純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷特性的試驗(yàn)研究*

孫 樂，李紅旗，程 睿，馬天琦

(北京工業(yè)大學(xué)制冷與低溫工程系，北京 100124)

前言

隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境污染的不斷加劇，節(jié)能與環(huán)保成為了21世紀(jì)的主旋律，各國政府都加大力度扶持新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅在資金上給予大力支持，在政策層面更是給予重點(diǎn)照顧。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，純電動(dòng)汽車具有節(jié)能、環(huán)保的雙重優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)燃油汽車一樣，純電動(dòng)汽車也需要一個(gè)舒適的駕駛和乘坐環(huán)境，這就離不開空調(diào)系統(tǒng)的支持。汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，要明確它的冷負(fù)荷，進(jìn)而得到空調(diào)系統(tǒng)所需提供的制冷量，然后進(jìn)行后續(xù)的熱力計(jì)算等設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

純電動(dòng)汽車與普通燃油汽車最根本的區(qū)別就是動(dòng)力源的不同，而發(fā)動(dòng)機(jī)傳入熱是普通汽車空調(diào)冷負(fù)荷的主要來源之一，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)的純電動(dòng)汽車?yán)湄?fù)荷的計(jì)算尚有待研究。據(jù)此，本文中針對一臺(tái)純電動(dòng)汽車樣車，首先根據(jù)現(xiàn)有的理論計(jì)算方法對其進(jìn)行冷負(fù)荷計(jì)算，然后實(shí)際測量了該樣車的冷負(fù)荷，并分析比較了兩種方式得到的不同結(jié)果。

1 理論計(jì)算

汽車的車型眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，而且大部分時(shí)間處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，計(jì)算空調(diào)負(fù)荷時(shí)隨機(jī)因素多，難度大。鑒于建筑物空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法較為成熟，往往把汽車視為“運(yùn)動(dòng)的建筑物”，車廂視為“移動(dòng)的房間”，汽車空調(diào)冷負(fù)荷的計(jì)算方法可分為3大類，即穩(wěn)態(tài)傳熱法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱法和非穩(wěn)態(tài)傳熱法(即動(dòng)態(tài)傳熱法)[1]。3種方法各有優(yōu)劣，為了簡便計(jì)算，本文中采用穩(wěn)態(tài)傳熱法進(jìn)行近似計(jì)算。

1.1 冷負(fù)荷來源

普通汽車車廂(駕駛室)與外界環(huán)境的熱交換如圖1所示。熱傳遞以導(dǎo)熱、對流、輻射3種方式進(jìn)行。車室內(nèi)冷負(fù)荷的來源主要包括以下4個(gè)方面[2]：

(1) 由于車外溫度高于車內(nèi)，加上太陽輻射的作用，有大量熱量通過車壁和門窗玻璃傳入車內(nèi)；

(2) 由于密封不良，會(huì)有不少熱空氣通過門窗及地板縫隙漏入車內(nèi)(或人為通入新風(fēng))，帶來新風(fēng)熱；

(3) 人體發(fā)出的汗熱和濕熱也使車內(nèi)溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)室的部分熱量還會(huì)通過車身前圍和發(fā)動(dòng)機(jī)罩傳入；

(4) 暴露在車廂下面的冷風(fēng)管道和地板還會(huì)有地面反射熱傳入。車廂內(nèi)的零件如座椅、儀表板等會(huì)吸收大量太陽輻射熱，然后慢慢向車內(nèi)散出。

這些熱量之和就構(gòu)成了普通汽車空調(diào)冷負(fù)荷。對純電動(dòng)汽車來說，車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)與普通汽車并無差異，只是發(fā)動(dòng)機(jī)室變成了電動(dòng)機(jī)室，并且車底附著了一塊電池包。但是，計(jì)算純電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷時(shí)不能簡單地照搬原有的公式，必須考慮這兩點(diǎn)不同對空調(diào)冷負(fù)荷帶來的影響。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

根據(jù)我國對轎車空調(diào)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合國內(nèi)外熱舒適性的研究結(jié)果和中國人的冷熱習(xí)慣，并參考文獻(xiàn)[3]，確定負(fù)荷計(jì)算時(shí)車室內(nèi)外的相關(guān)參數(shù)如表1所示。表2則列出了車體本身的部分參數(shù)。

1.3 計(jì)算結(jié)果

汽車空調(diào)冷負(fù)荷與得熱量有時(shí)相等，有時(shí)不等，這主要與汽車壁面、隔熱層、殼體結(jié)構(gòu)的蓄熱性能有關(guān)。但由于汽車空調(diào)工作條件惡劣、汽車圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱能力較小、以及要求汽車空調(diào)在短時(shí)間內(nèi)降溫或升溫等特殊性，故汽車空調(diào)制冷容量大小的選取一般都按照其得熱量來進(jìn)行，這使汽車空調(diào)容量稍許偏大，但更安全可靠。根據(jù)文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中的冷負(fù)荷計(jì)算公式，對樣車進(jìn)行了冷負(fù)荷計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表1 車室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 車體部分參數(shù)

