[摘要]為提高電動(dòng)汽車的能源經(jīng)濟(jì)性，減少低溫制熱性能衰減問題，提出并分析對(duì)比了3種用于低溫環(huán)境的熱泵空調(diào)系統(tǒng)解決方案:(1)余熱回收利用:回收利用電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)的余熱，提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的同時(shí)，優(yōu)化整車的能量消耗。(2)蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng):對(duì)R1234yf制冷劑的蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，開蒸汽噴射比不開蒸汽噴射時(shí)的熱泵系統(tǒng)的制熱COP約高10%～30%，環(huán)境溫度越低，制熱COP改善越明顯。(3)CO2制冷劑熱泵空調(diào)系統(tǒng):研究顯示由于CO2制冷劑的特性，熱泵系統(tǒng)可在環(huán)境溫度-20℃穩(wěn)定有效地采暖。得出的結(jié)論是，目前利用蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng)是解決新能源電動(dòng)汽車低溫采暖的有效手段，而在未來，使用自然制冷劑CO2是必然趨勢。
關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;低溫?zé)岜?R1234yf;余熱回收;蒸汽噴射;CO2
前言隨著大氣污染日益加重和電動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，新能源汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車已是大勢所趨。在國內(nèi)，大部分量產(chǎn)新能源電動(dòng)汽車冬季仍采用高耗能電加熱器供暖技術(shù)，嚴(yán)重影響汽車的經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程。在低溫-10℃時(shí)，采用電加熱器(positivetemperaturecoefficient，PTC)采暖能使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程下降50%以上，而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以使續(xù)航里程改善35%以上[1]。因此，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以有效提高電動(dòng)汽車采暖的高能效比，有效延長續(xù)航里程，是重要的降低電動(dòng)汽車能耗的技術(shù)手段。
新能源論文范例：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車充電需求預(yù)測模型
國內(nèi)外已量產(chǎn)搭載熱泵空調(diào)系統(tǒng)的新能源電動(dòng)汽車中，目前幾乎所有都使用傳統(tǒng)制冷劑R134a。并且，在這些量產(chǎn)車型中有一半以上限制了熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度不能低于-10℃，這是制冷劑物性和系統(tǒng)架構(gòu)原因所導(dǎo)致的限制。在冬季更加寒冷的北方地區(qū)，單使用熱泵空調(diào)系統(tǒng)不能滿足采暖的需求并會(huì)影響乘員的熱舒適性。提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季采暖的能效，減少因開啟熱泵空調(diào)系統(tǒng)導(dǎo)致電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的下降，是目前推廣新能源電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。
為解決熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下有效采暖并提高乘員艙的熱舒適性，本文中對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的利用提出了3種解決方案并進(jìn)行了分析。一是回收電池與電驅(qū)的余熱;二是蒸汽噴射熱泵空調(diào)系統(tǒng);三是利用CO2制冷劑的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。各方案都有其各自的特點(diǎn)和使用限制，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況逐步過渡采用不同方式推廣熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用，提升關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。
1我國關(guān)于電動(dòng)汽車的相關(guān)政策與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和分析
1.1相關(guān)政策與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
國家的相關(guān)扶持政策是新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的直接助推器。為應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，2012年國務(wù)院發(fā)布實(shí)施《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》，將純電動(dòng)汽車確定為新能源汽車發(fā)展和汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略路線，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，成為引領(lǐng)世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。
