雷良新，陶樂(lè)仁*, ，孫悅，陶宏，黃理浩, ，桂超

（1-上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2-上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3-上海海立新能源技術(shù)有限公司，上海 201206）

0 引言

由于純電動(dòng)汽車(chē)具有巨大的節(jié)能減排和石油替代潛力，它已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然選擇[1]，傳統(tǒng)燃油車(chē)在為人們提供便捷出行的同時(shí)，也消耗了大量的石油資源并造成了巨大的環(huán)境污染[2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)尾氣作為大氣污染的主要來(lái)源之一，其排放量在大氣污染中的占比高達(dá)70%[3]。因此，在能源和環(huán)境的雙重壓力下，開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)、從而減少汽車(chē)的碳排放已經(jīng)成為全球汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域及政府探索的焦點(diǎn)[4]。

目前，一些學(xué)者主要針對(duì)整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這對(duì)于駕駛安全性、乘客舒適性具有重要意義[5-8]。而動(dòng)力蓄電池組作為純電動(dòng)汽車(chē)主要的能量?jī)?chǔ)存裝置，雖然很大程度上解決了傳統(tǒng)燃油車(chē)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，但也帶來(lái)了一些問(wèn)題，在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平下，電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的能量?jī)?chǔ)備有限，續(xù)航里程短是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。在冬季采暖時(shí)，開(kāi)啟不同的空調(diào)風(fēng)門(mén)，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程下降40%～60%[9-10]，這給電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。其次，電動(dòng)汽車(chē)在冬季行駛中，汽車(chē)玻璃表面往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，除霜所需的加熱量也直接影響到電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。為此，要想設(shè)計(jì)一個(gè)合理的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，需要精確地計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)的冬季熱負(fù)荷，這對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行熱力計(jì)算與系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化非常重要。

本文采用穩(wěn)態(tài)傳熱法對(duì)某款純電動(dòng)汽車(chē)冬季穩(wěn)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮到車(chē)體外表面的輻射換熱，得到了圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面和玻璃外表面的溫度，基于車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)熱平衡方程，構(gòu)建了完整的整車(chē)熱負(fù)荷模型。

1 電動(dòng)汽車(chē)乘員艙負(fù)荷構(gòu)成

傳統(tǒng)燃油車(chē)的負(fù)荷計(jì)算方法計(jì)算比較精確，可以推廣適用于純電動(dòng)汽車(chē)計(jì)算負(fù)荷。在夏季，由于車(chē)外溫度高于車(chē)內(nèi)，有大量的熱量通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)入車(chē)內(nèi)，而在冬季，由于車(chē)外溫度比車(chē)內(nèi)溫度要低，車(chē)內(nèi)有大量的熱量通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)散到車(chē)外。傳統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算方法主要包括車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總負(fù)荷、通過(guò)門(mén)窗玻璃傳入的熱量、新風(fēng)熱負(fù)荷、駕駛乘員熱負(fù)荷、其他電器設(shè)備散熱及車(chē)內(nèi)零件散熱等構(gòu)成。這些熱量之和構(gòu)成了車(chē)身熱負(fù)荷。

車(chē)身負(fù)荷熱平衡方程式為：

式中，Qe為車(chē)身總熱負(fù)荷，W；QB為車(chē)身壁面?zhèn)魅氲臒嶝?fù)荷，W；QG為車(chē)身玻璃傳入的熱負(fù)荷，W；QV為新風(fēng)熱量，W；QP為人體熱量，W；QM為用電設(shè)備散熱量，W；QBi為車(chē)內(nèi)零件吸熱量，W；QE為動(dòng)力裝置發(fā)熱量，W。

