電動汽車在低溫下續(xù)航里程大幅縮水嚴重影響了其在嚴寒地區(qū)的推廣應用。針對此行業(yè)難題，本研究提出了一種適用于嚴寒地區(qū)的輕型商用電動汽車間接式熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)所采用的五通閥設計實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成化，能夠滿足低溫環(huán)境下車輛各個子系統(tǒng)的熱需求。在此基礎上建立了整車熱管理系統(tǒng)的一維仿真模型，并通過臺架試驗進行了模型驗證。通過實車環(huán)境倉實驗，驗證了所提出的熱管理系統(tǒng)低溫性能指標，并與傳統(tǒng)PTC供暖進行了采暖性能與采暖能耗的對比。結(jié)果顯示，所提出的熱管理系統(tǒng)能夠滿足輕型商用電動汽車低溫下的采暖需求，在-5℃條件下，平均腳部吹風溫度可達到32.3℃。相比于傳統(tǒng)PTC，熱泵系統(tǒng)具有較好的節(jié)能效果，能夠降低50%以上的系統(tǒng)能耗，提升約15%的續(xù)航里程。研究結(jié)果可為后續(xù)優(yōu)化控制策略提供參考。

關鍵詞

熱泵空調(diào)；整車熱管理；系統(tǒng)性能；控制策略

主要內(nèi)容

隨著可再生能源占比的不斷提升，新能源汽車的推廣有望實現(xiàn)真正的“綠色交通”，是順利達成我國“雙碳”計劃目標的有效手段之一。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為我國的國家戰(zhàn)略。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的2023年汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)，新能源汽車銷量同比增長36.7%，創(chuàng)下歷史新高。然而，相較于乘用車的快速發(fā)展，商用車在電動化轉(zhuǎn)型中仍有較大的提升空間。其中，輕型商用車包括輕卡和皮卡等，主要承載市內(nèi)物流及城際物流，其電動化轉(zhuǎn)型對降低城市空氣污染與碳排放具有更重要的意義。    

目前，輕型商用電動汽車在我國東北、西北等冬季寒冷地區(qū)的推廣難度較大，其冬季續(xù)航里程衰減嚴重的問題是導致在這些地區(qū)推廣難度大的重要因素之一。電動汽車冬季續(xù)駛里程衰減嚴重主要是由于低溫下動力電池容量降低，以及低溫下整車供熱能耗過高所致。目前，電動商用車主要通過PTC（Positive Temperature Coefficient，正溫度系數(shù)電阻加熱器）加熱以及熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱。與PTC加熱相比，熱泵空調(diào)能夠吸收環(huán)境中的熱量為乘員艙加熱，因此在相同制熱功率下能耗更低。

 然而，不同熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能效差異較大，作為電動汽車中除電機外耗能最大的子系統(tǒng)，熱泵的能源轉(zhuǎn)換效率對車輛續(xù)航里程至關重要。針對如何提高熱泵系統(tǒng)在低溫時的能效以及優(yōu)化整車熱管理方案，國內(nèi)外學者進行了大量研究。季宏增等基于熱泵系統(tǒng)制熱性能試驗，提出了一種在制熱低效率范圍的熱泵PTC耦合制熱策略。相較于單一熱泵制熱，-10℃環(huán)境溫度下車內(nèi)目標溫度為20℃時，調(diào)節(jié)過程中能耗最多降低9.4%，穩(wěn)定后降低2.8%。Hosoz和Direk建立了一套R134a熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)進行了變溫度和變壓縮機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)性能測試。測試發(fā)現(xiàn)，在制熱模式下，系統(tǒng)?損失隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的提高而減小。此外，華若秋等詳細研究了電子膨脹閥的開度變化對系統(tǒng)冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、過冷度、制熱量、壓縮機功耗和性能系數(shù)的影響，通過改變電子膨脹閥的開度，可以有效調(diào)節(jié)熱泵出風溫度，從而獲得較高的能效比。Haddad等人提出了一種基于遺傳算法的控制策略，以優(yōu)化熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)并降低其能耗。該控制策略的能耗相比于電動客車默認控制器，熱泵系統(tǒng)的能耗降低了36%。

