摘要

本文應(yīng)用了一種新的方法來(lái)評(píng)估和估計(jì)兩種不同的熱管理系統(tǒng)在一天中基于駕駛行為的實(shí)際能耗。最近嘗試為電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車尋找節(jié)能熱管理系統(tǒng)，使用二次回路系統(tǒng)作為滿足動(dòng)態(tài)加熱和冷卻需求并減少制冷劑充電的替代方法。然而，額外的熱阻層影響系統(tǒng)的瞬態(tài)行為以及乘客艙在冷卻或加熱期間的舒適性，這使得很難估計(jì)每年的能耗。在本文中，使用描述實(shí)際客戶在一天中的駕駛行為的新方法來(lái)比較常規(guī)和二次回路系統(tǒng)的總體能耗。因此，使用來(lái)自美國(guó)旅行和運(yùn)輸模式的實(shí)際數(shù)據(jù)集，代表性的24小時(shí)駕駛和停止周期集合。此外，還考慮了各自的天氣數(shù)據(jù)。與長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)研究相比，這種方法有助于顯著減少模擬和測(cè)試工作，并且可以比較傳統(tǒng)和二次回路汽車制冷系統(tǒng)的年能耗。引言盡管汽車工業(yè)為了達(dá)到最大性能和最小污染物排放等可衡量的目標(biāo)而付出了大量的時(shí)間和成本，但估計(jì)汽車實(shí)際能耗的一個(gè)非常重要的因素往往被忽視：實(shí)際客戶的駕駛行為。一天中的真實(shí)駕駛行為包括在不斷變化的環(huán)境條件下的駕駛和停車時(shí)間，這會(huì)影響整體能耗和熱質(zhì)量中存儲(chǔ)的能量。特別是對(duì)于先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，這些質(zhì)量在重新啟動(dòng)時(shí)可能是有益的。由于車輛熱管理是整體能耗中最重要的因素之一，因此在不斷變化的環(huán)境條件下的儲(chǔ)熱效應(yīng)不容忽視。然而，在大多數(shù)合法的駕駛周期中，溫度和太陽(yáng)輻射等環(huán)境條件被設(shè)置為一個(gè)恒定值，停車時(shí)間不被考慮，空調(diào)系統(tǒng)被關(guān)閉。這包括像NEDC，美國(guó)FTP這樣的合法排放測(cè)試或像Artemisset這樣的真實(shí)世界駕駛周期。然而，任何熱管理系統(tǒng)以及任何輔助子系統(tǒng)（如HVAC（加熱、通風(fēng)、空調(diào)）系統(tǒng)或動(dòng)力總成部件（如電池、電機(jī)、電力電子設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)（ICE）））的整體能耗的準(zhǔn)確評(píng)估和比較取決于適當(dāng)?shù)臏y(cè)試條件。最近的出版物研究了內(nèi)置存儲(chǔ)引起的能耗降低。這包括二次回路系統(tǒng)中的自然儲(chǔ)存效應(yīng)，基于石蠟的相變材料或基于發(fā)動(dòng)機(jī)的潛伏能量?jī)?chǔ)存的實(shí)施。通過(guò)了解日常駕駛模式，可以改進(jìn)這些熱庫(kù)的設(shè)計(jì)和尺寸。除了日常駕駛模式外，氣候條件對(duì)儲(chǔ)能和輔助部件的行為也有不可忽視的影響。在描述車輛環(huán)境條件方面的重要工作已經(jīng)由杜西和斯特魯普完成。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，車輛一直由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。公眾對(duì)資源短缺和氣候變化的日益認(rèn)識(shí)推動(dòng)了效率的提高和新的推進(jìn)概念的發(fā)展?？蛻魧?duì)更高效的車輛和更舒適的乘客出行環(huán)境的需求給車輛內(nèi)的熱量和能量分配帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。此外，通過(guò)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）和電池電動(dòng)汽車（BEV）實(shí)現(xiàn)汽車電氣化的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了對(duì)儲(chǔ)能、電機(jī)和電力電子等新部件的新熱管理要求。這些組件經(jīng)歷顯著的瞬態(tài)熱負(fù)荷。因此，已經(jīng)投入了大量資金，以確保在不同的邊界條件下進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?。隨著需要主動(dòng)熱管理的組件數(shù)量的增加，重量、尺寸、成本和系統(tǒng)也在增加熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性。在降低電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的同時(shí)滿足這些熱管理需求的現(xiàn)有系統(tǒng)的替代方案是通過(guò)集成的熱管理系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，各種組件（電力電子，電動(dòng)機(jī)，能量存儲(chǔ)等。）通過(guò)二次冷卻劑回路連接到緊湊的制冷循環(huán)以及車輛前端和乘客艙內(nèi)的冷卻劑到空氣的熱交換器。

