純電動車用CO2 空調整車熱管理系統仿真研究

劉業鳳，王君如，鐘文軒

（1.200093 上海市 上海理工大學 能源與動力工程學院；2.200093 上海市 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室）

0 引言

目前世界面臨的主要環境問題大多由能源短缺以及全球暖化引起[1]。交通運輸業以及車輛制造業作為我國的支柱性產業，其消耗的能源以及尾氣排放對全球變暖的影響不容忽視[2]。在嚴峻的能源以及環境保護問題前，中國大力倡導新能源汽車替代傳統燃油車。據最新數據統計顯示，中國近5 年新能源汽車保有量年均增加50 萬輛，呈加快增長趨勢。

伴隨著新能源車保有量持續增長，全球范圍內各大汽車廠家都開展新能源汽車的研發。在取得喜人成果的同時，也會存在一些新的問題。近年來有不少由于電動汽車電池熱失控引發自燃導致的事故發生，導致人力財物的損失，因此動力電池的能量密度增大必須要有相對應的熱管理系統。另外，目前的純電動汽車在冬季的續航里程遠少于所標定的續航里程，這是由于汽車冬季采暖時使用PTC 電加熱對乘員艙進行供暖，冬季長期開啟會導致汽車續航里程的減少。目前汽車空調所使用的主流制冷劑仍為R134a，其在冬季制熱工況下性能較差，也會導致續航里程的減少。CO2具有良好的環境兼容性（ODP=0，GWP=1）、制造工藝、系統配套、價格以及熱泵系統下的性能均優于其他方案中的制冷劑[3]，因此CO2有望成為未來汽車空調的主流制冷劑。

動力電池作為純電動汽車上的唯一動力源，動力電池技術一直是純電動汽車的關鍵技術。根據目前市場上對動力電池的冷卻方式，可分為主動式以及被動式[4]。主動式冷卻又可分為強制風冷、空調系統制冷劑直接冷卻、二次回路液體冷卻；被動式冷卻分為自然對流冷卻、添加PCM（Phase change materials）材料冷卻。在相關研究中，天津大學的高明[5]等通過實驗對增加純銅翅片的電池組在不同放電倍率以及不同翅片厚度下的散熱性能進行了研究；長安大學的馬金銘[6]等利用CFD 軟件對并聯式風冷電池組的溫度場進行計算，并設置了二次排風口對冷卻系統進行優化；北京工業大學的馮能蓮[7]等開發出一種新型蜂巢式液冷動力電池模塊，電池與液體進出口呈蜂窩狀排布，增大了冷卻液與電池的接觸面積。廣東工業大學的張國慶團隊[8]對比了自然冷卻、相變材料冷卻以及相變材料加翅片這3 種冷卻方式對于控制電池組溫度的影響規律。實驗研究發現，相變材料加翅片復合熱管理系統具有較良好的溫度均勻性；Wu Weixiong[9]等開發出一種以銅網作為骨架的增強石蠟/膨脹石墨復合材料作為電池熱管理的復合材料。研究結果表明，具有銅網骨架的材料具有更好的散熱性能以及溫度均勻性。

本文以某款商務車為例，提出一個包括空調系統、電機、電池熱管理系統在內的整車熱管理系統，并在NEDC 工況下進行性能仿真計算，分析熱管理系統的各參數是否達標，為CO2熱泵空調系統在整車熱管理方面應用的后續研究提供一定的參考作用。

1 熱管理系統的需求與設計

以某款商務車為基礎，其外形尺寸如表1 所示，空調系統設計要求如表2 所示。

表2 空調系統設計條件Tab.2 Air conditioning system design conditions

整車熱管理系統的目的和作用是一年四季給車內司乘人員提供合適的溫度濕度，并在車輛正常運行中使動力電池以及電機保持在合適的工作溫度范圍內。因此，CO2空調系統及熱管理系統的需求如下：（1）環境溫度高于28 ℃時，空調系統開啟制冷功能，保持車內溫度25 ℃；（2）環境溫度低于10 ℃時，空調系統開啟制熱功能，保持車內溫度25 ℃；（3）車輛運行時，維持動力電池組溫度在10～40℃內，電機溫度不超過90℃；（4）在環境溫度低于0 ℃時啟動車輛，將電池系統加熱至20 ℃。

