純電動汽車空調(diào)全生命周期氣候性能評估?

張子琦，潘樂燕，王天英，陳江平

純電動汽車空調(diào)全生命周期氣候性能評估?

張子琦1，潘樂燕2，王天英2，陳江平1

(1.上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240； 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

鑒于空調(diào)的能耗性能對電動汽車的環(huán)保性能有重大影響，建立了純電動汽車空調(diào)全生命周期性能評估(LCCP)模型，并選取了國內(nèi)4個典型氣候城市進(jìn)行了空調(diào)系統(tǒng)的全生命周期氣候性能評估。結(jié)果表明:不同氣候條件下空調(diào)的LCCP性能差別顯著；直接當(dāng)量CO2排放值約占排放總量的11%～35%；而間接排放約占排放總量的65%～89%.

電動汽車；空調(diào)；全生命周期氣候性能

前言

汽車在為人類生活帶來極大便利的同時也造成了大量的溫室氣體排放。據(jù)統(tǒng)計[1]，2010年道路運輸所造成的溫室氣體排放約占全球溫室氣體總排放量的19%左右。如何提高汽車的能源經(jīng)濟(jì)性、降低其溫室氣體排放已成為各國研究和政策制定的重點。

汽車空調(diào)在保證駕駛安全性和舒適性方面起到了非常重要的作用，因而也得到了廣泛的普及。2010年[2]，全球約80%的車輛都已配備空調(diào)。作為汽車中能耗最大的輔助設(shè)備，汽車空調(diào)的能耗將對整車能源的經(jīng)濟(jì)性和溫室氣體的排放造成極大的影響[3]。

盡管由汽車空調(diào)內(nèi)氫氟碳類制冷劑泄漏引起的溫室氣體排放僅占全球溫室氣體總排放中非常小的一部分，其快速增長的趨勢仍然引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。為進(jìn)一步降低溫室氣體的排放量，歐盟已出臺了相應(yīng)的法規(guī)[4]來限制汽車空調(diào)制冷劑的GWP值。中國、美國等[5]溫室氣體主要排放國家也在相應(yīng)制定政策，積極限制氫氟碳類溫室氣體的排放。

除由制冷劑泄漏之外，汽車空調(diào)的生產(chǎn)、運行和報廢回收都會消耗一定的能源，從而造成溫室氣體的排放。因此，準(zhǔn)確評估汽車空調(diào)在其生命周期內(nèi)的氣候性能(life cycle climate performance，LCCP)，對于充分挖掘汽車空調(diào)的減排潛力和制定正確的政策與法規(guī)意義重大。

在燃油車中，對汽車空調(diào)的全生命周期評價已經(jīng)開展了較多的工作。由文獻(xiàn)[6]中開發(fā)的燃油車中汽車空調(diào)全生命周期模型GREEN-MAC-LCCP已得到了世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，并已成為了美國汽車工程師協(xié)會的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)(SAE J 2766)。然而，在電動車中的相應(yīng)研究還幾乎沒有。文獻(xiàn)[7]中從消費者視角對電動客車的全生命周期成本進(jìn)行了分析，然而其中涉及客車空調(diào)的能耗分析非常模糊，僅給出了大致的能耗估值；文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中等對比了純電動汽車、燃油車和插電混動汽車的全生命周期氣候性能，但其中對電動汽車空調(diào)的能耗仍采用大致估算的方法。因此，提出一種針對純電動汽車空調(diào)的全生命周期氣候性能評價模型非常必要。

本文將從現(xiàn)有的燃油汽車空調(diào)的LCCP模型出發(fā)，根據(jù)燃油車空調(diào)和純電動汽車空調(diào)中的異同對現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)；模型建立后，將結(jié)合具體的實驗數(shù)據(jù)來計算純電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)全生命周期的氣候性能，為相關(guān)研究和政策制定提供參考。

