電動汽車冬季負荷特性研究

張子琦 李萬勇 張成全 施駿業 陳江平（上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

電動汽車冬季負荷特性研究

張子琦 李萬勇 張成全 施駿業 陳江平
（上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

純電動汽車在冬季運行時，其采暖負荷將造成續航里程嚴重縮短。因此，確定電動汽車空調在冬季時的負荷特性對于指導設計和控制尤為重要。對此本文使用熱平衡法對電動汽車穩態負荷特性進行了實驗研究，結果發現:冬季采暖負荷主要由新風負荷與車體圍護結構導熱負荷構成，其中新風負荷占主要部分，該負荷隨車速、及鼓風機風量的增加而增加。在-20℃環境中，隨車速及鼓風機檔位變化，新風負荷占比為56.2%～84.8%。基于此，進一步分析計算了冬季采暖負荷及制熱效率對于純電動汽車的里程影響:NEDC工況下，冬季使用PTC取暖將會使得續航里程下降20.1%～56.4%，而使用熱泵將顯著延長續航里程，當熱泵效率為1.7時，可延長里程7.4%～13.2%。

熱負荷；熱泵；電動汽車；續航里程

傳統燃油車在為人民生產生活提供極大便利的同時也造成了巨大的能源消耗［1］和環境污染。據統計［2］，在重污染時段，空氣中PM2.5的40%來源于汽車尾氣排放。隨著節能減排和環保壓力的不斷加大，近幾年來，電動汽車在全球范圍內取得了長足的發展［3］。

受制于電池技術的瓶頸，電動汽車的續航里程仍然不能使人滿意，這一點在冬季體現的尤為明顯［4］。汽車空調作為保障成員舒適性及安全駕駛的必要設備，目前已經得到廣泛的普及。作為汽車中能耗最大的輔助設備，空調的開啟會對電動汽車的續航里程造成極大的影響［5］。在不同的測試工況及環境條件下，開啟空調后電動汽車的續航里程最大可下降近40% ～60%［6］，嚴重影響電動汽車的使用。為此，精確測定電動汽車的空調負荷，并以此指導汽車空調的設計和控制就顯得尤為重要。不少學者曾在該方面做出努力［7-10］，但多使用計算流體力學的手段加以仿真，且研究對象多為夏季熱負荷，對冷負荷的實驗研究以及冬季冷負荷對續航里程的影響探究則幾乎沒有。

本文使用熱平衡法對電動汽車空調冬季的穩態負荷進行了研究。文章分為三部分:第一部分分析了冬季電動汽車空調的負荷構成，提出負荷的測定方法及原理；第二部分選取了某一品牌的純電動汽車作為測試對象，對負荷各組成部分進行實驗測試，并擬合負荷與其影響條件的數學關系；第三部分分析了在不同冬季環境條件和NEDC測試工況下，電動汽車空調負荷對其續航里程的影響。

1　電動汽車冬季負荷特性

在傳統燃油汽車中，汽車空調的負荷主要由以下部分構成［11］:新風負荷、太陽輻射熱負荷、車體圍護結構導熱負荷、發動機艙傳熱及由人體散熱、車內電子器件散熱等構成的其他負荷，如圖1所示。其中，占主要部分的為新風負荷、太陽輻射熱負荷和車體圍護結構熱負荷，這三種負荷占夏季總負荷的90%以上。對于冬季行駛的純電動汽車，其冷負荷主要由車體導熱負荷和新風負荷構成。下文將分別介紹這兩種負荷的測試方法。

圖1　汽車空調主要熱負荷構成Fig.1 Sketch of vehicle heat load

1.1車體圍護結構導熱負荷測定原理

在汽車空調運行時，車內外會維持一定的溫差。由此，熱量會在車內外通過圍護結構傳遞，從而給空調造成一部分的負荷。汽車圍護結構通常由多層構成，每層性質各不相同，且幾何結構非常復雜，使得計算車體導熱結構的難度非常大。然而，對于熱負荷計算而言，關注更多的是維持車內外一定溫差時所需的熱量，因此可測定整個車體圍護結構的綜合傳熱系數，以便計算維持一定溫差時所需的熱量。根據傳熱學已知:

式中:Qcond為車體圍護結構漏熱量，W；A為車體外表面積，m2；ΔT為車內外溫差，K。

若將汽車車身整個當做一個整體，則車內環境、車體、大氣環境之間發生的傳熱系數可用綜合傳熱系數K表示。當車內環境固定時，該傳熱系數的大小將隨車速變化，即:

