電動(dòng)汽車從未像現(xiàn)在這樣受歡迎，但擔(dān)心電池耗盡而滯留，仍然是一些購(gòu)車者拒絕購(gòu)買的一個(gè)關(guān)鍵原因。更大的電池并不總是解決方案，因?yàn)樗c更高的成本和對(duì)重量的高影響直接相關(guān)。對(duì)最耗能的輔助設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)是強(qiáng)制性的，熱管理功能是重新設(shè)計(jì)要求列表的首要任務(wù)。熱泵解決方案被認(rèn)為是節(jié)省能源和減少加熱和冷卻功能對(duì)車輛續(xù)駛里程影響的最佳選擇之一，但汽車應(yīng)用需要仔細(xì)定義系統(tǒng)功能，以避免不合理的復(fù)雜性增加以及不必要的系統(tǒng)過(guò)于龐大。本文旨在通過(guò)不同布局配置的虛擬性能比較，概述熱泵設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐，這些配置是從標(biāo)桿分析開(kāi)始選擇的，并結(jié)合詳細(xì)的車輛細(xì)分功能進(jìn)行選擇?？刂撇呗?、角色、成本和目標(biāo)需求已被用作正確解決方案設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)因素，以及最終解決方案選擇的主要約束條件，這不能被視為唯一的贏家。

介紹

隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，汽車行業(yè)正在加快純電動(dòng)汽車(BEV)等電動(dòng)汽車平臺(tái)的發(fā)展。由于來(lái)自這些車輛動(dòng)力系統(tǒng)的可用廢熱非常有限，因此電動(dòng)汽車面臨的一大挑戰(zhàn)是車內(nèi)氣候控制，特別是在需要加熱的情況下。熱泵系統(tǒng)的使用是在寒冷環(huán)境下提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的解決方案之一。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車不同，電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換效率要高得多，因此沒(méi)有足夠的余熱用于車內(nèi)加熱。

為電動(dòng)汽車提供熱量的一種常用方法是使用正溫度系數(shù)(PTC)加熱器，通過(guò)焦耳效應(yīng)將儲(chǔ)存在電池中的電能直接轉(zhuǎn)化為熱量。盡管電加熱器通常具有幾乎100%的第一定律效率，因此1kw的電力轉(zhuǎn)化為1kw的熱量，但作為高位電能直接轉(zhuǎn)化為低位熱量的能源效率對(duì)于客艙加熱應(yīng)用通常來(lái)說(shuō)非常低。對(duì)于一輛普通的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，打開(kāi)PTC加熱器會(huì)耗盡電池，大大降低行駛里程。熱泵具有較高的第一定律效率，可以用更少的電能消耗為車內(nèi)提供等量的熱量，并且可以在寒冷天氣下大幅增加電動(dòng)汽車的行駛里程。一些商業(yè)化的電動(dòng)汽車車型已經(jīng)采用了熱泵技術(shù)來(lái)加熱客艙(見(jiàn)表1)，包括日產(chǎn)Leaf，雷諾Zoe和寶馬i3，所有這些車型都聲稱通過(guò)使用熱泵在寒冷天氣下增加了大約20 ~ 30%的行駛里程。

