增程式電動(dòng)車(chē)空調(diào)系統(tǒng)熱特性實(shí)驗(yàn)研究

瞿曉華

【摘 要】增程式電動(dòng)車(chē)是純電動(dòng)車(chē)的一種擴(kuò)展車(chē)型，比一般的純電動(dòng)車(chē)要多出一套發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)車(chē)有很大的差異，壓縮機(jī)改成高壓直流驅(qū)動(dòng)，而加熱方式更改為電加熱和發(fā)動(dòng)機(jī)水加熱相結(jié)合的形式。本文通過(guò)環(huán)模測(cè)試的方法，研究增程式電動(dòng)車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)熱特性。

【關(guān)鍵詞】增程式電動(dòng)車(chē);熱管理;電池;空調(diào)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）22-0080-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.035

0 前言

結(jié)合實(shí)際調(diào)研可與發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段動(dòng)力電池存在的設(shè)計(jì)瓶頸在一定程度上制約了電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，如能量密度無(wú)法滿足續(xù)航里程需要[1-4]。在更改燃料后，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致整車(chē)熱特性發(fā)生較大變化，這種變化將對(duì)取暖、空調(diào)造成本質(zhì)影響，如采用水加熱和電加熱組合形式的增程式電動(dòng)車(chē)便會(huì)較為直觀展示這種影響。本文為某增程式電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)了一套熱管理系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)車(chē)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。

對(duì)于采用不同傳熱介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相變材料、絕熱材料、液體、空氣、其他混合介質(zhì)均可作為傳熱介質(zhì);對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來(lái)說(shuō)，主動(dòng)形式、被動(dòng)形式的設(shè)計(jì)均較為常見(jiàn)，如無(wú)額外能耗的環(huán)境熱源，或采用其他耗能的主動(dòng)形式設(shè)計(jì)。Jung，D.Y.et al.[5-6]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真等方法研究了不同的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并取得了很大進(jìn)展。而針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)方面的研究卻鮮有報(bào)道。

本文擬通過(guò)環(huán)模測(cè)試的方法，研究增程式電動(dòng)車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)熱特性。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)的存在有大大提升了整車(chē)動(dòng)力性能與續(xù)航能力。另外，該車(chē)在車(chē)頂還配置了太陽(yáng)能板，收集太陽(yáng)能為車(chē)內(nèi)儀表等低壓用電設(shè)備供電。

本文設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)具備較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要由5部分組成，包括電池水冷系統(tǒng)、高壓部件水冷系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)油冷系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)間存在相互獨(dú)立又有耦合的關(guān)系。

本文的空調(diào)及電池冷卻系統(tǒng)采用電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)雙蒸系統(tǒng)。前蒸用于車(chē)廂內(nèi)乘員制冷;另一個(gè)冷卻器采用制冷劑與冷卻液換熱，被冷卻后的冷卻液再冷卻電池。冷卻器外側(cè)采用絕緣材料與外界環(huán)境絕熱。

為滿足電池冷卻需要，前端低溫散熱器會(huì)在環(huán)境溫度合適時(shí)負(fù)責(zé)冷卻;如環(huán)境溫度不足，冷卻器回路會(huì)由換向閥切換，以此滿足電池冷卻需要。電動(dòng)水泵負(fù)責(zé)水系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，三位控制閥負(fù)責(zé)切換回路;當(dāng)電池工作在舒適溫度，三位控制閥切換至短路循環(huán)，電池各單體之間的溫差可由此得到有效控制。采用板片流腔的電池設(shè)計(jì)，從里面的流道流過(guò)的冷卻液即可較好滿足電池降溫需要。采用板片式換熱器作為電池冷卻器，冷卻液和制冷劑負(fù)責(zé)熱交換。

相較于傳統(tǒng)車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、PTC加熱系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)，本文為電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)的三種系統(tǒng)與之存在一定相似性，具有大小循環(huán)，且節(jié)溫器能夠基于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫與環(huán)境溫度自動(dòng)切換。乘員艙需要的熱源可由啟動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供，乘員艙加熱也可采用開(kāi)啟PTC加熱器的方式實(shí)現(xiàn)。

為對(duì)比研究空調(diào)系統(tǒng)熱特性，本文對(duì)該增程式電動(dòng)車(chē)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。空調(diào)系統(tǒng)主要零部件及參數(shù)如下：

BWC270（27cc Comp.）/220×283×38mm（EVAP）/215×168×27（Heat core）/668×352×16mm（Cond.）/54.3×62×88mm（Chiller）

2 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

本文對(duì)增程式電動(dòng)車(chē)進(jìn)行了環(huán)模實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況如下。系統(tǒng)中所用制冷劑為R134a。

降溫實(shí)驗(yàn)：38℃，50%RH，日照1000w/m2/100% SOC，車(chē)內(nèi)頭部溫度到達(dá)60℃時(shí)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)/空調(diào)：全冷/吹面/內(nèi)循環(huán)/最大風(fēng)量/車(chē)速：50km h-1（30min），100 km h-1（30min），怠速（30min）。