1 純電動汽車空調(diào)LCCP模型的建立

1.1 模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)造成排放的原因不同，純電動汽車空調(diào)在生命周期內(nèi)的當(dāng)量溫室氣體排放Me可分為直接排放和間接排放:

Me＝Mde＋Mie

式中:直接排放Mde由制冷劑直接泄漏進(jìn)入大氣造成，主要由空調(diào)系統(tǒng)的常規(guī)泄漏、非常規(guī)泄漏(如由事故造成的泄漏)和回收泄漏構(gòu)成；間接排放Mie由汽車空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗構(gòu)成，其主要包括各個系統(tǒng)部件的生產(chǎn)、報廢、運輸、回收造成的能耗及空調(diào)系統(tǒng)運行的能耗構(gòu)成。模型中的各個參數(shù)及關(guān)系如圖1所示[10]。

在此模型中，各類直接排放和間接排放中由空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)、運輸和回收消耗能源所造成的排放通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到，具體參見文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[11]；由空調(diào)運行消耗能源所造成的排放則通過臺架實驗數(shù)據(jù)(按SAE J2765所規(guī)定工況)擬合不同氣候和行駛工況下空調(diào)的年均能耗得到。

圖1 LCCP模型計算流程

對比燃油車和純電動汽車可知:在直接排放部分，兩種汽車的空調(diào)系統(tǒng)的管路接頭相同，因此直接排放的部分應(yīng)無顯著差別；在間接排放部分，由制冷劑的生產(chǎn)、回收和運輸過程中產(chǎn)生的能耗、不同城市的氣象參數(shù)和由用戶習(xí)慣所決定的空調(diào)開啟時間也與車輛類型無關(guān)。因此，上述模型部分對于電動汽車和燃油汽車完全相同，模型可以通用。對于這幾部分的計算，可參考文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[11]，此處不再贅述。

兩種汽車空調(diào)的主要區(qū)別在汽車空調(diào)運行能耗所造成的間接排放部分。在燃油汽車中，車輛的能量來源于化石燃料燃燒提供的能量，通過內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后帶動空調(diào)壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)；對于燃油車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)其他耗電的輔助器件(如冷凝器風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等)則由內(nèi)燃機(jī)帶動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能再次轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行供能。而在純電動汽車中，所有空調(diào)部件都直接通過電池提供的電能供能，因此二者的能量轉(zhuǎn)化效率不同。此外，由于燃油汽車中空調(diào)壓縮機(jī)由內(nèi)燃機(jī)直接帶動，因此壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速相互耦合；而在電動汽車中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速無直接關(guān)系。此外，在電動汽車中，電機(jī)的表面溫度[12]遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)表面溫度，因此在怠速工況下空調(diào)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度低于同工況下的燃油車空調(diào)系統(tǒng)。在建立純電動車空調(diào)系統(tǒng)LCCP模型時，必須考慮上述區(qū)別對模型的影響。

1.2 純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)運行能耗模型

1.2.1 模型假設(shè)

由于空調(diào)系統(tǒng)的能耗與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)性很強(qiáng)，為建立能耗模型，首先應(yīng)該找出純電動汽車中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系，為此做了如下假設(shè)。

(1)在純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)運行過程中，需為車室內(nèi)提供足夠的冷量。為此，蒸發(fā)器出口風(fēng)溫應(yīng)滿足一定的要求。在燃油車LCCP模型中，該溫度參照SAE J2765進(jìn)行設(shè)置。在純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的臺架實驗中，也應(yīng)達(dá)到相同的溫度。即應(yīng)調(diào)節(jié)電動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，使蒸發(fā)器出口風(fēng)溫滿足SAE J2765要求。在高負(fù)荷工況下，若無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則壓縮機(jī)調(diào)節(jié)至最高轉(zhuǎn)速；在低負(fù)荷工況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)應(yīng)優(yōu)先避免蒸發(fā)器出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

(2)流經(jīng)蒸發(fā)器的風(fēng)量和車速之間存在一定的關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，在不同鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和新風(fēng)風(fēng)門模式下，流經(jīng)蒸發(fā)器的風(fēng)量和車速之間都是線性關(guān)系。

