瞿曉華

【摘 要】增程式電動車是純電動車的一種擴(kuò)展車型，比一般的純電動車要多出一套發(fā)動機(jī)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)車有很大的差異，壓縮機(jī)改成高壓直流驅(qū)動，而加熱方式更改為電加熱和發(fā)動機(jī)水加熱相結(jié)合的形式。本文通過環(huán)模測試的方法，研究增程式電動車的空調(diào)系統(tǒng)熱特性。

【關(guān)鍵詞】增程式電動車;熱管理;電池;空調(diào)系統(tǒng);實驗

中圖分類號： U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)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(jié)合實際調(diào)研可與發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段動力電池存在的設(shè)計瓶頸在一定程度上制約了電動汽車發(fā)展，如能量密度無法滿足續(xù)航里程需要[1-4]。在更改燃料后，電動汽車的動力系統(tǒng)會導(dǎo)致整車熱特性發(fā)生較大變化，這種變化將對取暖、空調(diào)造成本質(zhì)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(fā)了一套熱管理系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)車進(jìn)行了實驗對比研究。

對于采用不同傳熱介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)來說，相變材料、絕熱材料、液體、空氣、其他混合介質(zhì)均可作為傳熱介質(zhì);對于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來說，主動形式、被動形式的設(shè)計均較為常見，如無額外能耗的環(huán)境熱源，或采用其他耗能的主動形式設(shè)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)，并取得了很大進(jìn)展。而針對空調(diào)系統(tǒng)方面的研究卻鮮有報道。

本文擬通過環(huán)模測試的方法，研究增程式電動車的空調(diào)系統(tǒng)熱特性。

1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機(jī)的存在有大大提升了整車動力性能與續(xù)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(nèi)儀表等低壓用電設(shè)備供電。

本文設(shè)計的熱管理系統(tǒng)具備較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要由5部分組成，包括電池水冷系統(tǒng)、高壓部件水冷系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)油冷系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)間存在相互獨立又有耦合的關(guān)系。

本文的空調(diào)及電池冷卻系統(tǒng)采用電動壓縮機(jī)驅(qū)動雙蒸系統(tǒng)。前蒸用于車廂內(nèi)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(cè)采用絕緣材料與外界環(huán)境絕熱。

為滿足電池冷卻需要，前端低溫散熱器會在環(huán)境溫度合適時負(fù)責(zé)冷卻;如環(huán)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(fù)責(zé)水系統(tǒng)驅(qū)動，三位控制閥負(fù)責(zé)切換回路;當(dāng)電池工作在舒適溫度，三位控制閥切換至短路循環(huán)，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(shè)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(fù)責(zé)熱交換。

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

為對比研究空調(diào)系統(tǒng)熱特性，本文對該增程式電動車進(jìn)行了實驗測試。空調(diào)系統(tǒng)主要零部件及參數(shù)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(jìn)行了環(huán)模實驗測試。實驗測試工況如下。系統(tǒng)中所用制冷劑為R134a。

降溫實驗：38℃，50%RH，日照1000w/m2/100% SOC，車內(nèi)頭部溫度到達(dá)60℃時開始實驗/空調(diào)：全冷/吹面/內(nèi)循環(huán)/最大風(fēng)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(nèi)溫度-18℃，發(fā)動機(jī)油溫-18℃/空調(diào)：全熱/吹腳/外循環(huán)/最大風(fēng)量/車速：50km h-1（30min），100km h-1（30min），怠速（30min）

3 實驗結(jié)果分析

3.1 降溫性能

如圖1，在前近兩個小時內(nèi)，電動車運行處于純電動模式，而后進(jìn)入純電動模式與增程模式結(jié)合的運行模式，兩種模式由電部件需求功率及電池SOC狀態(tài)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(dá)到31℃后打開，此時壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升，乘員艙出風(fēng)溫度下會隨著系統(tǒng)制冷量加大而降低，具體變化如圖2所示。設(shè)計采用下調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，這種方式的應(yīng)用使得電池進(jìn)口冷卻液溫度出現(xiàn)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(huán)內(nèi)。

電動車的降溫性能要比傳統(tǒng)車稍好，特別是在怠速工況，電動車壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不受車速限制，可以根據(jù)需求調(diào)整轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)和PTC加熱器會在電動車?yán)鋯訒r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(jī)械泵，發(fā)動機(jī)能夠在運行時調(diào)低電動水泵轉(zhuǎn)速，電動水泵轉(zhuǎn)速應(yīng)在發(fā)動機(jī)停止時調(diào)高，由于整個加熱過程中電動水泵均未關(guān)閉，冷卻液加熱回路的流阻因此得到較好控制，熱集聚現(xiàn)象也得以有效避免。在加熱實驗過程中，PTC加熱器負(fù)責(zé)維持和輔助，發(fā)動機(jī)主要負(fù)責(zé)水溫提升與電池充電。

結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，在PTC加熱器與發(fā)動機(jī)交替運行過程中，足部區(qū)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(fēng)溫度波動，因此將出風(fēng)溫度波動控制在10℃內(nèi)，足部區(qū)域溫度波動控制在5℃內(nèi)，頭部溫度控制波動控制在2℃內(nèi)，因此保證乘員舒適度。

相較于傳統(tǒng)車，電動車加熱特性更為優(yōu)秀，基于PTC加熱器溫升特性，可實現(xiàn)足部溫度快速上升。但同時對續(xù)航里程的影響也是巨大的。而傳統(tǒng)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(yōu)點。

4 結(jié)論

本文采用環(huán)模實驗的方法對某增程式電動車進(jìn)行了實驗對比研究。結(jié)合實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水冷形式電池的溫度控制能力優(yōu)秀，低溫環(huán)境下增程式電動車的整車加熱特性也能夠由此實現(xiàn)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(hù)作用;另外，電動車的空調(diào)系統(tǒng)性能要明顯好于傳統(tǒng)車，且具有更好的控制靈活性和調(diào)節(jié)性能。

【參考文獻(xiàn)】

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

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[3]電動汽車產(chǎn)業(yè)研究分析報告，2011.

[4]新能源汽車動力電池行業(yè)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.