純電動汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)主要采用結(jié)構(gòu)簡單、升溫快的PTC熱敏電阻，但是使用過程會消耗大量的電能，嚴重影響車輛的續(xù)航里程。為了減小冬季空調(diào)采暖對續(xù)航的影響，同時提高采暖性能，可以增加輔助加熱裝置。本文對某配備柴油輔助加熱裝置的純電動車型的采暖性能進行試驗分析，試驗結(jié)果表明，輔助加熱裝置提高車輛采暖性能的同時能大幅提升車輛的續(xù)航里程，為電動汽車空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計提供重要參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車 輔助加熱 PTC 熱泵空調(diào)

作者：趙培生 莫偉標 李澤藝 孫建忠

來源：汽車工業(yè)研究

在汽車產(chǎn)業(yè)“新四化”以及環(huán)保要求愈發(fā)嚴格的趨勢下，電動化已然成為了汽車未來發(fā)展的方向。但是由于對續(xù)航里程的焦慮，市場中純電動汽車的推廣仍然存在較大的瓶頸，電動汽車的普及率仍然較低。在電動車的使用過程中，除了驅(qū)動電機消耗主要的電量，汽車空調(diào)系統(tǒng)的能耗對整車續(xù)航里程也有較大的影響。尤其在寒冷的冬季，電動汽車需要消耗大量的電能來保證車內(nèi)環(huán)境的舒適性[1]。

和傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相比，電動車靠電機驅(qū)動，沒有發(fā)動機余熱采暖，必須通過消耗電池的能量供熱，冬季電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的能耗占電池容量的20%-30%，直接影響電動汽車的續(xù)航里程[2]。因此，開發(fā)高效節(jié)能的空調(diào)采暖系統(tǒng)具有重要意義。

目前大多數(shù)純電動汽車采用體積小、系統(tǒng)可靠性高的PTC熱敏電阻加熱的方式，但是系統(tǒng)效率低于1，能耗高，而且采暖性能效果并不理想，如果想得到較好的采暖性能就必須選用功率較高的PTC，這勢必造成更大的能量損耗，縮短車輛的續(xù)航里程[3]。

隨著熱泵空調(diào)技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)在一些中高端車型也得到了廣泛應(yīng)用。熱泵空調(diào)雖然系統(tǒng)效率比PTC高，但在低溫下的采暖性能較差，當環(huán)境溫度低于-10℃時，熱泵空調(diào)就停止工作[4,5]。在環(huán)境溫度更低的地區(qū)，兩種采暖方式都難以提供很好的采暖性能。因此，如何提高低溫環(huán)境下純電動汽車的采暖性能具有重要的意義。本文對采用PTC+柴油輔助采暖的某純電動汽車進行低溫采暖試驗，驗證其采暖性能，及柴油輔助加熱對續(xù)航的改善效果。

01純電動汽車的采暖系統(tǒng)分析

和傳統(tǒng)的燃油車不同的是，純電動汽車沒有發(fā)動機冷卻液提供熱源，因此，需要消耗電池能量供熱。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)暖風(fēng)常見的方案如下[6]：

PTC熱敏電阻采暖系統(tǒng)

PTC電加熱采暖系統(tǒng)是采用PTC熱敏電阻元件為發(fā)熱源的一種加熱器。PTC熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的，它的電阻隨溫度變化而急劇變化，當外界溫度降低，PTC電阻值隨之減小，發(fā)熱量反而會相應(yīng)增加。下頁圖1為PTC熱敏電阻采暖系統(tǒng)原理圖[7]。

由圖1可知，冷卻液經(jīng)PTC加熱器加熱后進入空調(diào)暖風(fēng)芯體，空氣通過暖風(fēng)芯體被加熱后直接吹入車內(nèi)，實現(xiàn)車內(nèi)采暖功能。PTC熱敏電阻元件因具有隨環(huán)境溫度高低變化，其電阻值隨之增加或減小的變化特性，所以PTC加熱器具有節(jié)能、恒溫、安全和使用壽命長等特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于純電動汽車。

熱泵采暖系統(tǒng)

熱泵是一種可以將低位熱源的熱能強制轉(zhuǎn)移到高位熱源的空調(diào)裝置，類似可以將低處的水泵到高處的“水泵”。使用四通換向閥可以使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能互相對換，改變熱量轉(zhuǎn)移方向，從而達到夏天制冷冬天制熱的效果。圖2為某電動汽車熱泵式空調(diào)系統(tǒng)原理[8]。

熱泵的理論基礎(chǔ)來源于熱力學(xué)逆卡諾循環(huán)，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制暖，均采用專用的電動壓縮機驅(qū)動制冷或制熱循環(huán)，其中冬季采暖時不再像現(xiàn)有電動空調(diào)這樣只采用PTC制熱，而是使用電動壓縮機驅(qū)動實現(xiàn)制熱。

熱泵空調(diào)雖然系統(tǒng)效率比PTC高，但在低溫下的采暖性能較差，當環(huán)境溫度低于-10℃，熱泵空調(diào)就不工作。為了保證車輛有較好的采暖性能和能量消耗，許多車采用PTC+熱泵空調(diào)的組合采暖方式。當環(huán)境溫度較高時，主要熱泵空調(diào)工作，PTC輔助制熱；當環(huán)境溫度較低時，熱泵空調(diào)不工作，此時只有PTC制熱，這就導(dǎo)致在溫度較低的環(huán)境下，如果要保持車內(nèi)溫度的舒適性，PTC就要一直大功率的運行，消耗大量電能，大大縮減車輛的續(xù)航里程。PTC+柴油輔助采暖的模式可以提高車輛的低溫采暖性能，又能保證車輛的續(xù)航不會大幅減少。本文對采用PTC+柴油輔助采暖的某純電動汽車進行低溫采暖試驗，驗證其采暖性能。