(3)由于電機(jī)表面溫度遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)表面溫度，故在純電動汽車的怠速工況下，流經(jīng)空調(diào)冷凝器的風(fēng)溫與環(huán)境溫度相同。

由假設(shè)可知，為滿足不同車速下(即不同蒸發(fā)器風(fēng)量下)蒸發(fā)器出口風(fēng)溫都能滿足SAE J2765要求，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。由此即可通過臺架實驗確定不同工況下的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)制冷量和能耗。

1.2.2 車速與蒸發(fā)器風(fēng)量之間的關(guān)系

文獻(xiàn)[13]中使用SF6濃度衰減法測量了不同車型及行駛里程的車輛中車內(nèi)新風(fēng)量和車速的關(guān)系。為使模型更具普遍性，本文選取其測量結(jié)果的平均值建立蒸發(fā)器風(fēng)量與車速之間的關(guān)系:

Qv＝0.5629u＋265.34

式中:Qv為蒸發(fā)器風(fēng)量，m3/h；u為車速，km/h。

1.2.3 SAE J2765工況的修正

根據(jù)上節(jié)中所得到的車速與蒸發(fā)器風(fēng)量之間的關(guān)系，可對SAE J2765中所規(guī)定的測試工況矩陣進(jìn)行修正。修正后的測試工況矩陣如表1所示。本次測試選取目前市面上某款乘用車的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行，其制冷劑為R134a。

表1 修正后的SAE J2765測試矩陣

2 臺架數(shù)據(jù)收集

2.1 實驗臺介紹

焓差臺由室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩個環(huán)境艙構(gòu)成，如圖2所示。每個環(huán)境艙都具有獨立的環(huán)境控制機(jī)組，可自動調(diào)節(jié)環(huán)境艙內(nèi)的干、濕球溫度。通過換熱器的風(fēng)量由風(fēng)洞內(nèi)的變頻鼓風(fēng)機(jī)提供，風(fēng)量由風(fēng)洞后噴嘴兩側(cè)的壓差計算。在蒸發(fā)器和冷凝器的進(jìn)出口布置有溫度、壓力傳感器組，以測量換熱器兩側(cè)的流動狀態(tài)；在過冷段布置有質(zhì)量流量計，以測定系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑流量，從而結(jié)合焓差和質(zhì)量流量計算換熱器的換熱量；在換熱器空氣側(cè)兩側(cè)布置有干/濕球溫度計，以測量換熱器進(jìn)出口的空氣狀態(tài)，并結(jié)合噴嘴測量的風(fēng)量值計算空氣側(cè)的換熱量。壓縮機(jī)由直流穩(wěn)壓電源供電，其輸入的電壓、電流值可由電源直接采得。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)生產(chǎn)商提供的控制器控制。

圖2 汽車空調(diào)焓差臺示意圖

實驗臺中的所有參數(shù)均可通過PID算法實現(xiàn)自動控制。各測量參數(shù)的測量范圍與精度如表2所示。

表2 測量參數(shù)的精度與范圍

2.2 系統(tǒng)部件參數(shù)

此次評估的系統(tǒng)選取某國產(chǎn)品牌轎車的空調(diào)系統(tǒng)。其系統(tǒng)部件參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)部件參數(shù)

2.3 測試工況

臺架實驗的工況如表1所示。臺架系統(tǒng)充注量按SAE J2765中規(guī)定進(jìn)行，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速選取3 500r/min，系統(tǒng)充注量為850g。

在進(jìn)行系統(tǒng)性能實驗時，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)系統(tǒng)蒸發(fā)器出口的風(fēng)溫確定，具體確定方法參見1.2.1節(jié)中的模型假設(shè)。