表3 冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果 W

計(jì)算時(shí)，考慮到純電動(dòng)汽車與普通汽車的不同，對兩個(gè)地方進(jìn)行了改進(jìn)。首先，類比于普通汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入熱，引入電動(dòng)機(jī)室傳入熱的概念，可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)室的空氣溫度比室外空氣高20℃；其次，該款電動(dòng)汽車的電池包安裝在車底板上，幾乎占據(jù)了整個(gè)車底面，充放電過程中會(huì)不斷向周圍空氣散發(fā)熱量，故在計(jì)算通過車底傳入的熱量時(shí)認(rèn)為車底的空氣溫度比室外空氣高10℃。

計(jì)算結(jié)果顯示，該款純電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷中，車窗得熱量和圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量之和占總的空調(diào)冷負(fù)荷的55.3%，符合汽車空調(diào)冷負(fù)荷比例標(biāo)準(zhǔn)[4](一般車窗得熱量和圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量之和占總的空調(diào)冷負(fù)荷的40%～60%)，因此，該計(jì)算結(jié)果是合理的。

2 實(shí)際測試

2.1 測試方法與設(shè)備

在一年中最熱的季節(jié)(夏至日前后)，用熱流量計(jì)測得該電動(dòng)汽車的熱流密度，并測量車體各部分的面積，即可得到各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量，進(jìn)而可獲得該車的夏季冷負(fù)荷。表4列出了主要的測試儀器及其功能。

表4 冷負(fù)荷測試試驗(yàn)所用儀器及其功能

在正式進(jìn)行測試之前，先對車艙內(nèi)各個(gè)部位的熱流密度進(jìn)行了初步試測。試測方法是對車內(nèi)各個(gè)位置進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn)，找出車內(nèi)得熱量的主要來源。試測結(jié)果顯示，車內(nèi)熱流密度由大到小依次為：玻璃>>車門、車頂、車底>其他部分。因此，將電動(dòng)汽車車內(nèi)得熱量的來源簡化為4部分：(1)車窗玻璃(主要來源)；(2)車門；(3)車頂和車底；(4)座椅，前后面板和其他部分。

2.2 測試結(jié)果

測試時(shí)間：2012年7-8月，測試期間當(dāng)?shù)靥鞖馇缋?、氣候炎熱，室外環(huán)境溫度在30～35℃左右，日照強(qiáng)度在12kW/m2左右，測試選在每天中午氣溫最高的時(shí)間段進(jìn)行，測試時(shí)將車內(nèi)空調(diào)打開，使車內(nèi)溫度維持在25℃左右，并在怠速和行駛兩種工況下進(jìn)行測試。

2.2.1 怠速工況測試結(jié)果

怠速工況是指在電動(dòng)汽車起動(dòng)，但不掛D擋行駛的條件下使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)沒有功率輸出，也不會(huì)對動(dòng)力電池產(chǎn)生影響。試驗(yàn)前，先將已經(jīng)布好點(diǎn)并連接好所用儀器的電動(dòng)汽車開到室外空曠地帶，放置一段時(shí)間，待車室內(nèi)外溫度穩(wěn)定以后再打開相關(guān)儀器，開始測試。測試區(qū)域劃分和布點(diǎn)數(shù)目如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理時(shí)先對所測得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除一些不穩(wěn)定的、有突變的無效數(shù)據(jù)，再對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到每一區(qū)域的熱流密度隨時(shí)間的變化曲線，再乘以相對應(yīng)的區(qū)域面積，即可得到從該區(qū)域進(jìn)入車內(nèi)的熱量隨時(shí)間的變化曲線。最終測試結(jié)果如圖3和圖4所示。

從得熱量隨時(shí)間的變化曲線中可以清楚地看到電動(dòng)汽車不同部位得熱量的最大值、最小值和一個(gè)相對的穩(wěn)態(tài)值，也不難看出，透過車窗玻璃進(jìn)入車內(nèi)的熱流量遠(yuǎn)大于車體其它部分，充分證明這部分熱量是車內(nèi)冷負(fù)荷的主要來源。圖中曲線有個(gè)別地方波動(dòng)比較大，這是因?yàn)闇y試過程中天氣突然轉(zhuǎn)陰，太陽被遮住，導(dǎo)致太陽輻射熱顯著減少，這也從一個(gè)側(cè)面反映了太陽輻射對車內(nèi)得熱量的影響很大。怠速工況下車體各部分得熱量測試結(jié)果匯總于表5。

