新能源汽車的多熱源分段協同制熱系統*

丁 鵬，王 忠，葛如海，張美娟，李開云

（1.無錫職業技術學院，無錫 214121； 2.江蘇大學，鎮江 212013； 3.無錫普歐電子有限公司，無錫 214100）

前言

空調作為汽車大功率耗能輔助部件，其工作性能直接影響純電動汽車的續航里程和舒適性能。為減少電動汽車空調的耗能，國內外學者進行了大量研究，取得了一定的成果。文獻［1］～文獻［3］中采用新型熱泵空調技術，提高了空調的能源利用率。文獻［4］～文獻［6］中通過應用空調新型微通道換熱器及改善換熱器的工作特性，改善了電動汽車空調的工作性能。文獻［7］和文獻［8］中改變了空調的結構和管徑，降低了空調耗能。文獻［9］和文獻［10］中優化了空調的電控系統和控制算法，改進了空調的使用效果，延長了電動汽車的續航里程。文獻［11］和文獻［12］中準確地模擬和計算空調系統實際消耗功率。文獻［13］中針對純電動汽車空調換熱器冬季結霜問題，提出低壓和高壓熱氣除霜兩種循環模式，提升了空調的工作效率。

本文中圍繞純電動汽車暖風空調系統，設計了一種分布式多熱源分段協同制熱的空調控制方法。利用動力電池的水冷余熱、驅動電機水冷余熱和熱泵空調向車廂供熱。環境溫度為中低溫度時，由動力電池和驅動電機的水冷余熱進行制熱，暖風系統不消耗電池能量。在超低溫和快速制熱時，動力電池和驅動電機的水冷余熱為主制熱，熱泵空調為輔制熱，以降低熱泵空調的工作時間。在不同溫度階段由不同的熱源參與制熱，可有效降低暖風空調的能耗，顯著延長了電動汽車的續航里程。

1 空調熱源分析

新能源汽車乘員室熱負荷的計算為空調零部件的匹配和空調送風量提供了基本依據，對驅動電機和動力電池冷卻水放熱規律的分析和熱量計算，是協同分段制熱方法中確定控制模式的重要依據。

1.1 乘員室熱量計算

在計算乘員室熱量時，通常包括太陽光的輻射熱量、室內外溫差導熱量、汽車新風和漏風傳熱量及乘員與電器的散熱量等部分。

玻璃的熱交換量包括太陽透過玻璃的輻射熱量和由于室內外溫差通過玻璃導熱量。太陽熱輻射是車室內熱量來源的主要因素。太陽光通過玻璃的輻射熱量可用Q1表示：

式中：S1為太陽光輻射玻璃的面積；Ir為太陽反散輻射強度；Id為太陽光直接輻射強度；Is為太陽散射強度；K1為玻璃的透射系數；ρg為吸收系數；α0為車外熱交換系數；α1為車內熱交換系數。I＝Ir＋Id＋Is為太陽總輻射強度。