3 LCCP模型輸入

3.1 部件質(zhì)量信息

在LCCP模型中，由生產(chǎn)、運輸、報廢和回收空調(diào)系統(tǒng)所造成的間接排放可通過空調(diào)系統(tǒng)中各種材料的質(zhì)量進(jìn)行計算。由于無法獲取詳細(xì)的部件材料質(zhì)量清單，本文將對空調(diào)系統(tǒng)中各種材料的質(zhì)量進(jìn)行估算:

mi＝mpart×φi

式中:mi為空調(diào)部件中某種材料的質(zhì)量，kg；mpart為該部件的總質(zhì)量，kg，由實際的空調(diào)部件承重得到；φi為該部件中此種材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)制冷劑的充注量根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)商給出的數(shù)值確定為650g，空調(diào)系統(tǒng)制冷劑年泄漏量按照文獻(xiàn)[6]中給出的公式進(jìn)行估算。設(shè)定泄漏量超過200g時空調(diào)系統(tǒng)需要維護(hù)[11]。系統(tǒng)各部件質(zhì)量如表4所示。

表4 系統(tǒng)各部件質(zhì)量

此外，空調(diào)系統(tǒng)本身質(zhì)量會使車輛在運行時多耗費一部分的能量，此部分造成的排放為空調(diào)系統(tǒng)的運輸排放。由于缺乏電動車中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該部分排放由燃油車中相應(yīng)排放結(jié)合內(nèi)燃機(jī)效率、汽油熱值及汽油生產(chǎn)和燃燒產(chǎn)生的當(dāng)量CO2排放折算而得。

3.2 系統(tǒng)能耗信息

為計算空調(diào)系統(tǒng)在生命周期中由運行能耗所造成的溫室氣體排放，需要在模型中輸入臺架實驗的結(jié)果。其中，系統(tǒng)的制冷量和能效比如圖3所示。由此可計算由壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)所造成能耗的間接排放。系統(tǒng)中其他部件(如鼓風(fēng)機(jī)、冷凝器風(fēng)扇等)的能耗取原有模型中的默認(rèn)值。該默認(rèn)值由統(tǒng)計得到，具體參見文獻(xiàn)[11]。

圖3 臺架實驗結(jié)果

在計算電能消耗所產(chǎn)生的當(dāng)量CO2排放時，采用國家發(fā)改委公布的2014年中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子進(jìn)行計算，取各個區(qū)域的均值[14]。

3.3 城市工況選取

不同城市的氣候環(huán)境及行駛工況不同，將會直接影響空調(diào)開啟時間和工作性能。為對比不同氣候條件的影響，本文中選擇哈爾濱、北京、上海和香港作為分析對象。所選城市在不同溫度區(qū)間內(nèi)的年空調(diào)開啟時間見表5。

表5 不同城市年空調(diào)開啟時間

汽車平均壽命按15年計，行駛里程根據(jù)文獻(xiàn)中給出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。

4 電動汽車空調(diào)系統(tǒng)LCCP模型計算結(jié)果

根據(jù)前面所建立的電動汽車空調(diào)LCCP模型，可計算電動汽車空調(diào)的全生命周期排放如圖4所示。

圖4 不同城市電動汽車空調(diào)全生命周期性能

比較不同城市的電動汽車空調(diào)全生命周期當(dāng)量CO2排放可知，隨城市氣候條件不同，全生命周期當(dāng)量CO2排放將出現(xiàn)明顯的區(qū)別。隨城市的不同，直接當(dāng)量CO2排放占總當(dāng)量CO2排放的比例為11.1%～35%；間接當(dāng)量CO2排放占總當(dāng)量CO2排放的比例為65%～88.9%。

對比結(jié)果可知，由制冷劑泄漏所造成的直接排放區(qū)別相對較小。在所分析的4個城市之中，哈爾濱的直接當(dāng)量CO2排放最低，為1 003.11kg；香港的直接當(dāng)量CO2排放最高，為1 310.46kg。直接當(dāng)量CO2排放的區(qū)別主要是由于年均汽車空調(diào)運行時間的不同而導(dǎo)致系統(tǒng)制冷劑的泄漏量發(fā)生了微小的變化，從而造成直接當(dāng)量CO2排放出現(xiàn)波動。

