基于LiFePO4电池的混合动力燃气热泵的试验研究与能耗分析

摘要

混合动力燃气热泵系统(HPGHP)将混合动力技术与燃气热泵相结合，是为建筑提供冷、热、生活用水的一种新型空调设备。发展混合动力燃气热泵技术有利于能源结构的优化与环境问题的舒缓。作为混合动力系统重要的组成部分，蓄电池组的匹配和性能对整个系统的动力性和经济性有较大影响，因此为混合动力燃气热泵匹配更加稳定高效的辅助动力源，对系统的性能提高和能耗降低意义重大。
　　本文的研究工作是以江苏省科技厅项目“混合动力分布式供能系统技术研究与开发”（项目编号:BE2009151）为背景，在东南大学制冷与低温实验室的铅酸电池/原动机混合动力燃气热泵系统样机的基础上，构建了一台磷酸铁锂电池/原动机混合动力燃气热泵实验台，对不同负荷工况下的系统性能进行了试验，并且借助于eQUEST能耗模拟软件对混合动力燃气热泵系统进行了空调季和全年的能耗分析。本文主要研究内容如下:
　　(1)详细描述了热泵系统、驱动系统和余热回收系统的主要部件参数的影响因素和选择标准，对各部件进行初步选型，着重分析了蓄电池的选型和技术参数，构建了一台以LiFePO4电池为辅助动力源的混合动力燃气热泵系统样机。
　　(2)以发动机经济区和电池组高效SOC工作区为基础，将发动机与电机两大动力分配控制策略、电机控制策略和蓄电池的能量管理策略相结合，提出基于综合燃气消耗率的逻辑门控制策略。着重研究了LiFePO4电池组能量管理策略，提出电池组等效电路模型和可行的SOC估算方法，通过CAN总线构建锂电池控制网络，实现对LiFePO4电池组的实时监测与控制。
　　(3)对锂电池/原动机混合动力燃气热泵系统在低负荷、中等负荷和大负荷工况下进行了性能测试，结果表明:随着压缩机转速的增加，制热量从14.52kW增加到33.13kW，COP从4.76下降到3.25;发动机热效率、驱动系统燃气消耗率和综合能量转换效率比铅酸电池/原动机系统最大可分别高出13.2％、10.2％和11.28％，跟常规GHP相比较，经济性能参数提高更加明显;余热回收总量平均比常规GHP低11.82％左右。
　　(4)借助于eQUEST能耗分析软件，建立一幢典型住宅建筑模型，模拟分析了混合动力燃气热泵系统在实际工程应用中的制冷/热季和全年的能耗情况，并与其他热泵系统进行了对比分析。结果显示，磷酸铁锂电池/原动机混合动力燃气热泵的全年一次能源利用率分别比电驱动热泵、常规燃气热泵系统以及铅酸电池/混合动力燃气热泵高出了39.85％、28.35％和8.4％。

目录

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摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 混合动力燃气热泵研究现状

1．2．1 燃气热泵研究现状

1．2．2 混合动力技术研究现状

1．2．3 混合动力燃气热泵研究现状

1．3 动力电池概述

1．4 论文主要研究内容

第二章 基于LiFePO4电池的混合动力燃气热泵的构建与设计

2．1 热泵系统的设计

2．1．1 压缩机的选择

2．1．2 热泵系统其它主要部件豹选型

2．2 驱动系统的选型设计

2．2．1 发动机的选型

2．2．2 驱动系统类型的选择

2．2．3 混合度的设计

2．2．4 电视的选型

2．2．5 LiFePO4电池组的匹配

2．3 余热回收系统的选择

2．3．1 余热回收系统类型的选择

2．3．2 余热回收系统主要部件的选型

2．4 数据采集系统的选择

2．5 本章小结

第三章 混合动力燃气热泵的控制策略研究

3．1 发动机运行经济区的确定

3．2 电机控制策略的研究

3．2．1 电机恒定充放电扭矩分析

3．2．2 电机控制系统

3．3 锂电池能量管理策略

3．3．1 LiFePO4电池性能影响因素分析

3．3．2 LiFePO4电池SOC估算方法

3．3．3 LiFePO4电池等效电路模型

3．3．4 LiFePO4电池能量管理系统

3．4 基于综合燃气消耗率的逻辑门控制策略

3．5 本章小结

第四章 基于LiFePO4电池的混合动力燃气热泵的试验研究

4．1 试验目的

4．2 试验装置

4．3 试验数据处理

4．3．1 换热量计算

4．3．2 功率计算

4．3．3 燃料及能量转换效率

4．4 试验数据误差分析

4．5 试验结果与对比分析

4．5．1 热泵性能分析

4．5．2 驱动系统动力性分析

4．5．3 燃料经济性分析

4．5．4 余热回收特性

4．6 本章小结

第五章 混合动力燃气热泵系统的能耗分析

5．1 能效分析软件的介绍

5．1．1 能耗分析的方法

5．1．2 eQUEST能耗模拟软件的介绍

5．2 混合动力燃气热泵系统能耗计算

5．2．1 建筑模型的建立

5．2．2 空调系统模型参数的设定

5．2．3 能耗结果分析

5．3 一次能耗量和一次能源利用率

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文与研究成果

致谢