太陽反散輻射強度按Nehring公式［14］計算：

式中：I0為太陽常數，即單位面積、單位時間接收的太陽輻射能；ψ為太陽高度角；P為大氣透明系數。

陽光直接輻射強度為

式中：Idn為法向太陽輻射強度；ε為地表斜面傾角；φ為太陽方位角；γ為地球表面方位角。

太陽散射強度為

式中：ρf為路面對太陽輻射的反射率；IH為太陽到達地面的總輻射強度。

由于車室內溫度差引起的玻璃熱交換量為

式中：K2為玻璃的傳熱系數；Tin為車室內溫度；Tout為車外環境溫度。

在計算車體圍護熱交換量時，由于車體結構不同，把車體圍護分為車側圍、車頂和車地板3部分，各部分材料不同，分別計算每部分的太陽輻射熱量和傳導熱量。

車側圍太陽輻射熱量用Q3表示：

式中：S2為車側圍的面積；K3為汽車側表面熱吸收系數。

車側圍熱傳導量用Q4表示：

式中：η1為車側圍的傳熱系數，與汽車車體厚度、隔熱層熱阻和車速等有關［15］。η1計算如下。

同理可以得到車頂的太陽輻射量Q5和傳導熱量Q6：

式中：K4為車頂表面吸熱系數；S3為車頂面積；η2為車頂傳熱系數，計算方法同式（8）。

在計算地板熱交換量時，忽略地板的太陽輻射量，只計算其熱傳導量Q7：

式中：S4為地板面積；η3為地板傳熱系數，計算方法同式（8）。

駕乘人員散熱負荷Q8為

式中：QJ為駕駛員散熱量，取168 W；N為乘員數量；n為集群數，取 0.89；QG為乘員散熱量，取108 W［16］。

此外，還有照明及用電元件所放的熱Q9，一般取值為200 W。

1.2 水冷電機余熱計算

新能源汽車驅動電機可用水冷電機，電機冷卻水余熱可用于汽車暖風系統。電機冷卻水熱量與電機尺寸、材料及組成結構有關［17］。在計算電機水冷余熱制熱量時，只需測量進水口和出水口兩端的溫度，即可計算出冷卻水從電機內部帶出的熱量。冷卻水熱量Qm為

式中：Cp為水的比熱容；Vs為冷卻水質量流量；To為電機出水口溫度；Ti為電機進水口溫度。

1.3 電池發熱量

鋰電池在工作過程產生熱量使電池溫度升高，導致電池使用性能和壽命下降，故須對電池進行冷卻。目前電池冷卻方式有風冷和水冷模式兩種。水冷模式可提高冷卻效率和電池工作可靠性，電池水冷的余熱可作為暖風空調的熱量來源。電池水冷系統模型如圖1所示。每組電池設有導熱墊，導熱墊能確保模組與液冷板底部接觸良好，及時將熱量帶出［18］。

圖1 電池水冷模型示意圖

鋰離子動力電池在放熱過程中的生熱量主要由反應熱、歐姆熱、極化熱和副反應熱4部分構成。

對暖風系統而言，電池的發熱量可用Bernardi公式［19］計算。在計算暖風制熱量時，須對Bernardi公式進行修正，修正后的電池水冷余熱制熱量為

式中：Qe為電池水冷余熱量；Ie為電池的放電電流；μ為電池的傳熱系數；E0為電池的開路電壓；E為電池的端電壓；R為電池內阻；T為電池內部溫度；d E0／d T為電池的溫度影響系數。IeT（d E0／d T）可理解為是電池內部化學反應所引起可逆熵變產生的熱量，此熱量可以忽略不計［16］。在低溫下鋰電池的容量會大幅下降。

根據相關試驗研究，得出鋰電池在不同低溫下的放電容量與常溫25℃標稱容量的對比數據［20］，如表1所示。

表1 電池低溫放電容量

由表1可知，隨著溫度的降低，電池的放電容量逐漸降低。動力鋰電池的最佳工作溫度范圍為10～35℃［21］。因此，在低溫環境下，需要對動力電池進行加熱，升高電池溫度，以改善鋰電池的工作性能。在加熱器工作的情況下，電池內部溫升如圖2所示。

圖2 鋰電池加熱溫度變化曲線

在超低溫時，電機余熱和電池余熱制熱量不足。快速制暖時，車內溫度上升相對緩慢。暖風系統須要援用其他熱源。熱泵空調制熱效率高，結構簡單，用于制熱。熱泵空調的制熱原理如圖3所示。

低溫低壓的氣態制冷劑，經壓縮機壓縮成高溫高壓的蒸氣。經四通閥進入室內換熱器，冷凝液化放熱。釋放的熱量經鼓風機送入車廂供暖。液化后的制冷劑經儲液干燥器進入室外換熱器，蒸發氣化吸熱后變成氣態制冷劑。然后經四通閥至氣液分離器，返回壓縮機，構成一個工作循環。

圖3 熱泵空調工作原理圖

熱泵空調的制熱量為

式中：Qbm為熱泵空調制熱量；mr為制冷劑循環質量；h2為經過等嫡壓縮，低溫低壓的氣態制冷劑被壓縮成高溫高壓的狀點所對應的焓值；h3為高溫高壓的氣態制冷劑在冷凝器中定壓放熱，成為飽和的制冷劑液體點所對應的焓值。