其中，通過(guò)太陽(yáng)輻射進(jìn)入乘員艙室內(nèi)的熱負(fù)荷是汽車(chē)空調(diào)的主要負(fù)荷，夏季時(shí)車(chē)體表面由于太陽(yáng)輻射所吸收的熱量可占汽車(chē)夏季總負(fù)荷的30%以上，而在冬季的時(shí)候太陽(yáng)輻射也會(huì)減少車(chē)體的冬季采暖熱負(fù)荷；車(chē)身壁面?zhèn)魅氲臒嶝?fù)荷不管在夏季還是冬季，這部分熱量占汽車(chē)總負(fù)荷的20%以上；而在車(chē)輛行駛時(shí)，門(mén)窗玻璃的縫隙既是車(chē)內(nèi)排風(fēng)的途徑，又同時(shí)為汽車(chē)空調(diào)補(bǔ)充了新風(fēng)，其次，出于安全考慮，為了補(bǔ)充乘員艙內(nèi)的乘員呼吸所需的氧氣和排出二氧化碳及有害氣體，需要向乘員艙內(nèi)補(bǔ)足一定量的新風(fēng)。這部分負(fù)荷在冬季時(shí)表現(xiàn)的比較明顯?？紤]到汽車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)熱慣性負(fù)荷，需考慮修正系數(shù)K的影響，一般該修正系數(shù)取值為1.05～1.15[11]。此時(shí)冬季計(jì)算總熱負(fù)荷應(yīng)乘以修正系數(shù)1.2[12]。

由于冬季的太陽(yáng)高度角遠(yuǎn)小于夏季的太陽(yáng)高度角，地面所吸收的太陽(yáng)輻射相對(duì)較小，再加上設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷值能夠保證汽車(chē)在最惡劣的情況下運(yùn)行，故本文在冬季時(shí)沒(méi)有考慮太陽(yáng)輻射對(duì)汽車(chē)負(fù)荷的影響。

2 計(jì)算模型及參數(shù)確定

2.1 車(chē)身內(nèi)外參數(shù)的選擇

在計(jì)算汽車(chē)乘員艙負(fù)荷時(shí)，首先要確定車(chē)身內(nèi)外參數(shù)，同時(shí)涉及到大量的公式。根據(jù)我國(guó)車(chē)內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇的要求，夏季人體感到舒適的溫度范圍為24～26 ℃，由舒適轉(zhuǎn)為不舒適的分界線為28 ℃左右，而冬季，16～25 ℃是人體感到舒適的溫度范圍[13-14]。表1所示為計(jì)算冬季負(fù)荷的車(chē)身室內(nèi)外的相關(guān)參數(shù)，表2所示為待測(cè)車(chē)輛的車(chē)體的部分參數(shù)。

表1 車(chē)身室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)[13]

表2 待測(cè)車(chē)輛的車(chē)體的部分參數(shù)

2.2 傳統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算方法

傳統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算方法主要包括車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總負(fù)荷、通過(guò)門(mén)窗玻璃傳入的熱量、新風(fēng)熱負(fù)荷、駕駛乘員熱負(fù)荷、其他電器設(shè)備散熱、動(dòng)力裝置發(fā)熱量及車(chē)內(nèi)零件散熱等構(gòu)成。其計(jì)算過(guò)程如表3所示[13-14]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷QB由頂面、側(cè)面、前面、后面、地面和門(mén)面6個(gè)部分組成。

表3的負(fù)荷計(jì)算中，用電設(shè)備散熱QM為44 W，動(dòng)力裝置發(fā)熱量QE為300 W。KB為車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；V為每人每小時(shí)所需要的換氣量，m3/h，視新風(fēng)門(mén)的開(kāi)啟程度不同，本文中取值為11～40；ρ為空氣密度，kg/m3；hout為室外空氣焓值，kJ/kg；hin為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg；N為乘員艙內(nèi)駕駛?cè)藛T；αBi為車(chē)內(nèi)零件熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；tBi為車(chē)內(nèi)零件表面溫度，℃。

