摘  要

電動驅動車輛（EDV）具有傳統(tǒng)車輛中不存在的復雜的熱管理要求。除了乘員艙調節(jié)外，儲能系統(tǒng)（ESS）、電力電子設備和電機子系統(tǒng)（PEEM）還需要熱管理。目前許多電動汽車使用單獨的冷卻系統(tǒng)，增加了重量和體積，并缺乏余熱對乘員艙進行加熱。部分車輛使用電池能量通過電阻加熱的方式來給乘員艙制熱，這可能導致在寒冷的環(huán)境條件下車輛范圍降低50%。這些挑戰(zhàn)為集成的車輛熱管理技術提供了一個機會，以減少重量和體積，并提高乘員艙加熱效率。

臺架測試旨在評估一種將乘員艙空調和加熱、ESS熱管理和PEEM冷卻統(tǒng)一到一個單一的液體冷卻劑基礎系統(tǒng)。該系統(tǒng)有單獨的熱流體流和冷流體流，并根據(jù)需要指向熱組件。其優(yōu)點包括PEEM余熱回收，以補充乘員艙加熱和熱泵的操作，而不需要制冷劑循環(huán)反轉。構建了一種臺式試驗裝置，將瞬態(tài)驅動循環(huán)載荷應用于熱系統(tǒng)，并測試在−12°C至43°C的環(huán)境溫度下的性能。該系統(tǒng)被證明能夠在所有測試條件下滿足零部件的熱要求。

可行性分析

利用臺架實驗數(shù)據(jù)，國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員進行了初步的可行性研究，通過軟件模擬來預測CFL的熱性能。本研究的關鍵結果是，采用組合流體回路方法可以滿足ESS和PEEM的熱管理需求，且對乘員艙沒有顯著影響。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，因為CFL技術必須能夠使用熱冷卻液回路而不是冷冷卻液回路將PEEM部件的溫度保持在要求的極限以下，這將對乘員艙冷卻能力產(chǎn)生很大的負面影響。通過仿真確定可行性后，利用可用的原型組件構建了實驗臺試驗系統(tǒng)，驗證仿真結果，并測量冷卻和加熱條件下的熱系統(tǒng)性能。

原型機臺架實驗介紹

為了進行實驗研究，構建了一種能夠評價EDV熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的臺式試驗裝置。該測試裝置的目的是測量CFL技術對電動汽車行駛里程的影響。該測試裝置是一個硬件在環(huán)系統(tǒng)，將實驗系統(tǒng)施加實際熱負載，并測量產(chǎn)生的能量消耗和熱性能。為了在熱系統(tǒng)上施加實際的EDV負載，測試臺包含了車輛動力系統(tǒng)模型、PEEM和ESS模型，以及乘員艙模型。工作臺測試裝置的基于模型的部分使用LabVIEW程序進行控制及數(shù)據(jù)采集。


圖1 CFL實驗裝置的基本原理圖


圖2 CFL實驗裝置實物圖

該臺架實驗裝置由兩個獨立的風管、一個乘員艙空氣模擬器和一個室外空氣模擬器組成，如圖1所示。乘員艙空氣模擬器重現(xiàn)了車輛儀表板上的加熱、通風和空調(HVAC)模塊內部的條件，因此容納了實驗系統(tǒng)的加熱器核心和冷卻器核心熱交換器。它可達到高達425m3/h的空氣流量。并可以模擬從−30°C到63°C的溫度。室外空氣模擬器重現(xiàn)了車輛前端的熱交換器的條件，因此加入了實驗系統(tǒng)的前端熱交換器。它的空氣流量可以高達3400m3/h，并且可以模擬從−30°C到43°C的溫度。根據(jù)模擬的車速，不斷調整氣流速率，以捕捉車輛沖壓空氣對熱交換器性能的影響。為了模擬給定的環(huán)境溫度條件，測試裝置從實驗室吸入新鮮空氣，并將其加熱到控制溫度。該臺式測試裝置不能主動冷卻進氣流，因此必須始終在溫度低于模擬環(huán)境溫度的環(huán)境中運行。

