电动汽车组合式采暖系统的低温试验研究*

王雅纯，牟连嵩，郑清平，黎苏，焦鹏飞



电动汽车组合式采暖系统的低温试验研究*

王雅纯1，牟连嵩2，郑清平1，黎苏1，焦鹏飞2

（1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

文章针对纯电动汽车普通热泵空调系统在低温环境下系统性能衰减严重，甚至停止工作等问题，提出了一种PTC辅助加热的低温热泵空调系统，运用KULI软件对其采暖工况进行一维仿真模拟，并将其应用于纯电动汽车空调系统，放置在整车环境模拟试验室中，进行环境温度为-20℃、-10℃和-5℃的采暖性能试验。从试验结果可以看出此组合式采暖系统可以实现在低温环境下的采暖需求。并为实现热泵空调系统在整车中的量产应用奠定了基础。

纯电动汽车；热泵空调系统；采暖性能；仿真模拟；试验

前言

空调系统不但可以为驾驶员提供健康舒适的乘车环境；而且还能保证驾驶员的安全出行。与传统的燃油汽车空调相比，纯电动汽车空调没有发动机余热可以利用，所以冬季制热问题成为纯电动汽车空调系统的关键。目前国内外的电动空调制热方案主要可以归纳为PTC电加热、热电制冷/制热、热泵空调系统等[1-4]。其中热泵空调系统以高效节能的特点，成为电动汽车空调系统研发的主攻方向和亟待解决的关键技术。

如今，各大汽车生产商也纷纷研究并生产了热泵空调系统的新能源汽车。Nippondenso 公司研发了以 R134a为制冷剂的电动汽车热泵空调系统[5]，其感知温度为-10℃～40℃。2013款的雷诺Zoe纯电动汽车所使用的来自日本电装Denso的热泵空调系统，也被用在了2013年以后的日产LEAF上。本田EV电动汽车安装了热泵式冷暖自动恒温空调系统[6]。宝马i3纯电动汽车也采用了热泵空调系统[7]，其有制冷、加热、混合三种工作模式，感知温度范围是-10℃～40℃。丰田公司推出的2012款新能源汽车普锐斯安装了热泵空调系统[8]，其感知温度为-5℃～35℃。

目前，纯电动汽车采暖普遍使用PTC电加热。 PTC电加热不受环境温度的影响，即使在零下20多度的寒冷环境中也可以稳定工作，但是其会使电池续航里程减少18~30%，且节能效果极差。而热泵空调系统COP（能效比）在1～3之间，节能效果极佳。但是其在低温环境下系统性能衰减严重，融霜效率低，甚至停止工作[9]。综合考虑节能与低温环境因素的影响，本文提出了一种PTC（液体加热器）辅助加热的低温热泵空调系统。在环境温度为-5℃以上时，热泵空调系统单独工作，以达到节能的效果；-5℃～-15℃时，热泵空调系统与PTC电加热共同工作；-15℃以下时，PTC电加热单独工作，以满足低温环境下采暖的需求。

1 组合式采暖系统理论分析

1.1 热泵系统制热理论计算

热泵系统制热量：

式中，m为质量流量，q为单位冷凝热量。

压缩过程作功：

式中，A0为单位压缩功。

空调制热时，制热能效比COP (Coefficient Of Perfor -mance)是衡量空调性能的重要参数之一。COP为在制热模式下，热泵空调系统的制热量与压缩机输入功率的比值。

式中，mk，ηm分别为流量，热泵循环效率。

1.2 整车热泵系统空调负荷计算

式中，Q，Q，Q，Q，Q，Q分别为整车热负荷，车身顶部热负荷，车窗玻璃热负荷，车身裙部热负荷，车室地板热负荷，冷空气渗透热负荷；为热泵系统测试功耗。

2 组合式采暖系统的一维仿真模型

本文根据组合式采暖系统的制热循环，运用KULI软件对其进行一维仿真模拟。设定乘员舱采暖循环水流量10L/ min；考虑风道的热量损失大约为5.2℃；室外蒸发器的过热度设定为1℃；热泵换热器的过冷度设定为10℃；热泵系统工作时压缩机工作转速设定6000rpm。-20℃时，PTC电加热单独工作，其功率为7.5kw；-10℃时，热泵空调系统与PTC电加热共同工作，此时PTC加热功率为2kw；-5℃时，热泵空调系统单独工作。以-10℃为例，给出其一维仿真模拟模型如图2所示。

