HVAC風(fēng)量及回風(fēng)比例對電動汽車采暖能耗的影響分析

引言

電動汽車以車載電源為動力,用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛,在使用過程中不會產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境,成為二氧化碳減排政策推動下的優(yōu)勢發(fā)展車型,受到全球整車制造商和廣大用戶的追捧。電動汽車還具有使用費用低、能源利用率高、技術(shù)相對成熟和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,但與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比,開空調(diào)引起的續(xù)航里程縮減嚴(yán)重問題大幅削減了其競爭優(yōu)勢。

在冬季,電動汽車可利用的余熱有限,不能夠滿足乘員采暖和電池加熱需求,需要布置額外的加熱器。目前,電動汽車冬季采暖通常有兩種模式,各種類型的熱泵和正溫度系數(shù)電阻加熱系統(tǒng)。

張皓等人通過試驗分析了熱泵系統(tǒng)和正溫度系數(shù)電阻加熱系統(tǒng)的采暖性能,發(fā)現(xiàn)正溫度系數(shù)電阻加熱系統(tǒng)在-5~3℃環(huán)境溫度下采暖功率為3kw左右,可見冬季乘員艙采暖的能耗負(fù)荷很大。

彭慶豐等人設(shè)計了一種新型電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng),并與電加熱采暖方式進(jìn)行了實車對比,結(jié)果表明熱泵系統(tǒng)能夠節(jié)能15%以上。

除了可以通過開發(fā)熱泵系統(tǒng)來緩解電動汽車冬季續(xù)航里程衰減嚴(yán)重的問題,還有學(xué)者針對熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)控制策略以及制冷劑流量分配等方面進(jìn)行研究。

鄭利楠提出了一種低壓補(bǔ)氣型熱泵空調(diào)系統(tǒng),并基于KULI仿真軟件研究了其冬季制熱性能,建立了相應(yīng)的壓縮機(jī)控制策略。

xingxu等人提出了一種新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略,并利用PID控制原理控制支路的過熱度。然而,基于現(xiàn)有的采暖方案和控制策略,冬季電動汽車乘員艙采暖對整車?yán)m(xù)航里程的影響仍然較大,優(yōu)化采暖能耗迫在眉睫。

考慮到乘員艙濕度過大會引起前擋風(fēng)玻璃起霧,并且二氧化碳濃度過高會影響駕駛安全,因此采暖工況下汽車基本采用全外循環(huán)的采暖方案。外循環(huán)時乘員艙采暖能耗很大,若適當(dāng)引入回風(fēng)可以在一定程度上降低采暖的能耗,為此各車企和零部件供應(yīng)商正在攻關(guān)相應(yīng)的技術(shù)難題。然而,目前回風(fēng)的影響研究少,且沒有考慮風(fēng)量對采暖速率和能耗的影響,為支持主機(jī)廠開發(fā)空調(diào)系統(tǒng)控制策略,本文擬針對相關(guān)問題開展深入研究。

本文通過系統(tǒng)仿真的方法,針對以PositiveTemperatureCoefficient(PTC)作為采暖部件的電動汽車進(jìn)行研究。基于KULI軟件搭建仿真模型,分析風(fēng)量以及回風(fēng)比例對采暖速率和采暖能耗的影響。

1仿真模型

以PTC作為采暖部件的電動汽車采暖回路如圖1所示,其主要由水泵、PTC、暖風(fēng)芯體和鼓風(fēng)機(jī)等組成,電機(jī)余熱回收及電池加熱本文暫不考慮。

MagnaKULI是一款系統(tǒng)級熱平衡仿真軟件,在整車熱管理仿真分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,本文采用KULI15.0軟件來建立仿真模型,仿真模型如圖2所示。

為最大限度地反映真實采暖工況,仿真模型中添加了一個質(zhì)量點作為熱容件,防止因PTC功率變化帶來的水溫突變問題。

采暖使用的乘員艙模型在圖2所示的warmupsimpleCabin系統(tǒng)中,其體積為3.8m3,車身外表面面積為18m2,強(qiáng)擋風(fēng)玻璃面積和傾角分別為1.2m2和32o。為評估系統(tǒng)最大采暖性能,采暖分析工況為陰天,即太陽輻射為0w/m2。