02采暖性能試驗分析

按照 GB/T 12782-2007 要求整備車輛進行寒區(qū)道路試驗[9]。為了驗證車輛在低溫環(huán)境下的采暖性能，本試驗在-15±2℃的環(huán)境下進行開展。

試驗準備

記錄試驗過程中溫度測點的溫度，各溫度監(jiān)測點位置及數(shù)量如表 1 所示。

試驗過程中用于數(shù)據(jù)采集的設(shè)備包括：K 型熱電偶、P-BOX、日光強度傳感器、環(huán)境濕度傳感器、多通道數(shù)據(jù)記錄儀和車輛總線工具，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為 1Hz，儀器描述及測點如表2所示。

試驗過程中，空調(diào)模式設(shè)置如表 3所示。

為了消除其他因素對試驗結(jié)果的影響，試驗開始前將車輛放在室外浸車12小時，使電池溫度、暖風(fēng)進出水溫度和環(huán)境溫度保持一致，同時試驗在無光照的條件下開展。

試驗結(jié)果分析

試驗在冰封湖面的覆雪道路上開展 ， 按照國標GB/T 12782- 2007要求，以60km/h的車速行駛35分鐘?？照{(diào)按表3進行設(shè)定，分別以單獨PTC采暖，PTC+柴油輔助采暖的模式進行試驗。

單獨 PTC 采暖模式試驗數(shù)據(jù)如圖3-圖5所示。

PTC+柴油輔助采暖模式試驗數(shù)據(jù)，如下頁圖6-圖8所示。

由圖3和圖6可知，試驗開始時車內(nèi)溫度較低，為了快速升溫，在兩種模式下，PTC大功率運行，暖風(fēng)進水溫度升溫較快，使足部出風(fēng)口溫度快速上升。試驗過程中，在PTC+柴油輔助采暖的模式下，車內(nèi)溫度升溫更快， 熱舒適性更好。綜合圖3-圖8可知， 試驗開始前5分鐘，兩模式下，暖風(fēng)芯體進水溫度快速上升，但PTC+柴油輔助采暖的模式升溫速度更快，溫度更高，足部出風(fēng)口溫度和足部判定點溫度也較高，整體采暖性能也更好。

為了驗證PTC+柴油輔助采暖的模式對車輛采暖和續(xù)航的綜合性能的影響，分別進行低溫開/關(guān)柴油輔助加熱系統(tǒng)的實地續(xù)航試驗，驗證柴油輔助加熱系統(tǒng)對車輛采暖和續(xù)航性能的影響。試驗過程的能耗對比如下頁圖9所示。

試驗過程中，開啟柴油輔助加熱工況下車內(nèi)升溫明顯較快，采暖性能較好，且從圖 9 可知，開啟柴油輔助加熱系統(tǒng) PTC 耗能降低 35%，電機耗能增加32%，續(xù)航里程提升22%。試驗結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下， 采用PTC+柴油輔助采暖的方式使車輛快速升溫，車輛熱舒適性較好，由于PTC加熱消耗的電量減少，車輛的續(xù)航里程提升明顯。因此，PTC+柴油輔助采暖的模式在低溫環(huán)境下對車輛的性能提升明顯。

03結(jié)論

本文對某配備柴油輔助加熱裝置的純電動車的采暖性能進行試驗分析，試驗結(jié)果表明，雖然柴油輔助加熱系統(tǒng)使用過程中會產(chǎn)生廢氣排放，與純電動汽車的零排放理念相違背，但能提高低溫環(huán)境下車輛的采暖性能，同時能大幅提升車輛的續(xù)航里程，對車輛的性能提升顯著[10]。因此，對于溫度較低的情況下，可采用PTC+柴油輔助加熱的模式采暖；溫度較高時，用PTC+熱泵空調(diào)的模式采暖來保證車輛的采暖性能和車輛的續(xù)航，為電動汽車空調(diào)采暖系統(tǒng)設(shè)計提供重要參考。

【參考文獻】

[1]莊幸,姜克雋.我國純電動汽車發(fā)展路線圖的研究[J].汽車工程,2012,034(002):91-97.

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[3]楊君.純電動汽車PTC水暖加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué),2016.

[4]張皓,趙家威,施駿業(yè)等.電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖性能的試驗研究[J].制冷技術(shù),2017(3).

[5]歐陽東.純電動汽車熱泵空調(diào)與電池交互熱管理系統(tǒng)研究[D].華南理工大學(xué),2013.

[6]蘭嬌,蘇林,方奕棟等.電動汽車低溫環(huán)境下采暖方式探討[J].能源工程,2019,000(003):67-71.

[7]楊君.純電動汽車PTC水暖加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

及其控制系統(tǒng)研究[D].華中科技大學(xué),2016

[8]彭發(fā)展,魏名山,黃海圣,等.環(huán)境溫度對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2014,40(012):1741-1746.

[9]GB/T12782-2007.汽車采暖性能要求和試驗方法[S].

[10]戴天祿,隋航,周博雅等.不同環(huán)境溫度下純電動汽車續(xù)航里程測評方法研究[C]//2019中國汽車工程學(xué)會年會論文集(4).2019.