與直接當(dāng)量CO2排放相比，間接當(dāng)量CO2排放在城市之間的差別則更加明顯，且與年均空調(diào)運行時間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。比較表5和圖4可知，隨著年空調(diào)開啟時間的延長，由空調(diào)系統(tǒng)運行所導(dǎo)致的間接當(dāng)量CO2排放隨之增加；且高溫度區(qū)間內(nèi)的時間越多，間接當(dāng)量CO2排放的增量越大。各個城市之間，由空調(diào)系統(tǒng)的生產(chǎn)/運輸/回收產(chǎn)生的間接排放相同，且占整個間接排放的比例僅為0.91%～5.1%之間；其余部分均為空調(diào)系統(tǒng)運行能耗所造成的間接當(dāng)量CO2排放，占總間接當(dāng)量CO2排放的94.8%～99.1%，占全生命周期總當(dāng)量CO2排放的64.9%～88.9%。由此可見，間接排放占全生命周期排放的主要部分，而由于系統(tǒng)制造和運輸所造成的排放比例非常小。因此，通過增加額外部件(如回?zé)崞鞯?來提高系統(tǒng)效率的方法，對降低全生命周期排放而言是有利的。此外，選用低GWP制冷劑(如R1234yf等)可有效降低系統(tǒng)的直接排放。

與文獻(xiàn)[10]中的計算結(jié)果相比，純電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的全生命周期排放明顯低于燃油車。差別主要來自于系統(tǒng)運行所造成的間接排放。這是由于在純電動汽車中，其能量由電池直接提供，能量轉(zhuǎn)換效率比燃油車高；且純電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)中電動壓縮機(jī)能更好地匹配乘客艙所需要的制冷量，其能耗也比燃油車空調(diào)低。

5 結(jié)論

本文中根據(jù)電動汽車空調(diào)特點建立了電動汽車空調(diào)全生命周期氣候性能的評價模型，并選取國內(nèi)不同氣候下的4個典型城市進(jìn)行了分析，可得出以下結(jié)論:

(1)在不同城市中，由于氣候條件的不同，電動汽車空調(diào)的全生命周期當(dāng)量CO2排放值的差別較大；主要是由于不同氣候條件下空調(diào)運行能耗不同所致；

(2)直接當(dāng)量CO2排放值隨氣候變化不明顯。在所分析的城市中，直接當(dāng)量CO2排放值占排放總量的11.1%～35%；

(3)間接當(dāng)量CO2排放值受氣候影響非常明顯，且占排放總值的主要部分。其中，由空調(diào)系統(tǒng)制造/運輸/回收引起的間接排放相對總值所占比例非常小，而由空調(diào)能耗引起的間接排放占全生命周期總當(dāng)量CO2排放的64.9%～88.9%。

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Zhang Ziqi1，Pan Leyan2，Wang Tianying2＆Chen Jiangping1

1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240；2.SAIC Motor Corporation Limited，Shanghai 201804

In view of the significant effects of the energy consumption performance of mobile A/C system on the environmental protection performance of electric vehicles，an assessment model for the life cycle climate performance(LCCP)of A/C system in battery electric vehicle is set up and four cities in China with typical climate are chosen to conduct an assessment on the LCCP of A/C system.The results show that the differences in the LCCP of A/C system are significant under different climate conditions，the direct equivalent CO2 emission accounts for 11%～35%of total emission，while the indirect emission accounts for 65%～89%of total emission.

electric vehicle；A/C system；life cycle climate performance

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.017

?上海市高效冷卻系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心資助。

原稿收到日期為2016年8月5日，修改稿收到日期為2016年10月24日。

陳江平，教授，E-mail:jpchen＿sjtu＠163.com。

Life Cycle Climate Performance Assessment of A/C System in Electric Vehicles