電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)、電動(dòng)制動(dòng)和電動(dòng)轉(zhuǎn)向作為新 能源汽車的“小三電”，消耗著整車的能量，尤其是電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)由于無(wú)法利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行駕駛室制熱，冬季制熱時(shí)的能耗可達(dá)到整車能耗的33%左右，夏季制冷時(shí)的能量消耗相比空調(diào)關(guān)閉時(shí)高出10%左右，導(dǎo)致續(xù)航里程下降18%～30%。對(duì)于燃料電池汽車，由于沒(méi)有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱用于駕駛室制熱，而采用PTC熱敏電阻空調(diào)等電加熱方式，因而需要消耗大量的能量，嚴(yán)重影響汽車的經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程。同時(shí)，在燃料電池汽車行駛過(guò)程中，燃料 電池、動(dòng) 力電池及電機(jī)等有較高的發(fā)熱功率，需對(duì)其進(jìn)行合理、有效的熱管理，以保證燃料電池、動(dòng)力電池及電機(jī)安全、高效地運(yùn)行。目前，現(xiàn)有燃料電池汽車將駕駛室熱環(huán)境、電池組熱管理及電機(jī)熱管理獨(dú)立設(shè)置、分開管理，并沒(méi)有協(xié)調(diào)統(tǒng)一進(jìn)行集成式管理，使得總體熱管理能耗較高，部分熱能不能實(shí)現(xiàn)再利用。實(shí)現(xiàn)整車熱管統(tǒng)一管理、整車余熱再次利用對(duì)燃料電池汽車提高經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
熱泵空調(diào)具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)駕駛室冷熱一體化調(diào)節(jié)，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車 。歐陽(yáng)東設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)和動(dòng)力電池組交互熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池組的產(chǎn)熱量和空調(diào)制熱量交互利用。吳禎利提出了一種考慮電池?zé)峁芾淼男滦涂照{(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)乘員艙和電池組的溫度控制。艾志 華 提出了一種集成式熱管理方案，將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和熱泵空調(diào)集成，提高了整車的能量利用率。閆福瓏提出以電動(dòng)汽車電機(jī)冷卻水和大氣為熱源的熱泵空調(diào)制熱方案，并驗(yàn)證了其可行性。
本文中針對(duì)某燃料電池重卡，為降低整車能耗，提高其續(xù)航里程，設(shè)計(jì)了一種以熱泵空調(diào)系統(tǒng)為核心的熱管理系統(tǒng)，將駕駛室熱管理、燃料電池?zé)峁芾?、?dòng)力電池?zé)峁芾砑半姍C(jī)熱管理集成于一體。對(duì)熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作模式等進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模，通過(guò) AMESim仿真分析，研究熱管理系統(tǒng)的制冷、制熱效果，驗(yàn)證基于熱泵空調(diào)的整車熱管理系統(tǒng)的可行性與優(yōu)越性。1整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)主要將駕駛室 熱管理、燃料電池?zé)峁芾?、?dòng)力電池?zé)峁芾砑半姍C(jī)熱管理等進(jìn)行整合，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，改變?cè)械南鄬?duì)獨(dú)立管理方式。由于熱泵空調(diào)具有高效、節(jié)能、冷熱一體化調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，故基于熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種夏季可為駕駛室制冷、為燃料電池和動(dòng)力電池散熱，冬季可為駕駛室制熱、為燃料電池和動(dòng)力電池預(yù)熱保溫、電池組及電機(jī)余熱再利用的整車熱管理方案。系統(tǒng)采用Ｒ134a作為制冷劑。熱管理系統(tǒng)原理如圖1所示。