式中:k為車體對流換熱系數，W/（m2·K）；v為車速，km/h。

對于確定的車型，其表面積已經固定。因此，式（2）可化為:

即:

式中:Q為車體圍護結構導熱負荷，W；K為導熱系數，W/K；ΔT為圍護結構兩側溫差，K。

對于確定的車型，若在實驗中給定車體內部的熱源發熱量，并測定車內外的平均溫差，即可計算出車體綜合傳熱系數K，由此可反推不同工況下維持車內外固定溫差所需要的熱量Q。

1.2新風負荷測定原理

新風負荷是構成車輛冷熱負荷的主要部分之一。在車輛行駛時，在車速和HVAC內鼓風機的作用下，車體內外會出現壓差。由于車體縫隙和限壓閥的存在，在壓差的作用下會導致車內的空氣泄漏至車外，帶走一部分的熱量，造成一部分負荷。此外，為出于駕駛安全考慮，車內的二氧化碳及有害氣體濃度不可高于一定值，這就要求汽車空調在運行時必須保證一定的新風量。易知:

式中:Qf，air為新風負荷，W；m為車體新風質量，kg/s；ΔH為車體內外側空氣焓差，J/kg。

而車體的新風量將隨車內外壓差變化而變化，即:

式中:m為車體新風質量，kg/s；Δp為車內外的壓差，Pa。

因此，若測定不同車內外風速及空調工作狀態下的車內外壓差，再使用風量測量裝置測定不同壓差下的風量，即可測得不同工況下車體的新風量。

1.3輻射負荷、電池散熱及其他

太陽輻射是汽車空調的主要負荷之一，夏季車體由于太陽輻射所獲得的熱量可占總負荷的30%以上；冬季的太陽輻射將降低車體取暖負荷。本文中，為保證負荷的設計值可以滿足最惡劣條件下的需求，故沒有考慮太陽輻射的計算。

電池散熱也是電動汽車熱負荷中應當考慮的因素之一。為保證電池的正常工作，電池包的溫度應控制在一定范圍之內［12］。該溫度范圍隨電池的類型及工藝不同而略有區別，但總體溫度范圍在30～40℃［13］，與車廂內部溫度相差較??；且車體地板通常覆蓋有共聚物材料的地氈［14］，導熱性能較差。為簡化負荷模型，本文將忽略電池散熱通過地板傳入車體內的熱量。

2　各負荷實驗測試及分析

2.1實驗系統介紹

實驗選取的待測車型為中國某國產品牌純電動汽車，其基本參數如表1所示。

表1　被測車輛基本參數Tab.1 Basic parameters of tested vehicle

熱負荷實驗在風洞中進行，實驗臺示意圖如圖2所示。待測車輛放置于環模之中，實驗所需的環境側條件由風洞提供。車內共布置12個溫度測點，車內平均溫度由溫度測點的算術平均值求得。車內共布置2個壓力測點，車外左右各布置一個壓力測點，車內外壓差由內外壓力測點的平均值之差確定。各個測量參數及精度如表2所示。根據Moffat R J［15］提出的不確定度計算方法，可得各個參數的不確定度，如表3所示。

圖2　溫度、壓力測點分布示意圖Fig.2 Sketch of tem perature and pressure measurement points

表2　被測參數測試精度及范圍Tab.2 Measure parameters and accuracy

表3　被測參數不確定度Tab.3 Uncertainty ofmeasurements

2.2車體圍護結構導熱負荷實驗

實驗中車體內部溫度測量點按前文所述進行設置。實驗開始時，將所有車窗、車門關閉，并將空調模式調整至內循環。電加熱置于前后排座位之上，開啟空調鼓風機，并將HVAC模式調整為吹面模式，使得車內溫度的不均勻度盡可能降低。待各個溫度測點的測量值穩定后，記錄電加熱功率，并對圍護結構綜合導熱系數進行計算。圍護結構導熱實驗的測試工況如表4所示。

