摘要

本文應(yīng)用了一種新的方法來評估和估計兩種不同的熱管理系統(tǒng)在一天中基于駕駛行為的實際能耗。最近嘗試為電動和插電式混合動力汽車尋找節(jié)能熱管理系統(tǒng)，使用二次回路系統(tǒng)作為滿足動態(tài)加熱和冷卻需求并減少制冷劑充電的替代方法。然而，額外的熱阻層影響系統(tǒng)的瞬態(tài)行為以及乘客艙在冷卻或加熱期間的舒適性，這使得很難估計每年的能耗。在本文中，使用描述實際客戶在一天中的駕駛行為的新方法來比較常規(guī)和二次回路系統(tǒng)的總體能耗。因此，使用來自美國旅行和運輸模式的實際數(shù)據(jù)集，代表性的24小時駕駛和停止周期集合。此外，還考慮了各自的天氣數(shù)據(jù)。與長期的現(xiàn)場研究相比，這種方法有助于顯著減少模擬和測試工作，并且可以比較傳統(tǒng)和二次回路汽車制冷系統(tǒng)的年能耗。引言盡管汽車工業(yè)為了達(dá)到最大性能和最小污染物排放等可衡量的目標(biāo)而付出了大量的時間和成本，但估計汽車實際能耗的一個非常重要的因素往往被忽視：實際客戶的駕駛行為。一天中的真實駕駛行為包括在不斷變化的環(huán)境條件下的駕駛和停車時間，這會影響整體能耗和熱質(zhì)量中存儲的能量。特別是對于先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，這些質(zhì)量在重新啟動時可能是有益的。由于車輛熱管理是整體能耗中最重要的因素之一，因此在不斷變化的環(huán)境條件下的儲熱效應(yīng)不容忽視。然而，在大多數(shù)合法的駕駛周期中，溫度和太陽輻射等環(huán)境條件被設(shè)置為一個恒定值，停車時間不被考慮，空調(diào)系統(tǒng)被關(guān)閉。這包括像NEDC，美國FTP這樣的合法排放測試或像Artemisset這樣的真實世界駕駛周期。然而，任何熱管理系統(tǒng)以及任何輔助子系統(tǒng)（如HVAC（加熱、通風(fēng)、空調(diào)）系統(tǒng)或動力總成部件（如電池、電機(jī)、電力電子設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)（ICE）））的整體能耗的準(zhǔn)確評估和比較取決于適當(dāng)?shù)臏y試條件。最近的出版物研究了內(nèi)置存儲引起的能耗降低。這包括二次回路系統(tǒng)中的自然儲存效應(yīng)，基于石蠟的相變材料或基于發(fā)動機(jī)的潛伏能量儲存的實施。通過了解日常駕駛模式，可以改進(jìn)這些熱庫的設(shè)計和尺寸。除了日常駕駛模式外，氣候條件對儲能和輔助部件的行為也有不可忽視的影響。在描述車輛環(huán)境條件方面的重要工作已經(jīng)由杜西和斯特魯普完成。

一個多世紀(jì)以來，車輛一直由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。公眾對資源短缺和氣候變化的日益認(rèn)識推動了效率的提高和新的推進(jìn)概念的發(fā)展?？蛻魧Ω咝У能囕v和更舒適的乘客出行環(huán)境的需求給車輛內(nèi)的熱量和能量分配帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，通過混合動力電動汽車（HEV）、插電式混合動力電動汽車（PHEV）和電池電動汽車（BEV）實現(xiàn)汽車電氣化的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了對儲能、電機(jī)和電力電子等新部件的新熱管理要求。這些組件經(jīng)歷顯著的瞬態(tài)熱負(fù)荷。因此，已經(jīng)投入了大量資金，以確保在不同的邊界條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?。隨著需要主動熱管理的組件數(shù)量的增加，重量、尺寸、成本和系統(tǒng)也在增加熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性。在降低電驅(qū)動系統(tǒng)成本的同時滿足這些熱管理需求的現(xiàn)有系統(tǒng)的替代方案是通過集成的熱管理系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，各種組件（電力電子，電動機(jī)，能量存儲等。）通過二次冷卻劑回路連接到緊湊的制冷循環(huán)以及車輛前端和乘客艙內(nèi)的冷卻劑到空氣的熱交換器。