該系統(tǒng)中采用的PTC為水暖加熱器,最大加熱功率為7.5kw,熱效率為0.9。在實際使用過程中,由于水溫和水流量的限制,PTC往往不能工作在期望的功率下,其最大加熱功率與入口水溫和水流量之間的關(guān)系如圖3所示。水泵功率為100w,鼓風(fēng)機(jī)共有7個檔位,不同檔位下采暖風(fēng)量與功率如表1所示。

2結(jié)果分析

2.1檔位對采暖性能的影響

2.1.1檔位對采暖速率的影響

為適應(yīng)人群差異及使用需求,汽車空調(diào)出風(fēng)設(shè)置有多個檔位。在采暖初始階段,用戶普遍認(rèn)為風(fēng)量越大采暖效果越好,艙內(nèi)溫度將更快達(dá)到目標(biāo)溫度。若忽略風(fēng)速對乘員熱舒適性的影響,僅以乘員艙升溫速率作為評價指標(biāo),由于外循環(huán)時空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷大,最高擋風(fēng)量并不一定就是最佳采暖方案。

本文針對不同環(huán)境溫度下(-20/-10/0/10/20℃)檔位對乘員艙采暖升溫速率的影響進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖4所示。仿真過程中乘員艙腳部空氣目標(biāo)溫度設(shè)置為25℃。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),最高升溫速率對應(yīng)的風(fēng)量往往不是最大風(fēng)量,而是要受環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度為20℃時,最佳采暖風(fēng)量為7擋,隨著環(huán)境溫度下降,與之對應(yīng)的采暖風(fēng)量逐漸降低。當(dāng)環(huán)境溫度為-20℃時,乘員艙在6擋和7擋風(fēng)采暖方案下不能實現(xiàn)風(fēng)溫目標(biāo)。

圖5總結(jié)了環(huán)境溫度與升溫最快對應(yīng)的風(fēng)量檔位,可以看出環(huán)境溫度對最佳采暖風(fēng)量的影響較大,隨著環(huán)境溫度從-20℃變化到20℃,最佳采暖風(fēng)量從4擋變化到7擋。該結(jié)論為用戶冬季選擇最佳風(fēng)量提供了參考,還可為主機(jī)廠制訂自動空調(diào)控制策略提供指導(dǎo)。

2.1.2檔位對采暖能耗的影響

上節(jié)分析了風(fēng)量檔位對乘員艙采暖升溫速率的影響,除此之外,風(fēng)量對整車?yán)m(xù)航里程是否有影響還不清楚,本節(jié)將開展相關(guān)的分析工作。假設(shè)用戶單次通勤時間為60min,艙內(nèi)腳部空氣平均溫度達(dá)到25℃后風(fēng)量設(shè)置為4擋,仿真計算得到采暖能耗。采暖能耗包括PTC、鼓風(fēng)機(jī)和水泵的能耗,其計算公式如下:

式中:PT為耗電量(kk·h):Pp為水泵耗電量(kk·h):PB為鼓風(fēng)機(jī)耗電量(kk·h):PH為PTC耗電量(kk·h)。

不同方案下單次通勤能耗結(jié)果如表2所示?？紤]到風(fēng)量低于4擋乘員熱舒適性較差,故放棄1~3擋風(fēng)量的采暖方案。從表2可以看出,風(fēng)量不僅對采暖速率有影響,對采暖能耗也有一定的影響,因此在制訂空調(diào)系統(tǒng)控制策略時要考慮風(fēng)量帶來的影響。

2.2回風(fēng)對采暖性能的影響

2.2.1回風(fēng)對采暖速率的影響

冬季汽車前擋風(fēng)玻璃溫度低,若乘員艙濕度過高擋風(fēng)玻璃易起霧,進(jìn)而影響駕駛安全,為此,采暖工況下汽車基本采用全外循環(huán)的采暖方案。外循環(huán)對乘員艙采暖帶來的能耗影響很大,若適當(dāng)引入回風(fēng)可以在一定程度上降低采暖能耗,為此各車企和零部件供應(yīng)商正在攻關(guān)相應(yīng)的技術(shù)難題。然而,回風(fēng)比例對降低乘員艙采暖能耗的影響還不清楚,為此本文開展了相關(guān)的分析工作。

