HVAC风量及回风比例对电动汽车采暖能耗的影响分析

引言

电动汽车以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,在使用过程中不会产生废气污染环境,成为二氧化碳减排政策推动下的优势发展车型,受到全球整车制造商和广大用户的追捧。电动汽车还具有使用费用低、能源利用率高、技术相对成熟和结构简单的优点,但与传统内燃机汽车相比,开空调引起的续航里程缩减严重问题大幅削减了其竞争优势。

在冬季,电动汽车可利用的余热有限,不能够满足乘员采暖和电池加热需求,需要布置额外的加热器。目前,电动汽车冬季采暖通常有两种模式,各种类型的热泵和正温度系数电阻加热系统。

张皓等人通过试验分析了热泵系统和正温度系数电阻加热系统的采暖性能,发现正温度系数电阻加热系统在-5~3℃环境温度下采暖功率为3kw左右,可见冬季乘员舱采暖的能耗负荷很大。

彭庆丰等人设计了一种新型电动汽车热泵空调系统,并与电加热采暖方式进行了实车对比,结果表明热泵系统能够节能15%以上。

除了可以通过开发热泵系统来缓解电动汽车冬季续航里程衰减严重的问题,还有学者针对热泵系统的压缩机控制策略以及制冷剂流量分配等方面进行研究。

郑利楠提出了一种低压补气型热泵空调系统,并基于KULI仿真软件研究了其冬季制热性能,建立了相应的压缩机控制策略。

xingxu等人提出了一种新型热泵空调系统控制策略,并利用PID控制原理控制支路的过热度。然而,基于现有的采暖方案和控制策略,冬季电动汽车乘员舱采暖对整车续航里程的影响仍然较大,优化采暖能耗迫在眉睫。

考虑到乘员舱湿度过大会引起前挡风玻璃起雾,并且二氧化碳浓度过高会影响驾驶安全,因此采暖工况下汽车基本采用全外循环的采暖方案。外循环时乘员舱采暖能耗很大,若适当引入回风可以在一定程度上降低采暖的能耗,为此各车企和零部件供应商正在攻关相应的技术难题。然而,目前回风的影响研究少,且没有考虑风量对采暖速率和能耗的影响,为支持主机厂开发空调系统控制策略,本文拟针对相关问题开展深入研究。

本文通过系统仿真的方法,针对以PositiveTemperatureCoefficient(PTC)作为采暖部件的电动汽车进行研究。基于KULI软件搭建仿真模型,分析风量以及回风比例对采暖速率和采暖能耗的影响。

1仿真模型

以PTC作为采暖部件的电动汽车采暖回路如图1所示,其主要由水泵、PTC、暖风芯体和鼓风机等组成,电机余热回收及电池加热本文暂不考虑。

MagnaKULI是一款系统级热平衡仿真软件,在整车热管理仿真分析领域应用广泛,本文采用KULI15.0软件来建立仿真模型,仿真模型如图2所示。

为最大限度地反映真实采暖工况,仿真模型中添加了一个质量点作为热容件,防止因PTC功率变化带来的水温突变问题。

采暖使用的乘员舱模型在图2所示的warmupsimpleCabin系统中,其体积为3.8m3,车身外表面面积为18m2,强挡风玻璃面积和倾角分别为1.2m2和32o。为评估系统最大采暖性能,采暖分析工况为阴天,即太阳辐射为0w/m2。

该系统中采用的PTC为水暖加热器,最大加热功率为7.5kw,热效率为0.9。在实际使用过程中,由于水温和水流量的限制,PTC往往不能工作在期望的功率下,其最大加热功率与入口水温和水流量之间的关系如图3所示。水泵功率为100w,鼓风机共有7个档位,不同档位下采暖风量与功率如表1所示。

2结果分析

2.1档位对采暖性能的影响

2.1.1档位对采暖速率的影响

为适应人群差异及使用需求,汽车空调出风设置有多个档位。在采暖初始阶段,用户普遍认为风量越大采暖效果越好,舱内温度将更快达到目标温度。若忽略风速对乘员热舒适性的影响,仅以乘员舱升温速率作为评价指标,由于外循环时空调系统负荷大,最高挡风量并不一定就是最佳采暖方案。

本文针对不同环境温度下(-20/-10/0/10/20℃)档位对乘员舱采暖升温速率的影响进行了分析,结果如图4所示。仿真过程中乘员舱脚部空气目标温度设置为25℃。从图4中可以发现,最高升温速率对应的风量往往不是最大风量,而是要受环境温度的影响。环境温度为20℃时,最佳采暖风量为7挡,随着环境温度下降,与之对应的采暖风量逐渐降低。当环境温度为-20℃时,乘员舱在6挡和7挡风采暖方案下不能实现风温目标。