對于純電動汽車，環(huán)境溫度和系統(tǒng)運行方式等因素會對熱管理性能產(chǎn)生影響。與傳統(tǒng)乘用車不同，商用車因其高負載、復雜的使用路況以及電池電機的余熱價值較高，對熱管理性能提出了更高的要求。因此，開展商用車熱管理系統(tǒng)的相關研究具有重要意義，這將大大提升純電動商用車的熱泵空調(diào)性能，為用戶提供更舒適的駕駛環(huán)境。為提高純電動汽車的能效，整體性能以及在低溫環(huán)境下的續(xù)航能力，本研究設計了一套集成式商用車熱管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)能夠有效回收和再利用電機產(chǎn)生的余熱，同時提升了系統(tǒng)的集成度，降低了整車質(zhì)量和制造成本。此外，利用AMEsim和Matlab聯(lián)合仿真技術建立了整車熱管理系統(tǒng)一維仿真模型，分析了低溫下的制熱性能，并通過臺架實驗進行驗證。最后，對實車進行了低溫環(huán)境倉試驗，驗證了集成式熱管理系統(tǒng)的制熱能力的性能指標。最后對比了熱泵模式和傳統(tǒng)PTC模式在采暖性能和能耗方面的差異。研究結(jié)果為進一步提高純電動輕型商用車采暖性能提供參考。

1純電動輕型商用車熱管理系統(tǒng)   

1.1 熱管理系統(tǒng)架構(gòu) 

為降低熱管理系統(tǒng)的空間占有率，目前純電動車正朝著集成化和智能化的發(fā)展不斷進步。本研究提出了一套純電動輕型商用車集成式熱管理系統(tǒng)，以便根據(jù)不同工況靈活調(diào)整熱管理策略。如圖1所示，熱管理系統(tǒng)的原理圖展示了其與多個子系統(tǒng)相互耦合關系。通過系統(tǒng)間協(xié)作，該系統(tǒng)滿足熱管理需求，以適應環(huán)境和工況的變化。該系統(tǒng)主要由壓縮機、電子膨脹閥、暖風芯體、車外換熱器、三通閥、五通閥、水泵、氣液分離器等部件組成。當系統(tǒng)處于制熱工況時，制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)制冷劑，進入板式換熱器1，高溫制冷劑與板式換熱器1中的冷卻液進行熱量交換。

      經(jīng)過加熱的冷卻液在水泵的作用下將熱量從空調(diào)箱內(nèi)的暖風芯體吹入乘員艙，以達到為乘員艙供暖的目的。同時經(jīng)過板式換熱器1的冷媒經(jīng)電子膨脹閥1后進入冷凝器與室外空氣進行熱交換。從冷凝器排出的低溫低壓制冷劑進入氣液分離器，最后被壓縮機吸入。當系統(tǒng)和處于制冷工況時，制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)制冷劑，經(jīng)電子膨脹閥1進入冷凝器與室外空氣進行熱量交換，之后制冷劑流入電子膨脹閥3，經(jīng)過節(jié)流后進入蒸發(fā)器，吸收乘員艙內(nèi)的熱量，在進入氣液分離器，最后回到壓縮機，實現(xiàn)車內(nèi)的制冷循環(huán)。

      不同模式的切換以及電機的余熱回收通過控制圖中五通閥的通斷實現(xiàn)。電池的制熱和冷卻主要依靠板式換熱器與冷媒進行熱量交換，而水泵則驅(qū)動冷卻液進行間接熱量傳遞。同時，電機余熱回收模式將熱泵系統(tǒng)耦合至電機模塊，有效提高制冷劑的溫度和壓力，減少壓縮機的功耗，從而降低能耗。   

（a）制冷模式

(b) 制熱模式

圖1 熱管理系統(tǒng)原理圖

1.2 AMESim模型的建立   

本研究建立了整車熱管理系統(tǒng)一維仿真模型，如圖2所示。本系統(tǒng)采用的壓縮機排量為34 cm3/r,最大壓縮機轉(zhuǎn)速為8000 rpm，其他零部件信息如表1所示。由于側(cè)重點在于系統(tǒng)性能的研究，故采用等效的壓縮機排氣效率、等熵效率、機械效率替代壓縮機模型。為了更準確地模擬系統(tǒng)的性能，本研究已對各換熱部件進行了標定；同時，對模型進行了簡化，忽略了各部件之間以及連接管路之間的熱交換，將制冷劑在壓縮機中的壓縮過程簡化為絕熱壓縮，將制冷劑在電子膨脹閥的膨脹過程簡化為絕熱膨脹。

      為了簡化仿真分析過程，在AMEsim軟件中構(gòu)建的壓縮機模型主要關注于容積效率、等熵功率和機械效率三個關鍵因素。為確保模型的準確性，這三個重要參數(shù)均是通過現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)進行定義的。等熵效率記作 ：

                      (1)                          

