電熱前擋風(fēng)玻璃在電動車中的節(jié)能運用

葛如煒 鄭國勝

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

目前純電動車的續(xù)駛里程受動力電池能量密度的限制，在一定程度上制約了用戶的使用要求。整車節(jié)能以及提高乘客舒適性與續(xù)駛里程成為較長時期內(nèi)研究的方向。汽車除霜是安全法規(guī)要求的內(nèi)容之一，采用傳統(tǒng)熱風(fēng)除霜會消耗近一半的動力電池能量。如采用電熱前擋風(fēng)玻璃，用局部加熱除霜替代空調(diào)系統(tǒng)加熱除霜，將獲得較好的節(jié)能效果。為此文章運用Fluent軟件模擬計算與實車環(huán)境模擬風(fēng)洞驗證試驗相結(jié)合的方法，對除霜典型加熱工況等進行除霜性能和節(jié)能研究。

1 純電動車除霜方式[1-2]

純電動車在冬天低溫除霜過程中，首先要解決熱源問題。由于不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車可以利用發(fā)動機冷卻余熱這一熱源，目前純電動車一般采用電轉(zhuǎn)熱的方式來解決熱源問題。

1.1 液氣側(cè)電加熱器方式

在空調(diào)加熱與除霜除霧設(shè)計中有2種方式，如圖1所示。一是在傳統(tǒng)空調(diào)加熱系統(tǒng)中，將電加熱器布置在冷卻液側(cè)，串聯(lián)在加熱系統(tǒng)回路中。通過電加熱器加熱冷卻液，冷卻液再流經(jīng)傳統(tǒng)的加熱器芯體，經(jīng)過加熱器芯體與空氣換熱，最終通過空調(diào)鼓風(fēng)機將熱氣送入乘客艙，達(dá)到加熱與除霜除霧的目的，如圖1a所示。另一種方式是將電加熱器布置在傳統(tǒng)的空調(diào)箱中，并替換傳統(tǒng)的加熱器芯體，通過電加熱器直接加熱空氣，空氣被空調(diào)鼓風(fēng)機推動帶出乘客艙，達(dá)到加熱與除霜除霧的目的，如圖1b所示。

1.2 電熱前擋風(fēng)玻璃方式

以一種直接加熱替代間接加熱獲得前擋風(fēng)玻璃快速與高效除霜除霧的新技術(shù)已經(jīng)得到了產(chǎn)品化應(yīng)用。即在傳統(tǒng)玻璃中夾入電導(dǎo)熱絲，通電后導(dǎo)熱絲發(fā)熱，融化凝結(jié)在玻璃上的冰霜，電導(dǎo)熱絲布置示意圖，如圖2所示。它的應(yīng)用也為純電動車前擋風(fēng)玻璃除霜除霧提供了節(jié)能應(yīng)用的可能。

2 電熱前擋風(fēng)玻璃節(jié)能應(yīng)用效果分析

以某純電動轎車為例，在汽車相同運行工況下，比較采用液側(cè)電加熱器方式與電熱前擋風(fēng)玻璃對除霜除霧與加熱性能的影響與節(jié)能效果。

2.1 FMVSS103工況下除霜性能和節(jié)能效果比較

2.1.1 液側(cè)電加熱器

基于純電動車液側(cè)電加熱器加熱機理，為了滿足FMVSS103工況下除霜要求[3]，應(yīng)用Fluent軟件進行模擬計算預(yù)測其除霜性能效果，如圖3所示[4]。得出液側(cè)電加熱器的消耗功率要達(dá)到5 kW，冷卻液流量20 L/min，空調(diào)箱提供的風(fēng)量77 L/s等參數(shù)。

通過實車測試獲得不同部位隨時間變化的溫曲線和除霜效果，如圖4和圖5所示。從圖5可看出，20min完成可視區(qū)的除霜，與CFD模擬計算效果相一致。試驗測得空調(diào)系統(tǒng)主要用電器消耗功率：電加熱器5 kW，電動水泵50W，空調(diào)鼓風(fēng)機158W，期間總電能消耗接近1.736 kW·h。

2.1.2 電熱前擋風(fēng)玻璃

以某純電動轎車采用電熱前擋風(fēng)玻璃為例，前擋風(fēng)玻璃厚度5mm，玻璃總加熱面積1.04m2，按照電導(dǎo)熱絲功率密度的設(shè)計要求（600W/m2）計算，該車前擋風(fēng)玻璃電加熱需消耗總功率約624W。在FMVSS103工況下，進行模擬計算，獲得電熱前擋風(fēng)玻璃表面溫升曲線和除霜性能效果圖，如圖6和圖7所示。

通過實測獲得的除霜效果，如圖8所示。從圖8可以看出：模擬除霜效果與實測效果一致性較好；除霜試驗15min達(dá)到效果優(yōu)于液側(cè)加熱20min的除霜效果。期間電能消耗接近0.156 kW·h，幾乎只是液側(cè)加熱能量消耗的9%。

2.2 低溫工況下功率消耗趨勢和節(jié)能效果比較

對采用液側(cè)電加熱器的純電動車進行NEDC工況下的實車比對測試。結(jié)果顯示，在-18℃時，加熱性能要達(dá)到乘客舒適性要求，續(xù)駛里程將減少50%。

通過整車能量分配計算及空調(diào)系統(tǒng)能量分配計算，可以得出用戶在-18℃時，采用液側(cè)電加熱器加熱分別使用除霜、除霧及加熱模式，連續(xù)運行1 h，在前擋風(fēng)玻璃上的能量消耗、電熱前擋風(fēng)玻璃的節(jié)能效果以及對純電動車?yán)m(xù)駛里程的影響，如表1所示。

表1 前擋風(fēng)玻璃功率消耗與節(jié)能效果比較

3 結(jié)論

純電動車加熱是整車開發(fā)中的難點之一，它直接關(guān)系到汽車的行駛里程。為此，節(jié)能顯得尤為重要。文章介紹了一種實用可行的空調(diào)加熱節(jié)能的解決方案。運用Fluent軟件對除霜性能進行模擬計算，獲得了加熱系統(tǒng)的功率精確需求，為系統(tǒng)優(yōu)化匹配提供了理論依據(jù)。

電熱前擋風(fēng)玻璃對純電動車空調(diào)加熱性能影響很大，特別是在前擋風(fēng)玻璃除霜工況下，它的應(yīng)用將大幅度減少電能消耗，增加電動車的續(xù)駛里程。整車在實際使用過程中，隨著用戶從除霜、除霧到加熱模式的切換，以及對加熱量需求的減弱，電熱前擋風(fēng)玻璃的功能和節(jié)能優(yōu)勢也將逐漸退去。文章為電熱前擋風(fēng)玻璃后續(xù)應(yīng)用工作提供了一種研究方法和方向。