根據上述需求，提出一套CO2空調系統以及熱管理系統，通過使用二次回路將電池電機熱管理系統與空調系統進行整合，實現夏季空調制冷、夏季電池冷卻、冬季空調制熱、冬季電機熱回收等功能。系統中包括制冷劑回路以及載冷劑回路。制冷劑回路作為車上的冷熱源，為載冷劑回路提供熱量或者冷量，隨后載冷劑送往電池、電機、各換熱器執行上述各功能。

由于系統運行溫度區間較廣，載冷劑需要在工作溫度范圍內保持穩定，要求不凝固不氣化、比熱容大、粘度小、導熱系數大，因此采用50%乙二醇溶液作為載冷劑，其冰點為-33.8 ℃，沸點為107.2 ℃，符合本系統溫度運行范圍。

圖1（a）為系統夏季制冷時運行原理圖，實現空調制冷、電池冷卻以及電機散熱這3 個功能，工作原理如下：在制冷劑回路中，動力電池組為電動壓縮機a 供給電源，將來自回熱器c 的低溫低壓CO2制冷劑壓縮到超臨界狀態的高溫高壓流體，隨后制冷劑通過板式氣冷器b 進行冷卻，但由于該制冷循環為跨臨界制冷循環，所以沒有冷凝過程，板式氣冷器出口仍為氣體。高溫高壓的制冷劑經過回熱器c 與來自蒸發器d 的低溫低壓制冷劑氣體進行換熱，進一步降溫。降溫完成后的制冷劑進入電子膨脹閥e 節流膨脹變成氣液兩相狀態，然后進入蒸發器d 蒸發吸熱以及經過回熱器c 與高溫高壓的制冷劑進行換熱，最后回到電動壓縮機a 中，完成一個循環；在熱回路中，電子水泵p 把高溫載冷劑泵向室外換熱器k 進行冷卻，冷卻完成的載冷劑分成2 路：一路通過電機j 帶走電機熱量，另一路通過板式氣冷器b 冷卻高溫高壓的CO2制冷劑，隨后兩股流體匯合再通過電子水泵p 泵送給室外換熱器完成一個循環；在冷回路中，載冷劑首先通過板式蒸發器d 進行降溫，隨后通過電子水泵p 泵送到室內冷風換熱器l 中對送入乘員艙的風進行冷卻除濕，然后載冷劑再通過電池組h 對電池進行冷卻，最后載冷劑回到板式蒸發器d 中完成一個循環。

圖1（b）為系統冬季運行原理圖，實現室內熱泵供暖、電機熱回收功能。工作原理如下：在制冷劑回路，跟夏季制冷模式下工作原理一致；在載冷劑熱回路中，電子水泵p 把載冷劑泵送至車頭室外換熱器處，此時因為不需要散熱，所以三通閥作用，把室外換熱器k 旁通掉。然后載冷劑分成2 路，一路進入板式氣冷器b 中吸熱升溫，一路進入電機j 中回收熱量，之后兩路匯合進入暖風芯體f 中給乘員艙供暖，最后再進入電子水泵p 完成一個循環；冷回路中，載冷劑經過室外換熱器l 中向低溫環境吸收熱量，隨后通過板式蒸發器d 進行降溫，然后再回到室外換熱器l 中完成一個循環。

圖1 系統運行原理圖Fig.1 Schematic diagram of system operation

2 熱管理系統建模

Flowmaster 是著重于一維、系統級別的CFD軟件，該軟件具有計算類型完善、計算類型準確、接口豐富、易于操作等優點。為了研究以及計算的方便，對系統進行建模時需要進行一定的簡化，其原則如下[10]：

