純電動汽車CO2熱泵模塊與熱管理系統方案設計

唐丹萍 王子安 王雨晴 劉業鳳 何曙

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院；2.上海儀器儀表自控系統檢驗測試所有限公司；3.上海理工大學能源與動力工程學院）

近年來，純電動汽車由于安全、環保等特點已經超越傳統汽車成為汽車行業未來發展的主流趨勢。但是由于純電動汽車動力來源為動力電池組，使得冬季供暖和電池冷卻成為難點。目前解決純電動汽車冬季供暖的最佳方式是熱泵系統，具有高效、節能、舒適性好等優點。電池熱管理的最佳方式為以液體為介質的熱管理方式，具有控制簡單、冷卻快等優點。文章考慮整車熱管理需求和車型的運行特點設計1 套節能、高效的CO2熱泵模塊與熱管理系統，并對其各種運行模式的工作原理進行詳細介紹。

1 CO2熱泵模塊與熱管理系統工作原理

根據空調器人體熱舒適性要求[1]，在環境溫度超過28℃時需要開啟空調制冷模式對乘客艙進行降溫；當環境溫度低于16℃時則需要對乘客艙進行供暖。市場上車型常用電池為三元鋰電池，最佳工作溫度范圍為20～45℃[2]。當外界溫度較高時，動力電池組會產生大量的熱量，因無法快速散掉而使電池溫度急劇上升，這時靠自然冷卻無法快速使電池熱量散掉，容易發生自燃等危險情況，故需要利用空調系統的冷量對其進行冷卻；當外界溫度在0℃以下時，電池內阻快速增加，使充放電性能變差，此時需要熱量對其進行預熱，使其能夠正常工作。對于驅動電機來說[3]，其最佳工作溫度范圍是-40～80℃。環境溫度較高時，電機在運行過程中產生的熱量可由載冷劑回路通過散熱器向環境散熱；環境溫度較低時，電機的熱量可用來給乘客艙供暖。具體的整車熱管理需求如表1 所示。

表1 整車熱管理需求

文章采用CO2作為制冷劑，50%乙二醇溶液作為載冷劑，設計1 套可同時滿足乘客艙制冷、供熱、除濕，動力電池預熱、冷卻，以及驅動電機冷卻、余熱回收的CO2汽車熱泵模塊與熱管理系統，如圖1 所示。相比于傳統的PTC 電加熱器供暖，該系統采用熱泵供暖熱效率更高、能耗更低、乘客艙舒適性更好。采用CO2作為制冷劑可以在更低的環境溫度下運行，解決了傳統制冷劑熱泵空調低溫下供暖不足的問題，系統制熱性能更高，且CO2優良的傳熱和熱力特性使得該系統的設備尺寸非常小，特別適合于汽車空調。該系統的特點在于：1）將CO2系統做成模塊化，可減少CO2回路尺寸，節約成本；2）將空調系統與電池、電機回路連接起來，更為緊湊；3）使用二次回路系統，CO2不與乘客艙、電池模塊直接接觸，避免了制冷劑泄露造成的安全隱患；4）增加余熱回收功能，實現能源的有效利用，更為節能；5）配有PTC 電加熱器，可在熱泵系統供熱不足時開啟；6）在汽車風道中布置2 個換熱器，在乘客艙冷、熱模式切換時，可避免擋風玻璃起霧的情況，更為安全。

圖1 純電動汽車熱泵模塊與熱管理系統

圖1～圖6 中虛線為CO2回路，實線為乙二醇溶液回路，其中：COM—壓縮機；CON—氣冷器；EXV—電子膨脹閥；EVA—蒸發器；Pump—電子水泵；PEEM—驅動電機；PTC—電加熱器；Heater—暖風換熱器；Cooler—冷風換熱器;ESS—電池；OHC—室外換熱器；Val—電子三通閥；S—截止閥。