表3 純電動(dòng)汽車(chē)冬季穩(wěn)態(tài)負(fù)荷計(jì)算

2.3 車(chē)身壁面及玻璃模型

為了研究車(chē)身熱負(fù)荷，需要清楚圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的傳熱過(guò)程和機(jī)理，并建立車(chē)身壁面及玻璃的模型，如圖1所示。文獻(xiàn)[15]中考慮的是有太陽(yáng)輻射時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡，沒(méi)有對(duì)冬季惡劣條件下（即不考慮太陽(yáng)輻射）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱平衡進(jìn)行分析，建立能量守恒方程。本文為了得到在冬季最惡劣條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，尤其是玻璃表面，針對(duì)其表面結(jié)霜情況計(jì)算出冬季所需的表面除霜量，有利于純電動(dòng)汽車(chē)精確地設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)的各大部件，延長(zhǎng)純電動(dòng)汽車(chē)在冬季的續(xù)航里程。

圖1 車(chē)身壁面及玻璃模型

考慮假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境進(jìn)行換熱的時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于熱平衡狀態(tài)，圖2所示為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱平衡。

圖2 車(chē)身壁面及玻璃的熱平衡

由圖2可知，列熱平衡方程為：

式中，Ф1為車(chē)內(nèi)環(huán)境溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱量，W；Ф2為車(chē)內(nèi)環(huán)境溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射換熱量，W；Ф3為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性較小，所以蓄熱量可以忽略不計(jì)；Ф4為車(chē)外環(huán)境溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱量，W；Ф5為車(chē)外環(huán)境溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射換熱量，W。

式中，hin為車(chē)內(nèi)表面對(duì)流換表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·K)；tB為車(chē)內(nèi)環(huán)境溫度，℃；tw為壁面溫度，℃。

式中，Co為黑體表面輻射系數(shù)；ε為圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面的吸收系數(shù)；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；TB為車(chē)內(nèi)環(huán)境絕對(duì)溫度，K；Tw為壁面絕對(duì)溫度，K。

式中，hout為車(chē)外表面與冷空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·K)；tH為車(chē)外環(huán)境溫度，℃。

式中，TH為車(chē)外環(huán)境絕對(duì)溫度，K。

在怠速工況下，車(chē)體外表面與環(huán)境之間屬于自然對(duì)流。為了了解怠速工況下車(chē)體表面的溫度，根據(jù)熱平衡關(guān)系式采用工程方程求解器（Engineering Equation Solver，EES）編制程序的方法來(lái)求解圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于熱平衡時(shí)的壁面溫度。表4所示為通過(guò)程序計(jì)算后的車(chē)體表面溫度。

表4 通過(guò)程序計(jì)算后的車(chē)體表面溫度

2.4 除霜負(fù)荷的計(jì)算

純電動(dòng)汽車(chē)在冬季環(huán)境溫度較低的情況下，車(chē)輛風(fēng)窗玻璃內(nèi)外表面溫度也較低，此時(shí)車(chē)窗外表面會(huì)結(jié)霜。由于我國(guó)南北方氣候差異較大，汽車(chē)玻璃表面除霜所需的熱負(fù)荷也差異較大。在南方，冬季汽車(chē)玻璃表面結(jié)霜現(xiàn)象較輕，所需要的除霜熱負(fù)荷較小，這樣不會(huì)對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)造成太大的壓力；而在北方，尤其是在東北地區(qū)，室外環(huán)境溫度相對(duì)較低，汽車(chē)玻璃表面往往會(huì)結(jié)一層厚厚的霜，此時(shí)所需的除霜熱負(fù)荷相對(duì)較大，這樣會(huì)對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)造成一定的壓力[16-18]。

冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，車(chē)輛風(fēng)窗玻璃內(nèi)外表面溫度也較低，此時(shí)乘客在呼氣和散熱的作用下，空氣的含濕量會(huì)慢慢增大。當(dāng)乘員艙內(nèi)溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣會(huì)凝露在風(fēng)窗玻璃表面。當(dāng)風(fēng)窗玻璃內(nèi)表面溫度低于0 ℃時(shí)，水蒸氣會(huì)在玻璃內(nèi)表面直接凝結(jié)成霜[19-20]，致使駕駛員無(wú)法駕駛，也會(huì)造成系統(tǒng)性能及供熱量下降[21]。

因此，除霜條件為乘員艙內(nèi)表面溫度要大于空氣的露點(diǎn)溫度。為了提高乘員艙內(nèi)表面溫度，必須要向乘員艙內(nèi)表面進(jìn)行加熱。設(shè)除霜所需的熱量為Q1，計(jì)算公式為：

式中，K為玻璃表面的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為車(chē)窗表面面積，m2；δ為車(chē)窗玻璃的厚度，m；λ為車(chē)窗玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

假設(shè)車(chē)內(nèi)散熱量為Q2，因此除霜熱負(fù)荷Q為：

在除霜過(guò)程中，由于受到乘員艙室內(nèi)溫度、車(chē)速、風(fēng)向等因素的影響，Q1和Q2都是變化不定的，為了計(jì)算方便，可以近似認(rèn)為Q1=Q2，則：

根據(jù)以上公式計(jì)算可得：怠速時(shí)除霜熱負(fù)荷Q為721.42 W。

3 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

本文根據(jù)上述的計(jì)算步驟，分別計(jì)算了車(chē)身總熱負(fù)荷隨不同車(chē)速的變化、車(chē)身各部分負(fù)荷的占比情況，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)的熱負(fù)荷

圖4 環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)各部分負(fù)荷占比

由圖3可知，隨空調(diào)選取的新風(fēng)模式不同，冬季熱負(fù)荷的變化范圍為3 888～8 704 W，隨著車(chē)速的增加，冬季熱負(fù)荷逐漸增加。車(chē)體剛啟動(dòng)后車(chē)身熱負(fù)荷增加快，隨著車(chē)身速度的不斷增加，車(chē)身熱負(fù)荷增加幅度較小，最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)檐?chē)體啟動(dòng)后，由怠速時(shí)的自然對(duì)流轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流，其外表面對(duì)流換熱系數(shù)相比怠速時(shí)自然對(duì)流換熱系數(shù)要大很多，表面溫度下降速率快，車(chē)內(nèi)外表面溫差增大，冬季總的負(fù)荷就逐漸增大，且速度增大后，外表面對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，表面溫度下降，車(chē)內(nèi)外表面溫差增大，總的負(fù)荷就逐漸增大。

以車(chē)身速度40 km/h為例，由圖4可知，當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，新風(fēng)熱負(fù)荷（57.99%）占比最大，其次是車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷，這兩部分占冬季總負(fù)荷90%左右，當(dāng)車(chē)身速度由0增加到150 km/h時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷在總采暖負(fù)荷的占比為57.4%～66.5%。這是因?yàn)橐环矫娑境鲇诎踩紤]，為了補(bǔ)充乘員艙內(nèi)的乘員呼吸所需的氧氣和排出二氧化碳及有害氣體，需要向乘員艙內(nèi)補(bǔ)足一定量的新風(fēng)；另一方面，由于室外環(huán)境溫度過(guò)低，車(chē)窗玻璃內(nèi)外表面溫度也較低，此時(shí)乘客在呼氣和散熱的作用下，空氣的含濕量會(huì)逐漸增加，當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，就可能在汽車(chē)玻璃表面結(jié)霜，影響行駛過(guò)程中的安全性，常常需要引入一定量的新風(fēng)用于除霜或除霧。