其中，為制冷劑排氣焓值，單位為kJ/kg;  為制冷劑吸氣焓值，單位為kJ/kg;  為經(jīng)壓縮機等熵壓縮的理論焓差。

換熱器內(nèi)部的制冷劑質(zhì)量流量記作  :

         (2)

其中， 為質(zhì)量流量系數(shù)，無量綱；為換熱器流通制冷劑的有效面積，單位為m2;  制冷劑通過換熱器前后的壓力差，單位為Pa。

電子膨脹閥的質(zhì)量流量記作：

           (3)

其中， 為電子膨脹閥的有效流通面積，單位為m2；為制冷劑密度，單位為kg/m3；為制冷劑流過電子膨脹閥進出口處的壓力差，單位為Pa。

表1 實驗系統(tǒng)主要零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 AMESim系統(tǒng)仿真模型

1.3 熱管理系統(tǒng)控制策略   

    在詳細設計階段，需要對整車性能進行驗證，有別于燃油車系統(tǒng)相比，純電動車的熱管理系統(tǒng)存在高度耦合，因而需要更為復雜的控制策略。為了降低熱管理系統(tǒng)能耗的同時保證低溫下的采暖性能，采用以熱泵為主、PTC加熱為輔的控制策略，按不同的工況和目標溫度，制定熱泵與PTC的能量耦合模式。具體工作策略如下：當環(huán)境溫度介于-5℃至20℃，通過熱泵模式進行乘員艙加熱；當環(huán)境溫度＜-5℃，且電機出水水溫＜-3℃時，PTC與熱泵模式同時制熱；當環(huán)境溫度＜-5℃，且電機出水水溫＜-12℃時，熱泵模式退出。具體邏輯圖如圖3所示。

整車熱管理方案包含對乘員艙、電池和電機/電控系統(tǒng)的控制回路，但各個子系統(tǒng)間對溫度的需求不同，因此對各子系統(tǒng)基于其確定的物理特性，采用分層式控制策略。同時建立溫控優(yōu)先級仲裁模塊以解決溫控沖突，從而執(zhí)行相應的控制策略以實現(xiàn)所設定的功能模式[7]?；谌梭w的舒適性要求，乘員艙的溫度在冬季控制在18℃至25℃的范圍內(nèi)；考慮到電池活性以及充放電效率和環(huán)境溫度，電池的溫度控制在20℃至35℃范圍內(nèi)；電機在工作過程中要需確保其溫度低于其最高警戒溫度130℃，設定其工作溫度達到80℃是啟動冷卻系統(tǒng)。

圖3 制熱工況控制策略

2 結(jié)果與分析  

2.1 模型驗證  

     為了驗證模型仿真的準確性，本研究對環(huán)境溫度為-5℃、外循環(huán)條件下的仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。臺架性能試驗如圖4所示。仿真分析中將壓縮機的壓縮過程簡化為絕熱壓縮，但實際過程中并非理想狀態(tài)，因此仿真數(shù)據(jù)略高于試驗數(shù)據(jù)。由圖5可知，雖然壓縮機功耗和壓縮機吸氣壓力存在一定偏差，但變化趨勢基本保持一致；隨著時間的增加，兩者均呈現(xiàn)增大趨勢，且相對誤差在10%以內(nèi)。因此，在后續(xù)的開發(fā)中可依靠仿真分析進行系統(tǒng)輔助優(yōu)化，從而加快開發(fā)進程。    

圖4 臺架性能試驗

(a) 壓縮機功耗

   (b) 壓縮機吸氣壓力

       圖5 仿真與試驗對比

2.2 仿真結(jié)果分析  

本研究首先對在環(huán)境溫度-5℃、外循環(huán)、相對濕度為50%，日照為400W/m2條件下的雙制熱（電池+乘員艙）工況進行仿真分析。同時，擬定PTC開啟功率為2 kW。

圖6(a)可知，壓縮機轉(zhuǎn)速在前期呈現(xiàn)出波動上升的趨勢。大約在t=300s時，壓縮機轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定（5700 rpm），此時壓縮機的排氣溫度為115.6℃，排氣壓力為18.6 bar。此后壓縮機轉(zhuǎn)速逐漸降低至5500 rpm，壓縮機排氣溫度和排氣壓力分別降低到106.8℃, 15.5bar。在本系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速時，每降低壓縮機轉(zhuǎn)速100 rpm，壓縮機排氣溫度可降低4.4℃。

(a)壓縮機吸排氣參數(shù)

