純電動車用CO2 空調(diào)整車熱管理系統(tǒng)仿真研究

劉業(yè)鳳，王君如，鐘文軒

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院；2.200093 上海市 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室）

0 引言

目前世界面臨的主要環(huán)境問題大多由能源短缺以及全球暖化引起[1]。交通運(yùn)輸業(yè)以及車輛制造業(yè)作為我國的支柱性產(chǎn)業(yè)，其消耗的能源以及尾氣排放對全球變暖的影響不容忽視[2]。在嚴(yán)峻的能源以及環(huán)境保護(hù)問題前，中國大力倡導(dǎo)新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油車。據(jù)最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，中國近5 年新能源汽車保有量年均增加50 萬輛，呈加快增長趨勢。

伴隨著新能源車保有量持續(xù)增長，全球范圍內(nèi)各大汽車廠家都開展新能源汽車的研發(fā)。在取得喜人成果的同時，也會存在一些新的問題。近年來有不少由于電動汽車電池?zé)崾Э匾l(fā)自燃導(dǎo)致的事故發(fā)生，導(dǎo)致人力財物的損失，因此動力電池的能量密度增大必須要有相對應(yīng)的熱管理系統(tǒng)。另外，目前的純電動汽車在冬季的續(xù)航里程遠(yuǎn)少于所標(biāo)定的續(xù)航里程，這是由于汽車冬季采暖時使用PTC 電加熱對乘員艙進(jìn)行供暖，冬季長期開啟會導(dǎo)致汽車?yán)m(xù)航里程的減少。目前汽車空調(diào)所使用的主流制冷劑仍為R134a，其在冬季制熱工況下性能較差，也會導(dǎo)致續(xù)航里程的減少。CO2具有良好的環(huán)境兼容性（ODP=0，GWP=1）、制造工藝、系統(tǒng)配套、價格以及熱泵系統(tǒng)下的性能均優(yōu)于其他方案中的制冷劑[3]，因此CO2有望成為未來汽車空調(diào)的主流制冷劑。

動力電池作為純電動汽車上的唯一動力源，動力電池技術(shù)一直是純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)目前市場上對動力電池的冷卻方式，可分為主動式以及被動式[4]。主動式冷卻又可分為強(qiáng)制風(fēng)冷、空調(diào)系統(tǒng)制冷劑直接冷卻、二次回路液體冷卻；被動式冷卻分為自然對流冷卻、添加PCM（Phase change materials）材料冷卻。在相關(guān)研究中，天津大學(xué)的高明[5]等通過實驗對增加純銅翅片的電池組在不同放電倍率以及不同翅片厚度下的散熱性能進(jìn)行了研究；長安大學(xué)的馬金銘[6]等利用CFD 軟件對并聯(lián)式風(fēng)冷電池組的溫度場進(jìn)行計算，并設(shè)置了二次排風(fēng)口對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；北京工業(yè)大學(xué)的馮能蓮[7]等開發(fā)出一種新型蜂巢式液冷動力電池模塊，電池與液體進(jìn)出口呈蜂窩狀排布，增大了冷卻液與電池的接觸面積。廣東工業(yè)大學(xué)的張國慶團(tuán)隊[8]對比了自然冷卻、相變材料冷卻以及相變材料加翅片這3 種冷卻方式對于控制電池組溫度的影響規(guī)律。實驗研究發(fā)現(xiàn)，相變材料加翅片復(fù)合熱管理系統(tǒng)具有較良好的溫度均勻性；Wu Weixiong[9]等開發(fā)出一種以銅網(wǎng)作為骨架的增強(qiáng)石蠟/膨脹石墨復(fù)合材料作為電池?zé)峁芾淼膹?fù)合材料。研究結(jié)果表明，具有銅網(wǎng)骨架的材料具有更好的散熱性能以及溫度均勻性。

