電動汽車組合式采暖系統的低溫試驗研究*

王雅純，牟連嵩，鄭清平，黎蘇，焦鵬飛

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電動汽車組合式采暖系統的低溫試驗研究*

王雅純1，牟連嵩2，鄭清平1，黎蘇1，焦鵬飛2

（1.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

文章針對純電動汽車普通熱泵空調系統在低溫環境下系統性能衰減嚴重，甚至停止工作等問題，提出了一種PTC輔助加熱的低溫熱泵空調系統，運用KULI軟件對其采暖工況進行一維仿真模擬，并將其應用于純電動汽車空調系統，放置在整車環境模擬試驗室中，進行環境溫度為-20℃、-10℃和-5℃的采暖性能試驗。從試驗結果可以看出此組合式采暖系統可以實現在低溫環境下的采暖需求。并為實現熱泵空調系統在整車中的量產應用奠定了基礎。

純電動汽車；熱泵空調系統；采暖性能；仿真模擬；試驗

前言

空調系統不但可以為駕駛員提供健康舒適的乘車環境；而且還能保證駕駛員的安全出行。與傳統的燃油汽車空調相比，純電動汽車空調沒有發動機余熱可以利用，所以冬季制熱問題成為純電動汽車空調系統的關鍵。目前國內外的電動空調制熱方案主要可以歸納為PTC電加熱、熱電制冷/制熱、熱泵空調系統等[1-4]。其中熱泵空調系統以高效節能的特點，成為電動汽車空調系統研發的主攻方向和亟待解決的關鍵技術。

如今，各大汽車生產商也紛紛研究并生產了熱泵空調系統的新能源汽車。Nippondenso 公司研發了以 R134a為制冷劑的電動汽車熱泵空調系統[5]，其感知溫度為-10℃～40℃。2013款的雷諾Zoe純電動汽車所使用的來自日本電裝Denso的熱泵空調系統，也被用在了2013年以后的日產LEAF上。本田EV電動汽車安裝了熱泵式冷暖自動恒溫空調系統[6]。寶馬i3純電動汽車也采用了熱泵空調系統[7]，其有制冷、加熱、混合三種工作模式，感知溫度范圍是-10℃～40℃。豐田公司推出的2012款新能源汽車普銳斯安裝了熱泵空調系統[8]，其感知溫度為-5℃～35℃。

目前，純電動汽車采暖普遍使用PTC電加熱。 PTC電加熱不受環境溫度的影響，即使在零下20多度的寒冷環境中也可以穩定工作，但是其會使電池續航里程減少18~30%，且節能效果極差。而熱泵空調系統COP（能效比）在1～3之間，節能效果極佳。但是其在低溫環境下系統性能衰減嚴重，融霜效率低，甚至停止工作[9]。綜合考慮節能與低溫環境因素的影響，本文提出了一種PTC（液體加熱器）輔助加熱的低溫熱泵空調系統。在環境溫度為-5℃以上時，熱泵空調系統單獨工作，以達到節能的效果；-5℃～-15℃時，熱泵空調系統與PTC電加熱共同工作；-15℃以下時，PTC電加熱單獨工作，以滿足低溫環境下采暖的需求。

1 組合式采暖系統理論分析

1.1 熱泵系統制熱理論計算

熱泵系統制熱量：

式中，m為質量流量，q為單位冷凝熱量。

壓縮過程作功：

式中，A0為單位壓縮功。

空調制熱時，制熱能效比COP (Coefficient Of Perfor -mance)是衡量空調性能的重要參數之一。COP為在制熱模式下，熱泵空調系統的制熱量與壓縮機輸入功率的比值。

式中，mk，ηm分別為流量，熱泵循環效率。

1.2 整車熱泵系統空調負荷計算

式中，Q，Q，Q，Q，Q，Q分別為整車熱負荷，車身頂部熱負荷，車窗玻璃熱負荷，車身裙部熱負荷，車室地板熱負荷，冷空氣滲透熱負荷；為熱泵系統測試功耗。

2 組合式采暖系統的一維仿真模型

本文根據組合式采暖系統的制熱循環，運用KULI軟件對其進行一維仿真模擬。設定乘員艙采暖循環水流量10L/ min；考慮風道的熱量損失大約為5.2℃；室外蒸發器的過熱度設定為1℃；熱泵換熱器的過冷度設定為10℃；熱泵系統工作時壓縮機工作轉速設定6000rpm。-20℃時，PTC電加熱單獨工作，其功率為7.5kw；-10℃時，熱泵空調系統與PTC電加熱共同工作，此時PTC加熱功率為2kw；-5℃時，熱泵空調系統單獨工作。以-10℃為例，給出其一維仿真模擬模型如圖2所示。

