電熱前擋風玻璃在電動車中的節能運用

葛如煒 鄭國勝

（泛亞汽車技術中心有限公司）

目前純電動車的續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。整車節能以及提高乘客舒適性與續駛里程成為較長時期內研究的方向。汽車除霜是安全法規要求的內容之一，采用傳統熱風除霜會消耗近一半的動力電池能量。如采用電熱前擋風玻璃，用局部加熱除霜替代空調系統加熱除霜，將獲得較好的節能效果。為此文章運用Fluent軟件模擬計算與實車環境模擬風洞驗證試驗相結合的方法，對除霜典型加熱工況等進行除霜性能和節能研究。

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。由于不同于傳統內燃機汽車可以利用發動機冷卻余熱這一熱源，目前純電動車一般采用電轉熱的方式來解決熱源問題。

1.1 液氣側電加熱器方式

在空調加熱與除霜除霧設計中有2種方式，如圖1所示。一是在傳統空調加熱系統中，將電加熱器布置在冷卻液側，串聯在加熱系統回路中。通過電加熱器加熱冷卻液，冷卻液再流經傳統的加熱器芯體，經過加熱器芯體與空氣換熱，最終通過空調鼓風機將熱氣送入乘客艙，達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的空調箱中，并替換傳統的加熱器芯體，通過電加熱器直接加熱空氣，空氣被空調鼓風機推動帶出乘客艙，達到加熱與除霜除霧的目的，如圖1b所示。

1.2 電熱前擋風玻璃方式

以一種直接加熱替代間接加熱獲得前擋風玻璃快速與高效除霜除霧的新技術已經得到了產品化應用。即在傳統玻璃中夾入電導熱絲，通電后導熱絲發熱，融化凝結在玻璃上的冰霜，電導熱絲布置示意圖，如圖2所示。它的應用也為純電動車前擋風玻璃除霜除霧提供了節能應用的可能。

2 電熱前擋風玻璃節能應用效果分析

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

2.1 FMVSS103工況下除霜性能和節能效果比較

2.1.1 液側電加熱器

基于純電動車液側電加熱器加熱機理，為了滿足FMVSS103工況下除霜要求[3]，應用Fluent軟件進行模擬計算預測其除霜性能效果，如圖3所示[4]。得出液側電加熱器的消耗功率要達到5 kW，冷卻液流量20 L/min，空調箱提供的風量77 L/s等參數。

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完成可視區的除霜，與CFD模擬計算效果相一致。試驗測得空調系統主要用電器消耗功率：電加熱器5 kW，電動水泵50W，空調鼓風機158W，期間總電能消耗接近1.736 kW·h。

2.1.2 電熱前擋風玻璃

以某純電動轎車采用電熱前擋風玻璃為例，前擋風玻璃厚度5mm，玻璃總加熱面積1.04m2，按照電導熱絲功率密度的設計要求（600W/m2）計算，該車前擋風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達到效果優于液側加熱20min的除霜效果。期間電能消耗接近0.156 kW·h，幾乎只是液側加熱能量消耗的9%。

2.2 低溫工況下功率消耗趨勢和節能效果比較

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

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

表1 前擋風玻璃功率消耗與節能效果比較

3 結論

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

電熱前擋風玻璃對純電動車空調加熱性能影響很大，特別是在前擋風玻璃除霜工況下，它的應用將大幅度減少電能消耗，增加電動車的續駛里程。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，電熱前擋風玻璃的功能和節能優勢也將逐漸退去。文章為電熱前擋風玻璃后續應用工作提供了一種研究方法和方向。