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某量產(chǎn)電動車型的雙層流熱泵空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)

2022-01-13 00:40:00·  來源：電動學(xué)堂  
　
目前市場上大部分純電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)在冬季制熱時仍采用PTC電加熱制熱?這種方式能耗高,冬季制熱功耗有時會超過整車耗電的50%?近年來,電動空調(diào)技術(shù)進步顯著,
目前市場上大部分純電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)在冬季制熱時仍采用PTC電加熱制熱?這種方式能耗高,冬季制熱功耗有時會超過整車耗電的50%?
近年來,電動空調(diào)技術(shù)進步顯著,節(jié)能的熱泵空調(diào)系統(tǒng)開始大范圍推廣應(yīng)用?此外,隨著新能源汽車的快速發(fā)展,熱泵空調(diào)系統(tǒng)將是新能源汽車搭載的趨勢,開發(fā)高度集成,小型輕量,節(jié)能可靠,降低成本的熱泵空調(diào)系統(tǒng),以較高的節(jié)能效率為客戶提供舒適的駕乘環(huán)境,滿足未來新能源市場的需求?
1. 電動汽車空調(diào)節(jié)能技術(shù)的必要性
在冬季,空調(diào)系統(tǒng)制熱能耗有時會達到車輛總電耗的50%,這會導(dǎo)致純電動汽車的續(xù)駛里程大幅度下降,因此對純電動汽車的空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)提出了更高的要求?純電動汽車在夏季制冷和傳統(tǒng)燃油車一樣需要使用壓縮機?
新能源汽車需要使用電動壓縮機,其中渦旋式壓縮機由于效率高,更適合在純電動汽車上使用?在冬季,大部分純電動汽車采用PTC(Positive Temperature Coefficient)電加熱制熱,而由于PTC電加熱制熱效率低,能耗高,從而導(dǎo)致純電動汽車在冬季的續(xù)駛里程大幅度降低?
因此,純電動汽車必須要提高冬季采暖的制熱效率?本文通過某量產(chǎn)車型空調(diào)系統(tǒng)開發(fā)實例,介紹雙層流熱泵空調(diào)系統(tǒng)?
2. 雙層流HVAC技術(shù)?純電動汽車熱泵技術(shù)
如圖1所示,雙層流HVAC技術(shù)是指通過HVAC內(nèi)部構(gòu)造,從吸入至吹出形成全過程的內(nèi)/外氣氣流分流,在外氣低溫干燥氣流吹前風(fēng)窗玻璃和內(nèi)氣溫?zé)釟饬髦茻嵬瑫r成立的狀態(tài)下,確保車輛前風(fēng)窗玻璃不起霧的同時大幅降低冬季制熱負荷的技術(shù)?
 

如圖2所示,純電動汽車熱泵技術(shù)是指在沒有發(fā)動機冷卻液作為冬季制熱熱源的情況下,通過室外換熱器吸收環(huán)境熱能以及壓縮機做功提供熱源,并以制冷劑和冷卻液作為熱能傳導(dǎo)介質(zhì),為車室內(nèi)提供空調(diào)制熱的技術(shù)? 

3. 純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)特征
如圖3所示,該系統(tǒng)是通過包括電動壓縮機?水冷冷凝器?室外換熱器?HVAC(Heating Ventilation and Air Condi­tioning)?Chiller?儲液罐?水泵?水路PTC在內(nèi)的核心部件組成制冷劑回路和冷卻水回路,通過電磁閥和電子膨脹閥的聯(lián)合工作,實現(xiàn)整車制冷?制熱?電池冷卻?系統(tǒng)除霜等功能,并在核心部件上運用小型?輕量?高效率的節(jié)能技術(shù),為純電動汽車盡可能減少空調(diào)電能消耗的空調(diào)系統(tǒng)?

 

 

3.1 純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理
3.1.1制冷模式
圖4所示為制冷模式回路及莫里爾圖?從壓縮機吐出的高溫高壓的制冷劑氣體,通過靜止的水冷冷凝器(此時由于水泵并不工作,熱能不會被帶往暖風(fēng)芯體)和全開的制熱電子膨脹閥,進入室外熱交換器,在熱交換器中向大氣放熱并冷凝;然后通過制冷電子膨脹閥控制節(jié)流降壓,變成低溫低壓狀態(tài),經(jīng)由蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā),從而冷卻車室內(nèi)空氣?
 

3.1.2電池冷卻模式
圖5所示為電池冷卻模式回路圖(莫里爾圖參考制冷模式)?與制冷模式回路類似,在室外熱交換器中放熱冷凝后的制冷劑,電池冷卻電子膨脹閥控制節(jié)流降壓,變成低溫低壓狀態(tài),經(jīng)由Chiller吸熱蒸發(fā),從而冷卻電池冷卻液?
 

同時,電池冷卻模式可與空調(diào)制冷模式并行,實現(xiàn)圖6所示的車室制冷與電池冷卻的同時運行?
 