從圖 1可知，整車熱管理系統(tǒng)由熱泵空調(diào)循 環(huán)回路、燃料電池循環(huán)回路、動(dòng)力電池循環(huán)回路、電機(jī)冷卻循環(huán)回路等 4個(gè)循環(huán)回路組成。熱泵空調(diào)循環(huán)回路中共有1個(gè)四通換向閥和5個(gè)電磁閥用于調(diào)節(jié)回路中制冷劑的循環(huán)路徑與方向，通過(guò)電動(dòng)壓縮機(jī)調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。燃料電池回路和動(dòng)力電池循環(huán)回路分別通過(guò)水泵1和水泵2調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。電機(jī)冷卻回路中有1個(gè)三通電磁閥用于調(diào)節(jié)回路中制冷劑的路徑，通過(guò) 水泵 3調(diào)節(jié)回路中制冷劑流速。熱泵空調(diào)循環(huán)回路與燃料電池循環(huán)回路、動(dòng)力電池循環(huán)回路在熱泵換熱器中實(shí)現(xiàn)熱量交換;電機(jī)冷卻循環(huán)回路通 過(guò)車內(nèi)換熱器與駕駛室實(shí)現(xiàn)熱量交換。由于電機(jī)只需要冷卻而不需要預(yù)熱，因此將電機(jī)冷卻循環(huán)回路單獨(dú)設(shè)置，不與熱泵空調(diào)循環(huán)回路進(jìn)行熱量交換。各循環(huán)回路通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻劑流速達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。
整車熱管理系統(tǒng)的工作模式通過(guò)邏輯門限值控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，采集實(shí)時(shí)環(huán)境溫度 T amb 、駕駛室溫度 T cab 、燃料電池溫度T ful 、動(dòng)力電池溫度T pow 、電機(jī)溫度T m 。邏輯門限值控制狀態(tài)的邏輯關(guān)系如圖2所示。根據(jù)邏輯門限值控制，整車熱管理系統(tǒng)分為以下具體工作模式 :模式 1駕駛室單冷:環(huán)境溫度T amb ＞20℃， 駕駛室溫度 T cab ＞25℃，燃料電池溫度80℃＞T ful ＞70℃，動(dòng)力電池溫度45℃＞T pow ＞18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥5，關(guān)閉其余4個(gè)電池閥。模式 2駕駛室制冷、電池組散熱:環(huán)境溫度T amb ＞20℃，駕駛室溫度T cab ＞25℃，燃料電池溫度T ful ＞80℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＞45℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥2、4和5，關(guān)閉電磁閥1和3。模式 3駕駛室制冷、電池組預(yù)熱:環(huán)境溫度T amb ＞20℃，駕駛室溫度T cab ＞25℃，燃料電池溫 度 T ful ＜70℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＜18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥1和3，關(guān)閉電磁閥2、4和5。模式 4駕駛室單熱:環(huán)境溫度T amb ＜10℃，駕駛室溫度T cab ＜18℃，燃料電池溫度80℃＞T ful ＞70℃，動(dòng)力電池溫度45℃＞T pow ＞18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開啟電磁閥5，關(guān)閉其余4個(gè)電池閥。模式 5駕駛室制熱、電池組預(yù)熱:環(huán)境溫度 度 T ful ＜70℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＜18℃。四通換向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開啟電磁閥2、4和5，關(guān)閉電磁 閥 1和3。模式 6駕駛室制熱、電池組散熱:環(huán)境溫度T amb ＜10℃，駕駛室溫度T cab ＜18℃，燃料電池溫度T ful ＞80℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＞45℃。四通換 向閥轉(zhuǎn)至制熱位，開啟電磁閥 1和3，關(guān)閉電磁閥2、4和5。