溫升實(shí)驗(yàn)：-18℃，日照0w/m2/100% SOC，車(chē)內(nèi)溫度-18℃，發(fā)動(dòng)機(jī)油溫-18℃/空調(diào)：全熱/吹腳/外循環(huán)/最大風(fēng)量/車(chē)速：50km h-1（30min），100km h-1（30min），怠速（30min）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 降溫性能

如圖1，在前近兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，電動(dòng)車(chē)運(yùn)行處于純電動(dòng)模式，而后進(jìn)入純電動(dòng)模式與增程模式結(jié)合的運(yùn)行模式，兩種模式由電部件需求功率及電池SOC狀態(tài)共同決定。在初始階段，考慮到較低的電池溫度影響，電池冷卻回路在低于控制溫度31℃時(shí)未啟動(dòng)，冷卻器和前端低溫散熱器未通過(guò)冷卻液。冷卻回路會(huì)在電池溫度達(dá)到31℃后打開(kāi)，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升，乘員艙出風(fēng)溫度下會(huì)隨著系統(tǒng)制冷量加大而降低，具體變化如圖2所示。設(shè)計(jì)采用下調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，這種方式的應(yīng)用使得電池進(jìn)口冷卻液溫度出現(xiàn)一定回升，具體變化如圖3的00：42時(shí)刻所示。隨著電池溫度逐步下降至25℃，將自動(dòng)切斷電池冷卻器回路，冷卻液此時(shí)僅運(yùn)行于電池小循環(huán)內(nèi)。

電動(dòng)車(chē)的降溫性能要比傳統(tǒng)車(chē)稍好，特別是在怠速工況，電動(dòng)車(chē)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不受車(chē)速限制，可以根據(jù)需求調(diào)整轉(zhuǎn)速。

3.2 加熱性能

圖3為加熱實(shí)驗(yàn)動(dòng)力部件電流特性曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)和PTC加熱器會(huì)在電動(dòng)車(chē)?yán)鋯?dòng)時(shí)同時(shí)運(yùn)行，將加熱回路的冷卻液水溫迅速提升至75℃，如圖3，所需時(shí)間僅5分鐘，PTC的加熱功率消耗因此大幅降低。由于自帶機(jī)械泵，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在運(yùn)行時(shí)調(diào)低電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速，電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)調(diào)高，由于整個(gè)加熱過(guò)程中電動(dòng)水泵均未關(guān)閉，冷卻液加熱回路的流阻因此得到較好控制，熱集聚現(xiàn)象也得以有效避免。在加熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，PTC加熱器負(fù)責(zé)維持和輔助，發(fā)動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)水溫提升與電池充電。

結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，在PTC加熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)交替運(yùn)行過(guò)程中，足部區(qū)域溫度存在逐步波動(dòng)提升。由于足部存在溫度敏感性較低特點(diǎn)，且存在較大的出風(fēng)溫度波動(dòng)，因此將出風(fēng)溫度波動(dòng)控制在10℃內(nèi)，足部區(qū)域溫度波動(dòng)控制在5℃內(nèi)，頭部溫度控制波動(dòng)控制在2℃內(nèi)，因此保證乘員舒適度。

相較于傳統(tǒng)車(chē)，電動(dòng)車(chē)加熱特性更為優(yōu)秀，基于PTC加熱器溫升特性，可實(shí)現(xiàn)足部溫度快速上升。但同時(shí)對(duì)續(xù)航里程的影響也是巨大的。而傳統(tǒng)車(chē)則恰恰相反，熱水資源無(wú)需成本，但升溫特性會(huì)稍慢。增程式電動(dòng)車(chē)則綜合這兩者的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文采用環(huán)模實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)某增程式電動(dòng)車(chē)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水冷形式電池的溫度控制能力優(yōu)秀，低溫環(huán)境下增程式電動(dòng)車(chē)的整車(chē)加熱特性也能夠由此實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足提升;對(duì)電池功率消耗要求小，對(duì)電池溫度控制有很好的保護(hù)作用;另外，電動(dòng)車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)性能要明顯好于傳統(tǒng)車(chē)，且具有更好的控制靈活性和調(diào)節(jié)性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Laura Cozzi.World Energy Outlook 2007：China and India Insights.Presentation at Shanghai Jiao Tong University.2007.

[2]《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2011-2020）》.

[3]電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)研究分析報(bào)告，2011.

[4]新能源汽車(chē)動(dòng)力電池行業(yè)深度研究，2009.5.

[5]Jung，D.Y.，Lee，B.H.，Kim，S.W.，“Development of battery management system for nickel–metal hydride batteries in electric vehicle applications，”Journal of Power Sources，109，2002，1-10.

[6]R.Kizilel，R.Sabbah，J.R.Selmana，S.Al-Hallaj，“An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs，”Journal of Power Sources，194，2009，1105–1112.