電動汽車組合式采暖系統(tǒng)的低溫試驗研究*

王雅純，牟連嵩，鄭清平，黎蘇，焦鵬飛

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電動汽車組合式采暖系統(tǒng)的低溫試驗研究*

王雅純1，牟連嵩2，鄭清平1，黎蘇1，焦鵬飛2

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

文章針對純電動汽車普通熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下系統(tǒng)性能衰減嚴(yán)重，甚至停止工作等問題，提出了一種PTC輔助加熱的低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)，運用KULI軟件對其采暖工況進(jìn)行一維仿真模擬，并將其應(yīng)用于純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，放置在整車環(huán)境模擬試驗室中，進(jìn)行環(huán)境溫度為-20℃、-10℃和-5℃的采暖性能試驗。從試驗結(jié)果可以看出此組合式采暖系統(tǒng)可以實現(xiàn)在低溫環(huán)境下的采暖需求。并為實現(xiàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在整車中的量產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

純電動汽車；熱泵空調(diào)系統(tǒng)；采暖性能；仿真模擬；試驗

前言

空調(diào)系統(tǒng)不但可以為駕駛員提供健康舒適的乘車環(huán)境；而且還能保證駕駛員的安全出行。與傳統(tǒng)的燃油汽車空調(diào)相比，純電動汽車空調(diào)沒有發(fā)動機余熱可以利用，所以冬季制熱問題成為純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外的電動空調(diào)制熱方案主要可以歸納為PTC電加熱、熱電制冷/制熱、熱泵空調(diào)系統(tǒng)等[1-4]。其中熱泵空調(diào)系統(tǒng)以高效節(jié)能的特點，成為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)的主攻方向和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

如今，各大汽車生產(chǎn)商也紛紛研究并生產(chǎn)了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的新能源汽車。Nippondenso 公司研發(fā)了以 R134a為制冷劑的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)[5]，其感知溫度為-10℃～40℃。2013款的雷諾Zoe純電動汽車所使用的來自日本電裝Denso的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，也被用在了2013年以后的日產(chǎn)LEAF上。本田EV電動汽車安裝了熱泵式冷暖自動恒溫空調(diào)系統(tǒng)[6]。寶馬i3純電動汽車也采用了熱泵空調(diào)系統(tǒng)[7]，其有制冷、加熱、混合三種工作模式，感知溫度范圍是-10℃～40℃。豐田公司推出的2012款新能源汽車普銳斯安裝了熱泵空調(diào)系統(tǒng)[8]，其感知溫度為-5℃～35℃。

目前，純電動汽車采暖普遍使用PTC電加熱。 PTC電加熱不受環(huán)境溫度的影響，即使在零下20多度的寒冷環(huán)境中也可以穩(wěn)定工作，但是其會使電池續(xù)航里程減少18~30%，且節(jié)能效果極差。而熱泵空調(diào)系統(tǒng)COP（能效比）在1～3之間，節(jié)能效果極佳。但是其在低溫環(huán)境下系統(tǒng)性能衰減嚴(yán)重，融霜效率低，甚至停止工作[9]。綜合考慮節(jié)能與低溫環(huán)境因素的影響，本文提出了一種PTC（液體加熱器）輔助加熱的低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)。在環(huán)境溫度為-5℃以上時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)單獨工作，以達(dá)到節(jié)能的效果；-5℃～-15℃時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)與PTC電加熱共同工作；-15℃以下時，PTC電加熱單獨工作，以滿足低溫環(huán)境下采暖的需求。

1 組合式采暖系統(tǒng)理論分析

1.1 熱泵系統(tǒng)制熱理論計算

熱泵系統(tǒng)制熱量：

式中，m為質(zhì)量流量，q為單位冷凝熱量。

壓縮過程作功：

式中，A0為單位壓縮功。

空調(diào)制熱時，制熱能效比COP (Coefficient Of Perfor -mance)是衡量空調(diào)性能的重要參數(shù)之一。COP為在制熱模式下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制熱量與壓縮機輸入功率的比值。

式中，mk，ηm分別為流量，熱泵循環(huán)效率。

1.2 整車熱泵系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷計算

式中，Q，Q，Q，Q，Q，Q分別為整車熱負(fù)荷，車身頂部熱負(fù)荷，車窗玻璃熱負(fù)荷，車身裙部熱負(fù)荷，車室地板熱負(fù)荷，冷空氣滲透熱負(fù)荷；為熱泵系統(tǒng)測試功耗。