該臺架實驗裝置有兩個電阻冷卻液加熱器，一個用于模擬車輛PEEM的熱量和正溫度系數(shù)(PTC)電阻加熱器的補充熱；另一個用于模擬ESS的制冷負荷。ESS模擬器還有一個冷卻液到空氣的熱交換器，當模擬制熱ESS的負荷時，可以將熱量排斥到環(huán)境實驗室空氣中。利用虛擬車輛的軟件模型預測了PEEM和ESS組件的冷卻液出口條件，并施加于使用冷卻液加熱器的實際實驗系統(tǒng)上。

CFL系統(tǒng)

實驗的CFL系統(tǒng)由6個熱交換器和一個由Delphi提供的恒溫膨脹閥(TEV)組成，實物如圖3所示。熱交換器包括一個量產(chǎn)散熱器作為前端熱交換器，一個量產(chǎn)加熱器芯體，一個原型乘員艙冷卻芯體，一個原型板式蒸發(fā)器，原型板式冷凝器和原型板式過冷器。制冷劑循環(huán)工質為R134a，冷卻液循環(huán)工質為乙二醇與水1：1的混合物。


圖3 制冷劑系統(tǒng)原型組件

實驗CFL系統(tǒng)管道和閥門設計允許許多測試配置，包括當壓縮機使用前端熱交換器散熱時對PEEM和ESS系統(tǒng)的冷卻。在本研究中，主要有兩種配置，可用于判斷系統(tǒng)冷卻模式和加熱模式的能量效率。在冷卻模式配置中，熱側冷卻液依次從冷凝器、PEEM系統(tǒng)吸收熱量，通過前端熱交換器散熱，最后完成循環(huán)返回到冷凝器。在冷回路側，冷卻液依次散熱到蒸發(fā)器，從乘員艙吸收熱量，從ESS吸收熱量，并完成循環(huán)回到蒸發(fā)器。這種配置使得PEEM系統(tǒng)使用熱冷卻液冷卻，同時實現(xiàn)了ESS系統(tǒng)主動冷卻。


圖4 CFL系統(tǒng)冷卻模式示意圖

對于加熱模式，熱側冷卻液依次從冷凝器吸收熱量，從PEEM系統(tǒng)吸收熱量，從補充PTC加熱器熱量，最后將熱量帶給乘員艙和ESS系統(tǒng)并返回冷凝器完成一個循環(huán)。在冷回路側，冷卻液在蒸發(fā)器處放熱，在前端熱交換器吸收熱量，最后完成冷回路循環(huán)回到蒸發(fā)器。這種配置支持PEEM余熱回收、熱泵模式、乘員艙加熱和主動ESS加熱。


圖5 CFL系統(tǒng)加熱模式示意圖

制冷實驗結果

冷卻模式模擬環(huán)境溫度從23℃到43℃，溫度增量為5℃的測試條件。除了由乘員艙模型計算的環(huán)境空氣和乘員艙空氣之間的傳熱傳輸外，所有冷卻模式測試還包括在乘員艙空氣上施加1kW太陽能負荷，以模擬朝南中型車輛的太陽能負荷。所有的測試條件均包括一名乘客，模擬為100W內艙負荷。“熱浸”測試模擬了晴朗天氣下朝南的車輛乘員艙溫度變化。簡單的輸入?yún)?shù)是，在所有熱浸實驗開始時艙內平均空氣溫度和平均內部質量溫度均高于環(huán)境溫度20°C，這是基于實驗車輛測試結果的實際值。冷卻液和制冷劑系統(tǒng)的初始溫度設置為環(huán)境溫度，而不是艙內空氣平均溫度。熱浸試驗用于測量熱浸泡車輛對CFL系統(tǒng)性能和隨后的車輛行駛里程的影響。測試裝置中的空氣濕度足夠低，使得冷卻器芯體在任何測試條件下都不會有水蒸汽凝結。

冷卻模式測試的一個主要發(fā)現(xiàn)是，使用熱冷卻液對PEEM系統(tǒng)冷卻，PEEM溫度都保持在150℃以下。在任何一種冷卻模式條件下觀察到的PE最高瞬時溫度都小于100℃，EM小于90℃。圖6顯示了在環(huán)境溫度為38℃下的雙HWFET循環(huán)的組件溫度。


