唐丹萍 王子安 王雨晴 劉業(yè)鳳 何曙

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院；2.上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所有限公司；3.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

近年來，純電動汽車由于安全、環(huán)保等特點已經(jīng)超越傳統(tǒng)汽車成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的主流趨勢。但是由于純電動汽車動力來源為動力電池組，使得冬季供暖和電池冷卻成為難點。目前解決純電動汽車冬季供暖的最佳方式是熱泵系統(tǒng)，具有高效、節(jié)能、舒適性好等優(yōu)點。電池?zé)峁芾淼淖罴逊绞綖橐砸后w為介質(zhì)的熱管理方式，具有控制簡單、冷卻快等優(yōu)點。文章考慮整車熱管理需求和車型的運行特點設(shè)計1 套節(jié)能、高效的CO2熱泵模塊與熱管理系統(tǒng)，并對其各種運行模式的工作原理進行詳細介紹。

1 CO2熱泵模塊與熱管理系統(tǒng)工作原理

根據(jù)空調(diào)器人體熱舒適性要求[1]，在環(huán)境溫度超過28℃時需要開啟空調(diào)制冷模式對乘客艙進行降溫；當(dāng)環(huán)境溫度低于16℃時則需要對乘客艙進行供暖。市場上車型常用電池為三元鋰電池，最佳工作溫度范圍為20～45℃[2]。當(dāng)外界溫度較高時，動力電池組會產(chǎn)生大量的熱量，因無法快速散掉而使電池溫度急劇上升，這時靠自然冷卻無法快速使電池?zé)崃可⒌簦菀装l(fā)生自燃等危險情況，故需要利用空調(diào)系統(tǒng)的冷量對其進行冷卻；當(dāng)外界溫度在0℃以下時，電池內(nèi)阻快速增加，使充放電性能變差，此時需要熱量對其進行預(yù)熱，使其能夠正常工作。對于驅(qū)動電機來說[3]，其最佳工作溫度范圍是-40～80℃。環(huán)境溫度較高時，電機在運行過程中產(chǎn)生的熱量可由載冷劑回路通過散熱器向環(huán)境散熱；環(huán)境溫度較低時，電機的熱量可用來給乘客艙供暖。具體的整車熱管理需求如表1 所示。

表1 整車熱管理需求

文章采用CO2作為制冷劑，50%乙二醇溶液作為載冷劑，設(shè)計1 套可同時滿足乘客艙制冷、供熱、除濕，動力電池預(yù)熱、冷卻，以及驅(qū)動電機冷卻、余熱回收的CO2汽車熱泵模塊與熱管理系統(tǒng)，如圖1 所示。相比于傳統(tǒng)的PTC 電加熱器供暖，該系統(tǒng)采用熱泵供暖熱效率更高、能耗更低、乘客艙舒適性更好。采用CO2作為制冷劑可以在更低的環(huán)境溫度下運行，解決了傳統(tǒng)制冷劑熱泵空調(diào)低溫下供暖不足的問題，系統(tǒng)制熱性能更高，且CO2優(yōu)良的傳熱和熱力特性使得該系統(tǒng)的設(shè)備尺寸非常小，特別適合于汽車空調(diào)。該系統(tǒng)的特點在于：1）將CO2系統(tǒng)做成模塊化，可減少CO2回路尺寸，節(jié)約成本；2）將空調(diào)系統(tǒng)與電池、電機回路連接起來，更為緊湊；3）使用二次回路系統(tǒng)，CO2不與乘客艙、電池模塊直接接觸，避免了制冷劑泄露造成的安全隱患；4）增加余熱回收功能，實現(xiàn)能源的有效利用，更為節(jié)能；5）配有PTC 電加熱器，可在熱泵系統(tǒng)供熱不足時開啟；6）在汽車風(fēng)道中布置2 個換熱器，在乘客艙冷、熱模式切換時，可避免擋風(fēng)玻璃起霧的情況，更為安全。

圖1 純電動汽車熱泵模塊與熱管理系統(tǒng)

圖1～圖6 中虛線為CO2回路，實線為乙二醇溶液回路，其中：COM—壓縮機；CON—氣冷器；EXV—電子膨脹閥；EVA—蒸發(fā)器；Pump—電子水泵；PEEM—驅(qū)動電機；PTC—電加熱器；Heater—暖風(fēng)換熱器；Cooler—冷風(fēng)換熱器;ESS—電池；OHC—室外換熱器；Val—電子三通閥；S—截止閥。

2 典型的運行模式介紹

根據(jù)所設(shè)計的CO2汽車熱泵模塊與熱管理系統(tǒng)，將系統(tǒng)可實現(xiàn)的各種功能與汽車運行工況結(jié)合起來，得到如表2 所示的運行模式。