模式 7電池組熱源除霜模式:環(huán)境溫度T amb ＜10℃，燃料電池溫度T ful ＞80℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＞45℃，車外換熱器結(jié)霜。四通換向閥轉(zhuǎn)至制冷位，開啟電磁閥2和4，關(guān)閉電磁閥1、3 和 5。模式 8駕駛室熱源除霜模式:環(huán)境溫度T amb ＜10℃，燃料電池溫度Tful＜70℃，動(dòng)力電池 ＜ 18℃，車外換熱器結(jié)霜。四通換向閥 轉(zhuǎn)至制冷位，只開啟電磁閥 5，關(guān)閉其余4個(gè)電磁閥。模式 9電池組單獨(dú)熱管理、電池組單獨(dú)散熱:開啟電磁閥1和4，關(guān)閉電磁閥2、3和5。當(dāng)環(huán)境溫度20℃＞T amb ＞10℃，駕駛室不需制冷或制 熱 ;燃料電池溫度Tful＞80℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＞45℃，進(jìn)入電池組散熱工況;燃料電池溫度T ful ＜70℃，動(dòng)力電池溫度T pow ＜18℃，進(jìn)入電池組預(yù)熱工況。模式 10電機(jī)散熱模式:當(dāng)電機(jī)溫度T m ＞100℃，電機(jī)進(jìn)入散熱模式:當(dāng)環(huán)境溫度T amb ＜10℃，電機(jī)余熱利用，否則電機(jī)單獨(dú)散熱。根據(jù)整車熱管理方案，在 AMESim軟件中建立基于熱泵空調(diào)的熱管理模型。AMESim模型主要包括熱泵空調(diào)模塊、燃料電池?zé)峁芾砟K、動(dòng)力電池?zé)峁芾砟K、電機(jī)冷卻模塊和車輛模型等5部分。表1是某燃料電池重卡的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。熱泵空調(diào)系統(tǒng)建模主要包括電動(dòng)壓縮機(jī)、四通換向閥、車內(nèi)換熱器、車外換熱器、電子膨脹閥等部件的建模。電動(dòng)壓縮機(jī)模型采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)模型 EMDPMDC01;壓縮機(jī)模型選用固定排量壓縮機(jī)模型ACCCOMP04;換熱器模型包括車外換熱器模型和車內(nèi)換熱器模型，車外換熱器類型為微通道平行流換熱器，車內(nèi)換熱器為U形管板翅式換熱器;膨脹節(jié)流模型選用雙流向膨脹節(jié)流模型TPFMGＲ00。燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)具有 非線性的特點(diǎn)，其機(jī)理模型復(fù)雜且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。本文中建立燃料電池內(nèi)部等效電路模型，將能量 損失等效為電阻，將因電荷聚集而產(chǎn)生的雙層電容效應(yīng)等效為電容。動(dòng)力電池模型因電流、功率、荷電狀態(tài)(SOC)、內(nèi)阻、溫度等原因，呈現(xiàn)非線性影響。建立內(nèi)阻等效模型。永磁同步電機(jī)選用無(wú)阻尼永磁同步電機(jī)模型EMDPMSM01。整車熱管理系統(tǒng)在AMESim軟件中的模型如圖3所示。根據(jù)建立的燃料電池整車熱管理系統(tǒng)，結(jié)合 SFTP－SC03運(yùn)行工況進(jìn)行系統(tǒng)仿真，考察整車熱管理系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過(guò)程中的駕駛室制冷制熱效果、電池系統(tǒng)的預(yù)熱保溫效果等。驗(yàn)證整車熱管理系統(tǒng)的可行性與有效性。采用所建立的燃料電池重卡整車熱管理系統(tǒng) 模型，選用SFTP－SC03運(yùn)行工況作為車輛循環(huán)工況。在夏季制冷模式下，環(huán)境溫度分別設(shè)為28、30、32、34、36℃，駕駛室目標(biāo)溫度設(shè)為25℃;在冬季制熱模式下，環(huán)境溫度分別設(shè)為－10、－5、0、5℃，駕駛室目標(biāo)溫度設(shè)為18℃。仿真時(shí)間為1個(gè)SFTP－SC03循環(huán)時(shí)間。設(shè)置環(huán)境溫度為－5、0、5、10℃，燃料電池和動(dòng)力電池目標(biāo)溫度為70℃和30℃。圖 4所示為熱泵空調(diào)制冷的駕駛室實(shí)際溫度 隨時(shí)間的變化曲線。從圖 4可以看出:在28、30、32、34、36℃的環(huán)境溫度時(shí)，駕駛室溫度逐漸下降，駕駛室溫度穩(wěn)定在25℃時(shí)所需的時(shí)間分別為33、36、39、42、46s。環(huán)境溫度越高，制冷所需的時(shí)間也越長(zhǎng)。初始環(huán)境溫度較高時(shí)，駕駛室散熱需求量較大，所需冷負(fù)荷較大，駕駛室溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長(zhǎng)。