增程式電動車空調系統熱特性實驗研究

瞿曉華

【摘 要】增程式電動車是純電動車的一種擴展車型，比一般的純電動車要多出一套發動機系統。空調系統與傳統車有很大的差異，壓縮機改成高壓直流驅動，而加熱方式更改為電加熱和發動機水加熱相結合的形式。本文通過環模測試的方法，研究增程式電動車的空調系統熱特性。

【關鍵詞】增程式電動車;熱管理;電池;空調系統;實驗

中圖分類號： U469.72 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0080-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.035

0 前言

結合實際調研可與發現，現階段動力電池存在的設計瓶頸在一定程度上制約了電動汽車發展，如能量密度無法滿足續航里程需要[1-4]。在更改燃料后，電動汽車的動力系統會導致整車熱特性發生較大變化，這種變化將對取暖、空調造成本質影響，如采用水加熱和電加熱組合形式的增程式電動車便會較為直觀展示這種影響。本文為某增程式電動車開發了一套熱管理系統，并與傳統車進行了實驗對比研究。

對于采用不同傳熱介質的熱管理系統來說，相變材料、絕熱材料、液體、空氣、其他混合介質均可作為傳熱介質;對于電池熱管理系統來說，主動形式、被動形式的設計均較為常見，如無額外能耗的環境熱源，或采用其他耗能的主動形式設計。Jung，D.Y.et al.[5-6]等人通過實驗及仿真等方法研究了不同的電池熱管理系統，并取得了很大進展。而針對空調系統方面的研究卻鮮有報道。

本文擬通過環模測試的方法，研究增程式電動車的空調系統熱特性。

1 空調系統設計

發動機的存在有大大提升了整車動力性能與續航能力。另外，該車在車頂還配置了太陽能板，收集太陽能為車內儀表等低壓用電設備供電。

本文設計的熱管理系統具備較為復雜的結構，主要由5部分組成，包括電池水冷系統、高壓部件水冷系統、發動機油冷系統、發動機水冷系統、空調系統，系統間存在相互獨立又有耦合的關系。

本文的空調及電池冷卻系統采用電動壓縮機驅動雙蒸系統。前蒸用于車廂內乘員制冷;另一個冷卻器采用制冷劑與冷卻液換熱，被冷卻后的冷卻液再冷卻電池。冷卻器外側采用絕緣材料與外界環境絕熱。

為滿足電池冷卻需要，前端低溫散熱器會在環境溫度合適時負責冷卻;如環境溫度不足，冷卻器回路會由換向閥切換，以此滿足電池冷卻需要。電動水泵負責水系統驅動，三位控制閥負責切換回路;當電池工作在舒適溫度，三位控制閥切換至短路循環，電池各單體之間的溫差可由此得到有效控制。采用板片流腔的電池設計，從里面的流道流過的冷卻液即可較好滿足電池降溫需要。采用板片式換熱器作為電池冷卻器，冷卻液和制冷劑負責熱交換。

相較于傳統車輛的發動機冷卻系統、PTC加熱系統、發動機散熱系統，本文為電動汽車設計的三種系統與之存在一定相似性，具有大小循環，且節溫器能夠基于發動機水溫與環境溫度自動切換。乘員艙需要的熱源可由啟動的發動機提供，乘員艙加熱也可采用開啟PTC加熱器的方式實現。

為對比研究空調系統熱特性，本文對該增程式電動車進行了實驗測試。空調系統主要零部件及參數如下：

BWC270（27cc Comp.）/220×283×38mm（EVAP）/215×168×27（Heat core）/668×352×16mm（Cond.）/54.3×62×88mm（Chiller）

2 實驗裝置和測量方法

本文對增程式電動車進行了環模實驗測試。實驗測試工況如下。系統中所用制冷劑為R134a。

降溫實驗：38℃，50%RH，日照1000w/m2/100% SOC，車內頭部溫度到達60℃時開始實驗/空調：全冷/吹面/內循環/最大風量/車速：50km h-1（30min），100 km h-1（30min），怠速（30min）。

