某電動(dòng)皮卡空調(diào)系統(tǒng)性能仿真與試驗(yàn)研究

何小明 ，黃 勤 ，劉 洋

（江西五十鈴有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

0 引言

電動(dòng)皮卡以其零排放、維修保養(yǎng)方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，成為商用皮卡發(fā)展的新興趨勢(shì)。電動(dòng)皮卡在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)燃油型皮卡存在較大差異，電動(dòng)皮卡沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，使用蓄電池提供的電能驅(qū)動(dòng)，即壓縮機(jī)只能采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)闆]有發(fā)動(dòng)機(jī)，也就不存在利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水帶來(lái)的余熱進(jìn)行除霜除霧。因此，傳統(tǒng)的蒸發(fā)器總成應(yīng)用于電動(dòng)車時(shí)，因沒有供暖的散熱器而結(jié)構(gòu)需產(chǎn)生設(shè)變，需要重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)皮卡的空調(diào)系統(tǒng)性能[1-3]。

電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括冷凝器、蒸發(fā)器、電動(dòng)制冷壓縮機(jī)、膨脹閥、管路等，電動(dòng)汽車的制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)動(dòng)力汽車基本相同，由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、膨脹閥、儲(chǔ)液干燥器和高低壓管路附件等組成[4-5]。

圖1 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)

本研究基于某燃油皮卡車型結(jié)構(gòu)，借助CAE仿真軟件及環(huán)模試驗(yàn)設(shè)備，開展了基礎(chǔ)皮卡和電動(dòng)皮卡的乘員艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)吹面模式的CFD 流場(chǎng)和駕駛室前擋風(fēng)玻璃除霜性能CFD對(duì)比分析，并在某環(huán)模實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)某電動(dòng)皮卡空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了除霜性能試驗(yàn)，詳細(xì)分析了CFD仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，校核該電動(dòng)皮卡空調(diào)系統(tǒng)性能，為同類車型空調(diào)系統(tǒng)性能分析提供參考。

1 純電動(dòng)皮卡空調(diào)性能CAE分析

隨著商用電動(dòng)汽車品牌日益繁榮，用戶對(duì)于電動(dòng)汽車的舒適性能指標(biāo)追求也在不斷提高。車載空調(diào)系統(tǒng)，包括制冷、供暖、除霜除霧、調(diào)節(jié)空氣濕度、凈化車內(nèi)空氣質(zhì)量等功能，對(duì)于提升駕乘人員舒適性能及降低人員疲勞感、保障車內(nèi)人員的呼吸健康起著非常重要的作用[6-8]。

1.1 電動(dòng)皮卡內(nèi)流場(chǎng)性能CFD分析

采用Starm C++軟件對(duì)基礎(chǔ)車型和電動(dòng)皮卡車型的乘員艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的吹面進(jìn)行CFD 分析，搭建的有限元模型如圖2 所示。入口邊界條件為進(jìn)口流量為430 m3/h，出口邊界條件為壓力出口靜壓力為0，壁面處理方式采用Two-Layer Ally方式，空氣物性參數(shù)包括空氣密度為1.22 kg/m3，空氣黏度為1.85×10-5Pa·s。

圖2 某電動(dòng)皮卡乘員艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)吹面CFD分析有限元模型

為得到乘員艙內(nèi)前后排乘員的流場(chǎng)性能，詳細(xì)開展了對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖3 所示?？梢缘贸?，基礎(chǔ)車型和電動(dòng)皮卡車型，在中間通道，流場(chǎng)較為順暢，但是在駕駛員一側(cè)，基礎(chǔ)車型流場(chǎng)阻力較大，回流更為明顯，制冷效果消耗比更大，在優(yōu)化了出風(fēng)口角度后，電動(dòng)汽車在駕駛側(cè)流場(chǎng)改善明顯，空調(diào)性能得到提升。

