純電動汽車乘員艙冬季熱負荷特性研究

雷良新，陶樂仁*, ，孫悅，陶宏，黃理浩, ，桂超

（1-上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2-上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；3-上海海立新能源技術(shù)有限公司，上海 201206）

0 引言

由于純電動汽車具有巨大的節(jié)能減排和石油替代潛力，它已經(jīng)成為當前國際汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的必然選擇[1]，傳統(tǒng)燃油車在為人們提供便捷出行的同時，也消耗了大量的石油資源并造成了巨大的環(huán)境污染[2]，據(jù)統(tǒng)計，汽車尾氣作為大氣污染的主要來源之一，其排放量在大氣污染中的占比高達70%[3]。因此，在能源和環(huán)境的雙重壓力下，開發(fā)新能源汽車、從而減少汽車的碳排放已經(jīng)成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域及政府探索的焦點[4]。

目前，一些學(xué)者主要針對整車空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，這對于駕駛安全性、乘客舒適性具有重要意義[5-8]。而動力蓄電池組作為純電動汽車主要的能量儲存裝置，雖然很大程度上解決了傳統(tǒng)燃油車帶來的環(huán)境污染問題，但也帶來了一些問題，在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平下，電動汽車蓄電池的能量儲備有限，續(xù)航里程短是制約電動汽車發(fā)展的一個瓶頸。在冬季采暖時，開啟不同的空調(diào)風(fēng)門，電動汽車的續(xù)航里程下降40%～60%[9-10]，這給電動汽車帶來了挑戰(zhàn)。其次，電動汽車在冬季行駛中，汽車玻璃表面往往會出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，除霜所需的加熱量也直接影響到電動汽車的續(xù)航里程。為此，要想設(shè)計一個合理的汽車空調(diào)系統(tǒng)，需要精確地計算電動汽車的冬季熱負荷，這對于純電動汽車進行熱力計算與系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化非常重要。

本文采用穩(wěn)態(tài)傳熱法對某款純電動汽車冬季穩(wěn)態(tài)負荷進行了設(shè)計計算，考慮到車體外表面的輻射換熱，得到了圍護結(jié)構(gòu)壁面和玻璃外表面的溫度，基于車體圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，構(gòu)建了完整的整車熱負荷模型。

1 電動汽車乘員艙負荷構(gòu)成

傳統(tǒng)燃油車的負荷計算方法計算比較精確，可以推廣適用于純電動汽車計算負荷。在夏季，由于車外溫度高于車內(nèi)，有大量的熱量通過車身結(jié)構(gòu)進入車內(nèi)，而在冬季，由于車外溫度比車內(nèi)溫度要低，車內(nèi)有大量的熱量通過車身結(jié)構(gòu)散到車外。傳統(tǒng)的負荷計算方法主要包括車體圍護結(jié)構(gòu)的總負荷、通過門窗玻璃傳入的熱量、新風(fēng)熱負荷、駕駛乘員熱負荷、其他電器設(shè)備散熱及車內(nèi)零件散熱等構(gòu)成。這些熱量之和構(gòu)成了車身熱負荷。

車身負荷熱平衡方程式為：

式中，Qe為車身總熱負荷，W；QB為車身壁面?zhèn)魅氲臒嶝摵桑琖；QG為車身玻璃傳入的熱負荷，W；QV為新風(fēng)熱量，W；QP為人體熱量，W；QM為用電設(shè)備散熱量，W；QBi為車內(nèi)零件吸熱量，W；QE為動力裝置發(fā)熱量，W。

其中，通過太陽輻射進入乘員艙室內(nèi)的熱負荷是汽車空調(diào)的主要負荷，夏季時車體表面由于太陽輻射所吸收的熱量可占汽車夏季總負荷的30%以上，而在冬季的時候太陽輻射也會減少車體的冬季采暖熱負荷；車身壁面?zhèn)魅氲臒嶝摵刹还茉谙募具€是冬季，這部分熱量占汽車總負荷的20%以上；而在車輛行駛時，門窗玻璃的縫隙既是車內(nèi)排風(fēng)的途徑，又同時為汽車空調(diào)補充了新風(fēng)，其次，出于安全考慮，為了補充乘員艙內(nèi)的乘員呼吸所需的氧氣和排出二氧化碳及有害氣體，需要向乘員艙內(nèi)補足一定量的新風(fēng)。這部分負荷在冬季時表現(xiàn)的比較明顯?？紤]到汽車開始啟動時的瞬態(tài)熱慣性負荷，需考慮修正系數(shù)K的影響，一般該修正系數(shù)取值為1.05～1.15[11]。此時冬季計算總熱負荷應(yīng)乘以修正系數(shù)1.2[12]。

