摘要:

隨著電池電動汽車對快速充電和新型熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冷卻需求不斷增長，汽車行業(yè)正在探索大排量電動壓縮機(jī)。與中小型（排量小于33cc）壓縮機(jī)相比，使用了大型（34-44cc）和超大型（45cc及以上）壓縮機(jī)產(chǎn)品。本文研究了A段和D段電池電動汽車熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)尺寸效應(yīng)。通過考慮能源效率、乘員艙熱管理和電池快速充電使用情況，對大型（34cc）和超大型（57cc）壓縮機(jī)的系統(tǒng)性能進(jìn)行評估。

熱泵系統(tǒng)的作用:

（1）熱泵模式

在要求乘員艙加熱的低溫條件下（-10°C~10°C），制冷劑回路可以在熱泵模式下工作，以吸收來自多個(gè)源（主要是環(huán)境）的熱量，并將其傳遞至乘員艙加熱器芯。對于帶有輔助乘員艙冷卻劑回路的間接高壓，水冷凝器用于利用來自外部熱交換器（OHX）的熱能傳遞來加熱冷卻劑，外部熱交換器用作蒸發(fā)器，從環(huán)境中吸收熱量。然后，來自水冷凝器的熱冷卻液流到加熱器芯，熱空氣吹進(jìn)乘員艙。空氣-冷卻液熱泵系統(tǒng)的操作示意圖如圖1所示。（a） 以及圖1中的冷卻劑至冷卻劑熱泵系統(tǒng)。（b） 。制冷劑在空氣中流經(jīng)OHX，形成冷卻液熱泵，該冷卻液在空調(diào)模式下用作冷凝器。對于冷卻劑到冷卻劑熱泵，OHX本質(zhì)上是一個(gè)散熱器，它與制冷劑回路中的冷卻器交換熱能，以將熱量排到制冷劑。根據(jù)水冷凝器出口溫度控制壓縮機(jī)速度。附加加熱功率由乘員艙冷卻液回路中的冷卻液加熱器提供（圖中未顯示）。

 圖1

（2）空調(diào)模式

當(dāng)在高溫環(huán)境條件下指令乘員艙冷卻時(shí)，熱泵系統(tǒng)可作為空調(diào)（AC）系統(tǒng)運(yùn)行。OHX作為常規(guī)冷凝器用于將熱量排到周圍環(huán)境中，而蒸發(fā)器用于乘員艙冷卻。因此，空氣-冷卻劑熱泵的總體布局幾乎與常規(guī)空調(diào)制冷劑回路相同，包括壓縮機(jī)、冷凝器（OHX）、膨脹閥和蒸發(fā)器的布置。水冷凝器旁通，圖2（a）中未顯示。在冷卻液-冷卻液熱泵系統(tǒng)中，散熱器用于冷卻水冷凝器，而冷卻器則在機(jī)艙冷卻器中帶走熱量。圖2（b）說明了兩種高壓系統(tǒng)的空調(diào)模式操作。壓縮機(jī)速度由蒸發(fā)器出口空氣溫度控制。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由壓縮機(jī)排氣壓力決定。

圖2

（3）電池制冷模式

當(dāng)在有限的充電時(shí)間內(nèi)以高充電功率產(chǎn)生顯著的熱量時(shí)，電池冷卻能力在快速充電的最壞使用情況下進(jìn)行評估。用于電池冷卻模擬的快速充電電流曲線如圖3所示。假設(shè)電池充電狀態(tài)（SOC）從5%增加到80%。在快速充電過程中，一旦電池溫度或熱量達(dá)到設(shè)定值，熱泵系統(tǒng)將使用冷卻器通過風(fēng)扇、冷卻液泵和壓縮機(jī)的運(yùn)行來冷卻電池。圖4顯示了空氣-冷卻液和冷卻液-冷卻液熱泵系統(tǒng)中電池冷卻的有源電路。壓縮機(jī)和泵的速度取決于冷卻器出口處的蓄電池冷卻液溫度。風(fēng)扇速度根據(jù)壓縮機(jī)排氣壓力進(jìn)行控制。

 圖 3

圖4

邊界條件的設(shè)置：

表1總結(jié)了用于熱泵性能評估的車輛配置。對于每輛車，為相應(yīng)的高壓系統(tǒng)研究了兩臺400V電動壓縮機(jī)，分別為大型（34cc）和特大型（57cc）。

表一

表2中總結(jié)的用例信息和邊界條件用于不同功能模式的熱泵系統(tǒng)模擬，包括環(huán)境溫度、相對濕度（RH）和鼓風(fēng)機(jī)空氣流量。

表二

結(jié)果：

為了比較壓縮機(jī)尺寸對不同車輛中使用的兩種高壓系統(tǒng)的影響，數(shù)值模型提供了熱泵性能結(jié)果，包括乘員艙加熱、乘員艙冷卻和電池冷卻。

