本文以電動(dòng)車水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過理論和仿真計(jì)算不同工況的電機(jī)發(fā)熱量,開發(fā)了集成閥水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)和策略?采用環(huán)模測(cè)試的方法,分析水源熱泵及風(fēng)源熱泵性能差異?實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在同一環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度舒適性,水源熱泵系統(tǒng)能效比(COP)是風(fēng)源熱泵系統(tǒng)1.2倍左右,提高整車的續(xù)航里程;在非惡劣嚴(yán)寒地帶,取消高壓PTC的水源熱泵系統(tǒng)能夠滿足乘客的采暖舒適性?

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;水源熱泵;9通集成閥

作者：趙家威1,岳敏2,徐杰明1,壽葉波1,宋立彬1

1.雷達(dá)新能源汽車(浙江)有限公司,浙江杭州;

2.上海中建申拓投資發(fā)展有限公司,上海

近年來,在國(guó)家政策和環(huán)保節(jié)能的消費(fèi)理念促進(jìn)下,純電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速發(fā)展,全球的汽車研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在致力于開發(fā)出能耗低?智能舒適的電動(dòng)汽車[1]?近年來,熱泵空調(diào)系統(tǒng)開始成為電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)發(fā)展方向[2-3],但研究多是風(fēng)源熱泵系統(tǒng)[4-5],而水源熱泵研究很少?

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用直接影響整車的動(dòng)力安全?續(xù)航里程以及成員舒適性,熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化是現(xiàn)在電動(dòng)汽車開發(fā)一個(gè)重要方向[6-7]?于會(huì)濤等介紹了多回路的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)?

理論研究

新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

本文參考行業(yè)技術(shù)及工業(yè)制冷系統(tǒng)原理,設(shè)計(jì)一種新型熱泵空調(diào)系統(tǒng),如圖1所示,改進(jìn)風(fēng)源熱泵系統(tǒng)(圖2),設(shè)計(jì)9通集成閥的水源熱泵系統(tǒng),電機(jī)?電池的熱量(自發(fā)熱和余熱)通過閥組件導(dǎo)流到Chiller回路,冬季熱泵Chil-ler端吸氣端冷媒溫度穩(wěn)定在10℃左右(較常規(guī)風(fēng)冷熱泵提高20℃),規(guī)避了傳統(tǒng)風(fēng)源熱泵的結(jié)霜問題,高效工作環(huán)境溫度從-8℃下探至-20℃,降低PTC功率或取消PTC,降低系統(tǒng)成本?

熱管理系統(tǒng)熱量計(jì)算或仿真

本文研究的水源熱泵電動(dòng)車匹配的動(dòng)力電池容量100kW·h,前電機(jī)功率200kW,后電機(jī)功率150kW?驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)具有主動(dòng)發(fā)熱功能,發(fā)熱量約3kW?

電機(jī)運(yùn)行發(fā)熱量由兩部分組成:1)電池本體材料熱阻(水側(cè))及電池包周邊(空氣側(cè))損失;2)電池充放電自身產(chǎn)生的熱量?電池包熱阻及周邊總散熱量熱力學(xué)計(jì)算公式如(1)所示:

式中,Cw=10-12,電機(jī)液冷水換熱因子,J/(kg·K);

行使工況電機(jī)驅(qū)動(dòng)余熱發(fā)熱量根據(jù)熱力學(xué)進(jìn)行仿真計(jì)算,其與車速?爬坡度?風(fēng)阻,電機(jī)的扭矩功率?效率有關(guān),更為準(zhǔn)確?不同行使工況電驅(qū)系統(tǒng)余熱量仿真結(jié)果如圖3和圖4所示?其中高速(80km/h)工況發(fā)熱量為0.9kW,市郊工況發(fā)熱量為1kW左右?

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)策略

本文開發(fā)了基于9通集成閥低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)及策略,并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究?

