薛宇程,謝凱程,葛笑寒等.帶余熱存儲(chǔ)功能的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2022(07):32-34.

摘 要

針對(duì)新能源汽車(chē)在冬天因供暖需要導(dǎo)致續(xù)航能力不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車(chē)帶余熱存儲(chǔ)功能的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)，讓逆變器和電機(jī)與一種全新結(jié)構(gòu)的相變蓄熱器連接。在汽車(chē)工作時(shí)，電機(jī)和逆變器產(chǎn)生的熱量會(huì)通過(guò)余熱回收回路帶到相變蓄熱器中進(jìn)行儲(chǔ)存，在熱泵系統(tǒng)工作時(shí)利用余熱來(lái)供暖。初步計(jì)算了系統(tǒng)對(duì)續(xù)航里程提升的效果，－7℃環(huán)境溫度下總電量為70ｋＷ·ｈ的電動(dòng)汽車(chē)相比基礎(chǔ)熱泵可增加56ｋｍ的續(xù)航里程，可以較好地緩解電動(dòng)汽車(chē)冬季續(xù)航里程縮減的問(wèn)題。

０ 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要依靠能源技術(shù)的不斷進(jìn)步?非可再生能源的不斷消耗和全球環(huán)境的不斷惡化,促使可再生能源技術(shù)的應(yīng)用逐步成為趨勢(shì)?熱能存儲(chǔ)利用和發(fā)展新能源汽車(chē)是極有潛力的兩個(gè)研究方向?熱能存儲(chǔ)能夠進(jìn)一步提高能源利用率,開(kāi)展對(duì)新能源汽車(chē)熱能存儲(chǔ)的研究也可以極大地減少對(duì)不可再生能源的消耗［１－３］。

電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)為駕艙降溫/供暖來(lái)保證人體熱舒適性,而所有的乘客艙熱舒適系統(tǒng)負(fù)載都將消耗車(chē)輛的總電量?現(xiàn)有技術(shù)背景下電動(dòng)汽車(chē)電池容量有限,電池?cái)?shù)量過(guò)多對(duì)整車(chē)操控和熱管理會(huì)帶來(lái)更大的技術(shù)挑戰(zhàn)?因此,在冬季分擔(dān)部分電量供給車(chē)內(nèi)供暖會(huì)致動(dòng)力電池電能消耗很快,影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力?有調(diào)查表明現(xiàn)階段54.1%的微小型BEV轎車(chē)?yán)m(xù)航里程僅僅在300~350km之間,而僅僅只有0.9%的微小型BEV續(xù)航能力汽車(chē)?yán)m(xù)航能力在400km以上;而68.3%的中端BEV轎車(chē)?yán)m(xù)航里程為400~450km以上,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及燃料機(jī)動(dòng)車(chē)?因此電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題,而到冬季時(shí)由于空調(diào)供暖的大量耗電更加縮短了電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程,因此目前迫切需要一種可以讓電動(dòng)汽車(chē)擁有更久續(xù)航里程的方案?

考慮到電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)電控系統(tǒng)在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生余熱,盡管有些電動(dòng)汽車(chē)具備了余熱回收功能,但是還是存在停車(chē)后電機(jī)系統(tǒng)余熱無(wú)法利用或者高速行駛階段電機(jī)系統(tǒng)余熱過(guò)剩等情況,將余熱進(jìn)行存儲(chǔ)用于乘員艙供暖可以降低系統(tǒng)能耗?因此,本文設(shè)計(jì)了一種帶余熱存儲(chǔ)功能的電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)?講電機(jī)和逆變器中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行回收和利用,從而增加達(dá)到節(jié)省能源同時(shí)增加新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的目的?使用本方案將有效利用電機(jī)廢熱,提升電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航?

１ 余熱存儲(chǔ)功能電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 

１．１ 整體帶余熱存儲(chǔ)熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的熱泵系統(tǒng)為一種水流動(dòng)式相變蓄熱器的熱泵空調(diào)系統(tǒng)(圖1),由電機(jī)電驅(qū)系統(tǒng)?相變蓄熱器?換熱器(Chiller)?儲(chǔ)液罐?膨脹閥?壓縮機(jī)?冷凝器和蒸發(fā)器共8個(gè)部分構(gòu)成?制冷劑采用R134a,冷卻液使用50%的水混合50%的油?根據(jù)功能可以劃分為電動(dòng)汽車(chē)余熱存儲(chǔ)系統(tǒng)包括冷媒回路?余熱回收回路和蓄熱傳遞回路?

