摘要

     本文介紹了在寒冷天氣下利用熱泵系統(tǒng)對(duì)混合動(dòng)力汽車(HV)進(jìn)行熱管理的方法。混動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)之一即通過電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合及最優(yōu)控制提供給車輛系統(tǒng)的高效率。然而，傳統(tǒng)混動(dòng)汽車在寒冷的天氣下，會(huì)使用發(fā)動(dòng)機(jī)向客艙輸送熱量，因而降低車輛系統(tǒng)的效率，降低燃料經(jīng)濟(jì)性。本研究以熱泵與發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合的方式對(duì)汽車進(jìn)行熱管理，以求盡小降低燃料的經(jīng)濟(jì)性。熱泵裝配著電動(dòng)壓縮機(jī)，將環(huán)境熱量泵入水冷式冷凝器。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)需要迅速升溫以減少排放，客艙需要熱量來(lái)提供熱舒適，所以發(fā)動(dòng)機(jī)及熱泵產(chǎn)生的熱量會(huì)被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)和客艙。為了控制來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵的熱流在冷卻劑回路之間進(jìn)行切換，需要尋找一種最佳控制方法以減少燃料消耗。為此，采用一維流熱仿真進(jìn)行優(yōu)化，并在原車上測(cè)試了優(yōu)化后系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相比，優(yōu)化后的系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10%。

前言

     影響燃油經(jīng)濟(jì)性的因素有很多，其中環(huán)境溫度的季節(jié)性變化的影響比較大。在炎熱的天氣里，為了給客艙降溫，需要消耗燃油，同時(shí)在寒冷的天氣中，熱量被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)和客艙，這些額外的能量消耗導(dǎo)致燃料經(jīng)濟(jì)性下降。圖1顯示了內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車和混合動(dòng)力汽車相對(duì)于環(huán)境溫度的燃油經(jīng)濟(jì)性衰減情況。寒冷環(huán)境中燃油經(jīng)濟(jì)性的下降相對(duì)熱環(huán)境的要大，在混合動(dòng)力汽車上尤為明顯。如圖2所示，在寒冷天氣下，發(fā)動(dòng)機(jī)的延時(shí)停止是混動(dòng)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性下降的主要因素。對(duì)于混動(dòng)汽車，實(shí)現(xiàn)高燃油經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛空轉(zhuǎn)或減速時(shí)的停止能力。一般來(lái)說，其發(fā)動(dòng)機(jī)可以在冷卻液溫度超過指定溫度后停止運(yùn)行。寒冷環(huán)境中，達(dá)到這一溫度需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)闄C(jī)艙加熱將目標(biāo)溫度改變了40°C到60°C，這推遲了發(fā)動(dòng)機(jī)的停止，并導(dǎo)致更大的燃油經(jīng)濟(jì)性衰減。未來(lái)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱將會(huì)減少，因而寒冷環(huán)境下的燃油經(jīng)濟(jì)性將繼續(xù)惡化。

圖1 混合動(dòng)力汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車的季節(jié)性燃油經(jīng)濟(jì)性

圖2 傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻液溫度

      為了提高寒冷天氣下的燃油經(jīng)濟(jì)性開發(fā)了一種熱泵系統(tǒng)，可以有效地將電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過縮短發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間來(lái)提高混動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。在傳統(tǒng)混動(dòng)汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量在不需要能量驅(qū)動(dòng)或?yàn)殡姵爻潆姇r(shí)傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)和客艙(圖3(a))。在這種情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率非常低(圖4)。然而，如圖3(b)所示，在混動(dòng)汽車中使用了熱泵，通過減少發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間以產(chǎn)生熱量來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率(圖4)。此外，熱泵具有固有的高效率，因?yàn)樗鼜沫h(huán)境空氣中抽取熱量。圖5顯示了產(chǎn)生的熱量與1g燃料消耗的比較。帶有熱泵的系統(tǒng)可以更高效地產(chǎn)熱。圖6顯示了使用熱泵提高燃油經(jīng)濟(jì)性的方法。更快的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間有著更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率和更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖3 傳統(tǒng)混動(dòng)車和熱泵系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量路徑

