纯电动汽车乘员舱冬季热负荷特性研究

雷良新，陶乐仁*, ，孙悦，陶宏，黄理浩, ，桂超

（1-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2-上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093；3-上海海立新能源技术有限公司，上海 201206）

0 引言

由于纯电动汽车具有巨大的节能减排和石油替代潜力，它已经成为当前国际汽车行业产业升级的必然选择[1]，传统燃油车在为人们提供便捷出行的同时，也消耗了大量的石油资源并造成了巨大的环境污染[2]，据统计，汽车尾气作为大气污染的主要来源之一，其排放量在大气污染中的占比高达70%[3]。因此，在能源和环境的双重压力下，开发新能源汽车、从而减少汽车的碳排放已经成为全球汽车工业领域及政府探索的焦点[4]。

目前，一些学者主要针对整车空调系统进行优化设计，这对于驾驶安全性、乘客舒适性具有重要意义[5-8]。而动力蓄电池组作为纯电动汽车主要的能量储存装置，虽然很大程度上解决了传统燃油车带来的环境污染问题，但也带来了一些问题，在现有技术发展水平下，电动汽车蓄电池的能量储备有限，续航里程短是制约电动汽车发展的一个瓶颈。在冬季采暖时，开启不同的空调风门，电动汽车的续航里程下降40%～60%[9-10]，这给电动汽车带来了挑战。其次，电动汽车在冬季行驶中，汽车玻璃表面往往会出现结霜的现象，除霜所需的加热量也直接影响到电动汽车的续航里程。为此，要想设计一个合理的汽车空调系统，需要精确地计算电动汽车的冬季热负荷，这对于纯电动汽车进行热力计算与系统设计优化非常重要。

本文采用稳态传热法对某款纯电动汽车冬季稳态负荷进行了设计计算，考虑到车体外表面的辐射换热，得到了围护结构壁面和玻璃外表面的温度，基于车体围护结构稳态热平衡方程，构建了完整的整车热负荷模型。

1 电动汽车乘员舱负荷构成

传统燃油车的负荷计算方法计算比较精确，可以推广适用于纯电动汽车计算负荷。在夏季，由于车外温度高于车内，有大量的热量通过车身结构进入车内，而在冬季，由于车外温度比车内温度要低，车内有大量的热量通过车身结构散到车外。传统的负荷计算方法主要包括车体围护结构的总负荷、通过门窗玻璃传入的热量、新风热负荷、驾驶乘员热负荷、其他电器设备散热及车内零件散热等构成。这些热量之和构成了车身热负荷。

车身负荷热平衡方程式为：

式中，Qe为车身总热负荷，W；QB为车身壁面传入的热负荷，W；QG为车身玻璃传入的热负荷，W；QV为新风热量，W；QP为人体热量，W；QM为用电设备散热量，W；QBi为车内零件吸热量，W；QE为动力装置发热量，W。

其中，通过太阳辐射进入乘员舱室内的热负荷是汽车空调的主要负荷，夏季时车体表面由于太阳辐射所吸收的热量可占汽车夏季总负荷的30%以上，而在冬季的时候太阳辐射也会减少车体的冬季采暖热负荷；车身壁面传入的热负荷不管在夏季还是冬季，这部分热量占汽车总负荷的20%以上；而在车辆行驶时，门窗玻璃的缝隙既是车内排风的途径，又同时为汽车空调补充了新风，其次，出于安全考虑，为了补充乘员舱内的乘员呼吸所需的氧气和排出二氧化碳及有害气体，需要向乘员舱内补足一定量的新风。这部分负荷在冬季时表现的比较明显。考虑到汽车开始启动时的瞬态热惯性负荷，需考虑修正系数K的影响，一般该修正系数取值为1.05～1.15[11]。此时冬季计算总热负荷应乘以修正系数1.2[12]。

由于冬季的太阳高度角远小于夏季的太阳高度角，地面所吸收的太阳辐射相对较小，再加上设计的最大负荷值能够保证汽车在最恶劣的情况下运行，故本文在冬季时没有考虑太阳辐射对汽车负荷的影响。

2 计算模型及参数确定

2.1 车身内外参数的选择

在计算汽车乘员舱负荷时，首先要确定车身内外参数，同时涉及到大量的公式。根据我国车内空调设计参数的选择的要求，夏季人体感到舒适的温度范围为24～26 ℃，由舒适转为不舒适的分界线为28 ℃左右，而冬季，16～25 ℃是人体感到舒适的温度范围[13-14]。表1所示为计算冬季负荷的车身室内外的相关参数，表2所示为待测车辆的车体的部分参数。

表1 车身室内外空调设计参数[13]

