新能源汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)制熱技術(shù)的應(yīng)用分析

摘要：在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，冬季動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的保溫，駕駛室的加熱，車(chē)窗去霧除霜，還都是沒(méi)有完美解決的問(wèn)題。因?yàn)檫@些問(wèn)題，使電動(dòng)汽車(chē)在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用推廣，遇到了較大的困難。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制熱技術(shù)的效能和功耗進(jìn)行對(duì)比，展現(xiàn)了燃料加熱器具有的高效節(jié)能等諸多良好的特性，及其在新能源汽車(chē)空調(diào)領(lǐng)域良好的低溫制熱適應(yīng)性。

Abstract： In the field of electric vehicles， the thermal insulation of the power lithium battery system， the heating of the cab， the defogging and defrosting of the windows in winter are all problems that have not been solved perfectly. Because of these problems， the application and promotion of electric vehicles in the northern cold areas have encountered insurmountable difficulties. By comparing the efficiency and power consumption of the existing electric vehicle air conditioning heating technology， this paper shows that the fuel heater has many good characteristics such as high efficiency and energy saving， and its heating adaptability in the field of new energy vehicle air conditioning.

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);空調(diào)系統(tǒng);PTC加熱器;空調(diào)熱泵;燃料加熱器

Key words： new energy vehicle;air conditioning system;PTC heater;air conditioning heat pump;fuel heater

中圖分類(lèi)號(hào)：U471.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0208-03

0? 引言

近年來(lái)，隨著環(huán)境和能源安全形勢(shì)日益緊迫，汽車(chē)電氣化的浪潮迅猛席卷全球。新能源車(chē)與傳統(tǒng)燃油車(chē)最顯著的不同是動(dòng)力系統(tǒng)：由于新能源純電汽車(chē)取消了經(jīng)典的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致了空調(diào)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)方面的熱管理技術(shù)壓力陡然上升，同時(shí)電池系統(tǒng)的熱管理又是保障目前主流架構(gòu)電池應(yīng)用安全的關(guān)鍵屏障。所以，熱管理系統(tǒng)是新能源汽車(chē)領(lǐng)域里較大的技術(shù)成本投入，在不斷發(fā)展過(guò)程中。

新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為熱管理系統(tǒng)）分為空調(diào)系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)兩個(gè)分支，如圖1所示。

其中，空調(diào)系統(tǒng)包括制冷和制熱兩個(gè)方面。制冷系統(tǒng)目前主流都采用蒸汽壓縮制冷方式， R134a/R1234yf 作為制冷劑。由于采用電動(dòng)壓縮機(jī)變頻技術(shù)，COP值可以接近到3.0，制冷能效很好，但是作為熱泵應(yīng)用，-15℃以下會(huì)出現(xiàn)非常大的衰減，補(bǔ)氣增焓技術(shù)雖然能提升制熱量，但是導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性難以保證，在北方冬季難以實(shí)際應(yīng)用。

為解決這一問(wèn)題，目前較為先進(jìn)的（溫室氣體效應(yīng)GWP=1）方案是采用CO2制冷循環(huán)技術(shù)。利用CO2的良好低溫流動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)-20℃低溫的熱泵制熱，能效比較好，但由于CO2制冷循環(huán)在45℃以上時(shí)候高溫制冷能效衰減劇烈 ，制冷能力又有所出現(xiàn)欠缺;并且CO2系統(tǒng)運(yùn)行壓力非常高、產(chǎn)業(yè)鏈配套不成熟，熱泵最低適應(yīng)溫度還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足北方冬季氣候（-25℃到-35℃），目前距離主流應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。

為保證電池的續(xù)航，以及乘員艙的溫度舒適性，制熱實(shí)際是一個(gè)更難于回避的技術(shù)問(wèn)題需要解決。

1? 現(xiàn)有制熱技術(shù)性能分析

目前，電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域解決冬季制熱問(wèn)題的方案主要有三種：

1.1 采用PTC制熱的電動(dòng)汽車(chē)加熱技術(shù)