該款純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)冬季采暖負(fù)荷中主要由新風(fēng)負(fù)荷構(gòu)成和車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成，新風(fēng)負(fù)荷占主要部分，且隨不同車(chē)速變化，其占冬季總采暖負(fù)荷的57.4%～66.5%，與文獻(xiàn)[10]中隨著不同車(chē)速變化、新風(fēng)負(fù)荷占比為56.2%～84.8%相符合，符合汽車(chē)空調(diào)熱負(fù)荷比例標(biāo)準(zhǔn)，因此，該計(jì)算結(jié)果是合理的。

4 負(fù)荷優(yōu)化分析

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是空調(diào)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇的最主要依據(jù)，關(guān)系到汽車(chē)空調(diào)的效果、系統(tǒng)投資成本和能耗。本文分析了純電動(dòng)汽車(chē)冬季熱負(fù)荷的構(gòu)成，純電動(dòng)汽車(chē)的冬季熱負(fù)荷主要由新風(fēng)負(fù)荷和車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成，其中新風(fēng)負(fù)荷占主要部分，在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)通過(guò)車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量和新風(fēng)負(fù)荷之和占整車(chē)熱負(fù)荷的73.6%。

為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召和盡可能降低成本，需要降低這部分熱負(fù)荷并提出了以下優(yōu)化方法：1）降低新風(fēng)負(fù)荷，冬季盡量減少車(chē)門(mén)的開(kāi)啟次數(shù)；將手動(dòng)風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)改為電動(dòng)風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)；嚴(yán)格控制工廠車(chē)門(mén)密封間隙，增加B柱密封條，從而保證密封效果；檢查裝配工藝，保證前壁板隔聲墊與空調(diào)循環(huán)進(jìn)風(fēng)口貼合較好；2）降低通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷，選擇優(yōu)良、導(dǎo)熱系數(shù)越小的材質(zhì)，隔熱層越厚，隔熱效果越好；減少車(chē)身骨架與內(nèi)外蒙皮間的接觸面積并在外蒙皮內(nèi)壁上涂上隔熱膠；3）降低通過(guò)玻璃車(chē)門(mén)的熱負(fù)荷，一般通過(guò)改善玻璃材料、厚度和光學(xué)性能來(lái)減少玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射的直接透射率和吸收率。還可以適當(dāng)加厚玻璃，這對(duì)于夏季來(lái)說(shuō)非常有利，而冬季，玻璃厚度增加后，除霜比較困難，因此，冬季可以采用在玻璃表面鍍一層電加熱膜用于除霜，同時(shí)采用熱泵供暖結(jié)合熱敏電阻加熱方式對(duì)乘員艙內(nèi)進(jìn)行供暖。

5 結(jié)論

本文對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)冬季熱負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算，建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱平衡方程，利用EES編寫(xiě)計(jì)算程序計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，計(jì)算了冬季所需除霜熱負(fù)荷和整車(chē)熱負(fù)荷，得出如下結(jié)論：

1）基于車(chē)體結(jié)構(gòu)傳熱機(jī)理，建立了車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定后的熱平衡方程分析，利用EES編寫(xiě)計(jì)算程序計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度，進(jìn)而計(jì)算出冬季擋風(fēng)玻璃表面的除霜熱負(fù)荷大??；

2）純電動(dòng)汽車(chē)冬季熱負(fù)荷主要由新風(fēng)負(fù)荷和通過(guò)車(chē)身壁面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷構(gòu)成，其中新風(fēng)負(fù)荷占主要部分，隨新風(fēng)門(mén)開(kāi)啟程度的不同，其冬季熱負(fù)荷的變化范圍為3 888～8 704 W，其新風(fēng)負(fù)荷約占總負(fù)荷的57.4%～66.5%；

3）針對(duì)構(gòu)成冬季熱負(fù)荷的主要部分進(jìn)行了優(yōu)化分析，從新風(fēng)負(fù)荷、車(chē)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷和車(chē)窗玻璃的熱負(fù)荷角度出發(fā)，提出了優(yōu)化措施，為純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)精確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化指明了方向，減少了能源的浪費(fèi)，提高了純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。