1,4水路侧 2，6 PTC电加热 3,7质点质量 5,11室外换热器 8 暖风芯体 9冷媒管路 10电动压缩机 12膨胀阀 13 蒸发器 14,15特征曲线 16空气热流量源 17,18质量流量目标 17,20 环境温度 21乘员舱 22-35连接管路

模型中回路3为冷媒侧的循环，低温低压气态制冷剂被吸入10电动压缩机，电动压缩机把高温高压的气态制冷剂泵入11冷凝器后，将高温、高压的液态制冷剂经过12膨胀阀的节流降压后变成低温低压的液态制冷剂，然后流入13蒸发器，将液态制冷剂汽化为低温低压的气态制冷剂，最后被吸入10电动压缩机，从而完成循环。模型中5和11为同一冷凝器，回路2中冷凝器散发的热量会对冷却水进行加热，冷却水流过8暖风芯体，会对乘员舱进行加热作用。当温度为-5℃以下时，6 PTC电加热器开启，对冷却水进行加热。当温度为-15℃以下时，5冷凝器会结霜，热泵停止工作，6PTC电加热器则单独工作。模型中21CAB为乘员舱参数，输入车型具体尺寸信息，则可得到乘员舱内温度分布情况。

3 电动车组合式采暖系统试验分析

3.1 试验装置及实验条件

试验前需对车辆进行试验前准备工作，包括：测温点布置、数据采集器的连接与调试等。温度局部布点如图3所示。本次采暖试验在整车环境模拟试验室开展，环境温度范围为-40℃～+60℃,配备四驱底盘测功机进行道路阻力模拟，如图4所示。试验时空调状态为最大采暖模式、吹脚、最大风量，循环模式为外循环，环境温度为-20℃时，车速为50km/h、110km/h、0km/h的运行时间分别为30min、30min、35min；环境温度为-10℃时，车速为50km/h，运行时间为35min；环境温度为-5℃时，车速为50km/h、80km/h、110km/h、0km/h，运行时间均为30min。

图3 乘员舱内温度布点局部图

图4 整车采暖试验过程图

3.2 结果分析

工况一，如图5所示，前30分钟的模拟头部、脚部温度明显高于试验过程中的头部、脚部温度，且温度上升趋势明显，而试验过程温度曲线上升缓慢；运行30分钟时，试验头部平均温度为10.7℃，低于模拟头部平均温度5.3℃，试验脚部温度为17.9℃，低于模拟脚部平均温度2.9℃，此时试验温度已达到采暖需求。随着试验的运行，试验头部、脚部平均温度越来越接近于模拟头部、脚部的平均温度，且其温度差不超过5℃。

工况二，如图6所示，热泵空调系统与PTC电加热共同工作时，一直以2kw的PTC持续辅助加热，模拟温度曲线明显比试验温度曲线上升趋势明显。试验过程中由于主驾有司机控制车速，其脚部控制离合及刹车时轻微影响了脚部温度传感器，所以造成了脚部曲线的微弱波动，但其影响温度低于1℃。在试验进行到近30分钟时，试验头部、脚部平均温度与模拟头部、脚部平均温度已经基本吻合；直到试验结束时，试验头部、脚部平均温度分别达到17.8℃、21.1℃，已经满足采暖温度。

工况三，如图7所示，运行30分钟时，试验头部、脚部平均温度分别为11.3℃、16.9℃，此时在已经基本满足乘员舱采暖需求的同时，PTC电加热的加热功率不会太高，以保证车辆的续航里程。试验结束时，试验头部、脚部平均温度分别为24.1℃、28.5℃，分别比模拟头部、脚部平均温度低1.9℃、0.3℃，并已满足乘员舱采暖温度需求。

由表1可知，能效比COP为采暖量与功率之比。-20℃时，PTC电加热单独工作时，模拟COP均高于试验值COP，均为0.8左右，；-10℃时，热泵系统与PTC电加热共同工作，COP为0.85；-5℃时，热泵系统单独运行，模拟COP均高于试验值COP，COP均为1以上。

