純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制熱系統(tǒng)主要采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、升溫快的PTC熱敏電阻，但是使用過(guò)程會(huì)消耗大量的電能，嚴(yán)重影響車(chē)輛的續(xù)航里程。為了減小冬季空調(diào)采暖對(duì)續(xù)航的影響，同時(shí)提高采暖性能，可以增加輔助加熱裝置。本文對(duì)某配備柴油輔助加熱裝置的純電動(dòng)車(chē)型的采暖性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，輔助加熱裝置提高車(chē)輛采暖性能的同時(shí)能大幅提升車(chē)輛的續(xù)航里程，為電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 輔助加熱 PTC 熱泵空調(diào)

作者：趙培生 莫偉標(biāo) 李澤藝 孫建忠

來(lái)源：汽車(chē)工業(yè)研究

在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)“新四化”以及環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格的趨勢(shì)下，電動(dòng)化已然成為了汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的方向。但是由于對(duì)續(xù)航里程的焦慮，市場(chǎng)中純電動(dòng)汽車(chē)的推廣仍然存在較大的瓶頸，電動(dòng)汽車(chē)的普及率仍然較低。在電動(dòng)車(chē)的使用過(guò)程中，除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗主要的電量，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的能耗對(duì)整車(chē)?yán)m(xù)航里程也有較大的影響。尤其在寒冷的冬季，電動(dòng)汽車(chē)需要消耗大量的電能來(lái)保證車(chē)內(nèi)環(huán)境的舒適性[1]。

和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，電動(dòng)車(chē)靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)余熱采暖，必須通過(guò)消耗電池的能量供熱，冬季電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的能耗占電池容量的20%-30%，直接影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程[2]。因此，開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的空調(diào)采暖系統(tǒng)具有重要意義。

目前大多數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)采用體積小、系統(tǒng)可靠性高的PTC熱敏電阻加熱的方式，但是系統(tǒng)效率低于1，能耗高，而且采暖性能效果并不理想，如果想得到較好的采暖性能就必須選用功率較高的PTC，這勢(shì)必造成更大的能量損耗，縮短車(chē)輛的續(xù)航里程[3]。

隨著熱泵空調(diào)技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)在一些中高端車(chē)型也得到了廣泛應(yīng)用。熱泵空調(diào)雖然系統(tǒng)效率比PTC高，但在低溫下的采暖性能較差，當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，熱泵空調(diào)就停止工作[4,5]。在環(huán)境溫度更低的地區(qū)，兩種采暖方式都難以提供很好的采暖性能。因此，如何提高低溫環(huán)境下純電動(dòng)汽車(chē)的采暖性能具有重要的意義。本文對(duì)采用PTC+柴油輔助采暖的某純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行低溫采暖試驗(yàn)，驗(yàn)證其采暖性能，及柴油輔助加熱對(duì)續(xù)航的改善效果。

01純電動(dòng)汽車(chē)的采暖系統(tǒng)分析

和傳統(tǒng)的燃油車(chē)不同的是，純電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液提供熱源，因此，需要消耗電池能量供熱。電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)暖風(fēng)常見(jiàn)的方案如下[6]：

PTC熱敏電阻采暖系統(tǒng)

PTC電加熱采暖系統(tǒng)是采用PTC熱敏電阻元件為發(fā)熱源的一種加熱器。PTC熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，它的電阻隨溫度變化而急劇變化，當(dāng)外界溫度降低，PTC電阻值隨之減小，發(fā)熱量反而會(huì)相應(yīng)增加。下頁(yè)圖1為PTC熱敏電阻采暖系統(tǒng)原理圖[7]。

由圖1可知，冷卻液經(jīng)PTC加熱器加熱后進(jìn)入空調(diào)暖風(fēng)芯體，空氣通過(guò)暖風(fēng)芯體被加熱后直接吹入車(chē)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)采暖功能。PTC熱敏電阻元件因具有隨環(huán)境溫度高低變化，其電阻值隨之增加或減小的變化特性，所以PTC加熱器具有節(jié)能、恒溫、安全和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)汽車(chē)。

熱泵采暖系統(tǒng)

熱泵是一種可以將低位熱源的熱能強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到高位熱源的空調(diào)裝置，類(lèi)似可以將低處的水泵到高處的“水泵”。使用四通換向閥可以使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能互相對(duì)換，改變熱量轉(zhuǎn)移方向，從而達(dá)到夏天制冷冬天制熱的效果。圖2為某電動(dòng)汽車(chē)熱泵式空調(diào)系統(tǒng)原理[8]。

熱泵的理論基礎(chǔ)來(lái)源于熱力學(xué)逆卡諾循環(huán)，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制暖，均采用專(zhuān)用的電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷或制熱循環(huán)，其中冬季采暖時(shí)不再像現(xiàn)有電動(dòng)空調(diào)這樣只采用PTC制熱，而是使用電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)制熱。