１．１．１ 冷媒回路

制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)做功后成為高溫高壓的氣態(tài)流向冷凝器,冷凝器外側(cè)風(fēng)吸收冷媒的熱量經(jīng)過(guò)HVAC吹向乘客艙,進(jìn)行供暖?冷凝器放熱后制冷劑再流向膨脹閥,過(guò)膨脹閥來(lái)控制制冷劑的流速及流量使得冷媒處于低溫低壓狀態(tài),之后再流入蒸發(fā)器吸收車(chē)外空氣的熱量?對(duì)于傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng),制冷劑從蒸發(fā)器處吸熱后直接流入儲(chǔ)液罐,最終回到壓縮機(jī)內(nèi),其中儲(chǔ)液罐不僅可以貯藏部分冷媒,同時(shí)還能保證氣液分離和作為冷媒的緩沖,防止液態(tài)制冷劑導(dǎo)致壓縮機(jī)失效?

對(duì)于本系統(tǒng),制冷劑從蒸發(fā)器吸熱后會(huì)先流向Chiller,吸收來(lái)自?xún)?chǔ)熱器的熱量,進(jìn)一步提高制冷劑的溫度,可以降低壓縮機(jī)的做功,進(jìn)而降低系統(tǒng)能耗,達(dá)到節(jié)能的目的?

１．１．２ 余熱存儲(chǔ)回路

電機(jī)電驅(qū)系統(tǒng)在車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的熱量由冷卻液吸收并進(jìn)入余 熱 回 收 回 路，余熱回收回路通過(guò)相變蓄熱器的中層管道將熱量傳遞給相變蓄熱器，從 而 完 成 熱量的收集。

１．１．３ 余熱利用回路

當(dāng)汽車(chē)空調(diào)制熱模式工作時(shí)，相變蓄熱器上下兩邊管道中冷卻液自 下 而 上 流 動(dòng)，同時(shí)相變材料釋放熱量傳遞于給冷卻液，冷卻液從蓄熱器中流出，通過(guò)蓄熱傳遞回路流向換熱器，進(jìn)行冷卻液與冷媒的熱交換，從而完成熱量的傳遞。

１．２ 相變蓄熱器

將電機(jī)與逆變器的余熱轉(zhuǎn)化到電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中，需要引入儲(chǔ) 能 設(shè) 備。相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)是一種新型的儲(chǔ)能方案，利用高潛熱相變材料的固液相變過(guò)程中吸收電機(jī)和逆變器所產(chǎn) 生 的 熱 量，從而達(dá)到對(duì)余熱進(jìn)行存儲(chǔ)和回收的目的。

本熱泵系統(tǒng)中使用的相變蓄熱器是一種水管式水流動(dòng)相變蓄熱器，為一種水管分層式箱體，最內(nèi)層填充相變材料，由外殼包裹一層絕熱材料，最適合的材料為丁腈橡膠。中間一層水管和電機(jī)以及逆變器形成余熱回收回路，箱體內(nèi)部被水管分為３層，每層中水管呈“Ｓ”型彎曲，便于充分的吸收 熱 量，第一層與第三層水管通過(guò)箱外管道連接，冷卻液從第三層水管端流入，吸收相變材料釋放出的熱量，從第一層水管端流出，并通過(guò)蓄熱傳遞回路給空調(diào)系統(tǒng) 提 供 熱 量。第二層水管和電機(jī)以及逆變器連接，利用冷卻液進(jìn)行余熱回收。

１．３ 相變材料的選擇

相變儲(chǔ)能材料(Phase Change Materials,PCMs)是一類(lèi)利用在某一特定溫度下發(fā)生物理相態(tài)變化以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放的儲(chǔ)能材料,其儲(chǔ)能特性是在相變過(guò)程中吸收熱能,并可以在恒定均勻的溫度下提取?給定質(zhì)量的相變材料吸收熱量的多少由其相變潛熱決定?

在進(jìn)行相 變 儲(chǔ) 熱 材 料 的 篩 選 時(shí)，應(yīng)遵循如下原則：（１）儲(chǔ) 熱 密 度；（２）相 變 溫 度；（３）相 變 過(guò) 程；（４）導(dǎo) 熱；（５）循環(huán)穩(wěn)定 性；（６）密度；（７）壓力；（８）化學(xué) 性 能；（９）體積變化；（１０）過(guò)冷度［４］。

經(jīng)研究得出相變材料的相變溫度區(qū)間應(yīng)當(dāng)為45~65℃?在此溫度區(qū)間內(nèi)最好的相變材料是醋酸鹽,而查詢(xún)論文發(fā)現(xiàn)最符合的材料是三水醋酸鈉?三水醋酸鈉相變溫度即熔點(diǎn)為58℃,相變潛熱為265J/g,儲(chǔ)熱密度為364.0J/g,相較相同溫度范圍的石蠟等有機(jī)相變材料而言,其潛熱值更高,價(jià)格更低,儲(chǔ)存更安全,具有良好的導(dǎo)熱性,無(wú)毒,價(jià)格低廉,來(lái)源更廣;但是有著過(guò)冷度大,相分離嚴(yán)重的缺陷?