圖4 傳統(tǒng)混動(dòng)車熱泵系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)作用點(diǎn)

圖5 傳統(tǒng)系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與1克燃料消耗的對(duì)比

圖6 利用熱泵提高燃油經(jīng)濟(jì)性的方法      熱泵在汽車工業(yè)中已被采用，并有很多研究對(duì)其進(jìn)行了討論。熱泵的主要應(yīng)用是在電動(dòng)汽車，如日產(chǎn)聆風(fēng)和寶馬I3在插電式混動(dòng)車上也有應(yīng)用，比如無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱系統(tǒng)的豐田插電式普銳斯。熱泵比PTC加熱器的效率更高，因此在寒冷的天氣中，使用熱泵可以減少客艙的能源消耗，以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的里程。對(duì)于在ICE和HV中將發(fā)動(dòng)機(jī)與熱泵相結(jié)合，Moon等人提出了一種熱泵系統(tǒng)，通過水-制冷劑交換器將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱泵出，以提高客艙加熱器的性能。Meyer 使用熱泵更快地加熱了客艙。然而，在寒冷天氣下，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵的熱量來(lái)提高燃料經(jīng)濟(jì)性的混動(dòng)汽車的熱管理研究還很少。本文介紹了在寒冷天氣下使用熱泵對(duì)混動(dòng)汽車進(jìn)行熱控制。通過使用一維傳熱仿真，找到了發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵的最優(yōu)控制方法，并對(duì)采用優(yōu)化系統(tǒng)的原車進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試。

圖7 傳統(tǒng)HV冷卻液回路布局(基準(zhǔn))

圖8 帶熱泵系統(tǒng)的冷卻液回路布局

系統(tǒng)描述      圖7所示的是傳統(tǒng)HV的冷卻液回路，并比較了帶熱泵的優(yōu)化系統(tǒng)與傳統(tǒng)基本系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)和加熱器核心，以保證熱舒適性。圖8顯示了一個(gè)水冷式冷凝器的冷卻液回路，熱泵產(chǎn)生的熱量通過制冷劑輸送到冷凝器。冷卻液回路使用一個(gè)切斷閥來(lái)控制來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵的熱流，使熱流在集成冷卻回路和獨(dú)立冷卻回路之間來(lái)回切換。在集成冷卻液回路中，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱和熱泵產(chǎn)生的熱量在同一回路中使用。在獨(dú)立冷卻回路中，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻回路和熱泵的冷卻回路是分開的，兩者之間沒有熱量傳遞。一種減少燃料消耗、保證熱舒適性、綜合管控發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱和熱泵產(chǎn)熱的最佳控制系統(tǒng)，就被發(fā)掘了出來(lái)。該系統(tǒng)的好處是更快的使發(fā)動(dòng)機(jī)停止，這是由于其相較傳統(tǒng)冷卻方式有著更低的目標(biāo)冷卻液溫度。在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)停止冷卻液的目標(biāo)溫度由客艙的熱舒適性決定，對(duì)于環(huán)境溫度為5℃的冷啟動(dòng)，該溫度約為60℃。但是，在有熱泵的系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)停止冷卻劑的目標(biāo)溫度由發(fā)動(dòng)機(jī)排放決定，并設(shè)置為40℃，客艙的熱舒適是由熱泵產(chǎn)生的熱量提供的。但是，在有熱泵的系統(tǒng)中，熱泵所消耗的電能可能會(huì)導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性降低。因此，最大限度地減少熱泵的電力消耗是優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖9 帶熱泵系統(tǒng)的一維熱管理模型

