汪 爽 雍安姣 俞志偉 付永宏 張林波

（1.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程技術(shù)研發(fā)總院，安徽 蕪湖 241006；2.安徽工程大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 蕪湖2 41000）

0 引言

電動汽車以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，在使用過程中不會產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境，成為二氧化碳減排政策推動下的優(yōu)勢發(fā)展車型，受到全球整車制造商和廣大用戶的追捧。電動汽車還具有使用費用低、能源利用率高、技術(shù)相對成熟和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點[1-3]，但與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，開空調(diào)引起的續(xù)航里程縮減嚴重問題大幅削減了其競爭優(yōu)勢[4]。

在冬季，電動汽車可利用的余熱有限，不能夠滿足乘員采暖和電池加熱需求，需要布置額外的加熱器。目前，電動汽車冬季采暖通常有兩種模式，各種類型的熱泵和正溫度系數(shù)電阻加熱系統(tǒng)。

張皓等人[5]通過試驗分析了熱泵系統(tǒng)和正溫度系數(shù)電阻加熱系統(tǒng)的采暖性能，發(fā)現(xiàn)正溫度系數(shù)電阻加熱系統(tǒng)在-5～3℃環(huán)境溫度下采暖功率為3 kW左右，可見冬季乘員艙采暖的能耗負荷很大。

彭慶豐等人[6]設(shè)計了一種新型電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并與電加熱采暖方式進行了實車對比，結(jié)果表明熱泵系統(tǒng)能夠節(jié)能15%以上。

除了可以通過開發(fā)熱泵系統(tǒng)來緩解電動汽車冬季續(xù)航里程衰減嚴重的問題，還有學(xué)者針對熱泵系統(tǒng)的壓縮機控制策略以及制冷劑流量分配等方面進行研究。

鄭利楠[7]提出了一種低壓補氣型熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并基于KULI仿真軟件研究了其冬季制熱性能，建立了相應(yīng)的壓縮機控制策略。

Xing Xu等人[8]提出了一種新型熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制策略，并利用PID控制原理控制支路的過熱度。然而，基于現(xiàn)有的采暖方案和控制策略，冬季電動汽車乘員艙采暖對整車續(xù)航里程的影響仍然較大，優(yōu)化采暖能耗迫在眉睫。

考慮到乘員艙濕度過大會引起前擋風(fēng)玻璃起霧，并且二氧化碳濃度過高會影響駕駛安全，因此采暖工況下汽車基本采用全外循環(huán)的采暖方案。外循環(huán)時乘員艙采暖能耗很大，若適當引入回風(fēng)可以在一定程度上降低采暖的能耗，為此各車企和零部件供應(yīng)商正在攻關(guān)相應(yīng)的技術(shù)難題。然而，目前回風(fēng)的影響研究少，且沒有考慮風(fēng)量對采暖速率和能耗的影響，為支持主機廠開發(fā)空調(diào)系統(tǒng)控制策略，本文擬針對相關(guān)問題開展深入研究。

本文通過系統(tǒng)仿真的方法，針對以PositiveTemperature Coefficient（PTC）作為采暖部件的電動汽車進行研究?；贙ULI軟件搭建仿真模型，分析風(fēng)量以及回風(fēng)比例對采暖速率和采暖能耗的影響。

1 仿真模型

以PTC作為采暖部件的電動汽車采暖回路如圖1所示，其主要由水泵、PTC、暖風(fēng)芯體和鼓風(fēng)機等組成，電機余熱回收及電池加熱本文暫不考慮。

Magna KULI是一款系統(tǒng)級熱平衡仿真軟件，在整車熱管理仿真分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文采用KULI 15.0軟件來建立仿真模型，仿真模型如圖2所示。

為最大限度地反映真實采暖工況，仿真模型中添加了一個質(zhì)量點作為熱容件，防止因PTC功率變化帶來的水溫突變問題。

采暖使用的乘員艙模型在圖2所示的Warmup Simple Cabin系統(tǒng)中，其體積為3.8 m3，車身外表面面積為18 m2，強擋風(fēng)玻璃面積和傾角分別為1.2 m2和32°。為評估系統(tǒng)最大采暖性能，采暖分析工況為陰天，即太陽輻射為0 W/m2。