2 分段控制模式

根據對熱源系統的分析，結合我國人群熱舒適性溫度范圍［16］，設計了4階段制熱控制方式：

第1階段為中溫制熱模式，當環境溫度處于10～24℃區間時，開啟該階段制熱模式。此時制暖主要依靠汽車電器發熱、駕乘人員放熱、太陽輻射熱和電機余熱制熱。在設計過程中，假定汽車電器發熱量和太陽輻射熱是定值，則車廂制熱量取決于駕乘人員數量和電機余熱量。在確定乘員數量時，采用熱釋電紅外技術。首先對控制器所控制的乘客區進行有無乘客的檢測，這一設計要求通過采用電壓型熱釋電紅外傳感器來實現。當熱釋電探元受到非恒定強度的紅外光照射時，產生的溫度變化導致其表面電極的電荷密度發生改變，從而產生熱釋電電流，該電流經外圍電路處理后以電壓信號的形式輸出。設計時采用的乘光F系列電壓型熱釋電紅外傳感器可將客車乘客區人體微小動作引起的環境溫度的變化轉變為電壓信號，傳感器輸出電壓與目標輻射及環境溫度的關系為

式中：U1為輸出電壓；K為輻射出射度；φ為斯特藩玻爾茲曼常數；λ1為被測乘員的輻射率；λ2為傳感器調制盤的輻射率；Tw為被測乘員的溫度；Th為環境溫度。

通過讀取傳感器的輸出信號U1即可完成該傳感器附近有無乘客的檢測。將大型客車內部空間劃分為不同的區域，每個區域由相應的分體控制器單獨采集熱釋電紅外信號，彼此之間互不干擾，分體控制器將檢測數據傳送至總控制端，即可完成整車乘員數量的檢測，檢測原理與硬件如圖4所示。

圖4 電壓型熱釋電紅外傳感器檢測乘員數量

以KLQ6829電動改進車型為例，計算函數之間關系。電機余熱制熱量與乘員數量成反比關系，乘員數多，需要減少電機余熱制熱量，反之則需要增加電機余熱制熱量。根據此階段溫度范圍結合空調熱源分析，確定電機余熱制熱量y1與乘員數量N之間的函數關系為

式中：y1為電機余熱制熱量；N為乘員數量。系統根據y1數值，控制鼓風機的PWM信號，實現制熱量的精準控制。

第2階段為中低溫控制模式。該階段工作模式適用于環境溫度區間為－4～10℃。該階段需要制熱量較多，電機余熱制熱不能滿足整車制熱的需求，需要鋰電池余熱制熱，鋰電池余熱制熱量y2取決于電機余熱制熱量y1和乘員數N，三者之間的函數關系為

但汽車開始行駛時，由于氣溫較低，鋰電池工作性能較差，汽車須對動力電池進行加熱，提高電池溫度，以改善鋰電池的工作性能。由圖2可知，鋰電池內部溫度從－5℃升至20℃約需7 min。在這段時間，鋰電池不能對外提供熱量，此時空調暖風是由熱泵空調、電機余熱制熱共同完成。熱泵空調制熱量y3、電機余熱制熱量y1和N之間的函數關系為

第3階段為低溫控制模式，低溫適用于環境溫度范圍－22～－5℃，該階段整車需要的制熱量較大，電機余熱制熱量取最大值即6 kW。該階段制熱過程有兩種情況：鋰電池對暖風系統供熱階段和鋰電池對暖風系統不供熱階段。當鋰電池內部溫度低于20℃，鋰電池不對暖風系統供熱，此時熱泵空調制熱量增大，即

當電池內部溫度升至20℃，從圖2可知，鋰電池內部溫度從－22℃升至20℃，需要大約12 min。鋰電池余熱對暖風系統提供熱量后，熱泵空調制熱量減少，并隨著鋰電池余熱制熱量的變化而變化。此時制熱量為

第4階段為超低溫控制模式和極速控制模式，此階段適用于環境溫度＜－22℃或駕駛員強制控制快速供暖，在此階段電機余熱制熱量、鋰電池余熱制熱量和熱泵空調制熱量均達到最大值。