本文以某款商務(wù)車為例，提出一個包括空調(diào)系統(tǒng)、電機(jī)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在內(nèi)的整車熱管理系統(tǒng)，并在NEDC 工況下進(jìn)行性能仿真計算，分析熱管理系統(tǒng)的各參數(shù)是否達(dá)標(biāo)，為CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)在整車熱管理方面應(yīng)用的后續(xù)研究提供一定的參考作用。

1 熱管理系統(tǒng)的需求與設(shè)計

以某款商務(wù)車為基礎(chǔ)，其外形尺寸如表1 所示，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計要求如表2 所示。

表2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計條件Tab.2 Air conditioning system design conditions

整車熱管理系統(tǒng)的目的和作用是一年四季給車內(nèi)司乘人員提供合適的溫度濕度，并在車輛正常運(yùn)行中使動力電池以及電機(jī)保持在合適的工作溫度范圍內(nèi)。因此，CO2空調(diào)系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的需求如下：（1）環(huán)境溫度高于28 ℃時，空調(diào)系統(tǒng)開啟制冷功能，保持車內(nèi)溫度25 ℃；（2）環(huán)境溫度低于10 ℃時，空調(diào)系統(tǒng)開啟制熱功能，保持車內(nèi)溫度25 ℃；（3）車輛運(yùn)行時，維持動力電池組溫度在10～40℃內(nèi)，電機(jī)溫度不超過90℃；（4）在環(huán)境溫度低于0 ℃時啟動車輛，將電池系統(tǒng)加熱至20 ℃。

根據(jù)上述需求，提出一套CO2空調(diào)系統(tǒng)以及熱管理系統(tǒng)，通過使用二次回路將電池電機(jī)熱管理系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整合，實現(xiàn)夏季空調(diào)制冷、夏季電池冷卻、冬季空調(diào)制熱、冬季電機(jī)熱回收等功能。系統(tǒng)中包括制冷劑回路以及載冷劑回路。制冷劑回路作為車上的冷熱源，為載冷劑回路提供熱量或者冷量，隨后載冷劑送往電池、電機(jī)、各換熱器執(zhí)行上述各功能。

由于系統(tǒng)運(yùn)行溫度區(qū)間較廣，載冷劑需要在工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，要求不凝固不氣化、比熱容大、粘度小、導(dǎo)熱系數(shù)大，因此采用50%乙二醇溶液作為載冷劑，其冰點為-33.8 ℃，沸點為107.2 ℃，符合本系統(tǒng)溫度運(yùn)行范圍。

圖1（a）為系統(tǒng)夏季制冷時運(yùn)行原理圖，實現(xiàn)空調(diào)制冷、電池冷卻以及電機(jī)散熱這3 個功能，工作原理如下：在制冷劑回路中，動力電池組為電動壓縮機(jī)a 供給電源，將來自回?zé)崞鱟 的低溫低壓CO2制冷劑壓縮到超臨界狀態(tài)的高溫高壓流體，隨后制冷劑通過板式氣冷器b 進(jìn)行冷卻，但由于該制冷循環(huán)為跨臨界制冷循環(huán)，所以沒有冷凝過程，板式氣冷器出口仍為氣體。高溫高壓的制冷劑經(jīng)過回?zé)崞鱟 與來自蒸發(fā)器d 的低溫低壓制冷劑氣體進(jìn)行換熱，進(jìn)一步降溫。降溫完成后的制冷劑進(jìn)入電子膨脹閥e 節(jié)流膨脹變成氣液兩相狀態(tài)，然后進(jìn)入蒸發(fā)器d 蒸發(fā)吸熱以及經(jīng)過回?zé)崞鱟 與高溫高壓的制冷劑進(jìn)行換熱，最后回到電動壓縮機(jī)a 中，完成一個循環(huán)；在熱回路中，電子水泵p 把高溫載冷劑泵向室外換熱器k 進(jìn)行冷卻，冷卻完成的載冷劑分成2 路：一路通過電機(jī)j 帶走電機(jī)熱量，另一路通過板式氣冷器b 冷卻高溫高壓的CO2制冷劑，隨后兩股流體匯合再通過電子水泵p 泵送給室外換熱器完成一個循環(huán)；在冷回路中，載冷劑首先通過板式蒸發(fā)器d 進(jìn)行降溫，隨后通過電子水泵p 泵送到室內(nèi)冷風(fēng)換熱器l 中對送入乘員艙的風(fēng)進(jìn)行冷卻除濕，然后載冷劑再通過電池組h 對電池進(jìn)行冷卻，最后載冷劑回到板式蒸發(fā)器d 中完成一個循環(huán)。