這項(xiàng)工作介紹了兩個(gè)汽車熱管理系統(tǒng)之間的比較，使用一種新的方法，它考慮了一天中的實(shí)際駕駛行為和氣候條件：第一，傳統(tǒng)的BEV熱管理系統(tǒng)與制冷劑回路和電加熱器，第二，二次回路冷卻劑系統(tǒng)。（見圖5）研究方法定義圖1示出了24小時(shí)內(nèi)4次單次行程的序列的例子。這樣的序列在下文中被稱為鏈?zhǔn)叫谐?。此外，還會(huì)顯示一天中的環(huán)境溫度，并可與每次行程相關(guān)聯(lián)。這樣的日常駕駛模式（條件1，車輛移動(dòng);條件0，車輛停車）可以用作模擬和實(shí)驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)，以檢查熱質(zhì)量或預(yù)處理策略中的存儲(chǔ)效應(yīng)。在這項(xiàng)工作中應(yīng)用的方法是基于以前的出版物，并包含了兩個(gè)給定數(shù)據(jù)集的減少過(guò)程：第一個(gè)數(shù)據(jù)集描述了移動(dòng)性行為（開始時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，每次行程的距離），第二個(gè)數(shù)據(jù)集描述了環(huán)境條件（溫度、濕度、太陽(yáng)輻射）。由于在美國(guó)已經(jīng)收集了高度詳細(xì)的數(shù)據(jù)，因此使用這種當(dāng)前可用的數(shù)據(jù)應(yīng)用該方法。然而，該方法可應(yīng)用于數(shù)據(jù)可用的任何區(qū)域。

圖1 一天中移動(dòng)性行為和環(huán)境條件的示例性說(shuō)明：包含四個(gè)單次行程和適當(dāng)環(huán)境溫度的鏈?zhǔn)叫谐獭Ｐ旭偁顟B(tài)1，車輛移動(dòng)；行駛狀態(tài)0，車輛停車。

圖2 分析（左側(cè)的相對(duì)頻率和右側(cè)的累積頻率）的距離s，持續(xù)時(shí)間△t和平均速度v觀察到的單次旅行，每天單次旅行次數(shù)和車輛處于駕駛狀態(tài)的相對(duì)頻率

輸入數(shù)據(jù)

對(duì)于駕駛行為的描述，使用了2009年全國(guó)家庭旅行調(diào)查（NHTS）。這個(gè)公開可用的數(shù)據(jù)集提供了美國(guó)駕駛行為的廣泛數(shù)據(jù)，并基于問(wèn)卷調(diào)查。在所有單次旅行中，超過(guò)80％的行程距離不到20公里。超過(guò)85％的所有評(píng)估的日常駕駛模式包括2到6次單次旅行。有關(guān)數(shù)據(jù)集的初步分析，請(qǐng)參閱圖2。為了充分詳細(xì)地表征一年中的氣候條件和白天環(huán)境條件的變化，每月平均數(shù)據(jù)是不夠的。因此，在這項(xiàng)工作中使用數(shù)據(jù)集Meteonorm6.0。除其他外，此數(shù)據(jù)集包含美國(guó)所有州首府每個(gè)月的溫度，濕度和太陽(yáng)輻射的小時(shí)值。在這項(xiàng)工作中，這些平均值被假定為代表整個(gè)狀態(tài)。

