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user: 5. 混合动力燃气热泵系统仿真 5.1. 驱动系统热效率模型 驱动系热效率定义为驱动系提供给压缩机的能量与驱动系所提供的燃气热能之比。在不同的工作模式下，驱动系热效率具有不同的表达式。 1) 模式D的驱动热效率 由图5系统能量流向图可知，驱动系输入的能量为： P r u = P e / η e (24) 驱动系输出的能量全部用来驱动压缩机： P c h u = P c / η t r (25) 则模式D下的驱动系数效率为： η D = P c h u / P r u = η e (26) 图5. 模式D下能量流向图 1) 模式C的驱动热效率 由图6模式C下的系统能量流向图可知，驱动系输入的能量为： P r u = P e / η e (27) 驱动系输出的能量分为两部分，一部分用于直接驱动压缩机的能量，另一部分是储蓄在蓄电池所能提供给压缩机的能量： P c h u = P m ⋅ η c ⋅ η x c ⋅ η x f ⋅ η f + P c / η t r (28) 转矩和转速的关系： { ( T e − T m ) ⋅ i c v t ⋅ η t r = T c n m = n e = n c ⋅ i c v t (29) 这样就可以得到模式C的驱动系统热效率： η C = P c h u / P r u = T e − T m ( 1 − η c ⋅ η x c ⋅ η x f ⋅ η f ) T e / η e (30) 图6. 模式C下能量流向图 2) 模式L的驱动系热效率 由图7模式L的系统能量流向图可知，驱动系的输入能量来自两部分，一部分燃气发动机直接驱动压缩机的能量，另一部分是蓄电池驱动压缩机的能量，这部分能量也是燃气提供的，所以要转化为燃气热能。 P r u = P e η e + P m η c ⋅ η x c ⋅ η x f ⋅ η f ⋅ η e (31) 驱动系输出的能量全部用来驱动压缩机： P c h u = P c / η t r (32) 转矩和转速的关系为： { T c = ( T e − T m ) ⋅ i c v t ⋅ η t r n m = n e = n c ⋅ i c v t (33) 由于蓄电池放电，电机转矩 T m 为负。可求出模式L下的驱动系热效率： η L = P c h u / P r u = T e − T m T e / η e − T m / ( η c ⋅ η x c ⋅ η x f ⋅ η f ⋅ η e ) (34) 图7. 模式L下能量流向图 5.2. 逻辑门限能量控制策略 所谓的逻辑门限控制策略就是通过给某些参数设定门限值，当系统中这些参数超过门限值的上下限时，就切换系统的工作模式的一种控制方式。为了让发动机工作在较高的热效率下，本文选取发动机热效率大于等于0.26的区域为燃气发动机的经济区，这样可以得到发动机功率的上下限值分别为11.4 KW和7.5 KW。为了保持蓄电池拥有较高的充放电效率，将蓄电池的SOC范围控制在0.2~0.8之间，因此将蓄电池SOC设定为门限值，上限为0.8，下限为0.2。这样工作模式的切换是通过热泵需求功率P r 和当前SOC值与逻辑门限值进行比较判断获得的。逻辑门限控制策略见图8。 图8. 逻辑门限控制策略流程图 能量管理策略的目标就是寻找最高的混合动力燃气热泵系统效率，根据热泵系统的功率需求可以确定在最佳工作点的发动机和电机的输出转矩和转速，从而使混合动力燃气热泵系统的效率最高。根据约束条件建立目标函数如下表示： { η = max ( η 0 ) P r = P e + P m = n e T e 9550 + n m T m 9550 = P c η t r n e = n m = n c ⋅ i c v t n e _ min ≤ n e ≤ n e _ max T e _ min ( n e ) ≤ T e ( n e ) ≤ T e _ max ( n e ) T m _ min ( n e ) ≤ T m ( n e ) ≤ T m _ max ( n e ) 0.95 ≤ i c v t ≤ 4.8 (35) 其中 η 0 为不同模式下混合动力燃气热泵系统的驱动系热效率； n e _ min 、 n e _ max 为在功率门限值下的发动机最佳扭矩曲线上的转速上下限值； T e _ min ( n e ) ， T e _ max ( n e ) 为发动机效率为0.26下，转速 n e 时的最小转矩和最大转矩； T m _ min ( n e ) ， T m _ max ( n e ) 为电机转速为 n e 时电机最小转矩和最大转矩。 