9通集成閥熱管理策略

本文研究的九通閥不同模式切換運(yùn)用電機(jī)電池?zé)崃?余熱及主動(dòng)熱量),提升冬季空調(diào)性能,降低能耗?

冬季工況環(huán)境溫度低,運(yùn)行熱泵空調(diào)系統(tǒng)模式:關(guān)閉HVAC的蒸發(fā)器工作閥,Chiller作為蒸發(fā)吸熱端,水冷冷凝器作為內(nèi)冷換熱器?水冷冷凝器換熱后產(chǎn)生的熱水通過三通水閥分配和九通閥的模式切換,按比例進(jìn)入暖風(fēng)芯和電池水回路,完成乘員艙和電池制熱的能量分配?

1)行使工況,電機(jī)工作產(chǎn)生的余熱中溫水通過九通閥1-8進(jìn)入Chiller回路,9-3出來循環(huán);進(jìn)入Chiller水回路的熱量通過Chiller吸收,熱泵空調(diào)運(yùn)行壓縮制冷劑換熱至水冷冷凝器,再通過水冷冷凝器水端換熱至HVAC暖風(fēng)芯體出暖風(fēng)給車內(nèi)乘員提供舒適的暖風(fēng)?

2)怠速工況,冷媒換熱效率降低,車內(nèi)溫度熱量需求大,熱泵系統(tǒng)利用環(huán)境溫度吸熱運(yùn)行效果不佳,此時(shí)通過九通閥切換,將1-8,3-9口連接,串聯(lián)電機(jī)散熱和Chil-ler水回路,并且利用電控方法堵轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生熱量,提高Chiller進(jìn)水溫度,提高蒸發(fā)溫度和冷凝溫度,提高熱泵運(yùn)行效率,提高空調(diào)暖風(fēng)溫度和效率?

3)夏季工況,壓縮機(jī)吸收蒸發(fā)器出來的低溫冷媒,壓縮至WCDS水冷冷凝器,經(jīng)過水冷冷凝器冷凝后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷,給車內(nèi)乘員降溫;水冷冷凝器的熱量通過九通閥里的5-4/2-1閥口與電機(jī)冷卻系統(tǒng)統(tǒng)一通過散熱器散熱?如電池有冷卻需求,Chiller打開制冷冷卻水通過九通閥的9876閥口轉(zhuǎn)換給電池包冷卻?

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)策略

水源熱泵和風(fēng)源熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能有較大差異,系統(tǒng)策略也是一方面?熱泵系統(tǒng)策略主要是電動(dòng)壓縮機(jī)的策略,風(fēng)源熱泵壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速主要依據(jù)內(nèi)冷冷凝器目標(biāo)溫度?冷凝壓力,輔助蒸發(fā)溫度吸氣溫度和和低壓值?水源熱泵與風(fēng)源熱泵相同之處有常規(guī)的冷凝溫度?壓力(這里是水冷冷凝器),以及吸氣的蒸發(fā)溫度壓力?但水源熱泵對(duì)冬季電機(jī)水溫的溫度值有個(gè)反饋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整策略,保證吸熱平衡?

水源熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)水冷冷凝器出口水溫為控制目標(biāo),空調(diào)壓縮機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速采用PID控制算法,后續(xù)標(biāo)定優(yōu)化?

式中,nAC為空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);F為前饋轉(zhuǎn)速;P為P部分運(yùn)算參數(shù);K為I部分運(yùn)算參數(shù);ΔtLCCW為水冷冷凝器出口水溫與目標(biāo)溫度差值℃,計(jì)算如下:

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)參考Chiller熱源的電機(jī)水溫,電機(jī)水溫低于-10℃,基R134a冷媒物性,熱泵吸熱性能不足,此臨界點(diǎn)會(huì)啟動(dòng)電機(jī)主動(dòng)加熱功能提升電機(jī)水溫?

