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某款純電動汽車采暖系統(tǒng)對續(xù)駛里程影響的試驗研究

2020-04-03 19:06:24·  來源：電動學(xué)堂  
　
作者單位：中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院節(jié)能環(huán)保是全球倡導(dǎo)的主題，純電動汽車必將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢，而續(xù)駛里程是影響電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。
作者單位：中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院
 
節(jié)能環(huán)保是全球倡導(dǎo)的主題，純電動汽車必將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢，而續(xù)駛里程是影響電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。純電動汽車沒有發(fā)動機(jī)余熱作為熱源，目前大部分純電動汽車采用PTC電加熱采暖方式來保證冬季駕乘艙舒適性，但PTC效率小于1。研究表明，PTC采暖所消耗的熱能約占整年總能耗的33%，導(dǎo)致冬季續(xù)駛里程大幅減少。熱泵采用逆卡諾循環(huán)，利用少量高品位能源使熱量由低溫?zé)嵩戳飨蚋邷責(zé)嵩?，利用電能將環(huán)境中的熱量泵送到車室內(nèi)，得到的能量為消耗的電能與低位熱能之和。理論上，熱泵的循環(huán)效率會大于1，可增加冬季續(xù)駛里程，但溫度較低時熱泵工作將失效、而PTC制熱工作溫度范圍可低至-35℃。因此，開發(fā)出不同環(huán)境溫度條件下的高效采暖系統(tǒng)對電動汽車持續(xù)快速發(fā)展具有重要意義。
 
1 某款純電動汽車采暖系統(tǒng)
該款純電動汽車采暖系統(tǒng)采用熱泵加高壓風(fēng)暖PTC組成，通過程序控制可以實現(xiàn)兩種采暖方式的單獨工作。該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、室外冷凝器、室內(nèi)冷凝器、儲液罐、三通閥等組成，通過閥門等附屬設(shè)備改變制冷劑的流向，實現(xiàn)制冷、制熱兩種模式的切換，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
當(dāng)熱泵系統(tǒng)處于制熱模式時，二通閥關(guān)閉，通過蒸發(fā)器的三通閥關(guān)閉，壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入室內(nèi)冷凝器，通過液化放熱反應(yīng)，等制冷劑攜帶的熱量傳遞給車室內(nèi)的空氣，接著制冷劑通過節(jié)流閥的節(jié)流降壓后，經(jīng)過室外冷凝器，并通過蒸發(fā)氣化吸收環(huán)境中的熱量，在壓縮機(jī)的抽吸下完成制熱循環(huán)。
2 熱泵、PTC兩種采暖方式對續(xù)駛里程影晌的試驗
2.1 試驗方法
試驗在低溫環(huán)境倉底盤測功機(jī)上進(jìn)行，采用NEDC循環(huán)，試驗過程依據(jù)GB/T18386-2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》。參考國內(nèi)外關(guān)于熱泵、PTC最佳工作溫度范圍的相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合試驗車輛實際情況，選取了-10℃、0℃、5℃三個溫度點，共計9組試驗進(jìn)行采暖方式對續(xù)駛里程的影響研究，具體試驗方案如表1所示。
 
2.2 試驗儀器和設(shè)備
本文試驗儀器和設(shè)備采時德國lPETRONlK公司、奧地利李斯特公司的產(chǎn)品，擁有超高的儀器設(shè)備精度和穩(wěn)定度，極大地保證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，儀器和設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表2所示。
 
3 試驗結(jié)果及分析
3.1 試驗結(jié)果可行性分析
熱泵、PTC單獨采暖工況下，整個采暖過程中頭部溫度均值對比情況如表3所示、風(fēng)量檔位變化時間對比情況如表4所示。
 