表5 怠速工況車體各部分得熱量測試結(jié)果 W

2.2.2 行駛工況測試結(jié)果

行駛工況測試前的準(zhǔn)備工作與怠速工況完全相同，只是在測試過程中電動(dòng)汽車一直處于行駛狀態(tài)。由于目前尚無電動(dòng)汽車?yán)湄?fù)荷實(shí)車測試的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以在路試過程中參考了GB/T 18386—2005電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法[5]中的相關(guān)測試工況，按照該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的行駛工況控制電動(dòng)汽車的速度、加速和減速過程。但由于試驗(yàn)條件所限，無法找到一條專用道路進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，而實(shí)際道路路況復(fù)雜，車輛眾多，行駛過程中不可避免地須根據(jù)路面情況控制車速和行駛方向，因此，測試過程并未嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)中的要求行駛。行駛工況下部分測試結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，行駛工況下車底得熱量和儀表盤處得熱量的數(shù)值大于怠速工況，在汽車加速或爬坡過程中數(shù)值的增幅更為明顯，充分說明電動(dòng)汽車在行駛過程中，電動(dòng)機(jī)和電池包的散熱量對空調(diào)冷負(fù)荷的影響很大。行駛工況下其它測試區(qū)域的測試結(jié)果遠(yuǎn)小于怠速工況，且數(shù)值變化波動(dòng)很大，這一方面是因?yàn)檐囕v在行駛過程中周圍空氣流速加快，與外界環(huán)境的對流換熱加強(qiáng)；另一方面則是因?yàn)樵趯?shí)際行駛過程中，路況多變，行駛方向的改變會(huì)馬上使車體與太陽輻射的夾角發(fā)生顯著變化，而且道路兩邊綠化帶、房屋建筑等設(shè)施也會(huì)遮擋陽光，所以說這樣的測試結(jié)果應(yīng)屬正常。行駛工況下車體各部分得熱量測試結(jié)果匯總于表6。

表6 行駛工況車體各部分得熱量測試結(jié)果 W

綜合考慮怠速工況和行駛工況下的測試結(jié)果，用兩種工況下各測試區(qū)域得熱量的最大值的算術(shù)平均值作為估算該電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷的參考值，并將門窗漏風(fēng)得熱量、新風(fēng)得熱量、人體散熱量和其它設(shè)備散熱量考慮進(jìn)去，即可得到該樣車空調(diào)最大冷負(fù)荷的實(shí)測值(3 587.73W)。這里簡單地認(rèn)為儀表盤及腿擋板處的得熱量就是電動(dòng)機(jī)室的傳入熱和車頂、車底與車門3部分的得熱量之和構(gòu)成了車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量。

3 數(shù)據(jù)分析

通過理論計(jì)算和測試兩種方式得到了純電動(dòng)汽車空調(diào)的冷負(fù)荷，二者在數(shù)值上相差了近600W。一方面，如前所述，理論計(jì)算結(jié)果本身就偏大一些；另一方面，在實(shí)際測試中并未得到輻射得熱量的具體數(shù)值，結(jié)果中也將其忽略，因此，實(shí)際測試結(jié)果偏小。真實(shí)的冷負(fù)荷應(yīng)該介于二者之間，約為4 000W。

實(shí)際測試的電動(dòng)機(jī)室傳入熱為100W(兩種工況測試結(jié)果的平均值)，而理論計(jì)算值為154W，說明理論計(jì)算時(shí)所作的電動(dòng)機(jī)室空氣溫度比室外空氣溫度高20℃的假設(shè)有偏差。將實(shí)測值帶入理論計(jì)算式，可反推得到該樣車電動(dòng)機(jī)室空氣溫度為47.8℃，高出室外空氣12.8℃，因此，在純電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為二者溫差在10～15℃之間。

兩種方式得到的車底得熱量相差不大(5W)，說明理論計(jì)算時(shí)考慮到車底電池包的影響，認(rèn)為車底空氣溫度比室外空氣溫度高10℃左右是合理的，可在純電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算中推廣使用。

實(shí)際測試中測得了座椅和車內(nèi)其它內(nèi)飾的散熱量，數(shù)值偏小，對整車?yán)湄?fù)荷的影響不大，說明車體本身的蓄熱能力較弱，在理論計(jì)算時(shí)可以忽略，即認(rèn)為得熱量與瞬時(shí)冷負(fù)荷相等。

另外，為了使電池始終工作在最佳溫度區(qū)間內(nèi)，純電動(dòng)汽車必須對電池進(jìn)行主動(dòng)冷卻，這也需要空調(diào)系統(tǒng)的支持。因此，純電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算時(shí)，不僅要將電池包的散熱作為計(jì)算車廂冷負(fù)荷的邊界條件，還須將其作為冷負(fù)荷的一部分加以考慮。

綜上所述，傳統(tǒng)汽車空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的方法應(yīng)用在純電動(dòng)汽車空調(diào)上是不可行的，必須充分考慮電動(dòng)機(jī)室傳入熱及電池包散熱的影響。

4 結(jié)論

負(fù)荷特性對純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為重要，傳統(tǒng)的理論計(jì)算方法不完全適合純電動(dòng)汽車。在探索純電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算方法時(shí)，可用相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)車測試試驗(yàn)。本文提出的純電動(dòng)汽車空調(diào)冷負(fù)荷的測試方法為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供一種思路；但還有待今后進(jìn)一步完善，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1] 吳雙.汽車空調(diào)車身熱負(fù)荷計(jì)算方法分析與比較[J].制冷與空調(diào),2002(6):20-23,27.

[2] 陳孟湘.汽車空調(diào)—原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維修[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1997:76-83.

[3] 方貴銀,李輝.汽車空調(diào)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:82-94.

[4] 李夔寧,楊穎,童明偉.微型汽車空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002(8):65-69.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18386—2005電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.