由于冬季的太陽高度角遠小于夏季的太陽高度角，地面所吸收的太陽輻射相對較小，再加上設(shè)計的最大負荷值能夠保證汽車在最惡劣的情況下運行，故本文在冬季時沒有考慮太陽輻射對汽車負荷的影響。

2 計算模型及參數(shù)確定

2.1 車身內(nèi)外參數(shù)的選擇

在計算汽車乘員艙負荷時，首先要確定車身內(nèi)外參數(shù)，同時涉及到大量的公式。根據(jù)我國車內(nèi)空調(diào)設(shè)計參數(shù)的選擇的要求，夏季人體感到舒適的溫度范圍為24～26 ℃，由舒適轉(zhuǎn)為不舒適的分界線為28 ℃左右，而冬季，16～25 ℃是人體感到舒適的溫度范圍[13-14]。表1所示為計算冬季負荷的車身室內(nèi)外的相關(guān)參數(shù)，表2所示為待測車輛的車體的部分參數(shù)。

表1 車身室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計參數(shù)[13]

表2 待測車輛的車體的部分參數(shù)

2.2 傳統(tǒng)負荷計算方法

傳統(tǒng)的負荷計算方法主要包括車體圍護結(jié)構(gòu)的總負荷、通過門窗玻璃傳入的熱量、新風(fēng)熱負荷、駕駛乘員熱負荷、其他電器設(shè)備散熱、動力裝置發(fā)熱量及車內(nèi)零件散熱等構(gòu)成。其計算過程如表3所示[13-14]。圍護結(jié)構(gòu)熱負荷QB由頂面、側(cè)面、前面、后面、地面和門面6個部分組成。

表3的負荷計算中，用電設(shè)備散熱QM為44 W，動力裝置發(fā)熱量QE為300 W。KB為車體圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；V為每人每小時所需要的換氣量，m3/h，視新風(fēng)門的開啟程度不同，本文中取值為11～40；ρ為空氣密度，kg/m3；hout為室外空氣焓值，kJ/kg；hin為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg；N為乘員艙內(nèi)駕駛?cè)藛T；αBi為車內(nèi)零件熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；tBi為車內(nèi)零件表面溫度，℃。

表3 純電動汽車冬季穩(wěn)態(tài)負荷計算

2.3 車身壁面及玻璃模型

為了研究車身熱負荷，需要清楚圍護結(jié)構(gòu)表面的傳熱過程和機理，并建立車身壁面及玻璃的模型，如圖1所示。文獻[15]中考慮的是有太陽輻射時的圍護結(jié)構(gòu)熱平衡，沒有對冬季惡劣條件下（即不考慮太陽輻射）圍護結(jié)構(gòu)的熱平衡進行分析，建立能量守恒方程。本文為了得到在冬季最惡劣條件下圍護結(jié)構(gòu)表面溫度，尤其是玻璃表面，針對其表面結(jié)霜情況計算出冬季所需的表面除霜量，有利于純電動汽車精確地設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)的各大部件，延長純電動汽車在冬季的續(xù)航里程。

圖1 車身壁面及玻璃模型

考慮假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境進行換熱的時間足夠長，那么圍護結(jié)構(gòu)處于熱平衡狀態(tài)，圖2所示為圍護結(jié)構(gòu)的熱平衡。

圖2 車身壁面及玻璃的熱平衡

由圖2可知，列熱平衡方程為：

式中，Ф1為車內(nèi)環(huán)境溫度與圍護結(jié)構(gòu)的對流換熱量，W；Ф2為車內(nèi)環(huán)境溫度與圍護結(jié)構(gòu)的輻射換熱量，W；Ф3為圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱量，由于圍護結(jié)構(gòu)的熱惰性較小，所以蓄熱量可以忽略不計；Ф4為車外環(huán)境溫度與圍護結(jié)構(gòu)的對流換熱量，W；Ф5為車外環(huán)境溫度與圍護結(jié)構(gòu)的輻射換熱量，W。

式中，hin為車內(nèi)表面對流換表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·K)；tB為車內(nèi)環(huán)境溫度，℃；tw為壁面溫度，℃。