減少輸入數(shù)據(jù)的步驟

由于移動(dòng)行為和氣候條件的數(shù)據(jù)集非常廣泛，模擬將持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間。因此，在本工作中簡(jiǎn)要描述了減少這些數(shù)據(jù)集的方法。然而，與原始數(shù)據(jù)集相比，減少的數(shù)據(jù)集已被證明是足夠準(zhǔn)確的。參見Menken的例子。使用k-means集群算法將NHTS移動(dòng)性數(shù)據(jù)集的所有鏈?zhǔn)叫谐虦p少到可管理的鏈?zhǔn)叫谐虜?shù)量。首先，所有鏈?zhǔn)铰眯卸急仨毟鶕?jù)單次旅行的數(shù)量進(jìn)行分組。再者，k-means聚類算法需要預(yù)先知道必要聚類的個(gè)數(shù)k。雖然此參數(shù)的視覺確定僅適用于最多三個(gè)維度，但對(duì)于變量數(shù)量較多的問(wèn)題，這已不再可能。因此，在這項(xiàng)工作中，必須事先根據(jù)Pham確定必要的簇的數(shù)量。由于變量具有不同的物理量，產(chǎn)生不同的量級(jí)，并且可能不是正態(tài)分布，因此在執(zhí)行聚類之前對(duì)數(shù)據(jù)集應(yīng)用Box-Cox變換。根據(jù)相對(duì)頻率計(jì)算每個(gè)減少的鏈?zhǔn)叫谐痰募訖?quán)因子。該加權(quán)因子反映了特定的減少鏈?zhǔn)叫谐痰南嚓P(guān)性。它是根據(jù)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)鏈?zhǔn)叫谐痰恼w單次行程數(shù)的相對(duì)頻率和映射到這個(gè)集群中心的數(shù)據(jù)點(diǎn)的百分比來(lái)計(jì)算的。由于這個(gè)結(jié)果仍然存在太多的行程，因此需要進(jìn)一步減少到指定數(shù)量的鏈?zhǔn)叫谐獭Ｒ虼?，?duì)于鏈?zhǔn)叫谐痰乃锌赡芙M合，包括較短行程的最終移位，計(jì)算成對(duì)歐幾里德距離，并迭代地組合導(dǎo)致最小距離的兩個(gè)鏈?zhǔn)叫谐?。圖3顯示了美國(guó)境內(nèi)移動(dòng)性行為的減少輸入數(shù)據(jù)。為了估計(jì)整體能耗，必須針對(duì)每條環(huán)境參數(shù)曲線模擬所有減少的鏈?zhǔn)叫谐?。?duì)于美國(guó)來(lái)說(shuō)，這意味著在50個(gè)州·12個(gè)月=600個(gè)條件下模擬熱管理系統(tǒng)，這太耗時(shí)了。因此，通過(guò)迭代地合并兩條最相似的曲線，直到獲得最少數(shù)量的溫度曲線，將溫度曲線減少為四條曲線。濕度和太陽(yáng)的相應(yīng)曲線輻射類似地組合。每條天氣曲線都包括一個(gè)加權(quán)因子，根據(jù)每個(gè)州的人口計(jì)算。圖4顯示了輸入天氣數(shù)據(jù)減少到包含溫度，相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射的四個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)量。由于天氣曲線基于實(shí)際天氣數(shù)據(jù)，因此可以獲得一天中實(shí)際的特征。

圖3 結(jié)合類似鏈?zhǔn)铰眯校ㄈ粘ｑ{駛模式）后美國(guó)境內(nèi)的移動(dòng)性行為的代表性描述。加權(quán)因子ω來(lái)自鏈?zhǔn)叫谐膛c不同數(shù)量的單次行程的自動(dòng)組合

圖4 天氣數(shù)據(jù)減少到四個(gè)數(shù)據(jù)集的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)集描述了一天中的環(huán)境溫度，相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射

方法的應(yīng)用

在這項(xiàng)工作中，將使用制冷回路和電加熱器的BEV的常規(guī)熱管理系統(tǒng)與具有緊湊制冷循環(huán)的二次回路系統(tǒng)進(jìn)行比較（圖5）。雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)配備了電動(dòng)正溫度系數(shù)（PTC）加熱器，但二次回路系統(tǒng)在給定輸入數(shù)據(jù)（Tamb，min>?5°C）下不需要電加熱器，因?yàn)樗梢栽诙緱l件下以節(jié)能熱泵圖5顯示了包含直接或間接冷凝器的這兩種不同的系統(tǒng)配置(COND)、蒸發(fā)器(EVAP)和適當(dāng)?shù)臋C(jī)艙熱交換器(CHX）。

