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使用熱泵的混合動力汽車熱管理

2021-11-05 19:20:20·  來源：AutoAero  
　
摘要本文介紹了在寒冷天氣下使用熱泵系統(tǒng)的混合動力汽車（HV）的熱管理。HV的一個優(yōu)點是通過電機和發(fā)動機的耦合和優(yōu)化控制提供車輛系統(tǒng)的高效率。然而，在傳統(tǒng)的
摘要
本文介紹了在寒冷天氣下使用熱泵系統(tǒng)的混合動力汽車（HV）的熱管理。HV的一個優(yōu)點是通過電機和發(fā)動機的耦合和優(yōu)化控制提供車輛系統(tǒng)的高效率。然而，在傳統(tǒng)的HV中，在寒冷天氣下會觀察到燃油經(jīng)濟性下降，因為使用發(fā)動機將熱量傳遞到座艙會降低車輛系統(tǒng)的效率。在這項研究中，熱泵與發(fā)動機相結(jié)合，用于熱管理，以減少燃油經(jīng)濟性下降。熱泵配有一個電動壓縮機。發(fā)動機和熱泵產(chǎn)生的熱量被輸送到發(fā)動機和座艙，因為發(fā)動機需要快速預(yù)熱以減少排放，座艙需要熱量以提供熱舒適性。為控制來自發(fā)動機和熱泵的熱流，找到了一種控制發(fā)動機和熱泵以降低燃油消耗的最佳方法。為此，使用一維熱力車輛模型進行優(yōu)化，并在原型車輛上測量優(yōu)化系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性，與傳統(tǒng)HV相比，優(yōu)化系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性提高了10%。

介紹
各種因素都會影響燃油經(jīng)濟性下降，包括環(huán)境溫度的變化。在炎熱的天氣下，消耗能量來冷卻客艙，但在寒冷天氣下，熱能被輸送到發(fā)動機以減少排放，同時也被輸送到座艙以提供熱舒適性。圖1顯示了環(huán)境溫度對內(nèi)燃機（ICE）車輛和HV燃油經(jīng)濟性退化的影響，寒冷天氣下的燃油經(jīng)濟性退化大于炎熱天氣，尤其是混合動力汽車。


圖1 HV和ICE車輛的季節(jié)性燃油經(jīng)濟性
為了提高寒冷天氣下的燃油經(jīng)濟性，開發(fā)了一種帶有熱泵的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有效地將電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過縮短發(fā)動機停機時間來提高高壓燃油經(jīng)濟性。在傳統(tǒng)HV中，發(fā)動機怠速會產(chǎn)生熱量，在不需要能量進行駕駛或為蓄電池充電時，熱量會傳遞到發(fā)動機和座艙，圖2（a）。在這種情況下，發(fā)動機的工作效率非常低，然而，如圖2（b）所示，在HV中使用熱泵可通過減少發(fā)動機怠速時間來產(chǎn)生熱量，從而提高發(fā)動機效率。


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‍ 圖2 傳統(tǒng)混合動力汽車和帶有熱泵的系統(tǒng)中能量產(chǎn)生的路徑‍
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系統(tǒng)描述
圖3顯示了傳統(tǒng)HV的冷卻液回路，這是與帶熱泵的優(yōu)化系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性進行比較的基準系統(tǒng)。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，來自發(fā)動機的廢熱被輸送到發(fā)動機和加熱器芯，以提供熱舒適性。圖4顯示了提出的冷卻液回路，該回路帶有水冷冷凝器，熱泵產(chǎn)生的熱量通過制冷劑輸送到該冷凝器，冷卻液回路使用切斷閥控制來自發(fā)動機和熱泵的熱流，切斷閥在集成冷卻液回路和獨立冷卻液回路之間切換。在集成冷卻液回路中，來自發(fā)動機的廢熱和熱泵產(chǎn)生的熱量在同一回路中使用，在獨立冷卻液回路中，發(fā)動機冷卻液回路與熱泵冷卻液回路分開，而且兩者之間沒有熱量傳遞。為了降低燃油消耗并保持寒冷天氣下客艙乘客的熱舒適性，找到了一種管理發(fā)動機廢熱和熱泵產(chǎn)生的熱量以預(yù)熱發(fā)動機并加熱客艙的最佳方法。該系統(tǒng)的優(yōu)點是，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，發(fā)動機停止冷卻液溫度較低，因此發(fā)動機停止時間更快。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，目標發(fā)動機停止冷卻液溫度由座艙的熱舒適性決定，在5°C的環(huán)境溫度下冷啟動時，目標發(fā)動機停止冷卻液溫度約為60°C。但是，在帶熱泵的系統(tǒng)中，目標發(fā)動機停止冷卻液溫度由發(fā)動機排放確定并設(shè)置為40°C，而座艙的熱舒適性由熱泵提供。然而，在帶有熱泵的系統(tǒng)中，熱泵消耗的電能可能導(dǎo)致燃油經(jīng)濟性降低，因此，最小化熱泵的電力消耗是優(yōu)化的關(guān)鍵。