2.1 夏季制冷模式

轎車在夏季運行時，動力電池產(chǎn)生的熱量由制冷系統(tǒng)提供冷量來平衡；乘客艙溫度超過人體舒適度上限，也由制冷系統(tǒng)提供冷量來降溫。具體流程為：一路載冷劑與節(jié)流后的CO2流體在蒸發(fā)器中進行熱交換，通過載冷劑循環(huán)回路把冷量帶到乘客艙。載冷劑在室內(nèi)換熱器（Cooler）中與周圍空氣進行換熱后溫度升高，達到冷卻動力電池的溫度要求后進入電池冷水板中給動力電池降溫，然后通過泵（Pump2）回到蒸發(fā)器；另一路載冷劑與高溫高壓的CO2流體在氣冷器中換熱，溫度升高至驅(qū)動電機的冷卻溫度要求后進入驅(qū)動電機換熱器中將驅(qū)動電機產(chǎn)生的熱量帶走，一起通過室外換熱器（OHC）傳遞給環(huán)境，最后通過泵（Pump1）回到氣冷器中完成循環(huán)，如圖2 所示。

表2 運行模式

圖2 制冷模式下冷媒、載冷劑流向圖

2.2 冬季供暖模式

轎車在冬季運行時，動力電池產(chǎn)生的熱量由CO2空調(diào)系統(tǒng)提供冷量來平衡；乘客艙溫度未達到人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)，由CO2熱泵提供熱量來供暖。具體流程為：一路載冷劑與高溫高壓的CO2流體在氣冷器中換熱而溫度升高，隨后進入驅(qū)動電機對其進行冷卻，使得載冷劑溫度進一步升高后進入室內(nèi)換熱器（Heater），與周圍空氣進行換熱，然后通過泵（Pump1）回到氣冷器中，加熱后的空氣則進入乘客艙供暖；另一路載冷劑與CO2流體在蒸發(fā)器中換熱降溫后通過泵（Pump2）把冷量帶到電池冷水板中給動力電池降溫，最后回到蒸發(fā)器中完成一個循環(huán)，如圖3 所示。

2.3 春秋季供暖模式

轎車在春秋季運行，乘客艙需要供暖時可不開啟CO2熱泵系統(tǒng)，而是通過回收動力電池、驅(qū)動電機的熱量給乘客艙供暖。具體流程為：載冷劑對驅(qū)動電機冷卻后溫度升高達到供暖要求，然后進入室內(nèi)換熱器（Heater）與周圍空氣進行換熱而降溫，接著進入室外換熱器（OHC）進一步降溫，達到冷卻動力電池的溫度要求后進入電池冷水板中給動力電池降溫，最后回到驅(qū)動電機中完成循環(huán)，如圖4 所示。

圖3 供暖模式下冷媒、載冷劑流向圖

圖4 春秋季供暖模式下冷媒、載冷劑流向圖

2.4 除濕模式

當(dāng)冬季車外空氣濕度低，而車內(nèi)空氣濕度較高時，車窗內(nèi)表面溫度低于車內(nèi)空氣露點溫度，導(dǎo)致空氣中的水蒸氣在車窗內(nèi)表面凝結(jié)成霧，影響司機的駕駛視線、危害乘客的安全，故需要對前擋風(fēng)玻璃除霧。目前主要采用空調(diào)系統(tǒng)對進入乘客艙的空氣進行除濕來達到除霧的目的。具體流程為：開啟CO2熱泵系統(tǒng)，進入乘客艙的空氣先由室內(nèi)換熱器（Cooler）進行降溫除濕，再由室內(nèi)換熱器（Heater）加熱，最后以高溫低濕的狀態(tài)進入乘客艙，達到除濕供暖的目的，如圖5 所示。

2.5 動力電池快充模式

動力電池是純電動汽車的核心，為了使純電動汽車可以像燃油車一樣“5min 加油”而出現(xiàn)了快充這一概念。目前市場上的純電動汽車已經(jīng)可以0.5 h 充滿80%的電量，但是在這個過程中由于充電功率較大使得電池組產(chǎn)生極大的熱量，必然使得電池發(fā)熱、安全隔離失效，僅靠自然散熱遠遠達不到想要的效果，尤其是在夏季高溫場合，容易引起自燃，此時需要制冷系統(tǒng)提供冷量來協(xié)助散熱。具體流程為：載冷劑與節(jié)流后的CO2流體在蒸發(fā)器中換熱后直接進入電池冷水板給動力電池降溫，然后通過泵（Pump2）回到蒸發(fā)器；另一路載冷劑與高溫高壓的CO2流體在氣冷器中換熱，此時驅(qū)動電機處于關(guān)閉狀態(tài)，故從氣冷器出來的載冷劑直接進入室外換熱器（OHC）與環(huán)境換熱，最后回到氣冷器中完成循環(huán)，如圖6 所示。

圖5 除濕模式下冷媒、載冷劑流向圖

圖6 動力電池快充冷卻模式下冷媒、載冷劑流向圖

3 結(jié)論

純電動汽車完全依靠電池組的電能供給，總電量在增加行駛里程和整車負荷需求的分配尤為重要。因此，倡導(dǎo)采用節(jié)能減排的CO2熱泵空調(diào)熱管理系統(tǒng)。文章中設(shè)計的CO2熱泵模塊與熱管理系統(tǒng)，具有通過載冷劑回路來實現(xiàn)冷熱量傳遞，并增加余熱回收功能以降低熱泵模塊耗電量的特點。