跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法及系统技术方案

本发明专利技术属于动力工程及工程热物理技术领域，公开了一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法及系统；所述方法包括：获取高铁运行时的环境温度、用热元件的实时状态以及热量需求；基于综合热量因子，调控跨临界CO2热泵空调系统中压缩机的转速以控制整车的总容量；其中，若综合热量因子小于第一预设目标，则增大压缩机转速以增加整车热容量；若综合热量因子大于等于第一预设目标且小于等于第二预设目标，则基于MPC控制算法计算获得容量分配结果，并进行容量调配；若综合热量因子大于第二预设目标，则减小压缩机转速以减小整车热容量。本发明专利技术可实现在保证车辆功能性和成员舒适性的前提下减小能耗，获得尽可能高的COP。获得尽可能高的COP。获得尽可能高的COP。

【技术实现步骤摘要】
跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法及系统


[0001]本专利技术属于动力工程及工程热物理
，涉及热泵空调热管理能量分配领域，特别涉及一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法及系统。

技术介绍

[0002]在全球环保的大主题下，为满足节能减排的双碳任务，需合理利用能源，降低能源消耗，提高经济效益；其中，高铁作为广泛使用的便民交通工具，越来越成为发展的重心，减少高铁整体能耗，提出更加高效的、实时监测的热管理策略是重要的一环。
[0003]具体解释性的，与一般乘用车不同的是，在整个高铁系统中，用冷/热部件种类繁多，冷热需求占比极大，且需要蒸气压缩系统为其提供热/冷量；示例性的，如乘员舱需要与环境温度湿度相匹配的制热/冷量来维持乘员舱的温度平衡，使乘客处于一个相对舒适的环境；对于电机系统，在车辆行驶过程中，电机及电机控制器系统在工作中会因绕组损耗、铁芯损耗、机械损耗等产生热量，热量累积会影响材料的绝缘性质与寿命，电池也无法在最佳温度进行工作，进而导致供能效率减小，续航里程下降，因此需要及时散热；对于电控系统，功率半导体在工作过程中，会因IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)与二极管的开关损耗、通态损耗等产生大量热量，需要及时进行散热；而对于变压器变流器，当其工作加载到满额额定值，绕组的平均温升可能高于环境温度，如果未及时处理环境温度和热量积聚带来的负效应，可能导致过热，影响寿命；同时高铁上也存在热水加热器装置，需要使用蒸汽压缩系统按照需求对热水进行加热。
[0004]综上可知，高铁上用热系统复杂多元，目前尚没有较适合的热管理策略，无法达到良好的环保节能，现亟需一种热管理方式，既能够让每一部分得到适合于当前工况的能量，充分满足每个部件自身的需求，又能在此基础上尽可能减小压缩机的功耗，较好的利用余热，从而达到节能的效果，得到更高的COP(Coefficient of Performance，制冷性能系数)。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术提供的技术方案中，根据所提出的控制方法对整车能量进行分配，根据分配所得数据进行调控，运输CO2到各用热元件，实现在保证车辆功能性和成员舒适性的前提下减小能耗，获得尽可能高的COP。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供的一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，包括以下步骤：
[0008]获取高铁运行时的环境温度、用热元件的实时状态以及热量需求；其中，用热元件至少包括变压器变流器、电机电控系统、热水加热器和乘员舱；
[0009]基于综合热量因子，调控跨临界CO2热泵空调系统中压缩机的转速以控制整车的总容量；其中，若综合热量因子小于第一预设目标，则增大压缩机转速以增加整车热容量；
若综合热量因子大于等于第一预设目标且小于等于第二预设目标，则基于MPC控制算法计算获得容量分配结果，并基于容量分配结果在变压器变流器、电机电控系统、乘员舱、热水加热器之间进行容量调配；若综合热量因子大于第二预设目标，则减小压缩机转速以减小整车热容量。
[0010]本专利技术方法的进一步改进在于，综合热量因子γ的表达式为，
[0011][0012]式中，A为经验参数，T
cabin
为车厢温度，T
trans
为变压器温度，T
conv
为变流器温度，T
elec
为电控系统温度，T
motor
为电机系统温度，T
water
为热水加热器温度，T0为环境温度。
[0013]本专利技术方法的进一步改进在于，所述MPC控制算法中，
[0014]预测模型表示为，
[0015]Z＝[T
supply
，T
cabin
，d
cabin
，T
motor
，T
elec
，v0，T
conv
，T
trans
，T
water
]T
；
[0016]D＝[ω
comp
，ε
x
，σ，π
y
，x]T
；
[0017]S＝[W
comp
，Q
c
，Q
h
，COP]T
；
[0018]R＝[T0，m，t]T
；
[0019]式中，Z为状态变量，T
supply
为车厢送风温度，T
cabin
为车厢实时温度，d
cabin
为车厢湿度，T
conv
为变流器温度，T
trans
为变压器温度，T
motor
为电机温度，T
elec
为电控系统温度，v0为车速，T
water
为热水加热器温度；D为动作变量，ω
comp
为压缩机转速，ε
x
为通向各用热元件的电磁阀开度，x为各电磁阀的代号，σ为四通阀的切换，π
y
为热水阀的开度，y为热水阀的代号，X为运行模式代号；S为输出变量，W
comp
为压缩系统功耗，Q
c
为制冷量，Q