 (b) 乘員艙、暖風芯體和電池進出水溫    

(c) 壓縮機和PTC功率

圖6 -5℃下各參數(shù)隨時間的變化曲線

由圖6(b)可知，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的不斷增大以及PTC的作用，暖風芯體的出風溫度也不斷上升。在t=2000s時，暖風芯體的出風溫度達到25.8℃，乘員艙內(nèi)的溫度為17.6℃，滿足了冬季采暖的需求。同時，電池水溫隨著時間穩(wěn)步提升。如圖6(c)所示，壓縮機功率先逐漸上升之后略微下降，最后趨于穩(wěn)定在2200 W。PTC功率則為2000 W。

本研究對環(huán)境溫度為-25℃條件下的乘員艙和電池制熱進行研究。由于在-25℃的低溫環(huán)境下，壓縮機處于關閉狀態(tài)，此時系統(tǒng)主要依靠PTC進行工作。

(a)電池進出水溫度

(b)  暖風芯體參數(shù)變化

圖7 -25℃下各參數(shù)隨時間的變化曲線

如圖7所示，PTC功率為8000 W, 暖風芯體進水溫度在t=150s左右升高至最大值，約為58.7℃，之后略微下降，最后在t=3600s時為42.5℃。同時，出風溫度首先上升到41.3℃，之后略微下降，最后在t=3600s時為29.6℃。同樣的，電池進出水溫度表現(xiàn)出相同的規(guī)律，仿真停止時電池進水溫度為39.4℃、電池出水溫度25.3℃。在仿真分析過程中各項指標數(shù)據(jù)均穩(wěn)定在正常的工作范圍，可以滿足純電動輕型商用車的熱管理系統(tǒng)設計要求。

3 實車低溫采暖性能分析  

3.1  實驗裝置與測試條件  

對裝有本文所提出的新型熱管理系統(tǒng)的輕型商用電動汽車進行環(huán)境倉實驗，如圖8所示。本研究驗證了該熱管理系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的采暖性能，并與傳統(tǒng)PTC系統(tǒng)進行性能指標、能耗對比。

圖8 實車環(huán)境倉實驗    

實驗前首先檢查了車輛的狀態(tài)，確認整車氣密性滿足設計要求，且通風進氣口與排氣口均無阻塞。同時，實車已完成制冷劑的充注實驗，充注量為950 g。隨后，對車艙內(nèi)進行監(jiān)測點的布置與采集設備的連接與調(diào)試。在每輛實驗車的出風口、頭部和腳部布置了K型熱電偶（測量精度±0.1℃），用于溫度采集。實驗前車輛充滿電，按實驗工況達到SOC要求，提前浸車至電池溫度、油液溫度與環(huán)境溫度相同。由于冬季采暖工況下，汽車空調(diào)出風口主要通過腳部出風口出風，因此本研究主要考察了腳部出風溫度平均值和腳部溫度的平均值，以評價汽車空調(diào)制熱性能。

3.2  低溫制熱性能分析  

在環(huán)境溫度為-5℃ ，空氣濕度為50%，開啟吹腳模式進行實車采暖實驗，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到了實車腳部出風溫度和腳部溫度隨時間的變化，如圖9所示。

(a) 腳部出風溫度

(b) 腳部溫度

圖9 -5℃下的采暖性能

由圖9(a)可以看出在t=0s到t=1700s時間段內(nèi)空調(diào)腳部出風溫度上升速率相對較快快，由-5℃上升到38℃左右，平均上升速率為0.03℃/s。此后，由于壓縮機轉(zhuǎn)速的降低，腳部出風溫度略微下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定，主駕和副駕的腳部出風溫度分別穩(wěn)定在31.6℃、32.4℃。同樣腳部溫度也表現(xiàn)出相同趨勢，如圖9(b)可知，平均腳部溫度在前期由-5℃逐漸上升到23.6℃，平均升溫速率為0.03℃/s，之后略微降低，最后主駕和副駕的平均腳部溫度分別穩(wěn)定在23.7℃、23.3℃。同時，也可以看出主駕和副駕的平均腳部出風溫度差值較小，能夠滿足乘員的舒適性，且目標熱管理系統(tǒng)可以滿足-5℃下的低溫采暖需求。

3.3熱泵模式與PTC供暖模式對比  

為更好地比較上述設計的輕型商用電動汽車熱泵模式與傳統(tǒng)PTC供暖模式的性能指標與能耗，本研究在環(huán)境模擬實驗室選取環(huán)境溫度為-5℃，車速為0 km/h，開啟吹腳出風模式及最大風量的工況下，分兩組對實驗樣車進行能耗測試。一組為搭載了目標熱管理系統(tǒng)的純熱泵運行模式，另一組為傳統(tǒng)PTC模式作為對比。