2019年我國汽車銷量2576.9萬輛，其中新能源汽車銷量120.6萬輛，滲透率為4.7%。為推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強(qiáng)國，工信部于2019年12月發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》征求意見稿，意見稿明確到2025年，新能源汽車新車銷量占比達(dá)25%左右。因此，需進(jìn)一步強(qiáng)化部門協(xié)同，完善支持政策，積極穩(wěn)定和擴(kuò)大新能源汽車消費(fèi)，堅(jiān)定不移地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。制定新能源電動(dòng)汽車的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于規(guī)范生產(chǎn)、提高質(zhì)量和增強(qiáng)消費(fèi)者信息至關(guān)重要，是新能源電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。包括在2020年5月最新發(fā)布的關(guān)于電動(dòng)汽車安全要求的標(biāo)準(zhǔn)。
1.2EV-TEST(電動(dòng)汽車測評(píng))為引導(dǎo)我國汽車企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的新能源純電動(dòng)汽車，并方便消費(fèi)者挑選合適的電動(dòng)汽車，中國汽車技術(shù)研究中心結(jié)合電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)，在2017版的基礎(chǔ)上發(fā)布了2019版《EV-TEST(電動(dòng)汽車測評(píng))管理規(guī)則》[2]。
從EV-TEST指標(biāo)體系中可以看出續(xù)航與電耗在各測評(píng)項(xiàng)目中的權(quán)重占比較大，以常規(guī)車為例占總指標(biāo)的30%。其中高低溫續(xù)航里程合計(jì)權(quán)重占比11%。電動(dòng)汽車在高低溫行駛過程中，由于電池衰減和電池?zé)峁芾?，加上制冷與采暖功能的利用，使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程有所下降。因此，在高低溫環(huán)境時(shí)，對(duì)乘員艙采暖、制冷以及對(duì)電池進(jìn)行溫度管理的電量消耗對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航與電耗評(píng)價(jià)的高低尤為重要，在評(píng)價(jià)體系中作為重要指標(biāo)進(jìn)行考核。
以高溫/低溫續(xù)駛里程相對(duì)常溫續(xù)駛里程下降率為評(píng)分依據(jù)。其中，制冷與采暖性能，根據(jù)規(guī)定也計(jì)入評(píng)分，最高扣除20分。在高溫情況下，空調(diào)開啟制冷功能對(duì)乘員艙進(jìn)行降溫的同時(shí)，需要根據(jù)電池的溫度對(duì)電池進(jìn)行有效散熱保證乘車安全。目前國內(nèi)大部分配有空調(diào)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車都利用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行間接冷卻 的方法有效散熱。因此，空調(diào)系統(tǒng)的效率在很大程度上決定了電動(dòng)汽車在高溫續(xù)航里程的下降率，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車能耗的重要系統(tǒng)。在低溫情況下，續(xù)航里程下降率的評(píng)分要求比高溫情況低。
一是因?yàn)殡姵厝萘吭诘蜏丨h(huán)境下會(huì)嚴(yán)重衰減，二是因?yàn)槌藛T艙采暖需要消耗電能。目前，量產(chǎn)電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下對(duì)乘員艙采暖的同時(shí)都會(huì)對(duì)電池進(jìn)行加熱，利用PTC電加熱器或熱泵系統(tǒng)加熱的方式。利用PTC加熱的效率較低，制熱能效系數(shù)(coefficientofperformance，COP)一般約為0.9，使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程下降率較大。而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱COP一般大于1.5，節(jié)能效果明顯優(yōu)于PTC，可有效減少電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的下降率。因此，根據(jù)評(píng)分規(guī)則，平衡電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程下降率與達(dá)到乘員艙的目標(biāo)溫度的時(shí)間，利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)與PTC電加熱器相結(jié)合，有效控制優(yōu)化PTC開啟時(shí)間，對(duì)提升電動(dòng)汽車的性能非常重要。
2制冷劑R1234yf熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究