這項工作介紹了兩個汽車熱管理系統(tǒng)之間的比較，使用一種新的方法，它考慮了一天中的實際駕駛行為和氣候條件：第一，傳統(tǒng)的BEV熱管理系統(tǒng)與制冷劑回路和電加熱器，第二，二次回路冷卻劑系統(tǒng)。（見圖5）研究方法定義圖1示出了24小時內(nèi)4次單次行程的序列的例子。這樣的序列在下文中被稱為鏈?zhǔn)叫谐獭４送猓€會顯示一天中的環(huán)境溫度，并可與每次行程相關(guān)聯(lián)。這樣的日常駕駛模式（條件1，車輛移動;條件0，車輛停車）可以用作模擬和實驗的輸入數(shù)據(jù)，以檢查熱質(zhì)量或預(yù)處理策略中的存儲效應(yīng)。在這項工作中應(yīng)用的方法是基于以前的出版物，并包含了兩個給定數(shù)據(jù)集的減少過程：第一個數(shù)據(jù)集描述了移動性行為（開始時間，持續(xù)時間，每次行程的距離），第二個數(shù)據(jù)集描述了環(huán)境條件（溫度、濕度、太陽輻射）。由于在美國已經(jīng)收集了高度詳細(xì)的數(shù)據(jù)，因此使用這種當(dāng)前可用的數(shù)據(jù)應(yīng)用該方法。然而，該方法可應(yīng)用于數(shù)據(jù)可用的任何區(qū)域。

圖1 一天中移動性行為和環(huán)境條件的示例性說明：包含四個單次行程和適當(dāng)環(huán)境溫度的鏈?zhǔn)叫谐?。行駛狀態(tài)1，車輛移動；行駛狀態(tài)0，車輛停車。

圖2 分析（左側(cè)的相對頻率和右側(cè)的累積頻率）的距離s，持續(xù)時間△t和平均速度v觀察到的單次旅行，每天單次旅行次數(shù)和車輛處于駕駛狀態(tài)的相對頻率

輸入數(shù)據(jù)

對于駕駛行為的描述，使用了2009年全國家庭旅行調(diào)查（NHTS）。這個公開可用的數(shù)據(jù)集提供了美國駕駛行為的廣泛數(shù)據(jù)，并基于問卷調(diào)查。在所有單次旅行中，超過80％的行程距離不到20公里。超過85％的所有評估的日常駕駛模式包括2到6次單次旅行。有關(guān)數(shù)據(jù)集的初步分析，請參閱圖2。為了充分詳細(xì)地表征一年中的氣候條件和白天環(huán)境條件的變化，每月平均數(shù)據(jù)是不夠的。因此，在這項工作中使用數(shù)據(jù)集Meteonorm6.0。除其他外，此數(shù)據(jù)集包含美國所有州首府每個月的溫度，濕度和太陽輻射的小時值。在這項工作中，這些平均值被假定為代表整個狀態(tài)。

減少輸入數(shù)據(jù)的步驟

由于移動行為和氣候條件的數(shù)據(jù)集非常廣泛，模擬將持續(xù)太長時間。因此，在本工作中簡要描述了減少這些數(shù)據(jù)集的方法。然而，與原始數(shù)據(jù)集相比，減少的數(shù)據(jù)集已被證明是足夠準(zhǔn)確的。參見Menken的例子。使用k-means集群算法將NHTS移動性數(shù)據(jù)集的所有鏈?zhǔn)叫谐虦p少到可管理的鏈?zhǔn)叫谐虜?shù)量。首先，所有鏈?zhǔn)铰眯卸急仨毟鶕?jù)單次旅行的數(shù)量進(jìn)行分組。再者，k-means聚類算法需要預(yù)先知道必要聚類的個數(shù)k。雖然此參數(shù)的視覺確定僅適用于最多三個維度，但對于變量數(shù)量較多的問題，這已不再可能。因此，在這項工作中，必須事先根據(jù)Pham確定必要的簇的數(shù)量。由于變量具有不同的物理量，產(chǎn)生不同的量級，并且可能不是正態(tài)分布，因此在執(zhí)行聚類之前對數(shù)據(jù)集應(yīng)用Box-Cox變換。根據(jù)相對頻率計算每個減少的鏈?zhǔn)叫谐痰募訖?quán)因子。該加權(quán)因子反映了特定的減少鏈?zhǔn)叫谐痰南嚓P(guān)性。它是根據(jù)整個數(shù)據(jù)庫中每個鏈?zhǔn)叫谐痰恼w單次行程數(shù)的相對頻率和映射到這個集群中心的數(shù)據(jù)點的百分比來計算的。由于這個結(jié)果仍然存在太多的行程，因此需要進(jìn)一步減少到指定數(shù)量的鏈?zhǔn)叫谐獭Ｒ虼?，對于鏈?zhǔn)叫谐痰乃锌赡芙M合，包括較短行程的最終移位，計算成對歐幾里德距離，并迭代地組合導(dǎo)致最小距離的兩個鏈?zhǔn)叫谐獭D3顯示了美國境內(nèi)移動性行為的減少輸入數(shù)據(jù)。為了估計整體能耗，必須針對每條環(huán)境參數(shù)曲線模擬所有減少的鏈?zhǔn)叫谐?。對于美國來說，這意味著在50個州·12個月=600個條件下模擬熱管理系統(tǒng)，這太耗時了。因此，通過迭代地合并兩條最相似的曲線，直到獲得最少數(shù)量的溫度曲線，將溫度曲線減少為四條曲線。濕度和太陽的相應(yīng)曲線輻射類似地組合。每條天氣曲線都包括一個加權(quán)因子，根據(jù)每個州的人口計算。圖4顯示了輸入天氣數(shù)據(jù)減少到包含溫度，相對濕度和太陽輻射的四個數(shù)據(jù)集的數(shù)量。由于天氣曲線基于實際天氣數(shù)據(jù)，因此可以獲得一天中實際的特征。

