HVAC風量及回風比例對電動汽車采暖能耗的影響分析

汪 爽 雍安姣 俞志偉 付永宏 張林波

（1.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術研發總院，安徽 蕪湖 241006；2.安徽工程大學機械工程學院，安徽 蕪湖2 41000）

0 引言

電動汽車以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，在使用過程中不會產生廢氣污染環境，成為二氧化碳減排政策推動下的優勢發展車型，受到全球整車制造商和廣大用戶的追捧。電動汽車還具有使用費用低、能源利用率高、技術相對成熟和結構簡單的優點[1-3]，但與傳統內燃機汽車相比，開空調引起的續航里程縮減嚴重問題大幅削減了其競爭優勢[4]。

在冬季，電動汽車可利用的余熱有限，不能夠滿足乘員采暖和電池加熱需求，需要布置額外的加熱器。目前，電動汽車冬季采暖通常有兩種模式，各種類型的熱泵和正溫度系數電阻加熱系統。

張皓等人[5]通過試驗分析了熱泵系統和正溫度系數電阻加熱系統的采暖性能，發現正溫度系數電阻加熱系統在-5～3℃環境溫度下采暖功率為3 kW左右，可見冬季乘員艙采暖的能耗負荷很大。

彭慶豐等人[6]設計了一種新型電動汽車熱泵空調系統，并與電加熱采暖方式進行了實車對比，結果表明熱泵系統能夠節能15%以上。

除了可以通過開發熱泵系統來緩解電動汽車冬季續航里程衰減嚴重的問題，還有學者針對熱泵系統的壓縮機控制策略以及制冷劑流量分配等方面進行研究。

鄭利楠[7]提出了一種低壓補氣型熱泵空調系統，并基于KULI仿真軟件研究了其冬季制熱性能，建立了相應的壓縮機控制策略。

Xing Xu等人[8]提出了一種新型熱泵空調系統控制策略，并利用PID控制原理控制支路的過熱度。然而，基于現有的采暖方案和控制策略，冬季電動汽車乘員艙采暖對整車續航里程的影響仍然較大，優化采暖能耗迫在眉睫。

考慮到乘員艙濕度過大會引起前擋風玻璃起霧，并且二氧化碳濃度過高會影響駕駛安全，因此采暖工況下汽車基本采用全外循環的采暖方案。外循環時乘員艙采暖能耗很大，若適當引入回風可以在一定程度上降低采暖的能耗，為此各車企和零部件供應商正在攻關相應的技術難題。然而，目前回風的影響研究少，且沒有考慮風量對采暖速率和能耗的影響，為支持主機廠開發空調系統控制策略，本文擬針對相關問題開展深入研究。

本文通過系統仿真的方法，針對以PositiveTemperature Coefficient（PTC）作為采暖部件的電動汽車進行研究。基于KULI軟件搭建仿真模型，分析風量以及回風比例對采暖速率和采暖能耗的影響。

1 仿真模型

以PTC作為采暖部件的電動汽車采暖回路如圖1所示，其主要由水泵、PTC、暖風芯體和鼓風機等組成，電機余熱回收及電池加熱本文暫不考慮。

Magna KULI是一款系統級熱平衡仿真軟件，在整車熱管理仿真分析領域應用廣泛，本文采用KULI 15.0軟件來建立仿真模型，仿真模型如圖2所示。

為最大限度地反映真實采暖工況，仿真模型中添加了一個質量點作為熱容件，防止因PTC功率變化帶來的水溫突變問題。

采暖使用的乘員艙模型在圖2所示的Warmup Simple Cabin系統中，其體積為3.8 m3，車身外表面面積為18 m2，強擋風玻璃面積和傾角分別為1.2 m2和32°。為評估系統最大采暖性能，采暖分析工況為陰天，即太陽輻射為0 W/m2。

該系統中采用的PTC為水暖加熱器，最大加熱功率為7.5 kW，熱效率為0.9。在實際使用過程中，由于水溫和水流量的限制，PTC往往不能工作在期望的功率下，其最大加熱功率與入口水溫和水流量之間的關系如圖3所示。水泵功率為100 W，鼓風機共有7個檔位，不同檔位下采暖風量與功率如表1所示。

表1 不同檔位下鼓風機風量與功率

2 結果分析

2.1 檔位對采暖性能的影響

2.1.1 檔位對采暖速率的影響

為適應人群差異及使用需求，汽車空調出風設置有多個檔位。在采暖初始階段，用戶普遍認為風量越大采暖效果越好，艙內溫度將更快達到目標溫度。若忽略風速對乘員熱舒適性的影響，僅以乘員艙升溫速率作為評價指標，由于外循環時空調系統負荷大，最高擋風量并不一定就是最佳采暖方案。

本文針對不同環境溫度下（-20/-10/0/10/20℃）檔位對乘員艙采暖升溫速率的影響進行了分析，結果如圖4所示。仿真過程中乘員艙腳部空氣目標溫度設置為25℃。從圖4中可以發現，最高升溫速率對應的風量往往不是最大風量，而是要受環境溫度的影響。環境溫度為20℃時，最佳采暖風量為7擋，隨著環境溫度下降，與之對應的采暖風量逐漸降低。當環境溫度為-20℃時，乘員艙在6擋和7擋風采暖方案下不能實現風溫目標。