熱泵空調(diào)雖然系統(tǒng)效率比PTC高，但在低溫下的采暖性能較差，當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃，熱泵空調(diào)就不工作。為了保證車(chē)輛有較好的采暖性能和能量消耗，許多車(chē)采用PTC+熱泵空調(diào)的組合采暖方式。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，主要熱泵空調(diào)工作，PTC輔助制熱；當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，熱泵空調(diào)不工作，此時(shí)只有PTC制熱，這就導(dǎo)致在溫度較低的環(huán)境下，如果要保持車(chē)內(nèi)溫度的舒適性，PTC就要一直大功率的運(yùn)行，消耗大量電能，大大縮減車(chē)輛的續(xù)航里程。PTC+柴油輔助采暖的模式可以提高車(chē)輛的低溫采暖性能，又能保證車(chē)輛的續(xù)航不會(huì)大幅減少。本文對(duì)采用PTC+柴油輔助采暖的某純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行低溫采暖試驗(yàn)，驗(yàn)證其采暖性能。

02采暖性能試驗(yàn)分析

按照 GB/T 12782-2007 要求整備車(chē)輛進(jìn)行寒區(qū)道路試驗(yàn)[9]。為了驗(yàn)證車(chē)輛在低溫環(huán)境下的采暖性能，本試驗(yàn)在-15±2℃的環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)展。

試驗(yàn)準(zhǔn)備

記錄試驗(yàn)過(guò)程中溫度測(cè)點(diǎn)的溫度，各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及數(shù)量如表 1 所示。

試驗(yàn)過(guò)程中用于數(shù)據(jù)采集的設(shè)備包括：K 型熱電偶、P-BOX、日光強(qiáng)度傳感器、環(huán)境濕度傳感器、多通道數(shù)據(jù)記錄儀和車(chē)輛總線(xiàn)工具，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為 1Hz，儀器描述及測(cè)點(diǎn)如表2所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，空調(diào)模式設(shè)置如表 3所示。

為了消除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)開(kāi)始前將車(chē)輛放在室外浸車(chē)12小時(shí)，使電池溫度、暖風(fēng)進(jìn)出水溫度和環(huán)境溫度保持一致，同時(shí)試驗(yàn)在無(wú)光照的條件下開(kāi)展。

試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)在冰封湖面的覆雪道路上開(kāi)展 ， 按照國(guó)標(biāo)GB/T 12782- 2007要求，以60km/h的車(chē)速行駛35分鐘。空調(diào)按表3進(jìn)行設(shè)定，分別以單獨(dú)PTC采暖，PTC+柴油輔助采暖的模式進(jìn)行試驗(yàn)。

單獨(dú) PTC 采暖模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3-圖5所示。

PTC+柴油輔助采暖模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下頁(yè)圖6-圖8所示。

由圖3和圖6可知，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)車(chē)內(nèi)溫度較低，為了快速升溫，在兩種模式下，PTC大功率運(yùn)行，暖風(fēng)進(jìn)水溫度升溫較快，使足部出風(fēng)口溫度快速上升。試驗(yàn)過(guò)程中，在PTC+柴油輔助采暖的模式下，車(chē)內(nèi)溫度升溫更快， 熱舒適性更好。綜合圖3-圖8可知， 試驗(yàn)開(kāi)始前5分鐘，兩模式下，暖風(fēng)芯體進(jìn)水溫度快速上升，但PTC+柴油輔助采暖的模式升溫速度更快，溫度更高，足部出風(fēng)口溫度和足部判定點(diǎn)溫度也較高，整體采暖性能也更好。

為了驗(yàn)證PTC+柴油輔助采暖的模式對(duì)車(chē)輛采暖和續(xù)航的綜合性能的影響，分別進(jìn)行低溫開(kāi)/關(guān)柴油輔助加熱系統(tǒng)的實(shí)地續(xù)航試驗(yàn)，驗(yàn)證柴油輔助加熱系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛采暖和續(xù)航性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程的能耗對(duì)比如下頁(yè)圖9所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)啟柴油輔助加熱工況下車(chē)內(nèi)升溫明顯較快，采暖性能較好，且從圖 9 可知，開(kāi)啟柴油輔助加熱系統(tǒng) PTC 耗能降低 35%，電機(jī)耗能增加32%，續(xù)航里程提升22%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下， 采用PTC+柴油輔助采暖的方式使車(chē)輛快速升溫，車(chē)輛熱舒適性較好，由于PTC加熱消耗的電量減少，車(chē)輛的續(xù)航里程提升明顯。因此，PTC+柴油輔助采暖的模式在低溫環(huán)境下對(duì)車(chē)輛的性能提升明顯。

03結(jié)論

本文對(duì)某配備柴油輔助加熱裝置的純電動(dòng)車(chē)的采暖性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然柴油輔助加熱系統(tǒng)使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢氣排放，與純電動(dòng)汽車(chē)的零排放理念相違背，但能提高低溫環(huán)境下車(chē)輛的采暖性能，同時(shí)能大幅提升車(chē)輛的續(xù)航里程，對(duì)車(chē)輛的性能提升顯著[10]。因此，對(duì)于溫度較低的情況下，可采用PTC+柴油輔助加熱的模式采暖；溫度較高時(shí)，用PTC+熱泵空調(diào)的模式采暖來(lái)保證車(chē)輛的采暖性能和車(chē)輛的續(xù)航，為電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要參考。

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