本文是一篇博士论文，本文通过结合电池直冷系统，以提升电池热管理及空调的精准温度控制和系统低能耗为目标，开展电动汽车多源复合系统集成热管理研究。创新性提出机阀联控策略、控制原则及其方法，为电动汽车热管理集成创新奠定基础。
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
根据一项权威机构所做出的预测结果，2050年全球平均温度预计将升高2C左右，气候变化已成为摆在整个人类面前的共同挑战。面对日益严峻的能源和环境危机，实现交通能源转型，已经成为实现汽车行业可持续发展的重要途径。目前已有多个国家/城市宣布计划在未来10-30年内禁止使用内燃机汽车。随之而来的是近年来全球新能源汽车的产销量屡创新高。根据国际能源机构（International Energy Agency，IEA）的一项统计数据显示，截止2023年新能源汽车的销量达到了1380万辆，其中纯电动汽车的销量达到了950万辆，新能源汽车的市场份额已占到了18%[1]。图1.1表示2016-2023年全球电动汽车的销量及所占的市场份额。
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新能源汽车是全球汽车产业转型升级、绿色发展的主要方向，也是我国汽车产业高质量发展的战略选择[2]。交通领域是我国最大的温室气体和空气污染物来源之一，而中国汽车碳排放又占交通领域碳排放的80%以上[3]。为了把握时代发展机遇，助推汽车产业变革，我国率先确立了发展新能源汽车的国家战略，先后出台了70余项支持新能源汽车产业发展的政策举措。2020年，国务院发布了《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，并提出到2025年我国新能源汽车新车销售占比要超过车辆总销售20%的目标。同时汽车行业和生产企业也在加快创新步伐，并于2014年成立了中国电动汽车百人会的专家智库，共同推动了我国新能源汽车产业的快速发展。截止2024年6月底，我国新能源汽车保有量已达2472万量，新能源汽车产销量已经连续九年稳居全球首位[4]。
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1.2 国内外研究现状
热管理技术是根据控制对象的需求，通过加热或冷却的方法对其温度进行调节和控制的过程，是提高热力系统综合性能的重要研究方法，目前已经在车辆[11]及电动飞行汽车[12]、储能电站[13]、集成电路[14]等领域发挥着重要作用。据保守估计，电动汽车热管理系统能耗所占动力电池的能量已经超过30%[15, 16]。因此，热管理技术的先进与否将直接影响整车的动力性和续航里程，也成为当前新能源汽车技术开发中非常重要的一个环节[17]。下面本文主要从电动汽车及动力电池热管理、动力电池直冷及基于制冷系统构架下的复合系统等方面进行介绍。
1.2.1 电动汽车及其动力电池热管理
电池、电机、电控（三电系统）构成了电动汽车的核心，而三电系统的工作状态又与温度密切相关。为了保证整车的动力输出和综合性能，相应产生了电池热管理系统和针对电机、电控进行散热的冷却系统。同时为了保证乘员舱的驾乘舒适性，需要根据行驶环境及工况需求及时对车辆空调系统进行合理的热管理。目前，电动汽车复合热力系统主要包括电池热管理系统、空调系统及电机电控冷却系统。
动力电池是电动汽车的主要动力来源，与电池相关的成本大约占到整车成本的三分之一，但目前只有少数电池技术成功用于电动汽车，例如铅酸、镍镉和锂离子电池。由于锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电倍率低等优势，在电动汽车领域得到了广泛应用[18]。
电池的温度对其性能有着显著影响，例如：电池温度如果超过许用值，电池将发生过热、燃烧、爆炸等一系列安全问题，而温度过低又会容易导致电池材料内部出现枝晶现象，从而降低电池容量及缩短电池寿命。为了保证动力电池的安全运行，提高能量利用效率，就必须将电池温度控制在一定范围内，目前一般认为电池的最佳控制温度为20-40°C[19, 20]。为了使电池包在理想的参数范围内工作，需要引入热管理系统（Thermal Management System，TMS）来保障其安全、高效、可靠地运行。电池热管理系统在热失控抑制、降低电芯温差、延长电芯寿命等方面具有重要的作用[21]。因此，针对动力电池单体及模组的温度管控成为一项重要的研究方向。