溫室效應(yīng)使地球表面的溫度上升，引起全球性氣候反常，氟利昂等制冷劑的使用對(duì)此有著重要的影響。而汽車空調(diào)系統(tǒng)一直是泄漏到大氣中制冷劑的主要來源之一。目前汽車空調(diào)研究主要集中在以R134a、R1234yf和R744(CO2)為制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)。R134a是全世界的汽車空調(diào)供應(yīng)商采用的主要制冷劑，其全球變暖潛質(zhì)GWP高達(dá)1420，在歐盟地區(qū)已嚴(yán)禁使用，隨著《蒙特利爾議定書》基加利修正案的簽訂和生效，R134a在我國也將被逐步淘汰。R1234yf作為替代制冷劑之一，其GWP為4，物性與R134a相近，在汽車空調(diào)上只需對(duì)零部件與系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化便可直接替代R134a使用。通過理論與試驗(yàn)研究對(duì)制冷劑R1234yf與R134a熱泵系統(tǒng)性能進(jìn)行了對(duì)比分析[3-5]。
結(jié)果表明，R1234yf熱泵系統(tǒng)的制熱COP和制熱量比R134a系統(tǒng)低10%以內(nèi)。本文中利用直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過試驗(yàn)對(duì)制冷劑R134a與R1234yf的臺(tái)架性能進(jìn)行了對(duì)比分析。壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣體經(jīng)過室內(nèi)冷凝器與空氣換熱后經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流，在室外換熱器中吸熱后進(jìn)入氣液分離器后回到壓縮機(jī)。電池溫度管理通過熱泵系統(tǒng)冷卻和PTC加熱進(jìn)行。試驗(yàn)主要考察了電動(dòng)汽車在低溫冷起動(dòng)時(shí)和在部分新風(fēng)負(fù)荷工況時(shí)的熱泵系統(tǒng)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)條件和設(shè)備的情況下，制冷劑R1234yf的制熱量比R134a低約5%左右，而制冷劑R1234yf的制熱COP比R134a低約10%左右。
3電動(dòng)汽車低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)方案
3.1余熱回收
利用汽車行駛過程中電池、電機(jī)和發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量，可以將熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過優(yōu)化控制策略與精確的控制實(shí)現(xiàn)不同零部件之間熱量的轉(zhuǎn)移。在低溫冷起動(dòng)時(shí)，乘員艙中對(duì)熱負(fù)荷的需求較大，而電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池在達(dá)到一定溫度時(shí)有散熱需求。利用回收電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電池回路的余熱，提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效的同時(shí)，優(yōu)化整車的能量消耗。在冬季，純電驅(qū)動(dòng)模式中可回收電驅(qū)系統(tǒng)和電池回路的余熱作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱源?？梢钥闯?，將1.7kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)余熱作為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?，電?dòng)壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)等消耗2.5kW的能量，可給乘員艙提供3.4kW的熱量。但是隨著環(huán)境溫度的降低，電機(jī)與電池的發(fā)熱量將會(huì)減少，余熱回收的能量有限。
4結(jié)論
純電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下續(xù)航里程的減少是影響其發(fā)展的主要因素之一。本文中分析了3種用于純電動(dòng)汽車低溫環(huán)境熱泵空調(diào)系統(tǒng)的解決方案。(1)利用余熱回收方式需優(yōu)化整車能量消耗，熱管理系統(tǒng)復(fù)雜，集成度較高，且由于隨環(huán)境溫度降低回收熱量有限，僅可作為輔助加熱手段。
(2)利用傳統(tǒng)制冷劑R134a蒸汽噴射系統(tǒng)可作為低溫?zé)岜孟到y(tǒng)的解決方案之一。新型制冷劑R1234yf的蒸汽噴射系統(tǒng)的制熱效果提升較明顯，亦可作為制冷劑替代的過渡階段。(3)自然制冷劑CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)，不僅是環(huán)保制冷劑，由于其在低溫環(huán)境下制熱的能力較高且穩(wěn)定，是未來純電動(dòng)汽車低溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)的最佳解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1]MEYERJJ，LUSTBADERJ，AGATHOCLEOUSN，etal.Rangeextensionopportunitieswhileheatingabatteryelectricvehicle[C].SAEPaper2018-01-0066.
[2]中國汽車技術(shù)研究中心.EV-TEST(電動(dòng)汽車測評(píng))管理規(guī)則[S].2019.ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter.EV-TESTmanagementrules[S].2019.
作者：汪琳琳1，2，焦鵬飛2，王偉2，伊虎城2，牟連嵩2，劉雙喜2，許翔3
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