圖 5所示為不同環(huán)境溫度、制冷工況下動(dòng)力電池單獨(dú)為整車供能時(shí)電池SOC隨時(shí)間的變化曲線。從圖5可以看出:隨著環(huán)境溫度的上升，電池SOC的下降速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電池SOC值分別下降5．63%、6．19%、6．81%、7.49%、8．24%。隨著環(huán)境溫度的升高，運(yùn)行1個(gè)工況電池的SOC值下降越多，對(duì)應(yīng)消耗的電量越大。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動(dòng)力等方面的能耗相同，因此不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)制冷耗電量與溫度差呈正相關(guān)。圖 6所示為不同環(huán)境溫度、制冷工況下燃料電池為整車供能時(shí)氫耗量隨時(shí)間的變化曲線。從圖6可以看出:隨著環(huán)境溫度的上升，氫耗量的上升速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電堆氫耗量 分別為 506．4、521．6、537．2、553．3、569．9g。隨著環(huán)境溫度的升高，運(yùn)行1個(gè)工況燃料電池所需的電能增大，氫耗量也隨之增多。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動(dòng)力等方面的能耗相同，而不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)制冷耗電量與溫度差呈正相關(guān)，因此不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)制冷氫耗量與溫度差呈正相關(guān)。圖 7所示為熱泵空調(diào)制熱的駕駛室實(shí)際溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖7可以看出:在－10、 – 5、0、5℃的環(huán)境溫度時(shí)，駕駛室溫度逐漸上升，駕駛室溫度穩(wěn)定在18℃時(shí)所需的時(shí)間分別為64、72、82、86s。環(huán)境溫度越低，制冷所需的時(shí)間越長(zhǎng)。初始環(huán)境溫度較低時(shí)，駕駛室制熱需求量較大，所需熱負(fù)荷較大，駕駛室溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長(zhǎng)。圖 8所示為不同環(huán)境溫度下，熱管理系統(tǒng)制熱工況下動(dòng)力電池單獨(dú)為整車供能時(shí)電池SOC隨時(shí)間的變化曲線。從圖8可以看出:隨著環(huán)境溫度的下降，電池SOC的下降速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電池SOC值分別下降8．25%、9.06%、9.97%、10．96%。隨著環(huán)境溫度的下降，運(yùn)行1個(gè)工況電池的SOC值下降越多，對(duì)應(yīng)消耗的電量越大。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動(dòng)力等方面的能耗相同，因此不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)制熱耗電量與溫度差呈正相關(guān)。圖 9所示為不同環(huán)境溫度下，熱管理系統(tǒng)制熱工況下燃料電池為整車供能時(shí)氫耗量隨時(shí)間的變化曲線。從圖9可以看出:隨著環(huán)境溫度的下降，氫耗量的上升速率加快。不同溫度下，運(yùn)行仿真電堆氫耗量分別為741．2、763．4、786．3、809．9g。隨著環(huán)境溫度的下降，運(yùn)行1個(gè)工況燃料電池所需提供的電能增大，氫耗量也隨之增多。由于仿真中車輛運(yùn)行工況相同，車輛用于動(dòng)力等方面的能耗相同，而不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)制冷耗電量與溫度差呈正相關(guān)，因此不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)制冷氫耗量與溫度差呈正相關(guān)。圖 10所示為不同環(huán)境溫度下，使用PTC制熱工況下動(dòng)力電池單獨(dú)為整車供能時(shí)電池SOC隨時(shí)間的變化曲線。從圖10可以看出:不同溫度下，運(yùn)行仿真電池SOC值分別下降9．57%、10．76%、11．96%、12．32%。圖11所示為不同環(huán)境溫度 下，使用 PTC制熱工況下燃料電池為整車供能時(shí)氫耗量隨時(shí)間的變化曲線。從圖10可以看出:不同溫度下，運(yùn)行仿真電堆氫耗量分別為880．6、902．3、926．3、947．6g。燃料電池汽車在使用熱管理系統(tǒng)和 PTC制熱時(shí)，在相同制熱工況下，運(yùn)行1個(gè)SFTP－SC03運(yùn)行工況時(shí)的耗電量和氫耗量的仿真結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，制熱工況下燃料電池汽車采用熱管理系統(tǒng)制熱所需的能耗均低于PTC制熱。
