述送风机送入汽车车舱内。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于动态负荷预测的电动汽车空调系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

获取汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息；

根据汽车围护结构信息、环境参数和车内热源信息，动态预测车内显热冷负荷；

根据预测的车内显热冷负荷，考虑环境空气干球温度、环境空气湿度、最大送风量、所需送风量、所需送风温度、车内空调设定温度和人体舒适空气含湿量，选取系统运行模式及相应送风量和送风温度。

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