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‍ ‍圖3 常規(guī)混合動力汽車冷卻液回路的布局‍
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圖4 帶有熱泵系統(tǒng)的冷卻液回路布局
結(jié)果和討論
傳統(tǒng)系統(tǒng)和帶熱泵的系統(tǒng)的冷卻液回路配置有一維商業(yè)軟件，并與車輛模圖（5）型相結(jié)合，模型中的混合動力系統(tǒng)采用第四代Prius。熱泵有一個與環(huán)境空氣進行熱量交換的蒸發(fā)器，以及一個水冷式冷凝器。蒸發(fā)器的尺寸與傳統(tǒng)系統(tǒng)中的冷凝器相同，水冷式冷凝器不是亞冷式冷凝器，電動壓縮機是由Denso制造的ES27。在一維模型中，計算了壓縮機的電功率以及水冷式冷凝器和蒸發(fā)器的加熱能力，這三個參數(shù)隨環(huán)境條件（如環(huán)境溫度和速度）而變化。


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‍ 圖5 帶熱泵系統(tǒng)的一維熱管理模型‍
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熱管理概念
優(yōu)化控制系統(tǒng)需要考慮對混合動力汽車燃油經(jīng)濟性有影響的參數(shù)，如圖6所示。燃油經(jīng)濟性由發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩決定，在HV控制系統(tǒng)中進行了優(yōu)化，用于優(yōu)化的條件包括車速、發(fā)動機停止時間和壓縮機電功率。發(fā)動機停機時間在很大程度上取決于發(fā)動機冷卻液溫度。壓縮機的電功率受水冷冷凝器的加熱能力的影響，水冷冷凝器用于獲得與傳統(tǒng)系統(tǒng)中相同的進口加熱器芯冷卻液溫度。此外，由于電路的切換，發(fā)動機冷卻液溫度和進氣加熱器芯溫度相互影響，因此，應(yīng)注意發(fā)動機冷卻液溫度和進氣加熱器芯溫度。這兩個溫度之間的關(guān)系導(dǎo)致圖7所示的三個系統(tǒng)階段，階段1是發(fā)動機冷卻液溫度達到40°C以完成發(fā)動機預(yù)熱的階段；階段2是空調(diào)鼓風(fēng)機接通以加熱座艙且目標加熱器芯冷卻液溫度超過發(fā)動機冷卻液溫度的階段，目標加熱器芯冷卻液溫度設(shè)置為與傳統(tǒng)系統(tǒng)
中相同的溫度，以獲得相同的座艙加熱器性能；階段3是發(fā)動機冷卻液溫度升高的階段超過目標加熱器芯冷卻液溫度。在這三個階段中，研究了冷卻液回路之間切換的時間、發(fā)動機和熱泵的熱量利用方式以及每個冷卻液回路的流量，以最大限度地降低燃油消耗。熱泵熱管理的優(yōu)化問題如圖6所示。