圖6雙HWFET循環(huán)的組件溫度


圖7雙HWFET循環(huán)的乘員艙溫度

結果表明，由于PE質量相對小，其溫度會迅速波動，因此需要持續(xù)冷卻，以避免迅速超過其熱極限。由于EM質量較大，其溫度比PE波動較慢，但仍可觀察到驅動循環(huán)動力傳動系統(tǒng)負載的瞬態(tài)性質。ESS具有非常大的質量，因此，平均ESS溫度與功率負荷的變化無關，而與冷卻能力和起始溫度的關系更為密切。這表明ESS是從熱預處理中獲益最大的部件。進入驅動循環(huán)大約15分鐘后，ESS恒溫器控制循環(huán)關閉冷卻液流到ESS。對于相同的溫度下，從冷卻系統(tǒng)中去除ESS熱負荷的影響可以在客艙冷卻速率中觀察到，如圖7所示?？梢钥闯觯擡SS恒溫器控制循環(huán)關閉冷卻液流到ESS時，蒸發(fā)器出口溫度降低了7℃。

對冷卻模式的每個環(huán)境溫度進行了8個循環(huán)工況測試，其中有四種獨特的測試配置，每個配置都使用UDDS和雙HWFET驅動周期進行測試。第一個測試量化了在不調節(jié)PEEM或ESS系統(tǒng)的情況下運行空調系統(tǒng)的能耗，圖8所示為“空調代價”。這代表了一個不使用CFL集成技術的二次循環(huán)空調系統(tǒng)的性能。第二個測試包括PEEM冷卻，以測量對空調性能的影響。第三個測試在PEEM冷卻中添加了ESS冷卻，以測量使用主動ESS冷卻的能量消耗。


圖8 組合循環(huán)工況下CFL系統(tǒng)對行駛里程的影響

正如預期的那樣，乘員艙空調的能量消耗隨著環(huán)境溫度的增加而增加。這反映了在更高的環(huán)境溫度下，更高的冷凝器壓力所需的額外壓縮機功率，以及壓縮機在全速運行更長的時間。由于客艙空調而造成的車輛行駛里程損失從輕度冷卻時的9.6%到最高環(huán)境溫度下的37.3%不等。在28℃或更低的環(huán)境溫度下，CFL系統(tǒng)上的額外PEEM冷卻負荷可以忽略不計。對于較高的溫度，PEEM冷卻造成的最大范圍損失僅為1.4%，在最高環(huán)境溫度下小于1%。這種損失是由于熱冷卻液回路溫度升高導致的冷凝器壓力略有增加。ESS僅在測試環(huán)境溫度高于33℃時進行冷卻，溫度低于33℃時對行駛里程無影響。在最高環(huán)境條件下，ESS條件造成的范圍損失隨著環(huán)境溫度的增加而增加，高達2.8%。這是一個對行駛里程的中等影響，但為了條件ESS的壽命是必要的。熱浸濕的機艙對空調能耗的影響很大，因為全速壓縮機運行時間較長。在環(huán)境溫度低于38℃時，車輛行駛里程的降低高達6.4%。

制熱實驗結果

實驗研究的加熱模式是在23℃以下以-5℃為增量進行的模擬環(huán)境溫度試驗條件。所有測試條件包括一名乘客，采用100W內部艙負荷模擬。加熱模式測試假設駕駛艙太陽能零太陽能以模擬惡劣的加熱情況。未進行太陽“熱浸”測試，并將機艙空氣、機艙質量、冷卻劑和制冷劑溫度系統(tǒng)初始溫度設置為環(huán)境溫度。在所有驅動循環(huán)測試期間，乘員艙空氣阻尼器設置仍保持在再循環(huán)模式下（85%再循環(huán)/15%外部空氣）。PTC用于8℃或更低溫度的加熱。測試裝置中的空氣濕度足夠低，使得前端熱交換器在任何測試條件下都不會積霜。

加熱模式測試的一個主要發(fā)現(xiàn)是，當使用熱冷卻液流回收PEEM余熱時，PEEM組件溫度的溫度保持在150°C范圍內。PEEM組件在任何加熱模式條件下觀察到的最大瞬時溫度都小于80°C。在圖−2°C的環(huán)境溫度下，UDDS驅動循環(huán)的組件和客艙溫度分別如圖9和圖10所示。