1,4水路側 2，6 PTC電加熱 3,7質點質量 5,11室外換熱器 8 暖風芯體 9冷媒管路 10電動壓縮機 12膨脹閥 13 蒸發器 14,15特征曲線 16空氣熱流量源 17,18質量流量目標 17,20 環境溫度 21乘員艙 22-35連接管路

模型中回路3為冷媒側的循環，低溫低壓氣態制冷劑被吸入10電動壓縮機，電動壓縮機把高溫高壓的氣態制冷劑泵入11冷凝器后，將高溫、高壓的液態制冷劑經過12膨脹閥的節流降壓后變成低溫低壓的液態制冷劑，然后流入13蒸發器，將液態制冷劑汽化為低溫低壓的氣態制冷劑，最后被吸入10電動壓縮機，從而完成循環。模型中5和11為同一冷凝器，回路2中冷凝器散發的熱量會對冷卻水進行加熱，冷卻水流過8暖風芯體，會對乘員艙進行加熱作用。當溫度為-5℃以下時，6 PTC電加熱器開啟，對冷卻水進行加熱。當溫度為-15℃以下時，5冷凝器會結霜，熱泵停止工作，6PTC電加熱器則單獨工作。模型中21CAB為乘員艙參數，輸入車型具體尺寸信息，則可得到乘員艙內溫度分布情況。

3 電動車組合式采暖系統試驗分析

3.1 試驗裝置及實驗條件

試驗前需對車輛進行試驗前準備工作，包括：測溫點布置、數據采集器的連接與調試等。溫度局部布點如圖3所示。本次采暖試驗在整車環境模擬試驗室開展，環境溫度范圍為-40℃～+60℃,配備四驅底盤測功機進行道路阻力模擬，如圖4所示。試驗時空調狀態為最大采暖模式、吹腳、最大風量，循環模式為外循環，環境溫度為-20℃時，車速為50km/h、110km/h、0km/h的運行時間分別為30min、30min、35min；環境溫度為-10℃時，車速為50km/h，運行時間為35min；環境溫度為-5℃時，車速為50km/h、80km/h、110km/h、0km/h，運行時間均為30min。

圖3 乘員艙內溫度布點局部圖

圖4 整車采暖試驗過程圖

3.2 結果分析

工況一，如圖5所示，前30分鐘的模擬頭部、腳部溫度明顯高于試驗過程中的頭部、腳部溫度，且溫度上升趨勢明顯，而試驗過程溫度曲線上升緩慢；運行30分鐘時，試驗頭部平均溫度為10.7℃，低于模擬頭部平均溫度5.3℃，試驗腳部溫度為17.9℃，低于模擬腳部平均溫度2.9℃，此時試驗溫度已達到采暖需求。隨著試驗的運行，試驗頭部、腳部平均溫度越來越接近于模擬頭部、腳部的平均溫度，且其溫度差不超過5℃。

工況二，如圖6所示，熱泵空調系統與PTC電加熱共同工作時，一直以2kw的PTC持續輔助加熱，模擬溫度曲線明顯比試驗溫度曲線上升趨勢明顯。試驗過程中由于主駕有司機控制車速，其腳部控制離合及剎車時輕微影響了腳部溫度傳感器，所以造成了腳部曲線的微弱波動，但其影響溫度低于1℃。在試驗進行到近30分鐘時，試驗頭部、腳部平均溫度與模擬頭部、腳部平均溫度已經基本吻合；直到試驗結束時，試驗頭部、腳部平均溫度分別達到17.8℃、21.1℃，已經滿足采暖溫度。

工況三，如圖7所示，運行30分鐘時，試驗頭部、腳部平均溫度分別為11.3℃、16.9℃，此時在已經基本滿足乘員艙采暖需求的同時，PTC電加熱的加熱功率不會太高，以保證車輛的續航里程。試驗結束時，試驗頭部、腳部平均溫度分別為24.1℃、28.5℃，分別比模擬頭部、腳部平均溫度低1.9℃、0.3℃，并已滿足乘員艙采暖溫度需求。