該系統(tǒng)中采用的PTC為水暖加熱器，最大加熱功率為7.5 kW，熱效率為0.9。在實際使用過程中，由于水溫和水流量的限制，PTC往往不能工作在期望的功率下，其最大加熱功率與入口水溫和水流量之間的關(guān)系如圖3所示。水泵功率為100 W，鼓風(fēng)機共有7個檔位，不同檔位下采暖風(fēng)量與功率如表1所示。

表1 不同檔位下鼓風(fēng)機風(fēng)量與功率

2 結(jié)果分析

2.1 檔位對采暖性能的影響

2.1.1 檔位對采暖速率的影響

為適應(yīng)人群差異及使用需求，汽車空調(diào)出風(fēng)設(shè)置有多個檔位。在采暖初始階段，用戶普遍認為風(fēng)量越大采暖效果越好，艙內(nèi)溫度將更快達到目標溫度。若忽略風(fēng)速對乘員熱舒適性的影響，僅以乘員艙升溫速率作為評價指標，由于外循環(huán)時空調(diào)系統(tǒng)負荷大，最高擋風(fēng)量并不一定就是最佳采暖方案。

本文針對不同環(huán)境溫度下（-20/-10/0/10/20℃）檔位對乘員艙采暖升溫速率的影響進行了分析，結(jié)果如圖4所示。仿真過程中乘員艙腳部空氣目標溫度設(shè)置為25℃。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，最高升溫速率對應(yīng)的風(fēng)量往往不是最大風(fēng)量，而是要受環(huán)境溫度的影響。環(huán)境溫度為20℃時，最佳采暖風(fēng)量為7擋，隨著環(huán)境溫度下降，與之對應(yīng)的采暖風(fēng)量逐漸降低。當環(huán)境溫度為-20℃時，乘員艙在6擋和7擋風(fēng)采暖方案下不能實現(xiàn)風(fēng)溫目標。

圖5 總結(jié)了環(huán)境溫度與升溫最快對應(yīng)的風(fēng)量檔位，可以看出環(huán)境溫度對最佳采暖風(fēng)量的影響較大，隨著環(huán)境溫度從-20℃變化到20℃，最佳采暖風(fēng)量從4擋變化到7擋。該結(jié)論為用戶冬季選擇最佳風(fēng)量提供了參考，還可為主機廠制訂自動空調(diào)控制策略提供指導(dǎo)。

2.1.2 檔位對采暖能耗的影響

上節(jié)分析了風(fēng)量檔位對乘員艙采暖升溫速率的影響，除此之外，風(fēng)量對整車續(xù)航里程是否有影響還不清楚，本節(jié)將開展相關(guān)的分析工作。假設(shè)用戶單次通勤時間為60 min，艙內(nèi)腳部空氣平均溫度達到25℃后風(fēng)量設(shè)置為4擋，仿真計算得到采暖能耗。采暖能耗包括PTC、鼓風(fēng)機和水泵的能耗，其計算公式如下：

式中：PT為耗電量（kW·h）；Pp為水泵耗電量（kW·h）；PB為鼓風(fēng)機耗電量（kW·h）；PH為PTC耗電量（kW·h）。

不同方案下單次通勤能耗結(jié)果如表2所示?？紤]到風(fēng)量低于4擋乘員熱舒適性較差，故放棄1～3擋風(fēng)量的采暖方案。從表2可以看出，風(fēng)量不僅對采暖速率有影響，對采暖能耗也有一定的影響，因此在制訂空調(diào)系統(tǒng)控制策略時要考慮風(fēng)量帶來的影響。

表2 不同采暖方案下系統(tǒng)能耗 單位：kW·h

2.2 回風(fēng)對采暖性能的影響

2.2.1 回風(fēng)對采暖速率的影響

冬季汽車前擋風(fēng)玻璃溫度低，若乘員艙濕度過高擋風(fēng)玻璃易起霧，進而影響駕駛安全，為此，采暖工況下汽車基本采用全外循環(huán)的采暖方案。外循環(huán)對乘員艙采暖帶來的能耗影響很大，若適當引入回風(fēng)可以在一定程度上降低采暖能耗，為此各車企和零部件供應(yīng)商正在攻關(guān)相應(yīng)的技術(shù)難題。然而，回風(fēng)比例對降低乘員艙采暖能耗的影響還不清楚，為此本文開展了相關(guān)的分析工作。