圖5 總結了環境溫度與升溫最快對應的風量檔位，可以看出環境溫度對最佳采暖風量的影響較大，隨著環境溫度從-20℃變化到20℃，最佳采暖風量從4擋變化到7擋。該結論為用戶冬季選擇最佳風量提供了參考，還可為主機廠制訂自動空調控制策略提供指導。

2.1.2 檔位對采暖能耗的影響

上節分析了風量檔位對乘員艙采暖升溫速率的影響，除此之外，風量對整車續航里程是否有影響還不清楚，本節將開展相關的分析工作。假設用戶單次通勤時間為60 min，艙內腳部空氣平均溫度達到25℃后風量設置為4擋，仿真計算得到采暖能耗。采暖能耗包括PTC、鼓風機和水泵的能耗，其計算公式如下：

式中：PT為耗電量（kW·h）；Pp為水泵耗電量（kW·h）；PB為鼓風機耗電量（kW·h）；PH為PTC耗電量（kW·h）。

不同方案下單次通勤能耗結果如表2所示。考慮到風量低于4擋乘員熱舒適性較差，故放棄1～3擋風量的采暖方案。從表2可以看出，風量不僅對采暖速率有影響，對采暖能耗也有一定的影響，因此在制訂空調系統控制策略時要考慮風量帶來的影響。

表2 不同采暖方案下系統能耗 單位：kW·h

2.2 回風對采暖性能的影響

2.2.1 回風對采暖速率的影響

冬季汽車前擋風玻璃溫度低，若乘員艙濕度過高擋風玻璃易起霧，進而影響駕駛安全，為此，采暖工況下汽車基本采用全外循環的采暖方案。外循環對乘員艙采暖帶來的能耗影響很大，若適當引入回風可以在一定程度上降低采暖能耗，為此各車企和零部件供應商正在攻關相應的技術難題。然而，回風比例對降低乘員艙采暖能耗的影響還不清楚，為此本文開展了相關的分析工作。

針對不同環境溫度（-20/-10/0/10/20℃）分析了回風比例分別為0%、10%、20%和30%時乘員艙的采暖升溫速率，結果如圖6所示。從圖中可以發現，隨著回風比例的升高，乘員艙達到目標溫度所需要的時間在縮短，意味著更好的采暖效果，且環境溫度越低提升越明顯。環境溫度為-20℃時，若回風比例為0%，6擋和7擋風不能滿足采暖要求；回風比例為20%時，6擋風可以滿足采暖需求；回風比例為30%時，7擋風可以滿足采暖需求。熱舒適性不僅與空氣溫度有關，風速也有一定的影響。某些大型SUV空間大，若風量小會影響其乘員熱舒適性，此時若適當引入回風可提高最大風量上限，從而較好地提升其整體熱舒適性。

2.2.2 回風對整車續航里程的影響

引入回風不僅可以提升乘員艙采暖速率，還可以降低采暖能耗，為評估不同回風比例對采暖能耗的影響，本節針對某電動汽車開展了分析工作。某電動汽車動力電池總電量為90 kW·h，1個CLTC（China Light Vehicle Test Cycle）循環下驅動能耗為4.06 kW·h，不開空調的情況下純電續航里程為643 km。假設用戶冬季每次用車時間為60 min，不同采暖方案下先選擇升溫最快檔位風量，艙內溫度穩定后選用4擋風。整車能耗包含驅動能耗和空調系統能耗，綜合計算后得到不同采暖方案下整車續航里程如圖7所示。

從圖7可以看出，冬季空調系統對整車續航里程的影響很大，-20℃環境溫度下續航里程相對于常溫下降了50%以上，提升空調系統效率或降低采暖能耗對提升電動汽車冬季續航里程效果顯著。橫向對比還可以發現，隨著環境溫度的升高，回風對續航里程的提升效果逐漸減弱，-20℃環境溫度下30%的回風比無回風續航里程提升了27 km，而20℃環境溫度下30%的回風比無回風續航里程僅提升了8 km。

3 結論

本文以PTC為采暖方案的某電動汽車作為分析對象，分析了回風比例和風量對不同環境溫度下電動汽車采暖效果的影響，取得的主要研究結論如下：

（1）最高升溫速率對應的風量往往不是最大風量，而是與環境溫度相關。環境溫度為20℃時，最佳采暖風量為7擋，隨著環境溫度下降，與之對應的采暖風量逐漸降低，環境溫度為-20℃時，最佳采暖風量為4擋。

（2）風量不僅對采暖速率有影響，對采暖能耗也有一定的影響，因此在制訂空調系統控制策略時要考慮風量帶來的影響。

（3）隨著回風比例的升高，乘員艙達到目標溫度所需要的時間在縮短，且可以提升低溫工況下的最大工作風量。

（4）-20℃環境溫度下30%的回風比無回風續航里程提升了27 km，而隨著環境溫度的升高，回風對續航里程的提升效果逐漸減弱，20℃環境溫度下30%的回風僅提升了8 km。