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第2章 复合系统多源耦合构型研究
2.1 复合系统构型设计
目前，由电池冷板蒸发器与空调蒸发器组成的复合系统已经形成了比较成熟的控制架构，其中一种普遍采用的技术方案是由一个或两个空调蒸发器与电池冷板并联组成双蒸发器系统或三蒸发器系统[120]。为了能够进一步提高整车复合系统集成化程度及能量利用效率，实现能量互补和梯次利用，在本节的研究内容中，融合了动力电池直冷热管理系统、空调及电机电控散热系统，相应地提出了复合系统的串联、并联方案及混联方案，并结合夏季高温工况动力电池和空调的制冷需求，提出了一种可变制冷次序的控制架构。根据几种典型控制构型方案的能量传输及热流变特性，进行了相应的机理性分析，为整车复合系统的热管控架构设计提供理论支持和设计启示。
2.1.1复合系统基本流程构型
1. 并联
动力电池的蒸发冷板与空调蒸发器常见的复合形式为并联构架，这种结构具有系统运行阻力小，控制灵活等优势。在第一章中已对电机分级冷却技术及采用制冷剂作为冷却工质的相关研究进行了阐述。但随着电动汽车热管控系统的集成化发展，目前亟需在整车层面对各热力系统进行控制架构设计和机理分析。为了将电机、电控冷却系统与空调系统进行耦合关联，通过参照一种三温区分立并列的冰箱制冷循环架构模式[138]，将其与空调蒸发器和电池冷板并联，共同组成三蒸发器系统，控制构架如图2.1所示。在该控制构架下，为了实现对复合系统制冷剂流量的合理分配，空调支路、电池冷却支路及电机电控冷却支路均设置有流量调节阀，并够根据自身的制冷需求进行主动调控。需要指出的是，车辆在行驶状态和快充超充工况时两者在电池产热量方面存在较大差异（行驶时一般为100-1000 W，快充超充时最高可达10 kW），在此应用背景下，尤其需要及时响应电池制冷需求，从而保障其热安全性。在实际工程应用中，出于安装成本等方面的考虑，也可在其中一个支路或两个支路中布置开闭式电磁阀来对其支路进行流量控制。
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2.2 机阀联控实验设计及实施过程
在前述章节中，已经对复合系统的构型设计进行了相关的论述，对复合系统的控制方法也进行了介绍。然而，电动汽车复合系统在实际控制过程中，电池、空调等热管理对象的温控效果往往会受到多个控制量的综合影响。在本研究中，将相关控制量分为主控因素和随控因素，其中，主控因素包括压缩机、流量调节阀（Variable Opening Valve），VOVB布置于电池冷却支路，VOVC布置于空调蒸发器支路。随控因素主要包括冷凝器风扇、空调蒸发器风扇、电子水泵、车外散热器风扇等。由于主控因素和随控因素存在一定的依变关系，即在主控因素做出变动调整时，随控因素也需要根据主控因素的调节幅度做出定量性调节。本研究着重开展在界定主控因素和随控因素的分层控制模式中的主控因素控制机制，其中随控因素仅作为随动的定量调节。
为了能够满足复合系统整体及各子系统的制冷负荷需求，提出了压缩机与流量调节阀联合调控的控制方法。对于整车复合系统制冷回路，各个车型最大的不同就是并联蒸发器的数目，“三蒸发器”并联的空调系统具有更多的制冷模式，但是零件成本和热管理系统能耗也随之增加，仅在一些大型SUV或商用车上得到较为普遍的应用。目前电动汽车热管理系统大多采用动力电池冷板与空调蒸发器组成的“双蒸发器”并联回路。因此，本节主要基于选取的电池冷板与空调蒸发器组成的并联制冷系统，并对复合系统的基本架构及具体实施过程进行阐述。
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第3章 机阀联控基本调节特性实验研究 ............... 49
3.1 机控调节热流变特性 .................... 49
3.1.1 直冷电池热流变 ............................. 49