根據上述4階段多種熱源制熱量之間的函數關系，確定多熱源分段暖風系統的控制方法，可表示為

式中：u1、u2、u3分別為電機余熱控制信號、電池余熱控制信號和熱泵制熱控制信號；u1max、u2max、u3max分別為u1、u2、u3對應的最大值；T為電池內部溫度；Tout為車外環境溫度。

在設計暖風空調時，考慮平衡全車各點溫度，采用分布式多熱源供暖方法：汽車采用單電機后驅裝置，故電機余熱暖風出風口布置于整車后部位置（第7排座椅下方）。熱泵空調的暖風出風口位于汽車中部位置（第4排座椅處）。電池余熱暖風出風口布置于汽車前部位置（第1排座椅下方位置）。該布置方式簡化了管道連接，減少了熱量損失，能夠有效平衡全車各點溫度。汽車靜止時，位于汽車中部的熱泵空調能夠有效對整車制冷制熱。

3 控制算法

應用模糊神經網絡控制算法，實現分段控制模式。以駕駛員設定的車內溫度指標作為純電動客車的控制目標參數Tmb，控制對象為電機余熱控制信號、電池余熱控制信號、熱泵制熱控制信號和風機信號。建立基于目標溫度的模糊控制系統，并確定其模糊控制規則。建立表征Tmb的方程：

式中：x1，x2，…，xn為影響 L的變量；L為描述 Tmb狀態的參數，L＝－2表示過冷，L＝－1表示冷，L＝0表示舒適，L＝1表示熱，L＝2表示過熱。以式（23）為基礎，建立目標溫度預測神經網絡圖，如圖5所示。

圖5 神經網絡圖

圖5 是一個3層神經網絡圖，不同層的神經元之間通過權系數相聯系，輸入變量x1，x2，…，x6分別對應客車空調室內溫度、環境溫度、日照強度、汽車車速、乘客區域數量和電池內部溫度。隱含層設置10個神經單元，輸出參數為Tmb，然后運用BP法進行網絡各連接權值的調節。

在模糊控制器設計中，取 Tmb模糊論域值為［－3℃，3℃］，Tmb誤差的變化率用 d Tmb／d t表示，其模糊論域取值［－2，2］，控制目標模糊論域取值為［0，4］。三者模糊子集為｛PB（正大），PS（正小），Z（零），NS（負小），NB（負大）｝，制定模糊規則表，求出控制曲線即可［16］，具體控制過程如圖6所示。

圖6 模糊控制示意圖

4 多熱源分段協同制熱式暖風空調試驗

將該暖風空調應用于KLQ6829電動改裝車型，并進行低溫試驗，以檢測該空調控制方法的效能。車體參數見表2。

把車放于冷庫中，靜置4 h，確保全車各點溫度處于－21～－22℃之間。風機模擬車速為20 m／s。受天氣、地形地貌、日照時間等因素影響，太陽光輻射強度持續改變，無規律可循，在模擬太陽光輻射強度時，采用全國主要城市1月份平均太陽輻射強度為參考值，相對濕度為45%。

新型暖風空調和整車現場低溫測試如圖7所示，分別進行整車和熱泵空調試驗［22］。

試驗時，全車電器打開，成員數為總座位數的50%（16位），底盤測功機使車速保持在60 km／h。空調內循環打開，調至最大加熱擋位，每5 min記錄一次駕駛員座椅、第2排右1座椅、第5排左1座椅和第8排右1座椅處溫度。