結(jié)果分析      常規(guī)系統(tǒng)(圖7)和帶熱泵系統(tǒng)(圖8)的冷卻液電路采用一維軟件設(shè)置，并與汽車模型(圖9)相結(jié)合。模型中的混動(dòng)系統(tǒng)采用第四代普銳斯系統(tǒng)。熱泵有一個(gè)與環(huán)境換熱的蒸發(fā)器，以及一個(gè)水冷式冷凝器。蒸發(fā)器與傳統(tǒng)系統(tǒng)中的冷凝器尺寸相同，同時(shí)水冷式冷凝器不是過冷式冷凝器，電動(dòng)壓縮機(jī)是產(chǎn)自Denso公司的ES27。在一維模型中，計(jì)算了壓縮機(jī)的功率以及水冷式冷凝器和蒸發(fā)器的制熱能力。這三個(gè)參數(shù)隨著環(huán)境溫度和速度等環(huán)境條件的變化而變化。研究了冷卻液回路之間切換的時(shí)機(jī)，分配發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵熱量的方式，以及每個(gè)冷卻液回路的流量，以最大限度地減少燃料消耗?？团摷訜崞鞯男阅茉O(shè)置為與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同的水平。綜上，可認(rèn)為進(jìn)口加熱器核心處的冷卻劑溫度與傳統(tǒng)加熱器的基本一致。

圖10 帶熱泵HV燃油經(jīng)濟(jì)性有影響的參數(shù)之間的關(guān)系

圖11 三個(gè)階段的系統(tǒng)與熱泵

圖12 熱泵熱管理優(yōu)化問題

熱管理概述      優(yōu)化控制系統(tǒng)需要考慮對(duì)混動(dòng)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性有影響的參數(shù)，如圖10所示。燃油經(jīng)濟(jì)性由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩決定，可在HV的控制系統(tǒng)中進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的對(duì)象是車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)間和壓縮機(jī)的電力。發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)間高度依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度。壓縮機(jī)的功率受水冷式冷凝器加熱能力的影響，冷凝器以保證與傳統(tǒng)系統(tǒng)中相同的進(jìn)口加熱器芯冷卻液溫度。此外，由于回路的切換，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和入口加熱器芯溫會(huì)相互影響。因此，應(yīng)注意發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度(Tw_e)和進(jìn)口加熱器芯溫度(Tw_h)。這兩個(gè)溫度之間的關(guān)系呈圖11所示的三個(gè)階段。階段1是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到40℃之前完成發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱的階段。階段2是鼓風(fēng)機(jī)打開時(shí)加熱機(jī)艙和目標(biāo)加熱器芯冷卻液溫度超過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的階段。加熱器芯目標(biāo)冷卻液溫度設(shè)置為與傳統(tǒng)系統(tǒng)中相同的溫度，以獲得相同的艙室加熱器性能。階段3是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過加熱器芯目標(biāo)冷卻液溫度的階段。通過這三個(gè)階段，研究了冷卻液回路之間切換的時(shí)機(jī)、分配發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵熱量的方式以及每個(gè)冷卻液回路的流量，以使燃料消耗最小化。關(guān)于熱泵熱管理的優(yōu)化如圖12所示。

表1 集成電路和獨(dú)立電路的控制方法

圖13 入口加熱器芯冷卻液目標(biāo)溫度具有傳統(tǒng)HV相同的加熱器性能

圖14 情況1和情況2結(jié)果的比較

圖15 每個(gè)冷卻回路的熱容

表2 當(dāng)熱泵產(chǎn)生的熱量不滿足客艙加熱器目標(biāo)性能時(shí)的控制優(yōu)化

圖16 環(huán)境溫度-5℃下階段2發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)冷卻液溫度參數(shù)研究