3.1.2 空调温变耦合影响特性 ......................... 55
第4章 三位联控与简化二位控制比对性研究 ................... 69
4.1 工况设定 ...................... 69
4.2 基本控制方式确定 .......................... 71
第5章 系统耦合控制集总化寻迹表征 ......................... 95
5.1 寻迹表征方法的提出 ...................................... 95
5.1.1 复合系统控制耦合关系 .................. 95
5.1.2 耦合控制量集总化表征 .................... 97
第6章 系统耦合控制时空性及其效果特征探究
6.1基本控制方式确定
动力电池直冷耦合空调系统在混合制冷模式下需同时对二者的温度进行合理管控。基于复合系统耦合控制量在控制时序、控制时长及调节速率等方面的考虑，本研究有针对性地提出了机阀同步/异步控制、分系统间歇控制、机速调节率控制等基本控制方式。本节首先对这几种控制模式进行简要介绍和作用性分析。
6.1.1机阀同步
复合系统在混合制冷模式时，压缩机需要根据系统所需的制冷负荷运行至目标转速，而流量调节阀VOVB和VOVC需要根据电池冷板制冷回路与空调蒸发器制冷回路的制冷需求调节至目标开度。由于耦合控制量在短时调节过程中，会对系统运行阻力及耦合回路的冷量分配产生影响。同时，复合系统调节的时序性又会直接影响到动力电池的冷却响应，而乘员舱对温度变化又比较敏感。因此，当复合系统进行混合制冷时，各控制量的时序控制将对动力电池和空调的制冷产生短时波动。为了探究耦合控制量的时序调节对系统温控的影响，根据控制量的调节次序，总体上分为机阀同步、机阀异步两种控制模式。图6.1表示机阀同步/异步调节的示意图。其中t表示热控系统发出控制指令的时刻，Δt表示机阀异步调节的延迟时间。在机阀同步控制模式下，热控系统同时对压缩机、VOVB、VOVC发出控制指令并运行到目标位置，实现对电池及空调的制冷。
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第7章 总结与展望
7.1 总结
本文工作结合国家自然科学基金项目（No.U1864213和No.52006088）开展了电动汽车复合系统热控关键技术研究，围绕直冷系统的电池热管理和空调等多热力系统构架设计，主控因素的机阀联控及其简控策略（机阀三位控、机阀二位控等），并探索复合控制集总化寻迹表征方法，以及控制时空性及其优化。主要研究工作和结论如下：
（1）围绕电动汽车复合系统的多源耦合控制构型研究，具体开展了构型设计、机阀联控实验设计、实验平台建立及其测控以及典型耦合系统热负荷的确定。为实现整车热管理系统的高效集成，根据车辆工况需求，将空调、动力电池及电机电控进行耦合，设计了多流程并联、串联及混联架构方案，并从控制机理及温控效果等方面进行了分析。为了实现车辆在快充、驻车、爬坡等短时高产热工况下的优先制冷及有效温控，设计了一种可变制冷次序的控制构架方案。基于动力电池直冷耦合空调并联构架，在界定系统主控及随控因素的基础上，确立了机阀协同联控方法和基本控制架构。搭建了一套涵盖数据采集、传输到控制策略执行的实验系统，完成了对整车控制策略的底层架构和基本控制策略的制定。确定了电动汽车直冷与耦合空调系统的车辆行驶工况制冷负荷需求，并对相关控变影响因素进行了参数的敏感性分析。
（2）在复合系统多源耦合构型的基础上，提出了以压缩机满足系统总制冷需求，可变开度调节阀进行流量分配的机阀联合控制方法，并从直冷电池热流变、空调温变性、系统COP等角度进行了探究。通过研究电池负荷率及环境温度对复合系统热控的基本影响特性，揭示了单一机控容易产生系统交互影响及热管理能耗较高的问题。分析了引入阀控调节对动力电池温控的增益效果，并进一步认知耦合并联回路流量分配对系统蒸发温度、冷板压差及空调出风温度等的影响机理。探究了机阀联控模式对系统能效的影响特征，并对阀控调节下系统和主要换热器的㶲损失和㶲效率进行了分析，为复合制冷系统的零部件优选和系统能效提升提供了相应的实验依据。
参考文献（略）