（一）乘員艙加熱

在乘員艙加熱模式下，高壓系統(tǒng)應(yīng)通過滿足管道出口處的目標(biāo)空氣溫度來實(shí)現(xiàn)熱舒適性，對于高壓控制，假設(shè)目標(biāo)空氣溫度為50℃。如圖5a所示，使用34cc和57cc壓縮機(jī)，無論空氣-冷卻劑還是冷卻劑-冷卻劑，熱泵系統(tǒng)都能夠在400 s之前達(dá)到管道空氣溫度目標(biāo)。對于配備空氣冷卻液高壓系統(tǒng)的D段車輛，來自電動冷卻液加熱器（ECH）的額外熱能用于乘員艙預(yù)熱。57 cc壓縮機(jī)的功耗始終高于34 cc壓縮機(jī)。然而，加熱器的功耗較小。相比之下，冷卻液-冷卻液熱泵系統(tǒng)的乘員艙預(yù)熱僅通過將壓縮機(jī)用于制冷劑操作來實(shí)現(xiàn)。在瞬態(tài)預(yù)熱過程中，57 cc壓縮機(jī)比34 cc壓縮機(jī)消耗更高的功率，然后表明在穩(wěn)態(tài)條件下能耗接近。

（二）乘員艙冷卻

在乘員艙冷卻模式下，熱泵系統(tǒng)用于乘員艙空調(diào)，乘員艙冷卻器出口處的目標(biāo)空氣溫度為5℃。圖5b顯示了不同熱泵系統(tǒng)和壓縮機(jī)尺寸的乘員艙冷卻模擬的溫度和功耗。這表明，在SC03循環(huán)期間，兩個(gè)高壓系統(tǒng)能夠滿足機(jī)艙冷卻器空氣溫度。空氣-冷卻劑熱泵系統(tǒng)的整體交流性能優(yōu)于冷卻劑-冷卻劑熱泵，這是由于冷卻劑-冷卻劑高壓系統(tǒng)中存在更多的冷卻劑熱慣性。在兩種類型的熱泵系統(tǒng)中，34cc和57cc的溫度分布和功耗軌跡都非常接近。

（三）電池冷卻

在快速充電的電池冷卻模式下，根據(jù)圖3中規(guī)定的快速充電協(xié)議評估最大冷卻容量。為了獲得最高的冷卻功率，命令執(zhí)行器（包括壓縮機(jī)、風(fēng)扇和冷卻液泵）達(dá)到峰值速度。電池單元熱溫度分布如圖5c所示。在快速充電期間，電池組的發(fā)熱量顯著，超過了冷卻器的冷卻功率。因此，A段和D段車輛蓄電池溫度都會升高。隨后，熱交換率隨著冷卻液溫度的降低而增加，充電功率也隨之下降。因此，電池開始冷卻。在快速充電結(jié)束時(shí)，電池單元溫度低于初始值。由于A段車輛的電池尺寸小于D段車輛，因此冷卻液-冷卻液高壓系統(tǒng)在快速充電期間的溫差更大。

 圖五（a）

 圖五（b）

 圖五（c）

結(jié)論：

本文利用虛擬仿真技術(shù)研究了電動汽車高壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)尺寸。研究了兩種間接高壓結(jié)構(gòu)，包括D段車輛的空氣-冷卻劑高壓和A段車輛的冷卻劑-冷卻劑間接高壓。在極端環(huán)境溫度條件下，對大型和超大型壓縮機(jī)的高壓系統(tǒng)性能進(jìn)行了評估：乘員艙加熱溫度為-7℃，乘員艙冷卻溫度為35℃，電池冷卻溫度為350℃。熱泵系統(tǒng)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：（1）在乘員艙加熱的寒冷環(huán)境條件下，D段車輛需要比A段車輛更高的加熱能力。57cc壓縮機(jī)可幫助提高運(yùn)行效率，同時(shí)降低加熱器功耗。（2）在高環(huán)境條件下，車輛乘員艙冷卻性能高度依賴于熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？諝?冷卻劑結(jié)構(gòu)的冷卻效率高于冷卻劑-冷卻劑配置。對于SC03循環(huán)，壓縮機(jī)尺寸效應(yīng)可忽略不計(jì)。（3）電池快速充電演示了熱泵熱管理的一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的使用案例。57cc壓縮機(jī)的最大冷卻能力高于34cc壓縮機(jī)。應(yīng)根據(jù)快速充電協(xié)議和電池尺寸決定壓縮機(jī)的尺寸。建議根據(jù)熱管理性能的技術(shù)等級來決定高壓系統(tǒng)中的壓縮機(jī)尺寸，以滿足功能要求、效率和車輛開發(fā)成本和包裝方面的考慮。

文章來源：Li, M. (2021). Compressor Sizing for a Battery Electric Vehicle with Heat Pump, SAE International.