3 . 4不同熱源制熱結(jié)果分析圖 12所示為不同環(huán)境溫度下，燃料電池預(yù)熱時(shí)溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖12可以看出:在 – 5、0、5、10℃的環(huán)境溫度時(shí)，燃料電池溫度逐漸上升，燃料電池溫度穩(wěn)定在70℃時(shí)所需的時(shí)間分別為4635、4527、4413、4287s。由于環(huán)境溫度較低，空氣中的熱量相對(duì)較少，通過(guò)車外換熱器利用空氣熱源為燃料電池供熱，換熱器效率相對(duì)較低，導(dǎo)致燃料電池溫度上升緩慢。圖 13所示為不同環(huán)境溫度下，動(dòng)力電池預(yù)熱時(shí)溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖13可以看出:在 – 5、0、5、10℃的環(huán)境溫度時(shí)，動(dòng)力電池溫度逐漸上升，動(dòng)力電池溫度穩(wěn)定在30℃時(shí)所需的時(shí)間分別為1734、1623、1494、1341s。由于環(huán)境溫度較低，空氣中的熱量相對(duì)較少，通過(guò)車外換熱器利用空氣熱源為動(dòng)力電池供熱時(shí)換熱器效率相對(duì)較低，導(dǎo)致動(dòng)力電池溫度上升緩慢。圖 14所示為駕駛室制熱時(shí)采用燃料電池廢熱為熱源和空氣為熱源時(shí)，駕駛室溫度的變化曲線。從圖14可以看出:采用燃料電池廢熱為駕駛室制熱所需時(shí)間較空氣熱源短，制熱時(shí)間比空氣熱源的快415．7s。燃料電池在穩(wěn)態(tài)時(shí)工作溫度在70～80℃，其廢熱溫度也在此溫度區(qū)間，而環(huán)境溫度為－5℃，兩者熱源溫差較大。熱泵空調(diào)在 為其提供高溫?zé)嵩磿r(shí)，其制熱能效更高，制熱所需時(shí)間更短。圖 15所示為駕駛室采用熱管理系統(tǒng)以燃料電池廢熱、空氣為熱源以及PTC制熱時(shí)，燃料電池氫耗量的變化曲線。從圖15可以看出:采用燃料電池廢熱為駕駛室制熱所需的氫氣量最少，空氣熱源次之，PTC氫耗量最大，分別需要786．3、834.2、926．3g。由于熱泵空調(diào)在以燃料電池廢熱為熱源時(shí)具有更高的制熱能效，提供相同的制熱量消耗較少的電能，因此燃料電池所消耗能氫能相對(duì)較少。表 3所示為采用熱管理系統(tǒng)以燃料電池廢熱、空氣為熱源以及PTC制熱時(shí)100km氫耗量和續(xù)航里程。從表3可以看出:使用熱泵空調(diào)以燃料電池廢熱氫耗量較空氣熱源降低6．1%，較PTC降低17．8%;續(xù)航里程較空氣熱源提高5.6%，較PTC提高14．7%。分析上述仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的整車熱管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)駕駛室、燃料電池、動(dòng)力電池等溫度控制，滿足整車熱管理需求。同時(shí)，利用燃料電池廢熱作為駕駛室制熱源時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)整車的熱量循環(huán)利用，提高駕駛室的溫升速度，降低制熱能耗，提高續(xù)航里程。1)設(shè)計(jì)了一種基于熱泵空調(diào)的整車熱管理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的建模與仿真，得到了環(huán)境溫度對(duì)整車熱管理系統(tǒng)的駕駛室制冷制熱、燃料電池和動(dòng)力電池預(yù)熱保溫效果影響的數(shù)據(jù)，以及不同熱源對(duì)駕駛室制熱效果及能耗影響的數(shù)據(jù)。2)整車熱管理系統(tǒng)可以為駕駛室、燃料電池、動(dòng)力電池提供良好的熱環(huán)境。在制熱模式下，采用燃料電池廢熱對(duì)駕駛室供熱，可以實(shí)現(xiàn)整車熱量循環(huán)利用，整車能耗較空氣熱源降低6．1%，較PTC降低17．8%;續(xù)航里程較空氣熱源提高5.6%，較PTC提高14．7%。表明基于熱泵空調(diào)的熱管理系統(tǒng)更加節(jié)能。文章來(lái)源：太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 
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