h
为制热量，COP为系统能效比；R为扰动变量，T0为环境温度，m为路况，t为行程时间。
[0020]本专利技术方法的进一步改进在于，所述基于MPC控制算法计算获得容量分配结果的步骤包括：
[0021]第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，
[0022]Z
k+1
＝f(D
k
，Z
k
，R
k
)；
[0023]k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，
[0024]S
k
＝g(Z
k
，D
k
，R
k
)；
[0025]通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的COP系数，表达式为：
[0026][0027]求解关于COP多变量函数的极大值，计算获得容量分配结果。
[0028]本专利技术方法的进一步改进在于，基于容量分配结果在变压器变流器、电机电控系统、乘员舱、热水加热器之间进行容量调配的步骤中，
[0029]某一用热元件有冷却需求时，若有冷却需求的用热元件的温度小于第一目标温度，则基于容量分配结果平衡通往其余用热元件的电磁阀开度，使得综合热量因子波动在预设范围内，输出调控信号使通往有冷却需求的用热元件的电磁阀开度减小；若有冷却需求的用热元件的温度大于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取高铁运行时的环境温度、用热元件的实时状态以及热量需求；其中，用热元件至少包括变压器变流器、电机电控系统、热水加热器和乘员舱；基于综合热量因子，调控跨临界CO2热泵空调系统中压缩机的转速以控制整车的总容量；其中，若综合热量因子小于第一预设目标，则增大压缩机转速以增加整车热容量；若综合热量因子大于等于第一预设目标且小于等于第二预设目标，则基于MPC控制算法计算获得容量分配结果，并基于容量分配结果在变压器变流器、电机电控系统、乘员舱、热水加热器之间进行容量调配；若综合热量因子大于第二预设目标，则减小压缩机转速以减小整车热容量。2.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，其特征在于，综合热量因子γ的表达式为，式中，A为经验参数，T
cabin
为车厢温度，T
trans
为变压器温度，T
conv
为变流器温度，T
elec
为电控系统温度，T
motor
为电机系统温度，T
water
为热水加热器温度，T0为环境温度。3.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，其特征在于，所述MPC控制算法中，预测模型表示为，Z＝[T
supply
，T
cabin
，d
cabin
，T
motor
，T
elec
，v0，T
conv
，T
trans
，T
water
]
T
；D＝[ω
comp
，ε
x
，σ，π
y
，X]
T
；S＝[W
comp
，Q
c
，Q
h
，COP]
T
；R＝[T0，m，t]
T
；式中，Z为状态变量，T
supply
为车厢送风温度，T
cabin
为车厢实时温度，d
cabin
为车厢湿度，T
conv
为变流器温度，T
trans
为变压器温度，T
motor
为电机温度，T
elec
为电控系统温度，v0为车速，T
water
为热水加热器温度；D为动作变量，ω
comp
为压缩机转速，ε
x
为通向各用热元件的电磁阀开度，x为各电磁阀的代号，σ为四通阀的切换，π
y
为热水阀的开度，y为热水阀的代号，X为运行模式代号；S为输出变量，W
comp
为压缩系统功耗，Q
c
为制冷量，Q
h
为制热量，COP为系统能效比；R为扰动变量，T0为环境温度，m为路况，t为行程时间。4.根据权利要求3所述的一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，其特征在于，所述基于MPC控制算法计算获得容量分配结果的步骤包括：第k+1时刻的状态，由系统的k时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，Z
k+1
＝f(D
k
，Z
k
，R
k
)；k时刻的输出由当前时刻的状态、动作以及扰动决定，表达式为，S
k
＝g(Z
k
，D
k
，R
k
)；通过向前欧拉法离散偏微分方程得到离散化的COP系数，表达式为：求解关于COP多变量函数的极大值，计算获得容量分配结果。
5.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，其特征在于，基于容量分配结果在变压器变流器、电机电控系统、乘员舱、热水加热器之间进行容量调配的步骤中，某一用热元件有冷却需求时，若有冷却需求的用热元件的温度小于第一目标温度，则基于容量分配结果平衡通往其余用热元件的电磁阀开度，使得综合热量因子波动在预设范围内，输出调控信号使通往有冷却需求的用热元件的电磁阀开度减小；若有冷却需求的用热元件的温度大于等于第一目标温度且小于等于第二目标温度，则维持通往所有用热元件的电磁阀开度以及压缩机转速不变；若有冷却需求的用热元件的温度大于第二目标温度，则平衡通往所有用热元件的电磁阀开度以稳定综合热量因子，且增大通往有冷却需求的用热元件的电磁阀开度，以提高容量，提高制冷量，减小温度。6.根据权利要求1所述的一种跨临界CO2热泵空调系统一体化热管理控制方法，其特征在于，基于容量分配结果在变压器变流器、电机电控系统、乘员舱、热水加热器之间进行容量调配的步骤中，某一用热元件有加热需求时，若有加热需求的用热元件的温度小于第三目标温度，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋昱龙，谢宏生，杨梦莹，曹锋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：