熱管理優(yōu)化      評(píng)估了解燃油經(jīng)濟(jì)性和單個(gè)冷卻液溫度影響這一優(yōu)化思想，首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)研究案例。如表1所示，將冷卻液回路固定在集成冷卻液回路上與冷卻液回路固定在獨(dú)立冷卻液回路上進(jìn)行比較。滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排放所需的發(fā)動(dòng)機(jī)停止冷卻液溫度設(shè)置為40°C?？刂茻岜脡嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得與傳統(tǒng)系統(tǒng)相同的進(jìn)口加熱器芯溫度，如圖13所示。為避免冷卻液沸騰，加熱芯冷卻液流量為10L /min, EHR冷卻液流量為6L /min。發(fā)動(dòng)機(jī)需要18L/min的流量。場(chǎng)景2加熱芯冷卻液流量為10L /min，與場(chǎng)景1相同。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液流量降低到3L/min，即最小冷卻液流量。在這兩種情況下，初始荷電狀態(tài)(SOC)都設(shè)置為60%。圖14給出了這兩種情況的結(jié)果。圖14(d)所示的汽車能量表示瞬間燃油消耗乘以較低的熱值，并與電池消耗的功率相加。兩種情況下車輛能量的差異表明，在給定的時(shí)間內(nèi)，哪種情況可以用更少的能量實(shí)現(xiàn)控制。對(duì)比這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在第一階段，利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來(lái)加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)立回路具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的低流量能使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升得更快，從而獲得更短的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間。相比之下，在集成電路中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱被發(fā)送到加熱器，使電能消耗減少，但其影響略遜于控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)間所獲得的效果。在階段2中，獨(dú)立回路具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)闊岜卯a(chǎn)生的機(jī)艙熱量只降低壓縮機(jī)的電力。在集成電路中，熱泵與發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，以滿足加熱器目標(biāo)溫度。在這種情況下，如圖15所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的大熱容導(dǎo)致壓氣機(jī)耗電量大，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。在第三階段，因?yàn)闄C(jī)艙熱量是由發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱提供的，熱泵不需要產(chǎn)生熱量，集成電路具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。這個(gè)案例研究提供了一個(gè)熱管理的粗略優(yōu)化，但也提出了一個(gè)問題:如果熱泵不能滿足入口加熱器芯的目標(biāo)冷卻液溫度，在階段2會(huì)發(fā)生什么。在極其低溫的環(huán)境下，熱泵的容量隨著環(huán)境溫度的降低而降低，那么這一問題就暴露出來(lái)。為了克服這一問題，我們選擇了集成電路，設(shè)置了較高的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)溫度，將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱與熱泵產(chǎn)生的熱量相結(jié)合，以滿足進(jìn)口加熱器芯的目標(biāo)溫度。如圖5，表明使用熱泵產(chǎn)生熱量比使用發(fā)動(dòng)機(jī)更有效。因此，在滿足目標(biāo)溫度的范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)冷卻液溫度應(yīng)盡可能低。例如，在環(huán)境溫度為-5°C時(shí)，熱泵在最大容量下運(yùn)行時(shí)無(wú)法滿足入口加熱器芯的目標(biāo)溫度。因此，如表2所示，應(yīng)使用集成電路將熱泵的熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱結(jié)合起來(lái)，以滿足該目標(biāo)溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)停車?yán)鋮s液溫度參數(shù)如圖16所示。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)與熱泵結(jié)合后達(dá)到目標(biāo)溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)停冷液最低溫度為50℃。