圖3 吹面模式內(nèi)流場(chǎng)性能分布對(duì)比圖

1.2 電動(dòng)皮卡前擋風(fēng)玻璃除霜CFD分析

汽車，其使用場(chǎng)景復(fù)雜多變，一方面受道路路況好壞的影響，另一方面也會(huì)受到天氣的影響，在惡劣的天氣工況下，例如雨雪雨霧天氣，前擋風(fēng)玻璃容易凝霜，造成駕駛員視野模糊不清晰，極易產(chǎn)生交通事故[9-10]。良好的汽車空調(diào)系統(tǒng)，需要具備優(yōu)異的除霜除霧能力?；诖?，本研究開展了電動(dòng)汽車駕駛室前擋風(fēng)玻璃除霜CFD 分析。搭建有限元模型并按GB 11556—1994確認(rèn)前擋風(fēng)玻璃的A區(qū)、A'區(qū)以及B區(qū)，如圖4 所示。邊界條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，入口流量為430 m3/h，風(fēng)管壓損不超過(guò)100 Pa，駕駛室前擋風(fēng)玻璃CFD 除霜性能對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。可以判斷，較基礎(chǔ)車型，電動(dòng)汽車流量增大，覆蓋面積得到擴(kuò)增，基本覆蓋A區(qū)和B區(qū)，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖4 有限元模型及前擋風(fēng)玻璃A區(qū)、A'區(qū)及B區(qū)

圖5 駕駛室前擋風(fēng)玻璃CFD除霜性能對(duì)比圖

2 純電動(dòng)皮卡空調(diào)性能試驗(yàn)分析

根據(jù)GB/T 24552—2009 要求，每輛電動(dòng)汽車應(yīng)裝備一套除霜裝置，除霜試驗(yàn)開始后20 min 內(nèi)，至少應(yīng)將A 區(qū)80%面積的霜除凈，試驗(yàn)后的25 min 內(nèi)，至少應(yīng)將A'區(qū)80%面積的霜除凈，試驗(yàn)開始后的40 min 內(nèi)，至少應(yīng)將B 區(qū)90%的霜除凈。本研究在某環(huán)模試驗(yàn)室內(nèi)，開展某電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)除霜性能試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)程中詳細(xì)拍照記錄除霜過(guò)程。

本研究所開展的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜試驗(yàn)系統(tǒng)概述如下：1）加熱器：有效芯體196.2 mm×165.2 mm×27 mm；翅片波寬27 mm，波高4.5 mm，波距1.9 mm；扁管210 mm×1.24 mm×0.22 mm。2）水PTC：5.5 kW±5%。在電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜性能試驗(yàn)中，拍照記錄各關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果照片，得到除霜試驗(yàn)進(jìn)程結(jié)果如圖6所示。

圖6 電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜試驗(yàn)結(jié)果記錄圖

根據(jù)電動(dòng)皮卡的空調(diào)系統(tǒng)除霜性能試驗(yàn)結(jié)果記錄照片，試驗(yàn)開始后15 min，A 區(qū)域有35%已完成除霜，試驗(yàn)開始后40 min，B 區(qū)域有100%已完成除霜，滿足GB/T 24552—2009性能目標(biāo)要求。

3 結(jié)論

綜上所述，研究小組在剖析電動(dòng)皮卡空調(diào)系統(tǒng)的組成及功能的基礎(chǔ)上，借助CFD 流體仿真軟件及環(huán)模室測(cè)試設(shè)備，對(duì)某電動(dòng)皮卡乘員艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)吹面模式的CFD 流場(chǎng)和駕駛室前擋風(fēng)玻璃除霜性能CFD進(jìn)行了對(duì)比分析，并開展了除霜性能試驗(yàn)測(cè)試。仿真結(jié)果表明，該電動(dòng)皮卡空調(diào)性能滿足GB/T 24552—2009要求，提升了電動(dòng)皮卡用戶駕乘感受與品質(zhì)。