3.1.3制熱模式
圖7所示為制熱模式回路及莫里爾圖?從壓縮器吐出的高溫高壓的制冷劑氣體通過水冷冷凝器向空調(diào)冷卻水放熱冷凝,空調(diào)冷卻水被加熱后,通過暖風(fēng)芯體放熱,實現(xiàn)車室內(nèi)制熱?冷凝后的制冷劑則經(jīng)由制熱電子膨脹閥控制節(jié)流降壓,成為低溫低壓狀態(tài),通過室外熱交換器從大氣中吸熱;然后由儲液分離器實現(xiàn)氣液分離,并將分離后的制冷劑氣體再送至壓縮機內(nèi)?

 

而當(dāng)壓縮機制熱能力不足或極低溫環(huán)境下壓縮機不起動的情況下,則需通過空調(diào)水回路自帶PTC,直接加熱冷卻水實現(xiàn)車室制熱?因此,為盡可能降低系統(tǒng)制熱能耗,在開發(fā)初期就需要通過整車尺寸及系統(tǒng)部件的機上模擬(圖8),選擇能夠達成整車室溫目標(biāo)的最合適的系統(tǒng)制熱性能規(guī)格,從而決定熱泵系統(tǒng)的核心機能品規(guī)格?

 

3.1.4系統(tǒng)除霜模式
在制熱模式下,室外交換器處于吸熱蒸發(fā)狀態(tài)?當(dāng)室外溫度低于0°C,長時間使用會導(dǎo)致室外熱交換器表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象?結(jié)霜后,室外熱交換器的熱交換效率就會下降,制熱能力和效率也就下降,因此必須要考慮相應(yīng)的除霜措施?
圖9所示為系統(tǒng)除霜模式回路圖及莫里爾圖?結(jié)霜后需在車輛停車時進行除霜?除霜時,與制熱模式回路類似,但此時室外熱交換器風(fēng)扇和HVAC風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn),制熱電子膨脹閥開度較制熱模式時更大,因此室外熱交換器的壓力會隨之上升,使室外熱交換器溫度超出0°C,達到除霜的目的?
 

3.2 空高調(diào)節(jié)能控制
3.2.1整車制熱負荷抑制
根據(jù)我國駕駛環(huán)境與駕駛習(xí)慣,通過實車制熱工況下的起霧風(fēng)險排摸,實現(xiàn),制熱全工況下的雙層流模式(圖10紅框部分),盡可能發(fā)揮雙層流模式的整車負荷抑制效果,大幅減少冬季空調(diào)制熱的電能消耗? 
3.2.2PTC使用抑制
如圖11所示,根據(jù)我國駕駛環(huán)境與駕駛習(xí)慣,通過實車春?秋季路況,并模擬高濕度?滿員下的車室內(nèi)環(huán)境,在排除車窗起霧風(fēng)險的同時,將PTC理論需起動范圍(圖11藍框范圍)大幅縮小,極大限度抑制PTC的使用,盡可能發(fā)揮熱泵空調(diào)的制熱效率,減少春?秋季空調(diào)制熱的電能消耗?
 

3.2.3制冷與電池冷卻并行控制
在車室制冷與電池冷卻同時運行的工況下,通過制冷電子膨脹閥與電池冷卻電子膨脹閥的開度協(xié)同控制,實現(xiàn)室溫控制與電池溫度控制雙成立?
3.3 整車節(jié)能效果
在冬季路試中,測試了整車在不同環(huán)境溫度下采用PTC電加熱制熱和采用雙層流熱泵系統(tǒng)的電耗,整車空調(diào)設(shè)置AUT025°C?在0°C環(huán)境溫度下,整車冬季制熱工況下的電力消耗的實測結(jié)果如圖12所示?相比PTC電加熱,雙層流熱泵系統(tǒng)在制熱時可節(jié)省電能42%?
 

在5°C環(huán)境溫度下,整車冬季制熱工況下的電力消耗的實測結(jié)果如圖13所示?相比PTC電加熱,雙層流熱泵系統(tǒng)在制熱時可節(jié)省電能56%?
 

在冬季,為避免開空調(diào)時前風(fēng)窗玻璃起霧,一般采用全外循環(huán)模式進風(fēng)?如此一來整車制熱負荷非常大,導(dǎo)致空調(diào)電耗巨大,嚴(yán)重影響純電動汽車的續(xù)駛里程?為此我們在熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了雙層流HVAC總成,對系統(tǒng)進行高效集成利用,同時對雙層流HVAC總成和普通HVAC總成在整車上的節(jié)能表現(xiàn)進行電耗對比,如圖14所示?相比普通HVAC總成,雙層流HVAC總成在制熱時可節(jié)省電能25%?從測試結(jié)果看出,雙層進氣模式可顯著降低整車制熱負荷,在冬季制熱實現(xiàn)最大程度的節(jié)能效果?
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在整車?yán)m(xù)駛里程貢獻上,由于采用了雙層流熱泵空調(diào)系統(tǒng),極大地解決了純電動汽車冬季開空調(diào)電耗大的痛點,顯著提高了純電動汽車的冬季續(xù)駛里程?
4. 結(jié)論
本文設(shè)計一種應(yīng)用于純電動汽車的雙層流熱泵系統(tǒng),通過整車的測試對比,相比于PTC電加熱,雙層流熱泵系統(tǒng)極大地降低了空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗,使純電動汽車冬季續(xù)駛里程大為提高?

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