實(shí)車測(cè)試條件

在環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室中做了熱泵系統(tǒng)實(shí)車做了試驗(yàn)研究,環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),可以完成-25℃以上的低溫試驗(yàn),試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理均依據(jù)中國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)GB/T12782-91《汽車采暖性能試驗(yàn)方法》?在環(huán)境溫度-20℃-5℃之間做了三個(gè)溫度環(huán)境?工況為怠速?高速和市郊三種典型的熱泵空調(diào)采暖工況,試驗(yàn)過程及參數(shù)采集正常?

試驗(yàn)結(jié)果分析

電動(dòng)壓縮機(jī)作為熱泵系統(tǒng)關(guān)鍵零部件,其運(yùn)行策略是冬季工況電動(dòng)汽車熱泵采暖性能的重要部分?壓縮機(jī)的策略標(biāo)定實(shí)驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證控制策略的有效性和可靠性,更重要的是尋找不同工況下的最佳壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,以便滿足空調(diào)舒適性,同時(shí)獲得最優(yōu)的能效比,提高EV模式的整車?yán)m(xù)航里程?

本文標(biāo)定采集冬季工況不同環(huán)境溫度?不同車速工況的風(fēng)源和水源熱泵系統(tǒng)采暖試驗(yàn)參數(shù),對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果做整理分析,驗(yàn)證了控制邏輯的有效性,有利于后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)策略的優(yōu)化?

1.-5℃工況下風(fēng)源熱泵及水源熱泵相關(guān)采暖溫度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)分析如圖(5)和圖(6)?(7)圖可知,車內(nèi)溫度達(dá)到相同時(shí),水源熱泵比風(fēng)源熱泵壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速低pm左右?功率概算低300W左右(低20%),相對(duì)風(fēng)源熱泵水源熱泵系統(tǒng)的COP能效比高20%,有利于整車能耗的降低?

2.圖(6)?(8)?(9),水熱熱泵在-5℃怠速電機(jī)主動(dòng)加熱使水溫達(dá)到熱泵運(yùn)行要求;-10℃利用電機(jī)行使余熱,-18℃電機(jī)行使余熱不足,輔助了電機(jī)主動(dòng)加熱,使電機(jī)水溫達(dá)到要求?三者都沒有高壓PTC加熱,車內(nèi)溫度能夠達(dá)到23-24℃,達(dá)到冬季舒適性要求;節(jié)省了PTC零件,降低系統(tǒng)成本?

3.如圖10所示,環(huán)境溫度越低,水泵熱泵壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速要求越高,-18℃壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速6500rpm,需要結(jié)合NVH噪音性能標(biāo)定系統(tǒng)策略?

4.圖10所示,-5℃車輛怠速(車速0),電機(jī)堵轉(zhuǎn)輔助加熱,電機(jī)水溫約2-3℃,比環(huán)境溫度高7℃,怠速電機(jī)主動(dòng)加熱量1.5kW左右,符合設(shè)計(jì)要求?-10℃和-18℃車速80km/h,電機(jī)水溫比環(huán)境溫度高12℃,實(shí)測(cè)熱量與1.2仿真數(shù)據(jù)相符?

結(jié)論及展望

本文開發(fā)研究了集成閥式水源熱泵系統(tǒng)及策略,分析冬季試驗(yàn)工況數(shù)據(jù),得出如下結(jié)論:

1)-5℃左右環(huán)境溫度,相同舒適度的采暖溫度,水源熱泵系統(tǒng)能效比(COP)是風(fēng)源熱泵系統(tǒng)1.2倍左右,降低整車能耗,提升了冬季電動(dòng)車的續(xù)航里程;

2)非嚴(yán)寒地帶(≥-20℃),水源熱泵的采暖舒適性尚可,其系統(tǒng)相對(duì)風(fēng)源熱泵或其它空調(diào)系統(tǒng)取消電加熱PTC,降本增效;

3)水源熱泵的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與環(huán)境溫度?冷媒溫度壓力?電機(jī)水溫,空調(diào)溫度有關(guān),此為下一步研究重點(diǎn)?

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