圖8為環境溫度在－21～－22℃、汽車暖風試驗過程中車內溫升圖。由圖8可知，第8排右1座椅處溫度在電機余熱制熱下，溫度逐步上升，這是因為電機內部溫度有一個逐步升溫的過程，且在23 min時，溫度達到24℃。5排左1處座椅溫度升高迅速，且在12 min后，溫度上升速率迅速下降，原因是該點接近熱泵空調位置，受熱泵空調加熱影響，溫度上升迅速，但在12 min時，動力電池完成預熱并對外供暖，為了節省電池能量，熱泵空調暫時停止運轉，造成該點溫度上升速率大幅下降，但在其他熱源熱對流作用下，溫度仍緩慢上升，且在26 min時溫度達到24℃。2排右1座椅和駕駛員座椅在開始加熱時，溫度上升較慢，但在10 min后溫度迅速上升，這是因為這兩點位于電池余熱出風口附近，汽車開始工作時，電池受環境溫度影響，不對外供熱，此兩點通過熱對流制熱。2排右1座椅距離熱源比駕駛員座椅近，因而其溫升速率稍大于駕駛員座椅。但在10 min后，電池內部溫度預熱完成，對外開始供暖。2排右1座椅和駕駛員座椅受此影響，溫度迅速上升，且溫升速率接近。在23和25 min時，兩點溫度分別達到24℃。由試驗可知，該空調在30 min以內，全車溫度能夠達到人體動態熱感知舒適度指標（thermal comfort index，TCI）［16］。

表2 試驗車體與環境參數

圖7 整車與新型空調低溫現場試驗圖

圖8 車內各點溫度變化曲線

為進一步驗證暖風空調性能，尋找暖風的制熱規律，還進行了中低溫試驗。此時冷庫環境為－5～－4℃，其他試驗條件不變，圖9為該階段試驗時間內車內溫度各點上升圖。

圖9 車內各點溫度變化曲線圖

由圖9可知，8排右1座椅溫度規律上升，與圖8所示溫度變化規律一致，呈現出前期溫度上升慢、后期溫度上升快的規律。此時僅電機余熱一種熱源參與制熱，前期制熱時，各處溫度上升按照距離電機出風口位置遠近呈現出一定規律，距離越近，溫度上升速率越大，反之越慢。但在5 min后，電池完成預熱，并對外供暖，故2排右1座椅和駕駛員座椅處溫度上升迅速，且溫升速率接近。該溫度環境下，開啟節能制熱模式，全車在13 min時，能達到23℃，無需開啟熱泵空調，制熱系統沒有消耗電池能量。

對裝有多熱源分段協同制熱暖風與熱泵空調進行節能對比試驗，試驗是在冷庫－22℃下進行，其他條件不變。熱泵空調在加熱車廂時，電池和電機余熱制熱鼓風機控制斷路，處于不工作狀態，熱泵空調單獨制熱2 h，每0.2 h記錄熱泵空調耗電量和多熱源分段空調耗電量。兩種暖風系統耗電量對比如圖10所示。

圖10 空調試驗節能對比圖

由圖10可知，在0.2 h之前，兩種暖風系統耗電量基本相同，兩種暖風的熱泵制熱均參與工作，多熱源分段暖風系統耗電稍高，因為此時電機水冷循環泵和電機余熱制熱鼓風機在額外工作；0.2 h后，電池開始對外制熱，同時多熱源分段暖風系統中熱泵改變工作周期，為原來工作周期的1／3。故熱泵空調耗電量呈直線上升趨勢，而多熱源分段暖風耗電量則小幅上升。兩者耗能差距隨時間增大而增大。在2 h后，多熱源分段暖風制熱系統可節省60%的電量，節能效果良好。

5 結論

介紹純電動汽車驅動電機、動力電池和熱泵空調制熱系統，對電動客車制熱系統的熱量進行了數值分析，建立了多熱源分段協同制熱模型，設計了一種新型暖風系統，開展了客車暖風系統低溫試驗研究，得出以下結論。

（1）全車各點溫度隨多種熱源分布位置不同呈現出區域性特點，各區域溫度上升速率呈規律分布，各點溫升速率滿足要求。

（2）分布式多熱源協同制熱，有效平衡了車內各點溫度差值，簡化了管道連接，減少了傳熱損失。

（3）多熱源分段協同制熱式暖風空調能夠有效降低暖風耗能，在－22℃試驗條件下，工作2 h可節能60%。在－5℃試驗條件下則無須耗費動力電池能量，節能效果顯著，驗證該空調控制方法的優越性，為電動汽車暖風空調的設計提供了一種新的思路。