PTC電阻加熱方式，是目前廣泛采用的加熱方法。 其有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便、加熱效率高，成本較低;但是缺點(diǎn)也非常明顯：①耗電量太大。家用汽車(chē)日常市區(qū)駕駛，所需動(dòng)力功率基本分布在5kW到20kW之間，乘用車(chē)一般采用6kW PTC ，-15℃環(huán)境里，應(yīng)用暖風(fēng)后綜合續(xù)航里程下降可達(dá)30%以上，續(xù)航里程明顯降低。②損耗電池壽命。電池的壽命與深度放電的程度有直接關(guān)系，如圖2所示（文獻(xiàn)[2]）。

所以廠家一般建議對(duì)鋰電池淺充淺放。應(yīng)用PTC容易產(chǎn)生深度放電，導(dǎo)致電池壽命縮短，間接大幅提高了電池成本;另外，室內(nèi)空氣會(huì)比較干燥，舒適體驗(yàn)上不佳。

因此，采用PTC作為暖風(fēng)加熱源，在沒(méi)有理想的電池出現(xiàn)前，不是最優(yōu)方案，只可作為輔助方案。

1.2 采用熱泵空調(diào)制熱的電動(dòng)汽車(chē)加熱技術(shù)

雷諾Zoe及榮威Ei5等電動(dòng)車(chē)采用熱泵空調(diào)的方案。

熱泵空調(diào)有如下有特點(diǎn)：制熱能效較好，COP可達(dá)2.2左右;冷熱轉(zhuǎn)換比較方便，可直接利用冷媒空調(diào)系統(tǒng)。缺點(diǎn)是：①耗電量較大;不管補(bǔ)氣增焓還是CO2制冷劑超臨界循環(huán)熱泵技術(shù)，產(chǎn)出5kW的熱量，電動(dòng)壓縮機(jī)功率至少在2kW以上，依然對(duì)續(xù)航里程產(chǎn)生較大的不利影響，與PTC一樣影響電池壽命。②適用范圍有限;由于壓縮機(jī)在低溫工況熱衰減嚴(yán)重，在-15℃時(shí)，電空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量急劇下降，導(dǎo)致車(chē)艙熱量不足，因此-20℃以下區(qū)域不能使用熱泵空調(diào)，此方案明顯限制了電動(dòng)汽車(chē)的普及范圍。

而燃料加熱器作為極其省電（5kW液體加熱器最大電功率為40W），幾乎對(duì)電池壽命和行駛里程沒(méi)有影響的制熱方案，對(duì)寒區(qū)表現(xiàn)出非常好的適應(yīng)性，奧迪A3、沃爾沃C30的純電汽車(chē)上已有所應(yīng)用，是目前解決低溫制熱問(wèn)題有效的解決手段。

1.3 采用燃料加熱器制熱的電動(dòng)汽車(chē)加熱技術(shù)

如圖3所示，利用空氣渦流和煙氣回流結(jié)構(gòu)穩(wěn)定火焰，采用陶瓷發(fā)熱體點(diǎn)火塞進(jìn)行點(diǎn)火霧化的揮發(fā)霧化式燃燒方式，可以實(shí)現(xiàn)較高的功率密度、緊湊低成本的結(jié)構(gòu)，非常低的噪音，良好低溫啟動(dòng)性和極低的排放，使用該技術(shù)的燃料加熱器在歐洲一直作為節(jié)能減排，限制怠速熱車(chē)的解決手段。關(guān)于此類(lèi)燃燒技術(shù)方面可參考引用文獻(xiàn)[3-4]。

相比目前采用的PTC電阻發(fā)熱體加熱方式和電動(dòng)空調(diào)的熱泵取暖方式，用燃料加熱方式制熱，應(yīng)用上有更多優(yōu)點(diǎn)：

①不損耗電動(dòng)車(chē)電池電量，延長(zhǎng)行駛里程;