圖17 利用熱泵的容量和發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱容量的控制方法

圖18 熱泵容量過剩、不足或無(wú)容量的情況

圖19 模式A的優(yōu)化控制方法

圖20 模式B的優(yōu)化控制方法

圖21 模式C的優(yōu)化控制方法

      綜上所述，如圖17所示，從熱泵容量和發(fā)動(dòng)機(jī)余熱容量?jī)煞矫鎸?duì)熱管理進(jìn)行了優(yōu)化。發(fā)動(dòng)機(jī)余熱容量過?；虿蛔銢Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)余熱是否能夠滿足機(jī)艙加熱器性能的要求。同樣的結(jié)論也適用于熱泵容量的過剩和不足。余熱容量的過?；虿蛔闶怯砂l(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱狀況、發(fā)動(dòng)機(jī)作用(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩)以及入口加熱器芯目標(biāo)溫度來(lái)判斷的。如圖18所示，由于需要從環(huán)境空氣中抽取熱量，熱泵的容量限度依賴于環(huán)境溫度。熱泵容量的過?；虿蛔阌森h(huán)境溫度決定，因?yàn)榕撌业哪繕?biāo)加熱器性能也由環(huán)境溫度決定。此外，由于前端蒸發(fā)器結(jié)霜或壓縮機(jī)油循環(huán)減少，熱泵不能在非常低的溫度下使用。因此，環(huán)境溫度決定了圖17中x軸的位置。而且，在發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱初期，由于需要預(yù)熱以減少排放，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱容量存在不足。在發(fā)動(dòng)機(jī)完成加熱后，它在高負(fù)荷下有多余的余熱容量。如圖17中的箭頭所示，模式A、B和C是根據(jù)環(huán)境溫度所決定的。圖19、圖20和圖21分別顯示了模式A、模式B和模式C的優(yōu)化參數(shù)控制。模式C中的控制與傳統(tǒng)HV相同，均不使用熱泵。

圖22 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)前壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最佳方式

圖23 以最佳方式將動(dòng)力傳送到壓縮機(jī)的路徑

圖24 基準(zhǔn)與優(yōu)化后的H/P系統(tǒng)比較

圖25 原型車實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)車試驗(yàn)      我們使用第四代普銳斯制造了一輛原型車，以驗(yàn)證我們優(yōu)化的系統(tǒng)，并將燃油經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行比較。除了通過一維熱模型研究得到的優(yōu)化控制外，還對(duì)該系統(tǒng)的混動(dòng)控制進(jìn)行了優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和熱泵啟動(dòng)的時(shí)間同步?；靹?dòng)控制的優(yōu)化包括增加電池充電的目標(biāo)功率，以獲得更快的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵同步開機(jī)的細(xì)節(jié)如圖22和23所示。當(dāng)加熱芯冷卻液溫度達(dá)到40℃時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)才會(huì)接通。因此，在加熱芯冷卻液溫度達(dá)到40℃的時(shí)間不變的情況下，無(wú)論風(fēng)機(jī)開啟前加熱芯溫升的快慢，加熱性能都不會(huì)發(fā)生變化。由于發(fā)動(dòng)機(jī)直接供給熱泵能量，所以發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵同步啟動(dòng)可以減少能量損失。在車輛測(cè)試中，控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，使其具有與傳統(tǒng)控制相同的加熱器性能，并進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性比較。圖24和25顯示了在環(huán)境溫度為5°C、WLTC (Lo + Mid)及冷啟動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的和優(yōu)化的熱泵系統(tǒng)的結(jié)果。結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)停止冷卻液溫度從60℃降至40℃時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)間比傳統(tǒng)的快300秒。車輛測(cè)試顯示燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10%。

圖26 燃油經(jīng)濟(jì)性提高與熱舒適性提升

燃料經(jīng)濟(jì)性與熱舒適性      到目前為止，我們的注意力局限于與傳統(tǒng)HV系統(tǒng)相同的機(jī)艙加熱器性能和提高燃油經(jīng)濟(jì)性。然而，熱泵的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠?qū)㈦娔芸焖俎D(zhuǎn)換為熱能以快速升溫，因此與使用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱的傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)相比，客艙的加熱速度更快。圖26顯示了燃油經(jīng)濟(jì)性提高與達(dá)到中性熱舒適的相關(guān)時(shí)間的關(guān)系。熱舒適是基于參與者對(duì)加熱器性能的評(píng)價(jià)。如圖所示，當(dāng)燃油經(jīng)濟(jì)性與傳統(tǒng)HV系統(tǒng)相同時(shí)，達(dá)到中性熱舒適的時(shí)間縮短了一半。燃油經(jīng)濟(jì)性和熱舒適性的平衡點(diǎn)可以根據(jù)用戶的喜好進(jìn)行優(yōu)化。