表2 待测车辆的车体的部分参数

2.2 传统负荷计算方法

传统的负荷计算方法主要包括车体围护结构的总负荷、通过门窗玻璃传入的热量、新风热负荷、驾驶乘员热负荷、其他电器设备散热、动力装置发热量及车内零件散热等构成。其计算过程如表3所示[13-14]。围护结构热负荷QB由顶面、侧面、前面、后面、地面和门面6个部分组成。

表3的负荷计算中，用电设备散热QM为44 W，动力装置发热量QE为300 W。KB为车体围护结构的传热系数，W/(m2·K)；V为每人每小时所需要的换气量，m3/h，视新风门的开启程度不同，本文中取值为11～40；ρ为空气密度，kg/m3；hout为室外空气焓值，kJ/kg；hin为室内空气焓值，kJ/kg；N为乘员舱内驾驶人员；αBi为车内零件热传导率，W/(m·K)；tBi为车内零件表面温度，℃。

表3 纯电动汽车冬季稳态负荷计算

2.3 车身壁面及玻璃模型

为了研究车身热负荷，需要清楚围护结构表面的传热过程和机理，并建立车身壁面及玻璃的模型，如图1所示。文献[15]中考虑的是有太阳辐射时的围护结构热平衡，没有对冬季恶劣条件下（即不考虑太阳辐射）围护结构的热平衡进行分析，建立能量守恒方程。本文为了得到在冬季最恶劣条件下围护结构表面温度，尤其是玻璃表面，针对其表面结霜情况计算出冬季所需的表面除霜量，有利于纯电动汽车精确地设计空调系统的各大部件，延长纯电动汽车在冬季的续航里程。

图1 车身壁面及玻璃模型

考虑假设围护结构与外界环境进行换热的时间足够长，那么围护结构处于热平衡状态，图2所示为围护结构的热平衡。

图2 车身壁面及玻璃的热平衡

由图2可知，列热平衡方程为：

式中，Ф1为车内环境温度与围护结构的对流换热量，W；Ф2为车内环境温度与围护结构的辐射换热量，W；Ф3为围护结构的蓄热量，由于围护结构的热惰性较小，所以蓄热量可以忽略不计；Ф4为车外环境温度与围护结构的对流换热量，W；Ф5为车外环境温度与围护结构的辐射换热量，W。

式中，hin为车内表面对流换表面传热系数，W/(m·K)；tB为车内环境温度，℃；tw为壁面温度，℃。

式中，Co为黑体表面辐射系数；ε为围护结构壁面的吸收系数；A为围护结构的面积，m2；TB为车内环境绝对温度，K；Tw为壁面绝对温度，K。

式中，hout为车外表面与冷空气的对流换热系数，W/(m·K)；tH为车外环境温度，℃。

式中，TH为车外环境绝对温度，K。

在怠速工况下，车体外表面与环境之间属于自然对流。为了了解怠速工况下车体表面的温度，根据热平衡关系式采用工程方程求解器（Engineering Equation Solver，EES）编制程序的方法来求解围护结构处于热平衡时的壁面温度。表4所示为通过程序计算后的车体表面温度。

表4 通过程序计算后的车体表面温度

2.4 除霜负荷的计算

纯电动汽车在冬季环境温度较低的情况下，车辆风窗玻璃内外表面温度也较低，此时车窗外表面会结霜。由于我国南北方气候差异较大，汽车玻璃表面除霜所需的热负荷也差异较大。在南方，冬季汽车玻璃表面结霜现象较轻，所需要的除霜热负荷较小，这样不会对汽车空调系统造成太大的压力；而在北方，尤其是在东北地区，室外环境温度相对较低，汽车玻璃表面往往会结一层厚厚的霜，此时所需的除霜热负荷相对较大，这样会对汽车空调系统造成一定的压力[16-18]。

冬季环境温度较低时，车辆风窗玻璃内外表面温度也较低，此时乘客在呼气和散热的作用下，空气的含湿量会慢慢增大。当乘员舱内温度低于空气的露点温度时，水蒸气会凝露在风窗玻璃表面。当风窗玻璃内表面温度低于0 ℃时，水蒸气会在玻璃内表面直接凝结成霜[19-20]，致使驾驶员无法驾驶，也会造成系统性能及供热量下降[21]。