5.3. 仿真平台搭建 根据之前建立的数学模型，基于Matlab/Simulink构建混合动力燃气热泵系统的仿真平台，见图9。图10为热泵系统仿真平台，该热泵系统的模型根据制冷剂的理想循环建立的。图11为燃气发动机仿真平台，图12为电机仿真平台，图13为蓄电池仿真平台，图14为余热回收系统仿真平台。 图9. 基于逻辑门限的混合动力燃气热泵系统的仿真平台 5.4. 仿真结果分析 由图15所示，随着压缩机转速增加，热泵系统的需求功率也增加，近似呈线性增加，并且理论值与模拟值变化趋势一致，并且两者的绝对误差不大于1 KW，大部分的数据的相对误差都可以控制在10%以内。因此该仿真模型具有很大的可信度。 图10. 热泵系统仿真平台 图11. 燃气发动机仿真平台 图12. 电机仿真平台 图13. 蓄电池仿真平台 图14. 余热回收系统仿真平台 图15. 压缩机轴功率随压缩机转速变化曲线 根据发动机最佳经济区内功率上下限可以确定不同工作模式下压缩机转速范围，模式C下压缩机转速范围为750~1522 rpm，模式D下压缩机转速范围为1522~2313 rpm，模式L下压缩机转速范围为2313~2600 rpm。 由图16所示，在模式C下，由于压缩机转速与发动机经济区的转速相差太大，为了保持发动机在经济区内工作，因此在压缩机转速较低时无极变速器的转速比较大，随着压缩机转速的增加，转速比跟着减小，发动机转速也稍微减小；在模式D下，这时发动机单独驱动压缩机，为了保持发动机高效运行，将发动机的工作点调到最佳扭矩曲线上，通过无级变速器对速比调控使发动机转速维持在最佳发动机转速上，因此转速比变化较小，发动机转速呈直线增加；在模式L下，发动机转速控制在经济区内，但是压缩机转速越来越趋近发动机经济区内，所以转速比继续减小，发动机转速几乎没变。 图16. 转速比及发动机转速随压缩机转速的变化 由图17~19所示，在模式C下，由于发动机在驱动压缩机的同时给蓄电池充电，发动机的功率维持在经济区内，因此发动机的扭矩几乎没有发生变化，但是电机的扭矩随压缩机转速的增加而减小，这是因为随着压缩机转速增加，压缩机需求功率增加，这样发动机给蓄电池充电功率减小，因此电机扭矩也减小，由于给蓄电池充电，蓄电池的SOC是不断增加的，但是增加速率是不断减小的。在模式D下，由于发动机单独驱动压缩机，所以电机扭矩为零，发动机的扭矩呈直线增加，蓄电池不充电也不放电，因此蓄电池的SOC不发生变化。在模式L下，发动机和蓄电池联合驱动压缩机工作，这时发动机维持在较高经济区内，蓄电池随压缩机需求功率增加放电量也增加，因此发动机的扭矩稍微减小，电机的扭矩逐渐增大，同时蓄电池的SOC则不断减小。 图17. 电机扭矩随压缩机转速变化 图18. 发动机扭矩随压缩机转速变化 图19. SOC随压缩机转速的变化 图20. 驱动系热效率随压缩机转速变化 图20显示了无级变速器的混合动力燃气热泵系统与定速比的混合燃气热泵系统的驱动系热效率随压缩机转速变化，此处选用的定速比分别为：模式C时定速比i = 2.5；模式D时定速比i = 1.6；模式L时定速比i = 1.3。从图可知，定速比系统在每个模式的驱动系热效率都随着压缩机转速不断增大到某一最大值然后逐渐减小，每个模式下的最大值分别为0.263，0.294，0.283。对于采用无级变速器的系统，驱动系热效率随压缩机转速增加而不断增大至某最大值，然后再逐渐减小，在模式D时达到最大值，最大值为0.297，并且采用无级变速器的系统的驱动系热效率在任何压缩机转速下都大于定速比系统的驱动系热效率。由此可以得出采用无级变速器的混合动力燃气热泵系统的能源利用率比定速比的混合动力燃气热泵系统的更加高，系统更加节能。