針對不同環(huán)境溫度（-20/-10/0/10/20℃）分析了回風(fēng)比例分別為0%、10%、20%和30%時乘員艙的采暖升溫速率，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著回風(fēng)比例的升高，乘員艙達到目標溫度所需要的時間在縮短，意味著更好的采暖效果，且環(huán)境溫度越低提升越明顯。環(huán)境溫度為-20℃時，若回風(fēng)比例為0%，6擋和7擋風(fēng)不能滿足采暖要求；回風(fēng)比例為20%時，6擋風(fēng)可以滿足采暖需求；回風(fēng)比例為30%時，7擋風(fēng)可以滿足采暖需求。熱舒適性不僅與空氣溫度有關(guān)，風(fēng)速也有一定的影響。某些大型SUV空間大，若風(fēng)量小會影響其乘員熱舒適性，此時若適當引入回風(fēng)可提高最大風(fēng)量上限，從而較好地提升其整體熱舒適性。

2.2.2 回風(fēng)對整車續(xù)航里程的影響

引入回風(fēng)不僅可以提升乘員艙采暖速率，還可以降低采暖能耗，為評估不同回風(fēng)比例對采暖能耗的影響，本節(jié)針對某電動汽車開展了分析工作。某電動汽車動力電池總電量為90 kW·h，1個CLTC（China Light Vehicle Test Cycle）循環(huán)下驅(qū)動能耗為4.06 kW·h，不開空調(diào)的情況下純電續(xù)航里程為643 km。假設(shè)用戶冬季每次用車時間為60 min，不同采暖方案下先選擇升溫最快檔位風(fēng)量，艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后選用4擋風(fēng)。整車能耗包含驅(qū)動能耗和空調(diào)系統(tǒng)能耗，綜合計算后得到不同采暖方案下整車續(xù)航里程如圖7所示。

從圖7可以看出，冬季空調(diào)系統(tǒng)對整車續(xù)航里程的影響很大，-20℃環(huán)境溫度下續(xù)航里程相對于常溫下降了50%以上，提升空調(diào)系統(tǒng)效率或降低采暖能耗對提升電動汽車冬季續(xù)航里程效果顯著。橫向?qū)Ρ冗€可以發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，回風(fēng)對續(xù)航里程的提升效果逐漸減弱，-20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)比無回風(fēng)續(xù)航里程提升了27 km，而20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)比無回風(fēng)續(xù)航里程僅提升了8 km。

3 結(jié)論

本文以PTC為采暖方案的某電動汽車作為分析對象，分析了回風(fēng)比例和風(fēng)量對不同環(huán)境溫度下電動汽車采暖效果的影響，取得的主要研究結(jié)論如下：

（1）最高升溫速率對應(yīng)的風(fēng)量往往不是最大風(fēng)量，而是與環(huán)境溫度相關(guān)。環(huán)境溫度為20℃時，最佳采暖風(fēng)量為7擋，隨著環(huán)境溫度下降，與之對應(yīng)的采暖風(fēng)量逐漸降低，環(huán)境溫度為-20℃時，最佳采暖風(fēng)量為4擋。

（2）風(fēng)量不僅對采暖速率有影響，對采暖能耗也有一定的影響，因此在制訂空調(diào)系統(tǒng)控制策略時要考慮風(fēng)量帶來的影響。

（3）隨著回風(fēng)比例的升高，乘員艙達到目標溫度所需要的時間在縮短，且可以提升低溫工況下的最大工作風(fēng)量。

（4）-20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)比無回風(fēng)續(xù)航里程提升了27 km，而隨著環(huán)境溫度的升高，回風(fēng)對續(xù)航里程的提升效果逐漸減弱，20℃環(huán)境溫度下30%的回風(fēng)僅提升了8 km。