（1）忽略系統中流動阻力較小的元件，如開啟的閥門，彎曲角度不大的彎頭；

（2）考慮管道長度以及波傳播速度對計算時間的影響，盡量把兩段或者多段管道并成一條管道，忽略較短的管道；

（3）當Flowmaster 元件庫中已有元件不滿足建模需求時，可根據仿真需求選用同類元件進行替代，但必須保證所選用的替代元件與被替代的元件有相同的工作特性。另外，也可采用多元件進行復合定義的方式進行建模。

根據運行原理圖，在Flowmaster 中的模型搭建如圖2 所示。其中包括制冷系統、電機熱回收回路、電池回路。

圖2 Flowmaster 中建模示意圖Fig.2 Modeling schematic diagram in Flowmaster

3 仿真分析

NEDC(New European Driving Cycle)工況是目前用于歐洲、中國、澳大利亞等地的新能源汽車續航里程測試[11]，由市區運轉循環和市郊運轉循環2 部分組成。市區循環由4 個195 s 的小循環單元組成，包括怠速、啟動、加速以及減速停車等階段，最高車速50 km/h、平均車速18.35km/h、最大加速度1.042 m/s、平均加速度0.599m/s；市郊循環時間400 s，最高車速120 km/h、平均車速62 km/h、最大加速度0.833m/s、平均加速度0.354 m/s。本文研究CO2熱泵空調熱管理系統在NEDC 工況下的性能表現。在進行NEDC 工況分析時，需要進行假設：（1）載冷劑以及制冷劑管道為絕熱的；（2）忽略換熱器熱阻以及熱量損失；（3）人體散熱量以及室外環境參數不隨時間變化而變化。

3.1 冷工況

夏季制冷模式環境溫度設定為35 ℃，仿真類型采用瞬態傳熱模型，時間步長設定為1 s，仿真從0 s 開始至1 800 s 結束。壓縮機轉速設定為4 800 r/m，車輛前部進風速度隨著車速變化而變化，乘客艙進風量為450 m3/h。太陽輻射強度為1 000 W/m2，車內乘員數為7。

圖3 為NEDC 工況下電機溫度曲線。可以看出，在780 s 之前電機溫度保持在較低的水平，這是由于在市區循環中，車速較低，電機的生熱量比較小；在1 000 s 之后，在市郊循環中，電機的溫度開始快速上升，這是由于在市郊循環中車速較快以及這段大量的急加速導致的，但電機整體溫度保持在90 ℃以下。

圖3 NEDC 工況下電機溫度變化曲線Fig.3 Motor temperature variation under NEDC operating condition

圖4 為NEDC 工況下電池組溫度變化曲線。圖中可以看出，電池溫度從時間0 s 開始的35 ℃，經過187 s 之后溫度降至25℃，直到968 s 之前電池溫度一直保持在20 ℃左右；968 s 之后，由于市郊循環中車速提升，電池放電倍率增加，生熱量提高而導致的電池溫度上升。但是在NEDC工況仿真過程中，電池組溫度均低于40 ℃。

圖4 NEDC 工況下電池溫度變化曲線Fig.4 Battery temperature change curve under NEDC operating condition

圖5 為NEDC 工況下乘客艙平均溫度變化曲線。從圖中可以看出，在環境溫度35 度下，0 s時汽車啟動，乘客艙平均溫度達到50 ℃，隨后在空調開啟后170 s，乘客艙平均溫度降至26 ℃，隨后一直穩定在25 ℃以內。由于市區循環時車速變化較多，導致車內負荷不停變動，溫度曲線處于波動狀態，隨后進入市郊循環，車內負荷相對穩定，故后段曲線相對較平緩。

圖5 夏季NEDC 工況下乘客艙溫度變化曲線Fig.5 Cabin temperature change curve under NEDC operating condition in summer

3.2 制熱工況

冬季制熱模式環境溫度設定為-7 ℃，仿真類型采用瞬態傳熱模型，時間步長設定為1 s，仿真從0 s 開始至1 800 s 結束。壓縮機轉速設定為4 800 r/m，車輛前部進風速度隨著車速變化而變化，乘客艙進風量為450 m3/h。太陽輻射強度為0 W/m2，車內乘員數為7。