圖3 結(jié)合類似鏈?zhǔn)铰眯校ㄈ粘ｑ{駛模式）后美國境內(nèi)的移動性行為的代表性描述。加權(quán)因子ω來自鏈?zhǔn)叫谐膛c不同數(shù)量的單次行程的自動組合

圖4 天氣數(shù)據(jù)減少到四個數(shù)據(jù)集的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)集描述了一天中的環(huán)境溫度，相對濕度和太陽輻射

方法的應(yīng)用

在這項工作中，將使用制冷回路和電加熱器的BEV的常規(guī)熱管理系統(tǒng)與具有緊湊制冷循環(huán)的二次回路系統(tǒng)進(jìn)行比較（圖5）。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)配備了電動正溫度系數(shù)（PTC）加熱器，但二次回路系統(tǒng)在給定輸入數(shù)據(jù)（Tamb，min>?5°C）下不需要電加熱器，因為它可以在冬季條件下以節(jié)能熱泵圖5顯示了包含直接或間接冷凝器的這兩種不同的系統(tǒng)配置(COND)、蒸發(fā)器(EVAP)和適當(dāng)?shù)臋C(jī)艙熱交換器(CHX）。

圖5 所研究的系統(tǒng)設(shè)置的示意圖結(jié)構(gòu)，用于比較傳統(tǒng)的直接制冷循環(huán)和二次循環(huán)系統(tǒng)。配置1、直接蒸發(fā)器和直接冷凝器；配置2、間接蒸發(fā)器和間接冷凝器?？諝馓幚韱卧獌?nèi)的熱交換器分別設(shè)置為加熱、再加熱和冷卻模式

配置1表示在空氣處理單元中具有制冷劑對空氣蒸發(fā)器并且在前端具有制冷劑對空氣冷凝器的常規(guī)系統(tǒng)。由于沒有額外的傳熱層，機(jī)艙冷卻過程中的瞬態(tài)行為被用作基準(zhǔn)。然而，在加熱和再加熱操作期間，整個所需的熱負(fù)荷必須由電熱水器提供。配置2由在高壓側(cè)和低壓側(cè)具有二次回路的制冷循環(huán)(完全冷卻的二次回路系統(tǒng))構(gòu)成。由于所有控制和能量流分布都發(fā)生在冷卻液側(cè)，因此出現(xiàn)了一系列新的選擇，如熱泵模式和將電動傳動系統(tǒng)組件引入熱管理系統(tǒng)。此外，在這種熱泵模式下，環(huán)境空氣可用作熱源。在這項工作中提出的所有系統(tǒng)設(shè)置都是用TIL庫建模的。制冷劑回路由34cm3電動渦旋壓縮機(jī)、冷凝器、電動膨脹閥、蒸發(fā)器和低壓側(cè)的制冷劑儲存器（蓄能器）組成。R-134a用于兩個制冷回路。在冷凝和蒸發(fā)側(cè)包含二次回路的系統(tǒng)在空氣處理單元或車輛前端配備了冷卻劑到空氣的熱交換器。更多關(guān)于系統(tǒng)建模的細(xì)節(jié)，這個主要周期的測試臺和適當(dāng)?shù)哪Ｐ万炞C在以前的公開。車輛的模擬模型還考慮了電動傳動系的速度相關(guān)的熱損失，以及將停止時間的太陽能浸泡考慮在內(nèi)的熱艙模型。

結(jié)果

整體能源消耗比較

圖6顯示了用于估計總體年度能耗的兩個系統(tǒng)的仿真過程和結(jié)果。給定48個邊界條件（12個鏈?zhǔn)叫谐毯?個天氣數(shù)據(jù)集的組合）并考慮適當(dāng)?shù)募訖?quán)因子ω，計算兩個熱管理系統(tǒng)的平均能耗。以簡化的方式，計算可以表示如下:

此外,考慮到單次行程重量,總能耗就會稍微準(zhǔn)確一些.而傳統(tǒng)的系統(tǒng)消耗Eel=1.11kWh每天，二次回路系統(tǒng)的能耗要低得多（Eel=0.45kWh）。在假設(shè)一輛汽車在7天中的5天內(nèi)移動，那么這兩個系統(tǒng)的總體年能耗很容易計算出來。結(jié)果是常規(guī)系統(tǒng)的Eel=289.39kWh，二次回路系統(tǒng)的Eel=117.32kWh。

圖6 使用新方法評估常規(guī)交流系統(tǒng)和二次回路系統(tǒng)的年能耗的說明

圖7和8示出了將常規(guī)AC系統(tǒng)與次級回路系統(tǒng)(行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度tamb、乘客艙溫度Tcab、電功率消耗Pel、以及電功率消耗Eel)進(jìn)行比較的選定實例的細(xì)所需機(jī)艙載荷的參考軌跡取自Weustenfeld。作為日常駕駛模式的示例，從圖3中選擇鏈?zhǔn)叫谐?3。關(guān)于氣候條件，計算是用圖4中的邊界條件#3(主要是加熱模式)、#1(主要是再熱除濕模式)和#4(主要是冷卻模式)進(jìn)行的。邊界條件#2主要包含冷卻模式但在圖7和8中未示出。

結(jié)論

仔細(xì)觀察加熱模式（#3）期間的電功率消耗數(shù)據(jù)表明，在低環(huán)境溫度下（例如，在清晨或下午晚些時候）提供的加熱能力最高。此外，與以熱泵模式操作的次級回路系統(tǒng)相比，具有電加熱器的常規(guī)系統(tǒng)增加的能量消耗。在此選定的鏈?zhǔn)叫谐讨?，直接參考系統(tǒng)消耗Eel=2.118kWh，而次級回路系統(tǒng)的能耗為Eel=0.68kWh。在再熱模式下操作，結(jié)果顯示相同的趨勢。

圖7 常規(guī)AC系統(tǒng)和次級回路系統(tǒng)在一天的過程中選擇的仿真結(jié)果的示例性說明：行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度（Tamb)、乘客艙溫度（Tcab)、電功率消耗（Pel)、以及電能消耗（E來自圖4[22]的具有邊界條件＃3（主要是加熱模式）和＃1（主要是再加熱模式）的鏈?zhǔn)教l＃3（見圖3）被選擇。

圖8 常規(guī)AC系統(tǒng)和次級回路系統(tǒng)在一天的過程中選擇的仿真結(jié)果的示例性說明：行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度（Tamb)、乘客艙溫度（Tcab)、電功率消耗（Pel)、以及電能消耗（E來自圖4[22]的具有邊界條件＃4（主要是冷卻模式）的鏈?zhǔn)教l＃3（見圖3）被選擇。

相比之下，間接二次回路系統(tǒng)在冷卻模式期間顯示出總體能耗的缺點（圖8）。特別是在高環(huán)境溫度下（中午和下午），電動壓縮機(jī)必須處理高電功率消耗，從而導(dǎo)致一天中的高能耗。總結(jié)這項工作應(yīng)用了一種新的方法來估計熱管理系統(tǒng)的整體年度能耗，大大減少了模擬工作。給定一組12日常駕駛模式（鏈?zhǔn)叫谐蹋┖?代表性天氣數(shù)據(jù)集，2熱管理系統(tǒng)相互比較：常規(guī)交流系統(tǒng)和可在熱泵模式下操作的二次回路系統(tǒng)。全年能源消耗的計算結(jié)果分別為289千瓦小時和117千瓦小時。使用這組邊界條件可顯著減少仿真工作量。雖然這種方法只應(yīng)用對于兩種不同的熱管理系統(tǒng)，它可用于任何模擬模型，該模型使用日常駕駛模式和/或天氣數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)或基于熱流率的系統(tǒng)優(yōu)化。這項工作使用NHTS數(shù)據(jù)集與美國天氣數(shù)據(jù)相結(jié)合作為基礎(chǔ)。進(jìn)一步的工作應(yīng)審查該方法的適用性并納入更多數(shù)據(jù)。使用不同大陸的代表性駕駛模式和氣候數(shù)據(jù)將使優(yōu)化車輛的任何子系統(tǒng)成為可能。

文獻(xiàn)來源：Menken, J., Weustenfeld, T., and K?hler, J., “Application of a New Method for Comparing the Overall Energy Consumption of Different Automotive Thermal Management Systems,” SAE Int. J. Passeng. Cars – Mech. Syst. 11(4):297-303, 2018, doi:10.4271/06-11-04-0024.