圖6 帶有熱泵的HV中影響燃油經(jīng)濟性的參數(shù)之間的關(guān)系


圖7 帶有熱泵系統(tǒng)的三個過程


圖8 帶熱泵熱管理的優(yōu)化問題
熱管理優(yōu)化
優(yōu)化評估需要了解燃油經(jīng)濟性和單個冷卻液溫度的影響，如表1所示，比較了冷卻液回路固定到集成冷卻液回路和冷卻液回路固定到獨立冷卻液回路的情況。發(fā)動機停機冷卻液溫度設(shè)置為40°C，這對于兩種情況下的發(fā)動機排放都是必要的。控制熱泵的壓縮機轉(zhuǎn)速，以獲得與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同的入口加熱器芯溫度，如圖9所示。情況1中，加熱器芯的冷卻液流速為10 L/min，排氣熱再循環(huán)為6 L/min，以避免冷卻液沸騰，發(fā)動機需要18L/min的流量，因為節(jié)氣門中的流量被添加到加熱器芯和EHR的流量中。情況2中加熱器芯的冷卻液流速為10 L/min，與情況1相同，發(fā)動機的冷卻液流速降低到3 L/min，即最小冷卻液流速。兩種情況下的初始荷電狀態(tài)（SOC）均設(shè)置為60%。圖10顯示了這兩種情況的結(jié)果。圖10（d）中所示的車輛能量表示瞬時燃油消耗量乘以較低的熱值，與蓄電池消耗的功率相加。兩種情況下車輛能量的差異表明，在給定的時間內(nèi)，哪些情況可以用較少的能量進行控制。在第1階段，使用發(fā)動機余熱預(yù)熱發(fā)動機的獨立回路具有更好的燃油經(jīng)濟性，因為發(fā)動機流速越低，發(fā)動機冷卻液溫度上升越快，從而發(fā)動機停機時間越短。相比之下，在集成電路中，由于發(fā)動機的廢熱被輸送到加熱器，因此降低了功耗，但發(fā)動機停止時間越快，對燃油經(jīng)濟性的影響就越大；在第2階段，獨立回路具有更好的燃油經(jīng)濟性，因為熱泵產(chǎn)生的座艙熱量只會降低壓縮機的電功率；在第3階段，集成電路具有更好的燃油經(jīng)濟性，因為座艙熱量由發(fā)動機的廢熱提供，熱泵不需要產(chǎn)生熱量。本案例研究提供了熱管理的粗略優(yōu)化，但也提出了如果熱泵無法滿足入口加熱器芯的目標冷卻液溫度，在第2階段會發(fā)生什么的問題。這個問題適用于非常低的環(huán)境溫度，因為熱泵的容量隨著環(huán)境溫度的下降而降低，為了克服這個問題，選擇了集成電路，設(shè)置了更高的發(fā)動機停機溫度，并將發(fā)動機余熱與熱泵產(chǎn)生的熱量結(jié)合起來，以達到入口加熱器芯的目標溫度。
表1 僅適用于集成電路和獨立電路控制方法




圖9 與傳統(tǒng)車輛相同的加熱器性能的目標入口加熱器芯冷卻液溫度


圖10 情況1和情況2的結(jié)果比較
如圖11所示，使用熱泵產(chǎn)生熱量比使用發(fā)動機更有效。因此，發(fā)動機停機冷卻液溫度應(yīng)在滿足目標溫度的范圍內(nèi)盡可能低。例如，在-5°C的環(huán)境溫度下，以最大容量運行的熱泵不符合入口加熱器芯的目標溫度。因此，如表2所示，集成電路用于將來自熱泵的熱量與來自發(fā)動機的廢熱相結(jié)合，以達到該目標溫度。發(fā)動機停機冷卻液溫度的參數(shù)研究如圖12所示。這些結(jié)果表明，通過結(jié)合發(fā)動機和熱泵，滿足目標溫度的最低發(fā)動機停機冷卻液溫度為50℃。


圖11針對傳統(tǒng)系統(tǒng)和帶熱泵系統(tǒng)的1g燃油消耗量，比較產(chǎn)生的熱量


圖12 環(huán)境溫度為-5°C時第2階段發(fā)動機停止冷卻液溫度的參數(shù)研究
為了總結(jié)案例研究，根據(jù)熱泵的容量和發(fā)動機的廢熱容量優(yōu)化了熱管理，如圖13所示。發(fā)動機余熱容量過剩或不足之間的差異決定了發(fā)動機余熱是否能夠達到座艙加熱器性能的目標。相同的定義適用于熱泵的過剩和短缺容量之間的差異。根據(jù)發(fā)動機預(yù)熱條件、發(fā)動機工作點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機扭矩）和目標進氣加熱器芯溫度判斷廢熱容量是否過量或不足。如圖14所示，熱泵的容量高度依賴于環(huán)境溫度，因為它從環(huán)境空氣中泵出熱量。熱泵的過?；虿蛔闳萘坑森h(huán)境溫度決定，因為座艙的目標加熱器性能也由環(huán)境溫度決定。此外，由于前端蒸發(fā)器結(jié)霜或壓縮機中的機油再循環(huán)減少，熱泵不能在非常低的溫度下使用。