圖1（b）為系統(tǒng)冬季運(yùn)行原理圖，實現(xiàn)室內(nèi)熱泵供暖、電機(jī)熱回收功能。工作原理如下：在制冷劑回路，跟夏季制冷模式下工作原理一致；在載冷劑熱回路中，電子水泵p 把載冷劑泵送至車頭室外換熱器處，此時因為不需要散熱，所以三通閥作用，把室外換熱器k 旁通掉。然后載冷劑分成2 路，一路進(jìn)入板式氣冷器b 中吸熱升溫，一路進(jìn)入電機(jī)j 中回收熱量，之后兩路匯合進(jìn)入暖風(fēng)芯體f 中給乘員艙供暖，最后再進(jìn)入電子水泵p 完成一個循環(huán)；冷回路中，載冷劑經(jīng)過室外換熱器l 中向低溫環(huán)境吸收熱量，隨后通過板式蒸發(fā)器d 進(jìn)行降溫，然后再回到室外換熱器l 中完成一個循環(huán)。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行原理圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

2 熱管理系統(tǒng)建模

Flowmaster 是著重于一維、系統(tǒng)級別的CFD軟件，該軟件具有計算類型完善、計算類型準(zhǔn)確、接口豐富、易于操作等優(yōu)點。為了研究以及計算的方便，對系統(tǒng)進(jìn)行建模時需要進(jìn)行一定的簡化，其原則如下[10]：

（1）忽略系統(tǒng)中流動阻力較小的元件，如開啟的閥門，彎曲角度不大的彎頭；

（2）考慮管道長度以及波傳播速度對計算時間的影響，盡量把兩段或者多段管道并成一條管道，忽略較短的管道；

（3）當(dāng)Flowmaster 元件庫中已有元件不滿足建模需求時，可根據(jù)仿真需求選用同類元件進(jìn)行替代，但必須保證所選用的替代元件與被替代的元件有相同的工作特性。另外，也可采用多元件進(jìn)行復(fù)合定義的方式進(jìn)行建模。

根據(jù)運(yùn)行原理圖，在Flowmaster 中的模型搭建如圖2 所示。其中包括制冷系統(tǒng)、電機(jī)熱回收回路、電池回路。

圖2 Flowmaster 中建模示意圖Fig.2 Modeling schematic diagram in Flowmaster

3 仿真分析

NEDC(New European Driving Cycle)工況是目前用于歐洲、中國、澳大利亞等地的新能源汽車?yán)m(xù)航里程測試[11]，由市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)2 部分組成。市區(qū)循環(huán)由4 個195 s 的小循環(huán)單元組成，包括怠速、啟動、加速以及減速停車等階段，最高車速50 km/h、平均車速18.35km/h、最大加速度1.042 m/s、平均加速度0.599m/s；市郊循環(huán)時間400 s，最高車速120 km/h、平均車速62 km/h、最大加速度0.833m/s、平均加速度0.354 m/s。本文研究CO2熱泵空調(diào)熱管理系統(tǒng)在NEDC 工況下的性能表現(xiàn)。在進(jìn)行NEDC 工況分析時，需要進(jìn)行假設(shè)：（1）載冷劑以及制冷劑管道為絕熱的；（2）忽略換熱器熱阻以及熱量損失；（3）人體散熱量以及室外環(huán)境參數(shù)不隨時間變化而變化。

