電動汽車整車空調性能研究

姚朝華　韓友國

摘 要：電動汽車空調系統(tǒng)可以給乘客提供一個良好的乘車環(huán)境，并能夠防止車窗玻璃結霜，使駕駛員保持清晰的視野，為安全駕駛提供基本保證。本文通過整車空調采暖、降溫、除霜、除霧、高溫舒適性和低溫舒適性等幾個試驗，通過客觀數據與主觀評價相結合的方式，全方位、多維度的整車空調性能進行評價。

關鍵詞：電動汽車 空調系統(tǒng) 性能

Study on the Thermal Runaway of Lithium-ion Battery for Electric Vehicle

Yao Chaohua Hua Youguo

Abstract：The electric vehicle air-conditioning system can provide passengers with a good riding environment， and can prevent the window glass from frosting， so that the driver can maintain a clear vision and provide basic guarantee for safe driving. In this paper， through several tests of vehicle air-conditioning heating， cooling， defrosting， defogging， high temperature comfort and low temperature comfort， through the combination of objective data and subjective evaluation， comprehensive and multi-dimensional vehicle air conditioning performance is evaluated.

Key words：electric vehicle air conditioning system performance

1 引言

近年來，由于政府支持及各行業(yè)的不懈努力，電動汽車得到大力發(fā)展[1]。汽車空調作為電動汽車不可分割的一部分，可以對汽車內空氣的溫度、濕度、清潔度、風度和通風等進行自動調節(jié)，并使車內空氣以一定的速度和方向流動，給乘客提供一個良好的乘車環(huán)境，保證在各種外界氣候和條件下使乘客都處于一個舒適的空氣環(huán)境中，并能夠防止車窗玻璃結霜，使駕駛員保持清晰的視野，為安全駕駛提供基本保證。因此，不管是傳統(tǒng)的燃油車還是電動汽車，空調系統(tǒng)都極為重要。

電動汽車車內一個運行良好的空調系統(tǒng)可用溫度、濕度、空氣流動性、換氣性能、空氣質量和舒適度等幾方面的數據來衡量。本文通過電動汽車整車空調采暖、降溫、除霜、除霧、高溫舒適性和低溫舒適性等幾個試驗，全方面、多角度的評價整車空調性能。

2 研究內容

2.1 試驗說明

本文在整車高低溫環(huán)境模擬倉（型號瑞灝翔 GDWHJ1000）進行，共開展降溫、采暖、除霜、除霧以及室內高溫、低溫舒適性評價6個試驗。

2.2 試驗工況（表1）

2.3 試驗數據

試驗前，需要對整車進行溫度、電壓和壓力采集。試驗過程中，需要全程監(jiān)控各參數變化。

（1）電壓采集：鼓風機電壓、冷卻風扇電壓;

（2）壓力采集：空調系統(tǒng)進出口的高低壓。

（3）溫度采集：座艙內部與外部。①內部溫度傳感器布點主要有：空調外循環(huán)進風口溫度、空調內循環(huán)回風口溫度、出面出風口溫度、腳部出風口溫度、除霜除霧出風口溫度、座椅頭部溫度和座椅腳部溫度。②外部主要有：環(huán)境溫度、冷凝器前后溫度、壓縮機進/出口溫度、冷凝器進/出口溫度、膨脹閥進/出口溫度、PTC進/出水進口溫度、蒸發(fā)器前/后溫度。

3 結果分析

3.1 最大采暖性能

電動汽車的空調系統(tǒng)的動力全部來自于動力電池蓄電池?？照{系統(tǒng)的能耗直接影響著整車的經濟性和續(xù)駛里程[2]。不論是夏季制冷還是冬季采暖，空調都是純電動汽車的能耗大戶，冬季采暖尤為明顯[3]。寒冷的冬季，汽車空調可以給車內駕乘員提供足夠的溫暖，避免低溫使駕駛員四肢僵硬，給行車帶來安全隱患。

傳統(tǒng)汽油車采暖使用的發(fā)動機余溫提供熱源，而本文中所述的電動汽車采暖是用PTC直接加熱空氣，車外冷空氣經過熱加熱器表面，將空氣加熱，并送入車內，這種方案的成本較低。為了驗證采暖的最大性能，本文在城市低速道路+停車+高速道路三種工況連續(xù)進行，觀察車內外座艙各溫度點的變化。

如圖1所示，-18℃外溫，40km/h時，40min內車內平均溫度從-18℃上升到25℃，基本可以達到舒適;怠速時，溫度持續(xù)上升到29℃，最后切換到100km/h時，車內平均溫度穩(wěn)定在31℃。在整個80min的試驗中，前40min空調系統(tǒng)給車內創(chuàng)造了相對溫度的環(huán)境，溫度變化速率從最大的0.09℃/s→0.05℃/s→0.03℃/s→0.01℃/s→0℃/s，最終趨于穩(wěn)定。此款空調系統(tǒng)不僅溫度上升快，到試驗結尾時仍可以維持適宜駕乘人員的溫度。