針對不同環(huán)境溫度(-20/-10/0/10/20℃)分析了回風(fēng)比例分別為0%、10%、20%和30%時乘員艙的采暖升溫速率,結(jié)果如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),隨著回風(fēng)比例的升高,乘員艙達(dá)到目標(biāo)溫度所需要的時間在縮短,意味著更好的采暖效果,且環(huán)境溫度越低提升越明顯。環(huán)境溫度為一20℃時,若回風(fēng)比例為0%,6擋和7擋風(fēng)不能滿足采暖要求;回風(fēng)比例為20%時,6擋風(fēng)可以滿足采暖需求:回風(fēng)比例為30%時,7擋風(fēng)可以滿足采暖需求。熱舒適性不僅與空氣溫度有關(guān),風(fēng)速也有一定的影響。某些大型sUV空間大,若風(fēng)量小會影響其乘員熱舒適性,此時若適當(dāng)引入回風(fēng)可提高最大風(fēng)量上限,從而較好地提升其整體熱舒適性。

2.2.2回風(fēng)對整車?yán)m(xù)航里程的影響

引入回風(fēng)不僅可以提升乘員艙采暖速率,還可以降低采暖能耗,為評估不同回風(fēng)比例對采暖能耗的影響,本節(jié)針對某電動汽車開展了分析工作。某電動汽車動力電池總電量為90kw·h,l個CLTC(ChinaLightVehicleTestCycle)循環(huán)下驅(qū)動能耗為4.06kw·h,不開空調(diào)的情況下純電續(xù)航里程為643km。假設(shè)用戶冬季每次用車時間為60min,不同采暖方案下先選擇升溫最快檔位風(fēng)量,艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后選用4擋風(fēng)。整車能耗包含驅(qū)動能耗和空調(diào)系統(tǒng)能耗,綜合計算后得到不同采暖方案下整車?yán)m(xù)航里程如圖7所示。

從圖7可以看出,冬季空調(diào)系統(tǒng)對整車?yán)m(xù)航里程的影響很大,一20℃環(huán)境溫度下續(xù)航里程相對于常溫下降了50%以上,提升空調(diào)系統(tǒng)效率或降低采暖能耗對提升電動汽車冬季續(xù)航里程效果顯著。橫向?qū)Ρ冗€可以發(fā)現(xiàn),隨著環(huán)境溫度的升高,回風(fēng)對續(xù)航里程的提升效果逐漸減弱,一20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)比無回風(fēng)續(xù)航里程提升了27km,而20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)比無回風(fēng)續(xù)航里程僅提升了8km。

3結(jié)論

本文以PTC為采暖方案的某電動汽車作為分析對象,分析了回風(fēng)比例和風(fēng)量對不同環(huán)境溫度下電動汽車采暖效果的影響,取得的主要研究結(jié)論如下:

(1)最高升溫速率對應(yīng)的風(fēng)量往往不是最大風(fēng)量,而是與環(huán)境溫度相關(guān)。環(huán)境溫度為20℃時,最佳采暖風(fēng)量為7擋,隨著環(huán)境溫度下降,與之對應(yīng)的采暖風(fēng)量逐漸降低,環(huán)境溫度為-20℃時,最佳采暖風(fēng)量為4擋。

(2)風(fēng)量不僅對采暖速率有影響,對采暖能耗也有一定的影響,因此在制訂空調(diào)系統(tǒng)控制策略時要考慮風(fēng)量帶來的影響。

(3)隨著回風(fēng)比例的升高,乘員艙達(dá)到目標(biāo)溫度所需要的時間在縮短,且可以提升低溫工況下的最大工作風(fēng)量。

(4)-20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)比無回風(fēng)續(xù)航里程提升了27km,而隨著環(huán)境溫度的升高,回風(fēng)對續(xù)航里程的提升效果逐漸減弱,20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)僅提升了8km。