图6 -10℃采暖曲

图7 -20℃采暖曲线

表1 模拟与试验数据对比表

Table 1 Comparison table of simulation and test data

综合以上数据可得，PTC电加热可以满足-20℃低温环境下乘员舱内采暖需求，但其所需功率较大，影响电池续航里程，且其能效比低于1；而热泵空调系统在-10℃时性能衰减严重，不能满足乘员舱内采暖需求，必须匹配PTC电加热辅助采暖；当环境温度在-5℃及以上时，单独使用热泵空调系统可以达到采暖需求，且其能效比大于1，因而可以达到节能的效果。

4 结论

本试验研究的电动车组合式采暖系统，在环境温度为-10℃、-20℃时，PTC电加热处于工作状态，其乘员舱平均温度分别可达25.15℃、26.3℃，已经满足冬季采暖温度需求；在环境温度为-5℃时，热泵空调系统单独工作时的乘员舱平均温度为17.65℃，已经满足采暖需求，而且可以达到节能的效果。这不仅对于提高纯电动汽车冬季续航里程有重大意义，而且为实现热泵空调系统在整车中的量产应用奠定了基础。

[1] Hannan M A, Azidin F A, Mohamed A. Hybrid electric vehicles and their challenges:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014,29:135-150.

[2] Lee D, Cho C, Won J, et al. Performance characteristics of mobile heat pump for a large passenger electric vehicle[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,50(1):660-669.

[3] Yokoyama A, Osaka T, Imanishi Y. Thermal Management System for Electric Vehicles[J]. SAE International Journal of Materials and Manufac, 2011(4):1277-1285.

[4] Klassen V, Leder M, Ho SSfeld J. Air-conditioning in Electric Vehicles[J]. ATZ worldwide e Magazines,2011(2):28-32.

[5] TAKAHISA SUZUKI,KATSUYA ISHIL. Air condition system for electric vehicle[J].Society of Automotive Engineers. 1996(960688): 894.

[6] 刘中历.电动汽车空调系统设计及风道的设计改进[D].吉林大学, 2014.

[7] 冯永忠,康永禄.宝马i3纯电动车空调热泵解析[J].汽车维修与保养,2016(08):72-75.

[8] 闫福珑.纯电动乘用车热泵空调系统设计与性能仿真研究[D].吉林大学,2012.

[9] 梁志豪,巫江虹,金鹏,等.电动汽车热泵空调系统结霜特性及除霜策略[J].兵工学报,2017, 38(1): 168-176.

Study on low temperature test of combined heating system for electric vehicle*

Wang Yachun1, Mu Liansong2, Zheng Qingping1, Li Su1, Jiao Pengfei2

( 1.School of energy and environmental engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401; 2.China Automotive Technology and Research Center Co. LTD., Tianjin 300300 )

In paper, a kind of low temperature heat pump air conditioning system with PTC auxiliary heating is applied to solve the problem that the system performance is seriously attenuated and even stopped working in the low temperature environment of the ordinary electric heat pump air conditioning system of battery electrical vehicle. The heating condition is simulated by KULI software and applied to the air conditioning system of the battery electrical vehicle. In the vehicle environment simulation laboratory, the heating performance test at ambient temperature of -20℃, -10℃ and -5℃ is carried out. From the test results, we can see that the Combined heating system can achieve heating needs under low temperature. It lays the foundation for achieving the production and application of heat pump air conditioning system in the vehicle.

pure electric vehicle; heat pump air conditioning system;heating performance;simulation;test

A

1671-7988(2018)20-03-04

U469.72

A

1671-7988(2018)20-03-04

U469.72

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.002

王雅纯（1992-），河北工业大学在读硕士，研究生，主 要研究方向为内燃机技术。通信作者：牟连嵩（1981-），中国汽车 技术研究中心，硕士，工程师，主要研究方向为汽车热管理。

河北省重点研发计划，节能环保与科技治霾专项；项目名称： 石家庄市区工程机械柴油机低排放治理与在用重型车obd 排放检测 与监测技术应用示范工程（18273714D）。