       (a) 腳部出風溫度    

      (b) 腳部溫度

圖10 -5℃熱泵模式與PTC模式性能比較

 實驗開始前，車輛均處于滿電狀態(tài)，其他實驗條件與制熱性能實驗保持一致，全程持續(xù)采集出風口的空氣溫度值。如圖10所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到了PTC能耗與僅熱泵系統(tǒng)的腳部溫度和腳部出風溫度隨時間的變化。

在前期（t=0 s到t=1600 s），由于PTC的作用，升溫速率較熱泵模式更快。之后在PTC的作用下，腳部吹風溫度穩(wěn)定在30.2℃。相反，熱泵系統(tǒng)雖然前期升溫速率較慢，但在t=1600s后，腳部出風溫度明顯較高，最后穩(wěn)定在32.5℃。同樣，腳部溫度表現(xiàn)出相同的規(guī)律；在t=1600s后，熱泵系統(tǒng)的平均腳部溫度明顯高于PTC系統(tǒng)，二者的平均腳部溫度分別穩(wěn)定在23.3℃和20.6℃。

本研究對熱泵系統(tǒng)下與PTC系統(tǒng)的能耗進行了對比，如圖11所示。能耗達到1 kW·h時，PTC系統(tǒng)耗時約720 s，熱泵系統(tǒng)耗時約3600 s。這表明，在消耗相同能量的情況下，熱泵系統(tǒng)的續(xù)航時間明顯優(yōu)于PTC系統(tǒng)。可以看出，采用熱泵模式能夠相比PTC模式提升續(xù)航里程。

  （a）功率

   (b) 能耗

圖11 -5℃下PTC加熱與熱泵系統(tǒng)功率與能耗對比

在測試的全過程中R134a壓縮機的功率和能耗始終維持在較低水平。當測試終止時，其能耗僅達到約1.1 kW·h，上升速率約為0.33 W/s，顯示出較高的節(jié)能效果。然而，目前冬季制熱仍主要依賴PTC加熱。PTC在低溫工況下的加熱功率較大，導致能耗相對增加。PTC在1小時內(nèi)消耗的能量高達3800 W，上升速率約為1.05W/s，是熱泵模式能耗的3.2倍。此外，隨著運行時間的增加，兩者的比值呈逐漸增大趨勢。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，目標熱泵系統(tǒng)在冬季采暖過程中更加節(jié)能，并顯著提高輕型商用車的續(xù)航里程。

4 結(jié)論  

本研究提出了一種適用于輕型商用電動汽車的熱泵型熱管理系統(tǒng)，建立了整車熱管理系統(tǒng)的一維仿真模型，并通過臺架試驗進行模型的驗證。通過對實車進行低溫環(huán)境倉實驗，驗證了目標熱管理系統(tǒng)的采暖性能指標，并與傳統(tǒng)PTC供暖模式的采暖性能和能耗進行對比，總結(jié)出如下結(jié)論：

提出的熱管理系統(tǒng)在輕型商用電動汽車上具有良好的應用效果，能夠使車輛適應寬溫域，同時有效提高電池模組和乘員艙內(nèi)溫度。具體而言，在環(huán)境溫度為-5℃的條件下，平均腳部出風溫度和平均腳部溫度分別達到約32.3℃和23.5℃。

研究表明，熱泵系統(tǒng)對能耗的影響顯著，相較于PTC供暖模式，熱泵更加節(jié)能。PTC供暖模式的能耗上升速率約為熱泵模式的3.2倍，且隨著運行時間的增加，這一比值有逐漸增大的趨勢。這也說明熱泵系統(tǒng)在冬季更加節(jié)能，并能顯著提高輕型商用車的續(xù)航里程。   

建立的整車熱管理系統(tǒng)一維仿真模型能夠較準確的模擬地低溫下的采暖性能。在環(huán)境溫度為-5℃時，相比與傳統(tǒng)的PTC供暖模式，熱泵模式能夠降低50%以上的系統(tǒng)能耗，并提升約15%的續(xù)航里程。研究結(jié)果為后續(xù)優(yōu)化控制策略，提高系統(tǒng)的制熱效率提供參考。    

王鋒軍,滕海旭,羅睿林,等.輕型商用電動汽車熱泵系統(tǒng)制熱性能仿真分析與實驗研究[J/OL].汽車工程學報,1-11[2024-09-24].