因此，除霜条件为乘员舱内表面温度要大于空气的露点温度。为了提高乘员舱内表面温度，必须要向乘员舱内表面进行加热。设除霜所需的热量为Q1，计算公式为：

式中，K为玻璃表面的总传热系数，W/(m2·K)；A为车窗表面面积，m2；δ为车窗玻璃的厚度，m；λ为车窗玻璃的导热系数，W/(m·K)。

假设车内散热量为Q2，因此除霜热负荷Q为：

在除霜过程中，由于受到乘员舱室内温度、车速、风向等因素的影响，Q1和Q2都是变化不定的，为了计算方便，可以近似认为Q1=Q2，则：

根据以上公式计算可得：怠速时除霜热负荷Q为721.42 W。

3 负荷计算结果

本文根据上述的计算步骤，分别计算了车身总热负荷随不同车速的变化、车身各部分负荷的占比情况，计算结果如图3和图4所示。

图3 环境温度为-20 ℃时的热负荷

图4 环境温度为-20 ℃时各部分负荷占比

由图3可知，随空调选取的新风模式不同，冬季热负荷的变化范围为3 888～8 704 W，随着车速的增加，冬季热负荷逐渐增加。车体刚启动后车身热负荷增加快，随着车身速度的不断增加，车身热负荷增加幅度较小，最后趋于稳定。这是因为车体启动后，由怠速时的自然对流转变为强制对流，其外表面对流换热系数相比怠速时自然对流换热系数要大很多，表面温度下降速率快，车内外表面温差增大，冬季总的负荷就逐渐增大，且速度增大后，外表面对流换热表面传热系数增大，表面温度下降，车内外表面温差增大，总的负荷就逐渐增大。

以车身速度40 km/h为例，由图4可知，当环境温度为-20 ℃时，新风热负荷（57.99%）占比最大，其次是车体围护结构热负荷，这两部分占冬季总负荷90%左右，当车身速度由0增加到150 km/h时，新风负荷在总采暖负荷的占比为57.4%～66.5%。这是因为一方面冬季出于安全考虑，为了补充乘员舱内的乘员呼吸所需的氧气和排出二氧化碳及有害气体，需要向乘员舱内补足一定量的新风；另一方面，由于室外环境温度过低，车窗玻璃内外表面温度也较低，此时乘客在呼气和散热的作用下，空气的含湿量会逐渐增加，当车内温度低于空气露点温度，就可能在汽车玻璃表面结霜，影响行驶过程中的安全性，常常需要引入一定量的新风用于除霜或除雾。

该款纯电动汽车空调冬季采暖负荷中主要由新风负荷构成和车体围护结构组成，新风负荷占主要部分，且随不同车速变化，其占冬季总采暖负荷的57.4%～66.5%，与文献[10]中随着不同车速变化、新风负荷占比为56.2%～84.8%相符合，符合汽车空调热负荷比例标准，因此，该计算结果是合理的。

4 负荷优化分析

空调负荷计算是空调设计的基础，是进行系统设计和设备选择的最主要依据，关系到汽车空调的效果、系统投资成本和能耗。本文分析了纯电动汽车冬季热负荷的构成，纯电动汽车的冬季热负荷主要由新风负荷和车体围护结构两部分构成，其中新风负荷占主要部分，在计算中发现通过车体围护结构的热量和新风负荷之和占整车热负荷的73.6%。

为了响应国家节能减排的号召和尽可能降低成本，需要降低这部分热负荷并提出了以下优化方法：1）降低新风负荷，冬季尽量减少车门的开启次数；将手动风门开关改为电动风门开关；严格控制工厂车门密封间隙，增加B柱密封条，从而保证密封效果；检查装配工艺，保证前壁板隔声垫与空调循环进风口贴合较好；2）降低通过围护结构的热负荷，选择优良、导热系数越小的材质，隔热层越厚，隔热效果越好；减少车身骨架与内外蒙皮间的接触面积并在外蒙皮内壁上涂上隔热胶；3）降低通过玻璃车门的热负荷，一般通过改善玻璃材料、厚度和光学性能来减少玻璃对太阳辐射的直接透射率和吸收率。还可以适当加厚玻璃，这对于夏季来说非常有利，而冬季，玻璃厚度增加后，除霜比较困难，因此，冬季可以采用在玻璃表面镀一层电加热膜用于除霜，同时采用热泵供暖结合热敏电阻加热方式对乘员舱内进行供暖。

5 结论

本文对纯电动汽车冬季热负荷进行了计算，建立围护结构热平衡方程，利用EES编写计算程序计算出围护结构稳定后围护结构表面温度，计算了冬季所需除霜热负荷和整车热负荷，得出如下结论：

1）基于车体结构传热机理，建立了车体围护结构达到稳定后的热平衡方程分析，利用EES编写计算程序计算出围护结构达到稳定后的围护结构的表面温度，进而计算出冬季挡风玻璃表面的除霜热负荷大小；

2）纯电动汽车冬季热负荷主要由新风负荷和通过车身壁面围护结构的热负荷构成，其中新风负荷占主要部分，随新风门开启程度的不同，其冬季热负荷的变化范围为3 888～8 704 W，其新风负荷约占总负荷的57.4%～66.5%；

3）针对构成冬季热负荷的主要部分进行了优化分析，从新风负荷、车体围护结构的热负荷和车窗玻璃的热负荷角度出发，提出了优化措施，为纯电动汽车空调精确的设计和优化指明了方向，减少了能源的浪费，提高了纯电动汽车的续航里程。