增程式电动车空调系统热特性实验研究

瞿晓华

【摘 要】增程式电动车是纯电动车的一种扩展车型，比一般的纯电动车要多出一套发动机系统。空调系统与传统车有很大的差异，压缩机改成高压直流驱动，而加热方式更改为电加热和发动机水加热相结合的形式。本文通过环模测试的方法，研究增程式电动车的空调系统热特性。

【关键词】增程式电动车;热管理;电池;空调系统;实验

中图分类号： U469.72 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）22-0080-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.035

0 前言

结合实际调研可与发现，现阶段动力电池存在的设计瓶颈在一定程度上制约了电动汽车发展，如能量密度无法满足续航里程需要[1-4]。在更改燃料后，电动汽车的动力系统会导致整车热特性发生较大变化，这种变化将对取暖、空调造成本质影响，如采用水加热和电加热组合形式的增程式电动车便会较为直观展示这种影响。本文为某增程式电动车开发了一套热管理系统，并与传统车进行了实验对比研究。

对于采用不同传热介质的热管理系统来说，相变材料、绝热材料、液体、空气、其他混合介质均可作为传热介质;对于电池热管理系统来说，主动形式、被动形式的设计均较为常见，如无额外能耗的环境热源，或采用其他耗能的主动形式设计。Jung，D.Y.et al.[5-6]等人通过实验及仿真等方法研究了不同的电池热管理系统，并取得了很大进展。而针对空调系统方面的研究却鲜有报道。

本文拟通过环模测试的方法，研究增程式电动车的空调系统热特性。

1 空调系统设计

发动机的存在有大大提升了整车动力性能与续航能力。另外，该车在车顶还配置了太阳能板，收集太阳能为车内仪表等低压用电设备供电。

本文设计的热管理系统具备较为复杂的结构，主要由5部分组成，包括电池水冷系统、高压部件水冷系统、发动机油冷系统、发动机水冷系统、空调系统，系统间存在相互独立又有耦合的关系。

本文的空调及电池冷却系统采用电动压缩机驱动双蒸系统。前蒸用于车厢内乘员制冷;另一个冷却器采用制冷剂与冷却液换热，被冷却后的冷却液再冷却电池。冷却器外侧采用绝缘材料与外界环境绝热。

为满足电池冷却需要，前端低温散热器会在环境温度合适时负责冷却;如环境温度不足，冷却器回路会由换向阀切换，以此满足电池冷却需要。电动水泵负责水系统驱动，三位控制阀负责切换回路;当电池工作在舒適温度，三位控制阀切换至短路循环，电池各单体之间的温差可由此得到有效控制。采用板片流腔的电池设计，从里面的流道流过的冷却液即可较好满足电池降温需要。采用板片式换热器作为电池冷却器，冷却液和制冷剂负责热交换。

相较于传统车辆的发动机冷却系统、PTC加热系统、发动机散热系统，本文为电动汽车设计的三种系统与之存在一定相似性，具有大小循环，且节温器能够基于发动机水温与环境温度自动切换。乘员舱需要的热源可由启动的发动机提供，乘员舱加热也可采用开启PTC加热器的方式实现。

为对比研究空调系统热特性，本文对该增程式电动车进行了实验测试。空调系统主要零部件及参数如下：

BWC270（27cc Comp.）/220×283×38mm（EVAP）/215×168×27（Heat core）/668×352×16mm（Cond.）/54.3×62×88mm（Chiller）

2 实验装置和测量方法

本文对增程式电动车进行了环模实验测试。实验测试工况如下。系统中所用制冷剂为R134a。

降温实验：38℃，50%RH，日照1000w/m2/100% SOC，车内头部温度到达60℃时开始实验/空调：全冷/吹面/内循环/最大风量/车速：50km h-1（30min），100 km h-1（30min），怠速（30min）。

温升实验：-18℃，日照0w/m2/100% SOC，车内温度-18℃，发动机油温-18℃/空调：全热/吹脚/外循环/最大风量/车速：50km h-1（30min），100km h-1（30min），怠速（30min）

3 实验结果分析

3.1 降温性能

如图1，在前近两个小时内，电动车运行处于纯电动模式，而后进入纯电动模式与增程模式结合的运行模式，两种模式由电部件需求功率及电池SOC状态共同决定。在初始阶段，考虑到较低的电池温度影响，电池冷却回路在低于控制温度31℃时未启动，冷却器和前端低温散热器未通过冷却液。冷却回路会在电池温度达到31℃后打开，此时压缩机转速提升，乘员舱出风温度下会随着系统制冷量加大而降低，具体变化如图2所示。设计采用下调压缩机转速的方式，这种方式的应用使得电池进口冷却液温度出现一定回升，具体变化如图3的00：42时刻所示。随着电池温度逐步下降至25℃，将自动切断电池冷却器回路，冷却液此时仅运行于电池小循环内。

电动车的降温性能要比传统车稍好，特别是在怠速工况，电动车压缩机转速不受车速限制，可以根据需求调整转速。

3.2 加热性能

图3为加热实验动力部件电流特性曲线，发动机和PTC加热器会在电动车冷启动时同时运行，将加热回路的冷却液水温迅速提升至75℃，如图3，所需时间仅5分钟，PTC的加热功率消耗因此大幅降低。由于自带机械泵，发动机能够在运行时调低电动水泵转速，电动水泵转速应在发动机停止时调高，由于整个加热过程中电动水泵均未关闭，冷却液加热回路的流阻因此得到较好控制，热集聚现象也得以有效避免。在加热实验过程中，PTC加热器负责维持和辅助，发动机主要负责水温提升与电池充电。

结合图4可以发现，在PTC加热器与发动机交替运行过程中，足部区域温度存在逐步波动提升。由于足部存在温度敏感性较低特点，且存在较大的出风温度波动，因此将出风温度波动控制在10℃内，足部区域温度波动控制在5℃内，头部温度控制波动控制在2℃内，因此保证乘员舒适度。

相较于传统车，电动车加热特性更为优秀，基于PTC加热器温升特性，可实现足部温度快速上升。但同时对续航里程的影响也是巨大的。而传统车则恰恰相反，热水资源无需成本，但升温特性会稍慢。增程式电动车则综合这两者的优点。

4 结论

本文采用环模实验的方法对某增程式电动车进行了实验对比研究。结合实验结果可以发现，水冷形式电池的温度控制能力优秀，低温环境下增程式电动车的整车加热特性也能够由此实现长足提升;对电池功率消耗要求小，对电池温度控制有很好的保护作用;另外，电动车的空调系统性能要明显好于传统车，且具有更好的控制灵活性和调节性能。

【参考文献】

[1]Laura Cozzi.World Energy Outlook 2007：China and India Insights.Presentation at Shanghai Jiao Tong University.2007.

[2]《节能与新能源汽车产业规划（2011-2020）》.

[3]电动汽车产业研究分析报告，2011.

[4]新能源汽车动力电池行业深度研究，2009.5.

[5]Jung，D.Y.，Lee，B.H.，Kim，S.W.，“Development of battery management system for nickel–metal hydride batteries in electric vehicle applications，”Journal of Power Sources，109，2002，1-10.

[6]R.Kizilel，R.Sabbah，J.R.Selmana，S.Al-Hallaj，“An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs，”Journal of Power Sources，194，2009，1105–1112.