 
表3、表4數(shù)據(jù)顯示：
1）熱泵、PTC單獨工作時，頭部升溫速率以及穩(wěn)定階段的頭部溫度均值相差不大，說明自動空調(diào)控制精度較高。
2）試驗過程風(fēng)量檔位變化時間基木一致，對結(jié)果影響較小。
以上數(shù)據(jù)說明兩種采暖方式采暖效果一致性較好，續(xù)駛里程對比具有可行性。
3.2 試驗結(jié)果概述
對整個試驗過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算，得到熱泵、PTC兩種采暖方式下的續(xù)駛里程及能量相關(guān)指標(biāo)的對比情況如表5所示。
 
由表5數(shù)據(jù)可以看出，冬季空調(diào)采暖使續(xù)駛里程大幅度下降，溫度越低，整車能量消耗率越高，里程降幅越大。其中，-10℃工況下由于熱泵、PTC空調(diào)采暖使續(xù)駛里程分別下降了29%、26%。
三種環(huán)境溫度下，-10℃工況下，熱泵采暖的續(xù)駛里程比PTC采暖小，整年能量消耗率也比PTC采暖大，熱泵采暖效率低。0℃、5℃工況下，熱泵采暖的續(xù)駛里程比PTC采暖略大，整年能量消耗率比PTC采暖小，但相差不大，熱泵采暖節(jié)能優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯。續(xù)駛里程、整車能量消耗率的直觀對比情況如圖2、圖3所示。
 
3.3 采暖系統(tǒng)能耗對比分析
圖4、圖5給出了各種工況下熱泵、PTC單獨采暖情況下的采暖系統(tǒng)總能耗、總能耗占整車百分比的對比圖。
 
從圖4、圖5可以看出，-10℃工況下，熱泵采暖系統(tǒng)總能耗以及總能耗占整年百分比都比PTC采暖高，且相差較大，該溫度為熱泵系統(tǒng)工作的極限溫度，采暖效率低，低于-10℃環(huán)境溫度，不建議采用熱泵采暖。0℃、5℃工況下，熱泵采暖的總能耗以及總能耗占整車百分比PTC采暖低，但兩者差距不大，在該溫度范圍內(nèi)，熱泵采暖略有優(yōu)勢，且溫度越高，優(yōu)勢體現(xiàn)越明顯。
 
兩種采暖方式采暖系統(tǒng)各部件的能耗對比分析情況如圖6~圖8所示。
 
 
三種溫度條件下，兩種采暖方式的鼓風(fēng)機(jī)能耗差距不大，這也與試驗過程中風(fēng)量檔位變化時間基本一致相吻合。0℃、5℃工況下，壓縮機(jī)的能耗比PTC小，理論上熱泵采暖有很大節(jié)能優(yōu)勢，但熱泵采暖時的風(fēng)扇能耗較PTC采暖時的零能耗（風(fēng)扇不起動）有很大差距。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)計算，0℃、5℃工況下，熱泵工作時的風(fēng)扇能耗分別占采暖系統(tǒng)總能耗的33.6%、32.7%，這才是造成熱泵在該溫度范圍內(nèi)節(jié)能優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯的主要原因。
 
4 結(jié)論
本文采用實車試驗研究了熱泵、PTC兩種采暖方式對續(xù)駛里程的影響，通過對比不同環(huán)境溫度下兩種采暖方式的續(xù)駛里程以及能量相關(guān)指標(biāo)，得出以下結(jié)論：
 
1)-10℃工況為熱泵系統(tǒng)工作的極限溫度，采暖效率低，低于-10℃環(huán)境溫度，不建議采用熱泵采暖。
 
2)0℃、5℃工況下，熱泵采暖效率較PTC采暖有所提高，但熱泵工作時風(fēng)扇能耗較大，導(dǎo)致節(jié)能優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯。
 
兩種采暖方式各有利弊，建議采用并存模式通過控制策略實現(xiàn)不同環(huán)境溫度下兩種采暖方式的高效運行。熱泵采暖理論上具有諸多優(yōu)勢，如能進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，降低附屬系統(tǒng)能耗（例如風(fēng)扇），提高系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性，對研究開發(fā)高效的電動汽車采暖系統(tǒng)具有重要意義。
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