其中過(guò)冷度低可以用很多方法解決,焦磷酸鈉和十二水磷酸氫二鈉都可以有效消除三水醋酸鈉體系的過(guò)冷現(xiàn)象,其中焦磷酸鈉效果更佳,因此選擇焦磷酸鈉作為成核劑?選擇聚丙烯酰胺作為增稠劑?所得復(fù)配三水醋酸鈉相變體系的最佳配方為:5g三水醋酸鈉+0.45g焦磷酸鈉+0.15g聚丙烯酰胺?該體系熔點(diǎn)為58.65℃,潛熱值為250.8J/g,可以作為考慮對(duì)象?以明膠為增稠劑,以NaCO3·10H2O?Na4PO4·10H2O 和Na3PO4·12H2O為成核劑的添加劑能有效抑制三水醋酸鈉的過(guò)冷,并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,混合物能保持較好的熱穩(wěn)定性?

基于以上分析，不同類(lèi)型蓄熱材料物性總結(jié)如下表１所示，本課題選擇三水合醋酸 鈉作為相變儲(chǔ)熱器儲(chǔ)熱材料［７］。

２ 余熱回收系統(tǒng)對(duì)續(xù)航里程的影響及分析

本方案使用的余熱回收系統(tǒng)在現(xiàn)有的原理下進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算，通過(guò)計(jì)算相變儲(chǔ)熱器的體積大小、余熱回收回路以及蓄 熱 傳 遞 回 路 的 效 率、電動(dòng)汽車(chē)在不同里程工作狀態(tài)下的功率進(jìn)行了理論分析和系統(tǒng)計(jì)算，得 出該系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的計(jì)算和分析［８］。

２．１ 相變蓄熱器體積計(jì)算

相變蓄熱器的箱體容積V1為:

V1=a×b×c (1)

式中:a(mm)?b(mm)?c(mm)為箱體內(nèi)壁長(zhǎng)度?箱體內(nèi)壁寬度?箱體內(nèi)壁高度?

內(nèi)部導(dǎo)管體積V2為:

V2=π×r2×h×n (2)

式中:r?h?n 為導(dǎo)管外壁半徑?導(dǎo)管長(zhǎng)度?導(dǎo)管數(shù)量;內(nèi)部方形長(zhǎng)條體積V6為:

V6=e×f×g×i (3)

式中:e?f?g?i為方形長(zhǎng)條寬度?方形長(zhǎng)條高度?方形長(zhǎng)條長(zhǎng)度?方形長(zhǎng)條數(shù)量?

可儲(chǔ)存相變材料的容積V 為:

V =V1-V2-V6 (4)  

可蓄熱量Q 為:

Q =V ×ρ (5)

式中:ρ 為相變材料的儲(chǔ)熱密度?

２．２ 續(xù)航里程提升計(jì)算

基于本設(shè)計(jì)的方案,計(jì)算其對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提升[9]?針對(duì)NEDC循環(huán)工況(NEDC循環(huán)工況包括4個(gè)城區(qū)循環(huán)和1個(gè)近郊區(qū)循環(huán),總時(shí)限為1180s,總里程為11.007km,最高車(chē)速為120km/h),某電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為0.14kW·h/公里,電池總電量為70kW·h,則在不開(kāi)空調(diào)的情況下汽車(chē)可行駛500km?

利用式(6)計(jì)算整車(chē)?yán)m(xù)航里程,得到的不同的環(huán)境溫度下[10],基礎(chǔ)熱泵能耗?帶相變蓄熱器的余熱回收型熱泵能耗如下表2所示。

式中:Q?P 為電池總電量?基礎(chǔ)熱泵能耗或帶相變蓄熱器的余熱回收型熱泵能耗?如表3所示?

由以上數(shù)據(jù)可知:相變蓄熱器可以顯著降低熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗,且溫度越低,效果越好?在-7℃時(shí)相比基礎(chǔ)熱泵可增加11%即56km的續(xù)航里程?

３ 結(jié)語(yǔ)

相變儲(chǔ)熱技術(shù)是一種新型熱存儲(chǔ)技術(shù),可以解決能源供求在時(shí)空上不均衡的矛盾,提高能源利用效率?本文設(shè)計(jì)了一種新型相變余熱回收熱泵系統(tǒng),對(duì)電機(jī)和逆變器工作產(chǎn)生的余熱進(jìn)行存儲(chǔ)并回收給電動(dòng)汽車(chē)供暖,從而減少空調(diào)的能耗,達(dá)到節(jié)省電能提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的目的?經(jīng)過(guò)初步計(jì)算發(fā)現(xiàn),本方案可以有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗,在-7℃?0℃和5℃時(shí)分別可以增加續(xù)航里程56km?48km 和47km?此外,本文還設(shè)計(jì)了一個(gè)完全創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的相變儲(chǔ)熱器,創(chuàng)造性地提出了將相變儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)為“S”型緊密排布,并直接將兩邊與相變儲(chǔ)熱器邊緣進(jìn)行固定,這種設(shè)計(jì)極大減少了相變儲(chǔ)熱器內(nèi)管道所占用的空間?