式中，Co為黑體表面輻射系數(shù)；ε為圍護結(jié)構(gòu)壁面的吸收系數(shù)；A為圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2；TB為車內(nèi)環(huán)境絕對溫度，K；Tw為壁面絕對溫度，K。

式中，hout為車外表面與冷空氣的對流換熱系數(shù)，W/(m·K)；tH為車外環(huán)境溫度，℃。

式中，TH為車外環(huán)境絕對溫度，K。

在怠速工況下，車體外表面與環(huán)境之間屬于自然對流。為了了解怠速工況下車體表面的溫度，根據(jù)熱平衡關(guān)系式采用工程方程求解器（Engineering Equation Solver，EES）編制程序的方法來求解圍護結(jié)構(gòu)處于熱平衡時的壁面溫度。表4所示為通過程序計算后的車體表面溫度。

表4 通過程序計算后的車體表面溫度

2.4 除霜負荷的計算

純電動汽車在冬季環(huán)境溫度較低的情況下，車輛風(fēng)窗玻璃內(nèi)外表面溫度也較低，此時車窗外表面會結(jié)霜。由于我國南北方氣候差異較大，汽車玻璃表面除霜所需的熱負荷也差異較大。在南方，冬季汽車玻璃表面結(jié)霜現(xiàn)象較輕，所需要的除霜熱負荷較小，這樣不會對汽車空調(diào)系統(tǒng)造成太大的壓力；而在北方，尤其是在東北地區(qū)，室外環(huán)境溫度相對較低，汽車玻璃表面往往會結(jié)一層厚厚的霜，此時所需的除霜熱負荷相對較大，這樣會對汽車空調(diào)系統(tǒng)造成一定的壓力[16-18]。

冬季環(huán)境溫度較低時，車輛風(fēng)窗玻璃內(nèi)外表面溫度也較低，此時乘客在呼氣和散熱的作用下，空氣的含濕量會慢慢增大。當乘員艙內(nèi)溫度低于空氣的露點溫度時，水蒸氣會凝露在風(fēng)窗玻璃表面。當風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面溫度低于0 ℃時，水蒸氣會在玻璃內(nèi)表面直接凝結(jié)成霜[19-20]，致使駕駛員無法駕駛，也會造成系統(tǒng)性能及供熱量下降[21]。

因此，除霜條件為乘員艙內(nèi)表面溫度要大于空氣的露點溫度。為了提高乘員艙內(nèi)表面溫度，必須要向乘員艙內(nèi)表面進行加熱。設(shè)除霜所需的熱量為Q1，計算公式為：

式中，K為玻璃表面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為車窗表面面積，m2；δ為車窗玻璃的厚度，m；λ為車窗玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

假設(shè)車內(nèi)散熱量為Q2，因此除霜熱負荷Q為：

在除霜過程中，由于受到乘員艙室內(nèi)溫度、車速、風(fēng)向等因素的影響，Q1和Q2都是變化不定的，為了計算方便，可以近似認為Q1=Q2，則：

根據(jù)以上公式計算可得：怠速時除霜熱負荷Q為721.42 W。

3 負荷計算結(jié)果

本文根據(jù)上述的計算步驟，分別計算了車身總熱負荷隨不同車速的變化、車身各部分負荷的占比情況，計算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 環(huán)境溫度為-20 ℃時的熱負荷

圖4 環(huán)境溫度為-20 ℃時各部分負荷占比

由圖3可知，隨空調(diào)選取的新風(fēng)模式不同，冬季熱負荷的變化范圍為3 888～8 704 W，隨著車速的增加，冬季熱負荷逐漸增加。車體剛啟動后車身熱負荷增加快，隨著車身速度的不斷增加，車身熱負荷增加幅度較小，最后趨于穩(wěn)定。這是因為車體啟動后，由怠速時的自然對流轉(zhuǎn)變?yōu)閺娭茖α?，其外表面對流換熱系數(shù)相比怠速時自然對流換熱系數(shù)要大很多，表面溫度下降速率快，車內(nèi)外表面溫差增大，冬季總的負荷就逐漸增大，且速度增大后，外表面對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，表面溫度下降，車內(nèi)外表面溫差增大，總的負荷就逐漸增大。