表3 使用熱泵系統(tǒng)節(jié)省燃料和減少二氧化碳

表4 使用熱泵系統(tǒng)的普銳斯、凱美瑞和RAV4的燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳減少

實(shí)際油耗測(cè)試      表3展示了普銳斯在城市公路、高速公路和聯(lián)合駕駛中對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善和二氧化碳的減少效果。這個(gè)結(jié)果包括5個(gè)循環(huán)((LA#4, Hwy, US06, SC03，和Cold CO)。在修訂的5個(gè)循環(huán)中，Cold CO的AC設(shè)置更改為自動(dòng)25°C。燃油經(jīng)濟(jì)性提高2.4%，二氧化碳排放量減少3.8 gpm CO2。表4顯示了其他車型(凱美瑞HV和RAV4 HV)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高和二氧化碳排放量減少。凱美瑞HV和RAV4 HV的預(yù)估碳排量分別為3.3 gpm CO2和2.1 gpm CO2。

結(jié)論      

通過使用一維熱車輛模型，找到了在寒冷天氣下控制混動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵并將燃料消耗最小化的最佳方法。冷卻回路之間的切換改變了發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵的熱流。這種熱管理實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)停止冷卻液溫度的下降和更快的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間，以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度與入口加熱器芯溫度之間的關(guān)系呈三個(gè)階段。階段1是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到40℃之前完成發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱的階段。階段2是鼓風(fēng)機(jī)打開后加熱機(jī)艙和加熱器芯冷卻液目標(biāo)溫度超過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的階段。加熱器芯冷卻液目標(biāo)溫度設(shè)置為與傳統(tǒng)系統(tǒng)中相同的溫度，以獲得相同的艙室加熱器性能。階段3是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過加熱器芯冷卻液目標(biāo)溫度的階段。在這三個(gè)階段中，研究了冷卻液回路之間切換的時(shí)機(jī)、分配發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵熱量的方式以及每個(gè)冷卻液回路的流量，以使燃料消耗最小化。優(yōu)化后的控制系統(tǒng)隨著熱泵熱容的變化而變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)熱泵的熱容和目標(biāo)加熱器性能分為三種模式。如果熱泵的熱容量滿足目標(biāo)加熱器性能(模式A)，機(jī)艙加熱使用熱泵的熱容量，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度由發(fā)動(dòng)機(jī)排放決定。如果熱泵的熱容不能滿足加熱器的目標(biāo)性能(模式B)，機(jī)艙加熱既利用熱泵的熱容又利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱，在仍然滿足目標(biāo)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)冷卻液目標(biāo)溫度應(yīng)盡可能低。如果由于前端蒸發(fā)器結(jié)霜(C型)導(dǎo)致熱泵無(wú)法使用，機(jī)艙加熱使用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，系統(tǒng)與傳統(tǒng)HV系統(tǒng)相同。這三種模式主要由環(huán)境溫度決定，熱泵容量和目標(biāo)加熱器性能容度依賴于環(huán)境溫度。實(shí)驗(yàn)中使用一輛原型車驗(yàn)證了該系統(tǒng)。除了通過一維熱模型研究得到的優(yōu)化控制外，還對(duì)HV系統(tǒng)的控制進(jìn)行了優(yōu)化，并使發(fā)動(dòng)機(jī)和熱泵啟動(dòng)的時(shí)間同步，以減少電池的能量損失。結(jié)果表明，在5°C的環(huán)境溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)間縮短了300秒，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了10%。

文章來(lái)源：Okamoto, K., Aikawa, H., Ohmikawa, M., and Hayashi, K., "Thermal Management of a Hybrid Vehicle Using a Heat Pump," SAE Technical Paper 2019-01-0502, 2019.