2 組合式采暖系統(tǒng)的一維仿真模型

本文根據(jù)組合式采暖系統(tǒng)的制熱循環(huán)，運用KULI軟件對其進(jìn)行一維仿真模擬。設(shè)定乘員艙采暖循環(huán)水流量10L/ min；考慮風(fēng)道的熱量損失大約為5.2℃；室外蒸發(fā)器的過熱度設(shè)定為1℃；熱泵換熱器的過冷度設(shè)定為10℃；熱泵系統(tǒng)工作時壓縮機工作轉(zhuǎn)速設(shè)定6000rpm。-20℃時，PTC電加熱單獨工作，其功率為7.5kw；-10℃時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)與PTC電加熱共同工作，此時PTC加熱功率為2kw；-5℃時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)單獨工作。以-10℃為例，給出其一維仿真模擬模型如圖2所示。

1,4水路側(cè) 2，6 PTC電加熱 3,7質(zhì)點質(zhì)量 5,11室外換熱器 8 暖風(fēng)芯體 9冷媒管路 10電動壓縮機 12膨脹閥 13 蒸發(fā)器 14,15特征曲線 16空氣熱流量源 17,18質(zhì)量流量目標(biāo) 17,20 環(huán)境溫度 21乘員艙 22-35連接管路

模型中回路3為冷媒側(cè)的循環(huán)，低溫低壓氣態(tài)制冷劑被吸入10電動壓縮機，電動壓縮機把高溫高壓的氣態(tài)制冷劑泵入11冷凝器后，將高溫、高壓的液態(tài)制冷劑經(jīng)過12膨脹閥的節(jié)流降壓后變成低溫低壓的液態(tài)制冷劑，然后流入13蒸發(fā)器，將液態(tài)制冷劑汽化為低溫低壓的氣態(tài)制冷劑，最后被吸入10電動壓縮機，從而完成循環(huán)。模型中5和11為同一冷凝器，回路2中冷凝器散發(fā)的熱量會對冷卻水進(jìn)行加熱，冷卻水流過8暖風(fēng)芯體，會對乘員艙進(jìn)行加熱作用。當(dāng)溫度為-5℃以下時，6 PTC電加熱器開啟，對冷卻水進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度為-15℃以下時，5冷凝器會結(jié)霜，熱泵停止工作，6PTC電加熱器則單獨工作。模型中21CAB為乘員艙參數(shù)，輸入車型具體尺寸信息，則可得到乘員艙內(nèi)溫度分布情況。

3 電動車組合式采暖系統(tǒng)試驗分析

3.1 試驗裝置及實驗條件

試驗前需對車輛進(jìn)行試驗前準(zhǔn)備工作，包括：測溫點布置、數(shù)據(jù)采集器的連接與調(diào)試等。溫度局部布點如圖3所示。本次采暖試驗在整車環(huán)境模擬試驗室開展，環(huán)境溫度范圍為-40℃～+60℃,配備四驅(qū)底盤測功機進(jìn)行道路阻力模擬，如圖4所示。試驗時空調(diào)狀態(tài)為最大采暖模式、吹腳、最大風(fēng)量，循環(huán)模式為外循環(huán)，環(huán)境溫度為-20℃時，車速為50km/h、110km/h、0km/h的運行時間分別為30min、30min、35min；環(huán)境溫度為-10℃時，車速為50km/h，運行時間為35min；環(huán)境溫度為-5℃時，車速為50km/h、80km/h、110km/h、0km/h，運行時間均為30min。

圖3 乘員艙內(nèi)溫度布點局部圖

圖4 整車采暖試驗過程圖

3.2 結(jié)果分析

工況一，如圖5所示，前30分鐘的模擬頭部、腳部溫度明顯高于試驗過程中的頭部、腳部溫度，且溫度上升趨勢明顯，而試驗過程溫度曲線上升緩慢；運行30分鐘時，試驗頭部平均溫度為10.7℃，低于模擬頭部平均溫度5.3℃，試驗?zāi)_部溫度為17.9℃，低于模擬腳部平均溫度2.9℃，此時試驗溫度已達(dá)到采暖需求。隨著試驗的運行，試驗頭部、腳部平均溫度越來越接近于模擬頭部、腳部的平均溫度，且其溫度差不超過5℃。