3.2 最大降溫性能

與采暖試驗相同，降溫試驗，需要模擬夏季實際使用環(huán)境。首先將整車在40℃環(huán)境模擬倉中，高溫暴曬2h，當環(huán)境倉內頭部平均溫度達到65℃時開展試驗。本文采用靜止條件下全冷模式降溫30min，比整車在低速或高速時運行，工況更加嚴苛。

如圖2所示，40℃外溫，全冷、內循環(huán)，車內平均溫度30min內從54℃下降到27℃;而當轉換為外循環(huán)時，車內平均溫度開始緩慢上升，30min時，穩(wěn)定在31℃。從主觀評價角度，當外溫40℃，車內平均溫度31℃，舒適度等級：微熱。這種情況下，需要考慮空調的制冷效果和制冷能力是否達到最優(yōu)，比如制冷劑充注量是否足夠，空調壓縮機的轉速是否可以加大，HVAC制冷能力是否最優(yōu)等因素。

3.3 除霜除霧性能

汽車的除霜除霧性能必須要滿足GB 11555強制性法規(guī)，主要用于恢復駕駛員視野。除霜是為了融化汽車風窗玻璃外表面的霜或冰，除霧則是用于消除風窗玻璃內表面的霧或內表面凝結物，除霜除霧兩個系統(tǒng)用的同一個風道，同一個出風口。兩個系統(tǒng)考核的性能指標也大體相同。

除霜在-18℃環(huán)境下，在人工制霜結束后，需每隔5min記錄下前風窗玻璃除霜的消散軌跡;而除霧則是在-3℃環(huán)境下，每隔1min記錄下前風窗玻璃內表面的霧的消散軌跡。

如圖3所示，左圖為前擋風玻璃除霜軌跡消散圖，20min時前風窗A區(qū)消散面積已達到100%，B區(qū)的消散面積也在25min時達到100%。右圖為前擋風玻璃除霧軌跡圖，A區(qū)、B區(qū)除霧分別在5min和7min時，100%消散。兩個系統(tǒng)均符合國家標準要求。

3.4 高溫舒適性評價

高溫舒適性通常在每年7～8月，在我國海南或新疆吐魯番夏季試驗中進行。由于道路試驗在室外進行，受空間與氣候條件的限制，自然條件不可控，成本高、周期長，試驗重復性和一致性差。而在室內環(huán)境模擬倉進行的試驗，可以不受自然條件的約束，隨時開展，減少項目開發(fā)周期。

高溫舒適性評價，通常主要進行市區(qū)工況（快速降溫20min+溫度維持20min）、市郊工況（高速20min）、靜止（20min）三個連續(xù)工況。采用人體對溫度的冷熱感知，按照主觀評價七分制進行評分，身體各部位及整體均需進行評價，高溫以面部、整體評分為主。當評價分數在-0.5分～0.5分之間，屬于舒適性區(qū)間;評分在0.5分～1分之間，舒適性可接受。評分在1～3，不可接受。

如表2所示某純電動汽車的高溫舒適性主觀評價打分表，40℃環(huán)境下，快速降溫階段，試驗進行20min時，前排主副駕均達到舒適，副駕膝部與腳部微熱。舒適性維持階段，100km/h時，微熱，舒適性不能維持。保溫階段溫度明顯上升，舒適性降低。本款電動車高溫舒適性可接受。

3.5 低溫舒適性評價

低溫舒適性采用與高溫舒適性評價一致的評價原則。低溫以腳部、整體評分為主。當評分在-0.5～0.5時，屬于舒適性區(qū)間;評分在-0.5分～-1分之間，低溫舒適性可接受，稍冷。評分在-3～-1，很冷，低溫舒適性不可接受。

4 小結

本文僅闡述了衡量空調溫度性能的幾個基礎試驗，但評價一輛汽車的空調系統(tǒng)的性能好壞，不僅僅只看空調的制冷和采暖能力，還有幾個指標需要考慮：①濕度。人體感受最舒適的相對濕度范圍在50%～70%，尤其夏季，需要時刻將空氣的濕度保持在此范圍內，維持人體舒適度。②空氣的清新度。汽車空間有限，在夏季或冬季持續(xù)開空調極易產生缺氧或二氧化碳濃度過高，而且道路中的粉塵等極易造成車內空氣混濁，影響加乘人員的健康，因此需要對過濾功能進行測試，保證艙內空氣清新度。③人機交互、操作界面，簡明方便。不能影響駕駛視線，給駕駛人員增加負擔。

參考文獻：

[1]孫逢春. 電動汽車發(fā)展現狀及趨勢[J]. 科學中國人，2006（8）：44-47.

[2]Lindgren J，Lund P D. Effect of extreme temperatures on battery charging and performance of electric vehicles[J]. Journal of Power Sources， 2016， 328（OCT.1）：37-45.

[3]Kambly K R，Bradley T H . Estimating the HVAC energy consumption of plug-in electric vehicles[J]. Journal of Power Sources， 2014， 259（aug.1）：117-124.