由表1可知，能效比COP為采暖量與功率之比。-20℃時，PTC電加熱單獨工作時，模擬COP均高于試驗值COP，均為0.8左右，；-10℃時，熱泵系統與PTC電加熱共同工作，COP為0.85；-5℃時，熱泵系統單獨運行，模擬COP均高于試驗值COP，COP均為1以上。

圖6 -10℃采暖曲

圖7 -20℃采暖曲線

表1 模擬與試驗數據對比表

Table 1 Comparison table of simulation and test data

綜合以上數據可得，PTC電加熱可以滿足-20℃低溫環境下乘員艙內采暖需求，但其所需功率較大，影響電池續航里程，且其能效比低于1；而熱泵空調系統在-10℃時性能衰減嚴重，不能滿足乘員艙內采暖需求，必須匹配PTC電加熱輔助采暖；當環境溫度在-5℃及以上時，單獨使用熱泵空調系統可以達到采暖需求，且其能效比大于1，因而可以達到節能的效果。

4 結論

本試驗研究的電動車組合式采暖系統，在環境溫度為-10℃、-20℃時，PTC電加熱處于工作狀態，其乘員艙平均溫度分別可達25.15℃、26.3℃，已經滿足冬季采暖溫度需求；在環境溫度為-5℃時，熱泵空調系統單獨工作時的乘員艙平均溫度為17.65℃，已經滿足采暖需求，而且可以達到節能的效果。這不僅對于提高純電動汽車冬季續航里程有重大意義，而且為實現熱泵空調系統在整車中的量產應用奠定了基礎。

[1] Hannan M A, Azidin F A, Mohamed A. Hybrid electric vehicles and their challenges:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014,29:135-150.

[2] Lee D, Cho C, Won J, et al. Performance characteristics of mobile heat pump for a large passenger electric vehicle[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,50(1):660-669.

[3] Yokoyama A, Osaka T, Imanishi Y. Thermal Management System for Electric Vehicles[J]. SAE International Journal of Materials and Manufac, 2011(4):1277-1285.

[4] Klassen V, Leder M, Ho SSfeld J. Air-conditioning in Electric Vehicles[J]. ATZ worldwide e Magazines,2011(2):28-32.

[5] TAKAHISA SUZUKI,KATSUYA ISHIL. Air condition system for electric vehicle[J].Society of Automotive Engineers. 1996(960688): 894.

[6] 劉中歷.電動汽車空調系統設計及風道的設計改進[D].吉林大學, 2014.

[7] 馮永忠,康永祿.寶馬i3純電動車空調熱泵解析[J].汽車維修與保養,2016(08):72-75.

[8] 閆福瓏.純電動乘用車熱泵空調系統設計與性能仿真研究[D].吉林大學,2012.

[9] 梁志豪,巫江虹,金鵬,等.電動汽車熱泵空調系統結霜特性及除霜策略[J].兵工學報,2017, 38(1): 168-176.

Study on low temperature test of combined heating system for electric vehicle*

Wang Yachun1, Mu Liansong2, Zheng Qingping1, Li Su1, Jiao Pengfei2

( 1.School of energy and environmental engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401; 2.China Automotive Technology and Research Center Co. LTD., Tianjin 300300 )

In paper, a kind of low temperature heat pump air conditioning system with PTC auxiliary heating is applied to solve the problem that the system performance is seriously attenuated and even stopped working in the low temperature environment of the ordinary electric heat pump air conditioning system of battery electrical vehicle. The heating condition is simulated by KULI software and applied to the air conditioning system of the battery electrical vehicle. In the vehicle environment simulation laboratory, the heating performance test at ambient temperature of -20℃, -10℃ and -5℃ is carried out. From the test results, we can see that the Combined heating system can achieve heating needs under low temperature. It lays the foundation for achieving the production and application of heat pump air conditioning system in the vehicle.

pure electric vehicle; heat pump air conditioning system;heating performance;simulation;test

A

1671-7988(2018)20-03-04

U469.72

A

1671-7988(2018)20-03-04

U469.72

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.002

王雅純（1992-），河北工業大學在讀碩士，研究生，主 要研究方向為內燃機技術。通信作者：牟連嵩（1981-），中國汽車 技術研究中心，碩士，工程師，主要研究方向為汽車熱管理。

河北省重點研發計劃，節能環保與科技治霾專項；項目名稱： 石家莊市區工程機械柴油機低排放治理與在用重型車obd 排放檢測 與監測技術應用示范工程（18273714D）。