3.1 冷工況

夏季制冷模式環(huán)境溫度設(shè)定為35 ℃，仿真類型采用瞬態(tài)傳熱模型，時間步長設(shè)定為1 s，仿真從0 s 開始至1 800 s 結(jié)束。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 800 r/m，車輛前部進(jìn)風(fēng)速度隨著車速變化而變化，乘客艙進(jìn)風(fēng)量為450 m3/h。太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，車內(nèi)乘員數(shù)為7。

圖3 為NEDC 工況下電機(jī)溫度曲線?？梢钥闯觯?80 s 之前電機(jī)溫度保持在較低的水平，這是由于在市區(qū)循環(huán)中，車速較低，電機(jī)的生熱量比較小；在1 000 s 之后，在市郊循環(huán)中，電機(jī)的溫度開始快速上升，這是由于在市郊循環(huán)中車速較快以及這段大量的急加速導(dǎo)致的，但電機(jī)整體溫度保持在90 ℃以下。

圖3 NEDC 工況下電機(jī)溫度變化曲線Fig.3 Motor temperature variation under NEDC operating condition

圖4 為NEDC 工況下電池組溫度變化曲線。圖中可以看出，電池溫度從時間0 s 開始的35 ℃，經(jīng)過187 s 之后溫度降至25℃，直到968 s 之前電池溫度一直保持在20 ℃左右；968 s 之后，由于市郊循環(huán)中車速提升，電池放電倍率增加，生熱量提高而導(dǎo)致的電池溫度上升。但是在NEDC工況仿真過程中，電池組溫度均低于40 ℃。

圖4 NEDC 工況下電池溫度變化曲線Fig.4 Battery temperature change curve under NEDC operating condition

圖5 為NEDC 工況下乘客艙平均溫度變化曲線。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度35 度下，0 s時汽車啟動，乘客艙平均溫度達(dá)到50 ℃，隨后在空調(diào)開啟后170 s，乘客艙平均溫度降至26 ℃，隨后一直穩(wěn)定在25 ℃以內(nèi)。由于市區(qū)循環(huán)時車速變化較多，導(dǎo)致車內(nèi)負(fù)荷不停變動，溫度曲線處于波動狀態(tài)，隨后進(jìn)入市郊循環(huán)，車內(nèi)負(fù)荷相對穩(wěn)定，故后段曲線相對較平緩。

圖5 夏季NEDC 工況下乘客艙溫度變化曲線Fig.5 Cabin temperature change curve under NEDC operating condition in summer

3.2 制熱工況

冬季制熱模式環(huán)境溫度設(shè)定為-7 ℃，仿真類型采用瞬態(tài)傳熱模型，時間步長設(shè)定為1 s，仿真從0 s 開始至1 800 s 結(jié)束。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 800 r/m，車輛前部進(jìn)風(fēng)速度隨著車速變化而變化，乘客艙進(jìn)風(fēng)量為450 m3/h。太陽輻射強(qiáng)度為0 W/m2，車內(nèi)乘員數(shù)為7。

圖6 為冬季NEDC 工況下乘客艙溫度變化曲線。圖中可以看出，在0 s 啟動時乘客艙平均溫度為-7 ℃，車輛啟動后147 s 達(dá)到25 ℃，隨后在整個市區(qū)循環(huán)中乘客艙平均溫度保持25 ℃；780 s 后進(jìn)入市郊循環(huán)，車速增加，電機(jī)熱回收熱量增多，空調(diào)出風(fēng)溫度增加，使得乘客艙平均溫度上升至31 ℃。

圖6 冬季NEDC 工況下乘客艙溫度變化曲線Fig.6 Cabin temperature change curve under NEDC operating condition in winter

綜上，本文所設(shè)計的整車熱管理系統(tǒng)達(dá)到最初設(shè)計需求。

3.3 CO2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能對比

目前純電動汽車沒有發(fā)動機(jī)余熱可以利用，因此多采用PTC 電加熱器對乘客艙進(jìn)行供熱。文獻(xiàn)[12]對R134a 制冷劑進(jìn)行了冬季供熱的研究，現(xiàn)對其與本文相近工況的結(jié)果進(jìn)行對比。系統(tǒng)A為本文系統(tǒng)，系統(tǒng)B，C 為R134a 制冷劑系統(tǒng)以及PTC 系統(tǒng)。