工況二，如圖6所示，熱泵空調(diào)系統(tǒng)與PTC電加熱共同工作時，一直以2kw的PTC持續(xù)輔助加熱，模擬溫度曲線明顯比試驗溫度曲線上升趨勢明顯。試驗過程中由于主駕有司機控制車速，其腳部控制離合及剎車時輕微影響了腳部溫度傳感器，所以造成了腳部曲線的微弱波動，但其影響溫度低于1℃。在試驗進(jìn)行到近30分鐘時，試驗頭部、腳部平均溫度與模擬頭部、腳部平均溫度已經(jīng)基本吻合；直到試驗結(jié)束時，試驗頭部、腳部平均溫度分別達(dá)到17.8℃、21.1℃，已經(jīng)滿足采暖溫度。

工況三，如圖7所示，運行30分鐘時，試驗頭部、腳部平均溫度分別為11.3℃、16.9℃，此時在已經(jīng)基本滿足乘員艙采暖需求的同時，PTC電加熱的加熱功率不會太高，以保證車輛的續(xù)航里程。試驗結(jié)束時，試驗頭部、腳部平均溫度分別為24.1℃、28.5℃，分別比模擬頭部、腳部平均溫度低1.9℃、0.3℃，并已滿足乘員艙采暖溫度需求。

由表1可知，能效比COP為采暖量與功率之比。-20℃時，PTC電加熱單獨工作時，模擬COP均高于試驗值COP，均為0.8左右，；-10℃時，熱泵系統(tǒng)與PTC電加熱共同工作，COP為0.85；-5℃時，熱泵系統(tǒng)單獨運行，模擬COP均高于試驗值COP，COP均為1以上。

圖6 -10℃采暖曲

圖7 -20℃采暖曲線

表1 模擬與試驗數(shù)據(jù)對比表

Table 1 Comparison table of simulation and test data

綜合以上數(shù)據(jù)可得，PTC電加熱可以滿足-20℃低溫環(huán)境下乘員艙內(nèi)采暖需求，但其所需功率較大，影響電池續(xù)航里程，且其能效比低于1；而熱泵空調(diào)系統(tǒng)在-10℃時性能衰減嚴(yán)重，不能滿足乘員艙內(nèi)采暖需求，必須匹配PTC電加熱輔助采暖；當(dāng)環(huán)境溫度在-5℃及以上時，單獨使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以達(dá)到采暖需求，且其能效比大于1，因而可以達(dá)到節(jié)能的效果。

4 結(jié)論

本試驗研究的電動車組合式采暖系統(tǒng)，在環(huán)境溫度為-10℃、-20℃時，PTC電加熱處于工作狀態(tài)，其乘員艙平均溫度分別可達(dá)25.15℃、26.3℃，已經(jīng)滿足冬季采暖溫度需求；在環(huán)境溫度為-5℃時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)單獨工作時的乘員艙平均溫度為17.65℃，已經(jīng)滿足采暖需求，而且可以達(dá)到節(jié)能的效果。這不僅對于提高純電動汽車冬季續(xù)航里程有重大意義，而且為實現(xiàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在整車中的量產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Study on low temperature test of combined heating system for electric vehicle*

Wang Yachun1, Mu Liansong2, Zheng Qingping1, Li Su1, Jiao Pengfei2

( 1.School of energy and environmental engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401; 2.China Automotive Technology and Research Center Co. LTD., Tianjin 300300 )

In paper, a kind of low temperature heat pump air conditioning system with PTC auxiliary heating is applied to solve the problem that the system performance is seriously attenuated and even stopped working in the low temperature environment of the ordinary electric heat pump air conditioning system of battery electrical vehicle. The heating condition is simulated by KULI software and applied to the air conditioning system of the battery electrical vehicle. In the vehicle environment simulation laboratory, the heating performance test at ambient temperature of -20℃, -10℃ and -5℃ is carried out. From the test results, we can see that the Combined heating system can achieve heating needs under low temperature. It lays the foundation for achieving the production and application of heat pump air conditioning system in the vehicle.

pure electric vehicle; heat pump air conditioning system;heating performance;simulation;test

A

1671-7988(2018)20-03-04

U469.72

A

1671-7988(2018)20-03-04

U469.72

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.002

王雅純（1992-），河北工業(yè)大學(xué)在讀碩士，研究生，主 要研究方向為內(nèi)燃機技術(shù)。通信作者：牟連嵩（1981-），中國汽車 技術(shù)研究中心，碩士，工程師，主要研究方向為汽車熱管理。

河北省重點研發(fā)計劃，節(jié)能環(huán)保與科技治霾專項；項目名稱： 石家莊市區(qū)工程機械柴油機低排放治理與在用重型車obd 排放檢測 與監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用示范工程（18273714D）。