圖9 加熱模式組件溫度

圖10 加熱模式乘員艙溫度

顯然，在熱芯入口處冷卻液和PEEM部件的預熱速率是相似的。這是一個預期的結果，因為它們是由熱冷卻液回路熱連接的。在循環(huán)周期的前3.5分鐘內，EM不會為乘員艙提供余熱，因為初始余熱用于EM自身預熱。PE的質量較小，因此它在循環(huán)開始時產(chǎn)生余熱。在7.5分鐘達到目標排氣出口空氣溫度控制點后，減少PTC加熱功率。另一個值得注意的結果是，ESS主動加熱到循環(huán)周期14分鐘，達到15℃控制點后該循環(huán)關閉，ESS此后溫度略有升高，這樣做使得系統(tǒng)所需加熱功率降低，PTC加熱功率減小到零。

對每個加熱模式的環(huán)境溫度進行了四次驅動周期測試，采用兩種獨特的測試配置，分別使用UDDS和雙HWFET驅動周期進行測試。第一次測試使用沒有PEEM余熱回收的熱泵系統(tǒng)加熱乘員艙和ESS。從這個測試中，通過假設一個100%高效輸出且與熱泵系統(tǒng)效果相同的PTC加熱器，導出了熱泵的基于PTC的加熱系統(tǒng)的等效熱性能。這樣做是為了確保PTC加性能與熱泵性能相匹配，從而可以在不需要額外的實驗測試的情況計算PTC加熱能耗。圖11中的“僅PTC”情況，它代表了不使用CFL集成技術但提供主動ESS加熱的PTC冷卻液加熱器系統(tǒng)的性能。第二次測試在熱泵中增加了PEEM余熱回收，以測量完全集成的CFL系統(tǒng)的性能。如果沒有操作乘員艙加熱、ESS加熱和PEEM余熱回收，車輛的總可能范圍由給定環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)條的總和表示。


圖11 組合循環(huán)工況下CFL系統(tǒng)對行駛里程的影響

與預期的一樣，由于隨著溫度的降低而增加，加熱系統(tǒng)的能耗范圍隨著溫度的降低而降低。這主要是由于瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)車輛加熱負荷的增加。對于僅限PTC的加熱，車輛范圍損失從18°C環(huán)境溫度下的28.3%到−12℃環(huán)境溫度下的53.8%不等。運行熱泵系統(tǒng)時，回收車輛范圍從18°C的12.8%到−12℃的1.1%不等。這表明，熱泵系統(tǒng)在溫和的加熱條件下提供了非常大的能源效率效益，但在極低的溫度下變無效。這是由于低溫導致壓縮機進氣壓力降低，從而降低了熱泵效率。提高低溫性能的一種可能的方法將是使用更大容量的壓縮機來抵消更多的補充PTC加熱。在所有測試條件下，PEEM廢熱回收效益約為1.5%至2%。與溫和溫度下的熱泵相比，這是一個中等程度的優(yōu)勢，但即使在最低溫度下，它也保持相對穩(wěn)定，這使它成為一個有價值的貢獻。冷天氣試驗的一個重要發(fā)現(xiàn)是，熱泵系統(tǒng)僅在−12°C的最低溫度下有效。對于低于−12°C的環(huán)境溫度，吸入壓力低于大氣壓力，在制冷劑循環(huán)中可能產(chǎn)生空氣夾帶問題。在環(huán)境溫度下，如此低的熱泵系統(tǒng)的加熱能力降低到效益接近于零的點。

總  結

在所有的驅動循環(huán)和測試的環(huán)境溫度下，CFL系統(tǒng)滿足了PEEM和ESS的溫度需求，而不需要單獨的冷卻回路。熱泵系統(tǒng)在溫和的加熱條件下提供了非常大的能源效率，但在極低的溫度下效率較低。這是由于低溫導致壓縮機進氣壓力降低，從而降低了熱泵效率。此外，CFL系統(tǒng)在高溫環(huán)境下，乘員艙溫度不能在給定循環(huán)工況下降低到指定的25℃。


文章來源：Leighton, D., Combined Fluid Loop Thermal Management for Electric Drive Vehicle RangeImprovement. SAE International Journal of Passenger Cars - MechanicalSystems, 2015. 8(2): p. 711-720.


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