圖13 使用熱泵容量和發(fā)動機廢熱容量的方法


圖14熱泵容量過剩、不足或無容量的示例
試驗
使用第四代Prius制造了一輛原型車，以驗證優(yōu)化系統(tǒng)，并將燃油經(jīng)濟性與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行比較。除了通過研究一維熱模型發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化控制外，還對該系統(tǒng)的高壓控制進行了優(yōu)化，并同步了發(fā)動機和熱泵的開啟時間。HV控制的優(yōu)化涉及增加蓄電池充電的目標功率，以獲得更快的發(fā)動機停機時間。圖22和23顯示了發(fā)動機和熱泵啟動同步的詳細信息。在加熱器芯冷卻液溫度達到40°C之前，空調(diào)鼓風(fēng)機不會打開。因此，如果加熱器芯冷卻液溫度達到40°C的時間沒有改變，則在空調(diào)鼓風(fēng)機打開之前，無論加熱器芯的溫升更快或更慢，加熱器性能都不會改變。使發(fā)動機接通與熱泵接通同步可減少能量損失，因為熱泵的能量直接由發(fā)動機產(chǎn)生，而無需使用蓄電池。


圖15空調(diào)鼓風(fēng)機啟動前壓縮機轉(zhuǎn)速控制的最佳方式


圖16 以最佳方式傳輸至壓縮機的功率路徑
燃油經(jīng)濟性與熱舒適性
到目前為止，我們的注意力局限于具有與傳統(tǒng)高壓系統(tǒng)相同的座艙加熱器性能，并提高燃油經(jīng)濟性。然而，熱泵的另一個特點是快速預(yù)熱，因為熱泵能夠?qū)㈦娔芸焖俎D(zhuǎn)換為熱能。因此，與使用發(fā)動機余熱的傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)相比，座艙的加熱速度更快。圖17顯示了燃油經(jīng)濟性改善與達到中性熱舒適的相對時間之間的關(guān)系。如圖所示，當燃油經(jīng)濟性與傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)相同時，達到中性熱舒適的時間減少一半，燃油經(jīng)濟性和熱舒適性的平衡點可以根據(jù)用戶的喜好進行優(yōu)化。


圖17燃油經(jīng)濟性與熱舒適性

結(jié)論
通過使用一維熱力車輛模型，找到了在寒冷天氣下控制高壓發(fā)動機和熱泵并最小化燃油消耗的最佳方法。冷卻液回路之間的切換改變了發(fā)動機和熱泵的熱流，這種熱管理可降低發(fā)動機停機冷卻液溫度，縮短發(fā)動機停機時間，從而提高燃油經(jīng)濟性。發(fā)動機冷卻液溫度和進氣加熱器芯溫度之間的關(guān)系導(dǎo)致三個系統(tǒng)階段。階段1是發(fā)動機冷卻液溫度達到40°C以完成發(fā)動機預(yù)熱的階段；階段2是空調(diào)鼓風(fēng)機接通以加熱座艙且目標加熱器芯冷卻液溫度超過發(fā)動機冷卻液溫度的階段；目標加熱器芯冷卻液溫度設(shè)置為與傳統(tǒng)系統(tǒng)中相同的溫度，以獲得相同的座艙加熱器性能；階段3是發(fā)動機冷卻液溫度超過目標加熱器芯冷卻液溫度的階段。在這三個階段中，研究了冷卻液回路之間切換的時間、發(fā)動機和熱泵的熱量利用方式以及每個冷卻液回路的流量，以最大限度地降低燃油消耗。優(yōu)化的控制系統(tǒng)隨熱泵的熱容量而變化。根據(jù)熱泵的熱容量和目標加熱器的性能，控制系統(tǒng)分為三種模式。如果熱泵的熱容滿足目標加熱器性能（模式A），座艙加熱使用熱泵的熱容，目標發(fā)動機停止冷卻液溫度由發(fā)動機排放確定。如果熱泵的熱容不符合目標加熱器性能（模式B），座艙加熱將使用熱泵的熱容和發(fā)動機的余熱，并且目標發(fā)動機停止冷卻液溫度應(yīng)盡可能低，同時仍符合目標。如果由于前端蒸發(fā)器結(jié)霜（模式C）而無法使用熱泵，則座艙加熱使用發(fā)動機的余熱，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)相同。這三種模式主要由環(huán)境溫度決定，熱泵容量和目標加熱器性能高度依賴于環(huán)境溫度。我們使用原型車輛驗證了該系統(tǒng)。除了通過研究一維熱模型發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化控制外，還對混合動力系統(tǒng)控制進行了優(yōu)化，并同步發(fā)動機和熱泵的開啟時間，以減少電池中的能量損失。結(jié)果表明，在5°C的環(huán)境溫度下，發(fā)動機停機時間縮短300秒，燃油經(jīng)濟性提高10%。

參考文獻：Okamoto, K.;Aikawa, H.;Ohmikawa, M.;Hayashi, K..Thermal management of a hybrid vehicle using a heat pump(Conference Paper)[J].SAE Technical Papers,2019,Vol.2019
 
 

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