圖5 所研究的系統(tǒng)設(shè)置的示意圖結(jié)構(gòu)，用于比較傳統(tǒng)的直接制冷循環(huán)和二次循環(huán)系統(tǒng)。配置1、直接蒸發(fā)器和直接冷凝器；配置2、間接蒸發(fā)器和間接冷凝器?？諝馓幚韱卧獌?nèi)的熱交換器分別設(shè)置為加熱、再加熱和冷卻模式

配置1表示在空氣處理單元中具有制冷劑對(duì)空氣蒸發(fā)器并且在前端具有制冷劑對(duì)空氣冷凝器的常規(guī)系統(tǒng)。由于沒有額外的傳熱層，機(jī)艙冷卻過(guò)程中的瞬態(tài)行為被用作基準(zhǔn)。然而，在加熱和再加熱操作期間，整個(gè)所需的熱負(fù)荷必須由電熱水器提供。配置2由在高壓側(cè)和低壓側(cè)具有二次回路的制冷循環(huán)(完全冷卻的二次回路系統(tǒng))構(gòu)成。由于所有控制和能量流分布都發(fā)生在冷卻液側(cè)，因此出現(xiàn)了一系列新的選擇，如熱泵模式和將電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組件引入熱管理系統(tǒng)。此外，在這種熱泵模式下，環(huán)境空氣可用作熱源。在這項(xiàng)工作中提出的所有系統(tǒng)設(shè)置都是用TIL庫(kù)建模的。制冷劑回路由34cm3電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、冷凝器、電動(dòng)膨脹閥、蒸發(fā)器和低壓側(cè)的制冷劑儲(chǔ)存器（蓄能器）組成。R-134a用于兩個(gè)制冷回路。在冷凝和蒸發(fā)側(cè)包含二次回路的系統(tǒng)在空氣處理單元或車輛前端配備了冷卻劑到空氣的熱交換器。更多關(guān)于系統(tǒng)建模的細(xì)節(jié)，這個(gè)主要周期的測(cè)試臺(tái)和適當(dāng)?shù)哪Ｐ万?yàn)證在以前的公開。車輛的模擬模型還考慮了電動(dòng)傳動(dòng)系的速度相關(guān)的熱損失，以及將停止時(shí)間的太陽(yáng)能浸泡考慮在內(nèi)的熱艙模型。

結(jié)果

整體能源消耗比較

圖6顯示了用于估計(jì)總體年度能耗的兩個(gè)系統(tǒng)的仿真過(guò)程和結(jié)果。給定48個(gè)邊界條件（12個(gè)鏈?zhǔn)叫谐毯?個(gè)天氣數(shù)據(jù)集的組合）并考慮適當(dāng)?shù)募訖?quán)因子ω，計(jì)算兩個(gè)熱管理系統(tǒng)的平均能耗。以簡(jiǎn)化的方式，計(jì)算可以表示如下:

此外,考慮到單次行程重量,總能耗就會(huì)稍微準(zhǔn)確一些.而傳統(tǒng)的系統(tǒng)消耗Eel=1.11kWh每天，二次回路系統(tǒng)的能耗要低得多（Eel=0.45kWh）。在假設(shè)一輛汽車在7天中的5天內(nèi)移動(dòng)，那么這兩個(gè)系統(tǒng)的總體年能耗很容易計(jì)算出來(lái)。結(jié)果是常規(guī)系統(tǒng)的Eel=289.39kWh，二次回路系統(tǒng)的Eel=117.32kWh。