2 典型的運行模式介紹

根據所設計的CO2汽車熱泵模塊與熱管理系統，將系統可實現的各種功能與汽車運行工況結合起來，得到如表2 所示的運行模式。

2.1 夏季制冷模式

轎車在夏季運行時，動力電池產生的熱量由制冷系統提供冷量來平衡；乘客艙溫度超過人體舒適度上限，也由制冷系統提供冷量來降溫。具體流程為：一路載冷劑與節流后的CO2流體在蒸發器中進行熱交換，通過載冷劑循環回路把冷量帶到乘客艙。載冷劑在室內換熱器（Cooler）中與周圍空氣進行換熱后溫度升高，達到冷卻動力電池的溫度要求后進入電池冷水板中給動力電池降溫，然后通過泵（Pump2）回到蒸發器；另一路載冷劑與高溫高壓的CO2流體在氣冷器中換熱，溫度升高至驅動電機的冷卻溫度要求后進入驅動電機換熱器中將驅動電機產生的熱量帶走，一起通過室外換熱器（OHC）傳遞給環境，最后通過泵（Pump1）回到氣冷器中完成循環，如圖2 所示。

表2 運行模式

圖2 制冷模式下冷媒、載冷劑流向圖

2.2 冬季供暖模式

轎車在冬季運行時，動力電池產生的熱量由CO2空調系統提供冷量來平衡；乘客艙溫度未達到人體舒適度標準，由CO2熱泵提供熱量來供暖。具體流程為：一路載冷劑與高溫高壓的CO2流體在氣冷器中換熱而溫度升高，隨后進入驅動電機對其進行冷卻，使得載冷劑溫度進一步升高后進入室內換熱器（Heater），與周圍空氣進行換熱，然后通過泵（Pump1）回到氣冷器中，加熱后的空氣則進入乘客艙供暖；另一路載冷劑與CO2流體在蒸發器中換熱降溫后通過泵（Pump2）把冷量帶到電池冷水板中給動力電池降溫，最后回到蒸發器中完成一個循環，如圖3 所示。

2.3 春秋季供暖模式

轎車在春秋季運行，乘客艙需要供暖時可不開啟CO2熱泵系統，而是通過回收動力電池、驅動電機的熱量給乘客艙供暖。具體流程為：載冷劑對驅動電機冷卻后溫度升高達到供暖要求，然后進入室內換熱器（Heater）與周圍空氣進行換熱而降溫，接著進入室外換熱器（OHC）進一步降溫，達到冷卻動力電池的溫度要求后進入電池冷水板中給動力電池降溫，最后回到驅動電機中完成循環，如圖4 所示。

圖3 供暖模式下冷媒、載冷劑流向圖

圖4 春秋季供暖模式下冷媒、載冷劑流向圖

2.4 除濕模式

當冬季車外空氣濕度低，而車內空氣濕度較高時，車窗內表面溫度低于車內空氣露點溫度，導致空氣中的水蒸氣在車窗內表面凝結成霧，影響司機的駕駛視線、危害乘客的安全，故需要對前擋風玻璃除霧。目前主要采用空調系統對進入乘客艙的空氣進行除濕來達到除霧的目的。具體流程為：開啟CO2熱泵系統，進入乘客艙的空氣先由室內換熱器（Cooler）進行降溫除濕，再由室內換熱器（Heater）加熱，最后以高溫低濕的狀態進入乘客艙，達到除濕供暖的目的，如圖5 所示。

2.5 動力電池快充模式

動力電池是純電動汽車的核心，為了使純電動汽車可以像燃油車一樣“5min 加油”而出現了快充這一概念。目前市場上的純電動汽車已經可以0.5 h 充滿80%的電量，但是在這個過程中由于充電功率較大使得電池組產生極大的熱量，必然使得電池發熱、安全隔離失效，僅靠自然散熱遠遠達不到想要的效果，尤其是在夏季高溫場合，容易引起自燃，此時需要制冷系統提供冷量來協助散熱。具體流程為：載冷劑與節流后的CO2流體在蒸發器中換熱后直接進入電池冷水板給動力電池降溫，然后通過泵（Pump2）回到蒸發器；另一路載冷劑與高溫高壓的CO2流體在氣冷器中換熱，此時驅動電機處于關閉狀態，故從氣冷器出來的載冷劑直接進入室外換熱器（OHC）與環境換熱，最后回到氣冷器中完成循環，如圖6 所示。

圖5 除濕模式下冷媒、載冷劑流向圖

圖6 動力電池快充冷卻模式下冷媒、載冷劑流向圖

3 結論

純電動汽車完全依靠電池組的電能供給，總電量在增加行駛里程和整車負荷需求的分配尤為重要。因此，倡導采用節能減排的CO2熱泵空調熱管理系統。文章中設計的CO2熱泵模塊與熱管理系統，具有通過載冷劑回路來實現冷熱量傳遞，并增加余熱回收功能以降低熱泵模塊耗電量的特點。