以車身速度40 km/h為例，由圖4可知，當環(huán)境溫度為-20 ℃時，新風(fēng)熱負荷（57.99%）占比最大，其次是車體圍護結(jié)構(gòu)熱負荷，這兩部分占冬季總負荷90%左右，當車身速度由0增加到150 km/h時，新風(fēng)負荷在總采暖負荷的占比為57.4%～66.5%。這是因為一方面冬季出于安全考慮，為了補充乘員艙內(nèi)的乘員呼吸所需的氧氣和排出二氧化碳及有害氣體，需要向乘員艙內(nèi)補足一定量的新風(fēng)；另一方面，由于室外環(huán)境溫度過低，車窗玻璃內(nèi)外表面溫度也較低，此時乘客在呼氣和散熱的作用下，空氣的含濕量會逐漸增加，當車內(nèi)溫度低于空氣露點溫度，就可能在汽車玻璃表面結(jié)霜，影響行駛過程中的安全性，常常需要引入一定量的新風(fēng)用于除霜或除霧。

該款純電動汽車空調(diào)冬季采暖負荷中主要由新風(fēng)負荷構(gòu)成和車體圍護結(jié)構(gòu)組成，新風(fēng)負荷占主要部分，且隨不同車速變化，其占冬季總采暖負荷的57.4%～66.5%，與文獻[10]中隨著不同車速變化、新風(fēng)負荷占比為56.2%～84.8%相符合，符合汽車空調(diào)熱負荷比例標準，因此，該計算結(jié)果是合理的。

4 負荷優(yōu)化分析

空調(diào)負荷計算是空調(diào)設(shè)計的基礎(chǔ)，是進行系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備選擇的最主要依據(jù)，關(guān)系到汽車空調(diào)的效果、系統(tǒng)投資成本和能耗。本文分析了純電動汽車冬季熱負荷的構(gòu)成，純電動汽車的冬季熱負荷主要由新風(fēng)負荷和車體圍護結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成，其中新風(fēng)負荷占主要部分，在計算中發(fā)現(xiàn)通過車體圍護結(jié)構(gòu)的熱量和新風(fēng)負荷之和占整車熱負荷的73.6%。

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召和盡可能降低成本，需要降低這部分熱負荷并提出了以下優(yōu)化方法：1）降低新風(fēng)負荷，冬季盡量減少車門的開啟次數(shù)；將手動風(fēng)門開關(guān)改為電動風(fēng)門開關(guān)；嚴格控制工廠車門密封間隙，增加B柱密封條，從而保證密封效果；檢查裝配工藝，保證前壁板隔聲墊與空調(diào)循環(huán)進風(fēng)口貼合較好；2）降低通過圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷，選擇優(yōu)良、導(dǎo)熱系數(shù)越小的材質(zhì)，隔熱層越厚，隔熱效果越好；減少車身骨架與內(nèi)外蒙皮間的接觸面積并在外蒙皮內(nèi)壁上涂上隔熱膠；3）降低通過玻璃車門的熱負荷，一般通過改善玻璃材料、厚度和光學(xué)性能來減少玻璃對太陽輻射的直接透射率和吸收率。還可以適當加厚玻璃，這對于夏季來說非常有利，而冬季，玻璃厚度增加后，除霜比較困難，因此，冬季可以采用在玻璃表面鍍一層電加熱膜用于除霜，同時采用熱泵供暖結(jié)合熱敏電阻加熱方式對乘員艙內(nèi)進行供暖。

5 結(jié)論

本文對純電動汽車冬季熱負荷進行了計算，建立圍護結(jié)構(gòu)熱平衡方程，利用EES編寫計算程序計算出圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后圍護結(jié)構(gòu)表面溫度，計算了冬季所需除霜熱負荷和整車熱負荷，得出如下結(jié)論：

1）基于車體結(jié)構(gòu)傳熱機理，建立了車體圍護結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定后的熱平衡方程分析，利用EES編寫計算程序計算出圍護結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定后的圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度，進而計算出冬季擋風(fēng)玻璃表面的除霜熱負荷大小；

2）純電動汽車冬季熱負荷主要由新風(fēng)負荷和通過車身壁面圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷構(gòu)成，其中新風(fēng)負荷占主要部分，隨新風(fēng)門開啟程度的不同，其冬季熱負荷的變化范圍為3 888～8 704 W，其新風(fēng)負荷約占總負荷的57.4%～66.5%；

3）針對構(gòu)成冬季熱負荷的主要部分進行了優(yōu)化分析，從新風(fēng)負荷、車體圍護結(jié)構(gòu)的熱負荷和車窗玻璃的熱負荷角度出發(fā)，提出了優(yōu)化措施，為純電動汽車空調(diào)精確的設(shè)計和優(yōu)化指明了方向，減少了能源的浪費，提高了純電動汽車的續(xù)航里程。