图5总结了环境温度与升温最快对应的风量档位,可以看出环境温度对最佳采暖风量的影响较大,随着环境温度从-20℃变化到20℃,最佳采暖风量从4挡变化到7挡。该结论为用户冬季选择最佳风量提供了参考,还可为主机厂制订自动空调控制策略提供指导。

2.1.2档位对采暖能耗的影响

上节分析了风量档位对乘员舱采暖升温速率的影响,除此之外,风量对整车续航里程是否有影响还不清楚,本节将开展相关的分析工作。假设用户单次通勤时间为60min,舱内脚部空气平均温度达到25℃后风量设置为4挡,仿真计算得到采暖能耗。采暖能耗包括PTC、鼓风机和水泵的能耗,其计算公式如下:

式中:PT为耗电量(kk·h):Pp为水泵耗电量(kk·h):PB为鼓风机耗电量(kk·h):PH为PTC耗电量(kk·h)。

不同方案下单次通勤能耗结果如表2所示。考虑到风量低于4挡乘员热舒适性较差,故放弃1~3挡风量的采暖方案。从表2可以看出,风量不仅对采暖速率有影响,对采暖能耗也有一定的影响,因此在制订空调系统控制策略时要考虑风量带来的影响。

2.2回风对采暖性能的影响

2.2.1回风对采暖速率的影响

冬季汽车前挡风玻璃温度低,若乘员舱湿度过高挡风玻璃易起雾,进而影响驾驶安全,为此,采暖工况下汽车基本采用全外循环的采暖方案。外循环对乘员舱采暖带来的能耗影响很大,若适当引入回风可以在一定程度上降低采暖能耗,为此各车企和零部件供应商正在攻关相应的技术难题。然而,回风比例对降低乘员舱采暖能耗的影响还不清楚,为此本文开展了相关的分析工作。

针对不同环境温度(-20/-10/0/10/20℃)分析了回风比例分别为0%、10%、20%和30%时乘员舱的采暖升温速率,结果如图6所示。从图中可以发现,随着回风比例的升高,乘员舱达到目标温度所需要的时间在缩短,意味着更好的采暖效果,且环境温度越低提升越明显。环境温度为一20℃时,若回风比例为0%,6挡和7挡风不能满足采暖要求;回风比例为20%时,6挡风可以满足采暖需求:回风比例为30%时,7挡风可以满足采暖需求。热舒适性不仅与空气温度有关,风速也有一定的影响。某些大型sUV空间大,若风量小会影响其乘员热舒适性,此时若适当引入回风可提高最大风量上限,从而较好地提升其整体热舒适性。

2.2.2回风对整车续航里程的影响

引入回风不仅可以提升乘员舱采暖速率,还可以降低采暖能耗,为评估不同回风比例对采暖能耗的影响,本节针对某电动汽车开展了分析工作。某电动汽车动力电池总电量为90kw·h,l个CLTC(ChinaLightVehicleTestCycle)循环下驱动能耗为4.06kw·h,不开空调的情况下纯电续航里程为643km。假设用户冬季每次用车时间为60min,不同采暖方案下先选择升温最快档位风量,舱内温度稳定后选用4挡风。整车能耗包含驱动能耗和空调系统能耗,综合计算后得到不同采暖方案下整车续航里程如图7所示。

从图7可以看出,冬季空调系统对整车续航里程的影响很大,一20℃环境温度下续航里程相对于常温下降了50%以上,提升空调系统效率或降低采暖能耗对提升电动汽车冬季续航里程效果显著。横向对比还可以发现,随着环境温度的升高,回风对续航里程的提升效果逐渐减弱,一20℃环境温度下30%的回风比无回风续航里程提升了27km,而20℃环境温度下30%的回风比无回风续航里程仅提升了8km。

3结论

本文以PTC为采暖方案的某电动汽车作为分析对象,分析了回风比例和风量对不同环境温度下电动汽车采暖效果的影响,取得的主要研究结论如下:

(1)最高升温速率对应的风量往往不是最大风量,而是与环境温度相关。环境温度为20℃时,最佳采暖风量为7挡,随着环境温度下降,与之对应的采暖风量逐渐降低,环境温度为-20℃时,最佳采暖风量为4挡。

(2)风量不仅对采暖速率有影响,对采暖能耗也有一定的影响,因此在制订空调系统控制策略时要考虑风量带来的影响。

(3)随着回风比例的升高,乘员舱达到目标温度所需要的时间在缩短,且可以提升低温工况下的最大工作风量。

(4)-20℃环境温度下30%的回风比无回风续航里程提升了27km,而随着环境温度的升高,回风对续航里程的提升效果逐渐减弱,20℃环境温度下30%的回风仅提升了8km。