圖6 使用新方法評(píng)估常規(guī)交流系統(tǒng)和二次回路系統(tǒng)的年能耗的說(shuō)明

圖7和8示出了將常規(guī)AC系統(tǒng)與次級(jí)回路系統(tǒng)(行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度tamb、乘客艙溫度Tcab、電功率消耗Pel、以及電功率消耗Eel)進(jìn)行比較的選定實(shí)例的細(xì)所需機(jī)艙載荷的參考軌跡取自Weustenfeld。作為日常駕駛模式的示例，從圖3中選擇鏈?zhǔn)叫谐?3。關(guān)于氣候條件，計(jì)算是用圖4中的邊界條件#3(主要是加熱模式)、#1(主要是再熱除濕模式)和#4(主要是冷卻模式)進(jìn)行的。邊界條件#2主要包含冷卻模式但在圖7和8中未示出。

結(jié)論

仔細(xì)觀察加熱模式（#3）期間的電功率消耗數(shù)據(jù)表明，在低環(huán)境溫度下（例如，在清晨或下午晚些時(shí)候）提供的加熱能力最高。此外，與以熱泵模式操作的次級(jí)回路系統(tǒng)相比，具有電加熱器的常規(guī)系統(tǒng)增加的能量消耗。在此選定的鏈?zhǔn)叫谐讨?，直接參考系統(tǒng)消耗Eel=2.118kWh，而次級(jí)回路系統(tǒng)的能耗為Eel=0.68kWh。在再熱模式下操作，結(jié)果顯示相同的趨勢(shì)。

圖7 常規(guī)AC系統(tǒng)和次級(jí)回路系統(tǒng)在一天的過(guò)程中選擇的仿真結(jié)果的示例性說(shuō)明：行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度（Tamb)、乘客艙溫度（Tcab)、電功率消耗（Pel)、以及電能消耗（E來(lái)自圖4[22]的具有邊界條件＃3（主要是加熱模式）和＃1（主要是再加熱模式）的鏈?zhǔn)教l＃3（見圖3）被選擇。

圖8 常規(guī)AC系統(tǒng)和次級(jí)回路系統(tǒng)在一天的過(guò)程中選擇的仿真結(jié)果的示例性說(shuō)明：行駛狀態(tài)、環(huán)境溫度（Tamb)、乘客艙溫度（Tcab)、電功率消耗（Pel)、以及電能消耗（E來(lái)自圖4[22]的具有邊界條件＃4（主要是冷卻模式）的鏈?zhǔn)教l＃3（見圖3）被選擇。

相比之下，間接二次回路系統(tǒng)在冷卻模式期間顯示出總體能耗的缺點(diǎn)（圖8）。特別是在高環(huán)境溫度下（中午和下午），電動(dòng)壓縮機(jī)必須處理高電功率消耗，從而導(dǎo)致一天中的高能耗。總結(jié)這項(xiàng)工作應(yīng)用了一種新的方法來(lái)估計(jì)熱管理系統(tǒng)的整體年度能耗，大大減少了模擬工作。給定一組12日常駕駛模式（鏈?zhǔn)叫谐蹋┖?代表性天氣數(shù)據(jù)集，2熱管理系統(tǒng)相互比較：常規(guī)交流系統(tǒng)和可在熱泵模式下操作的二次回路系統(tǒng)。全年能源消耗的計(jì)算結(jié)果分別為289千瓦小時(shí)和117千瓦小時(shí)。使用這組邊界條件可顯著減少仿真工作量。雖然這種方法只應(yīng)用對(duì)于兩種不同的熱管理系統(tǒng)，它可用于任何模擬模型，該模型使用日常駕駛模式和/或天氣數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)或基于熱流率的系統(tǒng)優(yōu)化。這項(xiàng)工作使用NHTS數(shù)據(jù)集與美國(guó)天氣數(shù)據(jù)相結(jié)合作為基礎(chǔ)。進(jìn)一步的工作應(yīng)審查該方法的適用性并納入更多數(shù)據(jù)。使用不同大陸的代表性駕駛模式和氣候數(shù)據(jù)將使優(yōu)化車輛的任何子系統(tǒng)成為可能。

文獻(xiàn)來(lái)源：Menken, J., Weustenfeld, T., and K?hler, J., “Application of a New Method for Comparing the Overall Energy Consumption of Different Automotive Thermal Management Systems,” SAE Int. J. Passeng. Cars – Mech. Syst. 11(4):297-303, 2018, doi:10.4271/06-11-04-0024.