②加熱效率高，可達(dá)80%以上。其中燃燒效率90%左右，換熱效率90%左右;

③使用溫度范圍寬，不受地域影響，電動(dòng)汽車(chē)可在零下40度環(huán)境里自由應(yīng)用;

④最節(jié)省電能源，5kW燃料加熱器電功率僅僅40W，制熱耗電比接近其他方式的100倍，因此具有最佳的節(jié)電能效;

⑤基本免于維護(hù)，不用拆卸清洗，可長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用，終身成本低;

⑥制熱同傳統(tǒng)燃油車(chē)暖風(fēng)效果一樣，溫度上升迅速，空氣舒適不干燥;

⑦噪聲低，一米距離60dB以下，駕駛室內(nèi)難以察覺(jué)，靜謐舒適;

⑧燃燒技術(shù)先進(jìn)，節(jié)省燃料，排放極低。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8127-2011要求高于歐盟交通部R122-2012的標(biāo)準(zhǔn)，法規(guī)對(duì)排氣成分要求為：CO不大于300PPM，NOX不大于100PPM，HC 不大于5PPM，煙度不大于3Rb。

如果用生物乙醇，還可以大大減少CO、HC、NOX排放。乙醇燃料為中性燃料，是可再生能源，缺點(diǎn)是熱值比汽油低。

圖4描述了5座乘用車(chē)純電模式下，汽車(chē)在-10℃溫度工況下20km/h行駛一個(gè)小時(shí)動(dòng)力鋰電池能耗分析。其中后窗加熱、座椅加熱、HVAC 方面為150Wh電能消耗，車(chē)燈系統(tǒng)為132Wh電能消耗，動(dòng)力電器件為265Wh電能消耗，電機(jī)驅(qū)動(dòng)2.0kWh，采用PTC方案和FOH燃料加熱方案進(jìn)行對(duì)比。其中主要區(qū)別在于PTC暖風(fēng)和燃料加熱器暖風(fēng)的電能消耗上，其中PTC電能能耗在2.03kWh，燃料加熱器為0.03kWh，由于PTC放電電流比較大，導(dǎo)致蓄電池放電損失增大到150Wh ，也大于應(yīng)用燃料加熱器83Wh接近一倍。綜合比較得出：

節(jié)省的能耗比=（4.45-2.38）/4.45=0.465

即采用燃料加熱器，暖風(fēng)可減少耗電近47%。實(shí)際上，隨著車(chē)速提高，環(huán)境溫度更低，比如-25℃環(huán)境里，PTC制熱耗電要成倍增加，而燃料加熱器最大電耗幾乎沒(méi)有增加，此時(shí)燃料加熱器節(jié)省電能方面會(huì)更占明顯的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)際案例是我們用58kWH動(dòng)力磷酸鐵鋰電池乘用車(chē)在內(nèi)蒙古的牙克石冬季-25℃實(shí)地測(cè)試，用燃料加熱器供應(yīng)室內(nèi)暖風(fēng)，在滿(mǎn)足全程室內(nèi)溫度24℃的情況下，同樣行駛可比PTC制熱延長(zhǎng)100公里，節(jié)能效果非常明顯。

2? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)新能源車(chē)現(xiàn)有空調(diào)制熱技術(shù)的能效對(duì)比，燃料加熱器作為熱機(jī)電一體化的專(zhuān)屬汽車(chē)加熱部件，在制熱速度、低溫極限、節(jié)能效果、結(jié)構(gòu)以及成本上，更適應(yīng)寒區(qū)電動(dòng)汽車(chē)的制熱應(yīng)用。可以認(rèn)為，在動(dòng)力鋰電池溫度特性和能量密度應(yīng)用瓶頸完全突破之前，燃料加熱器制熱不乏是一種比較完善的補(bǔ)充方案，必將為高寒地區(qū)新能源汽車(chē)的推廣應(yīng)用提供有力的支撐。

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