圖6 為冬季NEDC 工況下乘客艙溫度變化曲線。圖中可以看出，在0 s 啟動時乘客艙平均溫度為-7 ℃，車輛啟動后147 s 達到25 ℃，隨后在整個市區循環中乘客艙平均溫度保持25 ℃；780 s 后進入市郊循環，車速增加，電機熱回收熱量增多，空調出風溫度增加，使得乘客艙平均溫度上升至31 ℃。

圖6 冬季NEDC 工況下乘客艙溫度變化曲線Fig.6 Cabin temperature change curve under NEDC operating condition in winter

綜上，本文所設計的整車熱管理系統達到最初設計需求。

3.3 CO2 熱泵空調系統性能對比

目前純電動汽車沒有發動機余熱可以利用，因此多采用PTC 電加熱器對乘客艙進行供熱。文獻[12]對R134a 制冷劑進行了冬季供熱的研究，現對其與本文相近工況的結果進行對比。系統A為本文系統，系統B，C 為R134a 制冷劑系統以及PTC 系統。

從表3 可以看出，在環境溫度7 ℃時，B 系統的COP 最高，達到2.80，本文系統COP 為2.27，但是排氣溫度最高，達到了103 ℃，而系統B 只有58 ℃。在平均能耗方面，7 ℃時，系統A 比系統B 能耗高3.6%。而在環境溫度-7 ℃時，系統A 的COP 為1.97，系統B 的COP 為3.50，但系統B 比系統A 能耗高35.8%，排氣溫度系統A的比系統B 高了68 ℃。對于冬季供熱來說，排氣溫度越高意味著換熱系數的提高，使得最終供熱效果變好。

表3 系統性能對比Tab.3 Comparison of system performance

在環境溫度-7 ℃，系統A 制熱COP 為1.97，而傳統PTC 電加熱的制熱效率僅有0.97，提高了103%。即使環境溫度越低，CO2熱泵空調系統制熱效率始終大于1。

總體來說，在低溫供熱方系統A 優于系統B、C。對于純電動汽車來說，冬季開啟CO2熱泵空調能節約更多的電能，續航里程得到一定的增加，具有良好的工程應用前景。

4 總結

本文針對某款商用車型，在節能環保的基礎上設計出一款采用CO2為制冷劑的熱泵汽車空調系統的整車熱管理系統。本文系統主要分成3 個回路：一個制冷劑系統、一個電池冷卻系統、一個電機熱回收系統，實現夏季空調制冷、電池冷卻以及冬季空調供暖以及電機熱回收。使用一維CFD 仿真軟件Flowmaster 對跨臨界CO2熱泵空調系統進行仿真分析，通過NEDC 工況仿真對熱管理系統的性能以及乘客艙溫度變化進行了研究。得出結論如下

（1）在一個NEDC 工況的仿真分析過程中，夏季制冷模式下，電機溫度保持在90 ℃以下，符合設計要求；電池組在187 s 后達到25 ℃，并在整個仿真過程中溫度低于40 ℃，符合設計要求。乘客艙在開啟空調170 s 后達到26 ℃，隨后仿真過程中穩定在25 ℃，符合相關標準要求。乘客艙在空調開啟后的170 s 內從50 ℃下降到26 ℃，并在后續時間內保持在25 ℃以內；

（2）冬季供熱情況下，乘客艙在開啟空調147 s 后達到25℃，在整個市區循環中都保持較穩定狀態。進入市郊循環后，由于電機生熱量增加，乘客艙平均溫度提升至31 ℃；

（3）在環境溫度7℃的系統對比中，雖然本文系統在能耗以及COP 方面不占優勢，COP為2.27，比系統B 低18.9%；平均能耗比系統B高出1.5%，但排氣溫度比系統B 高出45 ℃。對于冬季供熱來說，排氣溫度越高意味著換熱效率的提高，使得最終供熱效果變好。傳統PTC 電加熱的能量轉化效率僅有0.97。對于純電動汽車來說，冬季開啟CO2熱泵空調能節約更多的電能，續航里程得到一定的增加。