從表3 可以看出，在環(huán)境溫度7 ℃時，B 系統(tǒng)的COP 最高，達(dá)到2.80，本文系統(tǒng)COP 為2.27，但是排氣溫度最高，達(dá)到了103 ℃，而系統(tǒng)B 只有58 ℃。在平均能耗方面，7 ℃時，系統(tǒng)A 比系統(tǒng)B 能耗高3.6%。而在環(huán)境溫度-7 ℃時，系統(tǒng)A 的COP 為1.97，系統(tǒng)B 的COP 為3.50，但系統(tǒng)B 比系統(tǒng)A 能耗高35.8%，排氣溫度系統(tǒng)A的比系統(tǒng)B 高了68 ℃。對于冬季供熱來說，排氣溫度越高意味著換熱系數(shù)的提高，使得最終供熱效果變好。

表3 系統(tǒng)性能對比Tab.3 Comparison of system performance

在環(huán)境溫度-7 ℃，系統(tǒng)A 制熱COP 為1.97，而傳統(tǒng)PTC 電加熱的制熱效率僅有0.97，提高了103%。即使環(huán)境溫度越低，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱效率始終大于1。

總體來說，在低溫供熱方系統(tǒng)A 優(yōu)于系統(tǒng)B、C。對于純電動汽車來說，冬季開啟CO2熱泵空調(diào)能節(jié)約更多的電能，續(xù)航里程得到一定的增加，具有良好的工程應(yīng)用前景。

4 總結(jié)

本文針對某款商用車型，在節(jié)能環(huán)保的基礎(chǔ)上設(shè)計出一款采用CO2為制冷劑的熱泵汽車空調(diào)系統(tǒng)的整車熱管理系統(tǒng)。本文系統(tǒng)主要分成3 個回路：一個制冷劑系統(tǒng)、一個電池冷卻系統(tǒng)、一個電機(jī)熱回收系統(tǒng)，實現(xiàn)夏季空調(diào)制冷、電池冷卻以及冬季空調(diào)供暖以及電機(jī)熱回收。使用一維CFD 仿真軟件Flowmaster 對跨臨界CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過NEDC 工況仿真對熱管理系統(tǒng)的性能以及乘客艙溫度變化進(jìn)行了研究。得出結(jié)論如下

（1）在一個NEDC 工況的仿真分析過程中，夏季制冷模式下，電機(jī)溫度保持在90 ℃以下，符合設(shè)計要求；電池組在187 s 后達(dá)到25 ℃，并在整個仿真過程中溫度低于40 ℃，符合設(shè)計要求。乘客艙在開啟空調(diào)170 s 后達(dá)到26 ℃，隨后仿真過程中穩(wěn)定在25 ℃，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。乘客艙在空調(diào)開啟后的170 s 內(nèi)從50 ℃下降到26 ℃，并在后續(xù)時間內(nèi)保持在25 ℃以內(nèi)；

（2）冬季供熱情況下，乘客艙在開啟空調(diào)147 s 后達(dá)到25℃，在整個市區(qū)循環(huán)中都保持較穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)入市郊循環(huán)后，由于電機(jī)生熱量增加，乘客艙平均溫度提升至31 ℃；

（3）在環(huán)境溫度7℃的系統(tǒng)對比中，雖然本文系統(tǒng)在能耗以及COP 方面不占優(yōu)勢，COP為2.27，比系統(tǒng)B 低18.9%；平均能耗比系統(tǒng)B高出1.5%，但排氣溫度比系統(tǒng)B 高出45 ℃。對于冬季供熱來說，排氣溫度越高意味著換熱效率的提高，使得最終供熱效果變好。傳統(tǒng)PTC 電加熱的能量轉(zhuǎn)化效率僅有0.97。對于純電動汽車來說，冬季開啟CO2熱泵空調(diào)能節(jié)約更多的電能，續(xù)航里程得到一定的增加。