表4　測試工況Tab.4 Test conditions

圖3　不同測試工況下的車內均溫Fig.3 Average cabin tem perature under different test conditions

實驗中車內平均溫度的變化如圖3所示。從圖中可以看出，在不同的環境風速下，前排平均溫度低于后排平均溫度。原因在于車窗作為車體圍護結構導熱的主要途徑，前窗的面積要遠大于后窗，且車內氣流分布使得前排電加熱的熱量更容易被帶到后排。對比不同車速下的車內平均溫度可以看出，隨著車速的上升，車體圍護結構的綜合導熱系數成上升趨勢。表5中列出了不同測試工況下的車體圍護結構綜合導熱系數的計算結果。

表5　車身導熱系數測試結果Tab.5 Result of overall heat conduction rate

2.3新風負荷實驗

實驗中的壓力測點按照前文所述布置。實驗時，調整空調模式為全新風模式，并按照實驗需求調整鼓風機的檔位。實驗中測試工況及內外壓差如圖4所示。

圖4　不同工況下車內外壓差Fig.4 Pressure difference under different testing conditions

由圖可知，在新風模式下，車內外壓差隨車速的上升而上升，鼓風機的啟停對于壓差的大小有很大的影響。當鼓風機處于最大檔時，車內外壓差在50～75 Pa之間變動，而鼓風機關閉時，則為7.5～22 Pa。對結果進行擬合，有:

鼓風機最小檔時:

鼓風機最大檔時:

車內外壓差與車速成近似線性的關系。

依據上個實驗中測得的不同車速和空調狀態下的車內外壓差值進行新風量的測定。實驗時將所有車門關閉，新風風門關閉，鼓風機也處于關閉狀態。使用風量臺還原測得的壓差值，同時進行一定的差值，以獲得更為準確的曲線。

由流體力學可知，流體流經狹縫時，其流量和壓差的0.5次方成正比:

式中:QV為流體的體積流量，m3/h；Δp為狹縫兩側的壓差，Pa；K′為修正系數；C為常數。

對實驗結果進行整理，可得到新風量和內外壓差之間的關系如圖5所示。

圖5　車體新風量與車身內外壓差關系Fig.5 Relation between pressure difference and fresh air volume

因此，車內外新風量和壓差的對應關系式為:

由式（10）可以看出，該直線在縱軸上的截距為負值。這是由于車體的圍護結構本身具有一定密封性，車內外需具有一定的壓差才能構成空氣泄漏。由此，即可計算不同工況下由新風造成的負荷。盡管在實驗中僅測試了30～90 km下車內外壓差與車速的關系，但根據Knibbs L D等［16］的工作可知，同一種空調狀態下車內新風量與車速成線性關系，因此可以將結果外推到0～120 km/h。

3　電動汽車負荷分析及其對續航里程的影響

3.1電動汽車負荷計算

3.1.1車體圍護結構導熱部分

在上文的工作中，測定了不同車速下的車體圍護結構綜合傳熱系數。從測試結果可知，對于不同的車速，車體圍護結構導熱綜合傳熱系數變化非常?。ㄜ囁購?0 km/h變化到90 km/h時僅增加9%），且由于車體圍護結構導熱在整體熱負荷中所占比例較小，因此出于簡化計算考慮，不同車速下車體圍護結構導熱綜合傳熱系數取為30 km/h和90 km/h下的平均值，即:

3.1.2新風負荷

由上文的工作可知，對于不同工況下車內外的壓差與車速成線性關系。在鼓風機最小檔時參見式（7），鼓風機最大檔時參見式（8），車體新風量與車內外壓差的關系如式（10）所示。

因此，新風負荷可轉化為車速v的函數式。車速和時間之間存在對應關系，因此:

3.2電動汽車冬季熱負荷計算

至此，可建立電動汽車冷負荷與車速的關系。當車內溫度維持恒定時，車體內部結構（如內飾、座椅等）將與空氣達到熱平衡，因此車身熱容所造成的負荷不在計算范圍之內。綜合前文結論，可知:

上文分別實驗測定了汽車空調的主要熱負荷，并根據實驗數據擬合了各項熱負荷隨其控制參數的表達式。根據表達式，可以計算不同環境因素下汽車空調熱負荷對于汽車里程數的影響。

以NEDC循環工況為例，車速和時間之間存在對應關系。由此可得:

圖6　NEDC測試工況車速-時間關系圖Fig.6 v-t relationship of NEDC

對一個NEDC循環中的熱負荷耗功進行計算，即可對空調耗功對里程的影響進行評估。計算工況見表6。

表6　冬季冷負荷計算條件Tab.6 Calculation conditions of w inter

根據計算，即可得到冬季不同風速下的電動汽車冷/熱負荷及其構成。冬季工況見表7。

由計算結果可以看出，冬季冷負荷中最主要的部分是新風負荷。隨車速及新風風門的變化，電動汽車冬季冷負荷的變化范圍為2 974～8 577W，其中新風負荷所占比例為56.2%～84.8%?？紤]到外界環境溫度較低時，車窗表面溫度常常低于車內空氣的露點溫度，因此車窗時常出現凝霧。在傳統燃油車和使用PTC加熱的純電動汽車中，車窗除霧常使用引入大量新風降低車內空氣濕度的方式，此舉會造成大量的新風負荷，使得車輛續航里程縮短。因此，使用熱泵取暖時，除其制熱COP明顯高于PTC加熱取暖方式之外，三換熱器系統還可具有內氣循環除霧的功能，可以大大降低新風負荷（降低至僅有車身圍護結構導熱負荷，1 302W）。這也是采用熱泵系統取暖的優勢所在。

表7　冬季負荷計算結果Tab.7 Heating load of w inter

3.3負荷對續航里程影響及熱泵的節能效果

據前文推導，可以計算冬季冷負荷對續航里程的影響。計算的環境條件如表6所示，取PTC的電加熱效率為1，熱泵取暖的效率取為1.7，計算采用NEDC循環工況（圖6）。計算結果如表8所示。

表8　空調風門狀態與NEDC里程Tab.8 Relative range under different AC conditions

由計算結果可以看出，純電動汽車開啟空調后將會對續航里程造成非常明顯的影響。冬季工況取暖時，電動汽車的續航里程將會下降20.1%～56.4%，嚴重影響車輛使用。而使用熱泵后，由于能量消耗減少，續航里程將會有所延長，延長范圍為7.4% ～13.2%，且隨熱負荷的增加，其延長里程的效果也更好。

4　結論

本文分析了純電動汽車冬季冷負荷的構成，提供了一種實驗測定冬季冷負荷的方法，擬合了不同負荷與車速、太陽輻射之間的數學關系式，并分析了不同工況下各個負荷的相對大小及其對純電動汽車續航里程的影響。根據實驗及計算，可以得到如下結論:

1）對于純電動汽車，冬季負荷由新風負荷和車體圍護結構導熱負荷構成，新風負荷同樣占主要部分；冷負荷將隨環境條件及空調狀態的變化而改變，隨空調選取的新風模式不同，冷負荷的變化范圍為2 974～8 577 W，新風負荷占負荷總量的56.2% ～84.8%。

2）NEDC工況下，冬季取暖將會對車輛續航里程造成明顯影響。在不同的空調風門和鼓風機狀態下，冬季使用 PTC取暖將會使得續航里程下降20.1%～56.4%。

3）使用熱泵將明顯增加電動車的續航里程。增加的效果將隨熱泵COP的上升而增加，當COP為1.7時，上升范圍為7.4%～13.2%。

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Chen Jiangping，male，Ph.D.，professor，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206775，E-mail:jpchen70@aliyun.com.Research fields:CO2trans-critical cycle，aerodynamic noise，mobile air conditioning system，mobile thermalmanagement.

A Study on Heat Load Character of EV in Cold Climate

Zhang Ziqi LiWanyong Zhang Chengquan Shi Junye Chen Jiangping
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

Due to heating demands，the range of Electric Vehicles（EVs）will significantly decreasewhen used in cold climate.A study on character of EV heating load is present in this paper，and a new experimentalmethod of heating load evaluation is provided.The heating load of EV was experimentally evaluated and modeled.The ventilation load is responsible formostof the heating load.Under-20℃the ventilation load accounts for56.2%-84.4%of total load，which is changed with vehicle velocity and blower level.Then the effectof heating load on EV NEDC rangewas calculated.It can be concluded that the PTC heaterwill cause a 20.1%-56.4%decrease in NEDC range，while using heat pump tomeet the requirement of heating will greatly improve the NEDC range.A 7.4%-13.2%extension can be achieved with a heat pump COP of1.7.

heat load；heat pump；electric vehicle；range

About the

TB657.5；U469.72

A

0253-4339（2016）05-0039-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.039

2015年11月22日

簡介

陳江平，男，博士，教授，上海交通大學機械與動力工程學院，（021）34206775，E-mail:jpchen70@aliyun.com。研究方向:二氧化碳跨臨界循環、氣動噪聲、車用換熱器、車輛熱管理等。