溫升實驗：-18℃，日照0w/m2/100% SOC，車內溫度-18℃，發動機油溫-18℃/空調：全熱/吹腳/外循環/最大風量/車速：50km h-1（30min），100km h-1（30min），怠速（30min）

3 實驗結果分析

3.1 降溫性能

如圖1，在前近兩個小時內，電動車運行處于純電動模式，而后進入純電動模式與增程模式結合的運行模式，兩種模式由電部件需求功率及電池SOC狀態共同決定。在初始階段，考慮到較低的電池溫度影響，電池冷卻回路在低于控制溫度31℃時未啟動，冷卻器和前端低溫散熱器未通過冷卻液。冷卻回路會在電池溫度達到31℃后打開，此時壓縮機轉速提升，乘員艙出風溫度下會隨著系統制冷量加大而降低，具體變化如圖2所示。設計采用下調壓縮機轉速的方式，這種方式的應用使得電池進口冷卻液溫度出現一定回升，具體變化如圖3的00：42時刻所示。隨著電池溫度逐步下降至25℃，將自動切斷電池冷卻器回路，冷卻液此時僅運行于電池小循環內。

電動車的降溫性能要比傳統車稍好，特別是在怠速工況，電動車壓縮機轉速不受車速限制，可以根據需求調整轉速。

3.2 加熱性能

圖3為加熱實驗動力部件電流特性曲線，發動機和PTC加熱器會在電動車冷啟動時同時運行，將加熱回路的冷卻液水溫迅速提升至75℃，如圖3，所需時間僅5分鐘，PTC的加熱功率消耗因此大幅降低。由于自帶機械泵，發動機能夠在運行時調低電動水泵轉速，電動水泵轉速應在發動機停止時調高，由于整個加熱過程中電動水泵均未關閉，冷卻液加熱回路的流阻因此得到較好控制，熱集聚現象也得以有效避免。在加熱實驗過程中，PTC加熱器負責維持和輔助，發動機主要負責水溫提升與電池充電。

結合圖4可以發現，在PTC加熱器與發動機交替運行過程中，足部區域溫度存在逐步波動提升。由于足部存在溫度敏感性較低特點，且存在較大的出風溫度波動，因此將出風溫度波動控制在10℃內，足部區域溫度波動控制在5℃內，頭部溫度控制波動控制在2℃內，因此保證乘員舒適度。

相較于傳統車，電動車加熱特性更為優秀，基于PTC加熱器溫升特性，可實現足部溫度快速上升。但同時對續航里程的影響也是巨大的。而傳統車則恰恰相反，熱水資源無需成本，但升溫特性會稍慢。增程式電動車則綜合這兩者的優點。

4 結論

本文采用環模實驗的方法對某增程式電動車進行了實驗對比研究。結合實驗結果可以發現，水冷形式電池的溫度控制能力優秀，低溫環境下增程式電動車的整車加熱特性也能夠由此實現長足提升;對電池功率消耗要求小，對電池溫度控制有很好的保護作用;另外，電動車的空調系統性能要明顯好于傳統車，且具有更好的控制靈活性和調節性能。

【參考文獻】

[1]Laura Cozzi.World Energy Outlook 2007：China and India Insights.Presentation at Shanghai Jiao Tong University.2007.

[2]《節能與新能源汽車產業規劃（2011-2020）》.

[3]電動汽車產業研究分析報告，2011.

[4]新能源汽車動力電池行業深度研究，2009.5.

[5]Jung，D.Y.，Lee，B.H.，Kim，S.W.，“Development of battery management system for nickel–metal hydride batteries in electric vehicle applications，”Journal of Power Sources，109，2002，1-10.

[6]R.Kizilel，R.Sabbah，J.R.Selmana，S.Al-Hallaj，“An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs，”Journal of Power Sources，194，2009，1105–1112.