表1熱泵系統(tǒng)在電動(dòng)汽車車型中的應(yīng)用

文獻(xiàn)中關(guān)于汽車熱泵系統(tǒng)的研究活動(dòng)可以追溯到2002年。許多主要的汽車供應(yīng)商制造和測(cè)試了不同的原型車，例如法雷奧 [3,4]、電裝 [5,6]、偉世通 [7]、貝洱[8,9]、德?tīng)柛10]等。這些原型系統(tǒng)使用直接空氣-制冷劑，間接空氣-制冷劑，或混合架構(gòu)，制冷劑包括R134a, R1234yf, R744, R445a[11]和最近的R290。在這些研究中，發(fā)現(xiàn)直接架構(gòu)比使用相同制冷劑的間接系統(tǒng)效率更高。間接系統(tǒng)具有隔離制冷劑回路的優(yōu)點(diǎn)，能夠以非常低的制冷劑充注量實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，而冷卻液回路能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)車輛的集成熱管理。在制冷劑性能方面，據(jù)報(bào)道，在加熱模式下，特別是在零下環(huán)境溫度下，CO2比R134a要好得多，而冷卻模式下的COP在大多數(shù)情況下都比R134a低。據(jù)報(bào)道，在制冷模式[12]中，R290的COP比R1234yf要好得多，因此已經(jīng)成功地在間接熱泵系統(tǒng)[13]中進(jìn)行了測(cè)試，然而，關(guān)于HVAC安全和設(shè)計(jì)要求的當(dāng)前規(guī)范[14]要求在汽車原始設(shè)備制造商(OEM)和售后市場(chǎng)(非OEM)提供的部件和系統(tǒng)中只能使用R-1234yf和R-744作為制冷劑。所有這些研究活動(dòng)都證明了熱泵在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文的目的是給出一個(gè)汽車熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概述，考慮到可能影響最終架構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)因素:目標(biāo)，系統(tǒng)性能和復(fù)雜性，成本。首先描述了電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)通常需要的主要功能目標(biāo)，然后概述了主要的汽車熱泵架構(gòu)。提出了兩種不同的熱泵架構(gòu)作為解決方案，這兩種系統(tǒng)進(jìn)行了虛擬評(píng)估和比較，以突出優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。最后，描述了復(fù)雜性方面和成本敏感性。綜上所述，沒(méi)有哪一種方案可以被確定為絕對(duì)的最佳熱泵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)約束必須被考慮為驅(qū)動(dòng)因素，它會(huì)影響熱泵系統(tǒng)架構(gòu)的選擇。

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)目標(biāo)

首先，車輛熱管理系統(tǒng)(TMS)的設(shè)計(jì)必須考慮車輛的用途(乘用車、跑車、輕型商用車等)和車輛使用的地理區(qū)域。一些功能，例如更強(qiáng)大或額外的電加熱器，可以被認(rèn)為是極端寒冷天氣地區(qū)的“可選項(xiàng)”。此外，車輛的HVAC系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能夠在各種天氣下安全運(yùn)行，確保人體熱舒適，并保持所有玻璃區(qū)域無(wú)冰或霧，但電動(dòng)汽車的TMS還有其他重要的額外熱要求，與動(dòng)力總成電氣部件的運(yùn)行有關(guān)。特別是，為了在理想的溫度范圍內(nèi)工作，電動(dòng)汽車高壓電池通常需要冷卻或加熱。所有這些方面都強(qiáng)烈地影響了系統(tǒng)必須滿足的所謂“所謂的功能目標(biāo)”的定義。

考慮到通用EV，表2總結(jié)了為TMS定義的主要功能目標(biāo)及其對(duì)客戶的影響。

表2 TMS:電動(dòng)汽車可能的功能目標(biāo)

所有需要冷卻或加熱車輛客艙的功能都直接影響到客戶的舒適性和安全性，因此必須謹(jǐn)慎定義客艙預(yù)熱和冷卻的具體目標(biāo)(在短時(shí)間間隔內(nèi)達(dá)到的溫度水平)。

所有的功能中只有車用電池必須進(jìn)行冷卻或加熱的功能大體上都會(huì)對(duì)客戶產(chǎn)生間接影響，因?yàn)殡姵氐男阅芸赡軙?huì)影響車輛的行駛里程或電池充電時(shí)間。隨著電池快速充電或超快速充電功能的普及，可能需要客艙和電池?zé)嵴{(diào)節(jié)同時(shí)相關(guān)的特定功能。例如，當(dāng)客戶希望在快速充電操作期間留在車內(nèi)時(shí)。

在第二種情況下，車輛TMS的功能目標(biāo)可以以不同的方式實(shí)施，考慮到不同的車輛細(xì)分市場(chǎng)或可以排除成本原因?？紤]到市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車(如現(xiàn)代科納、捷豹I-Pace等)，TMS功能中包含熱泵系統(tǒng)的更多地適用于高檔汽車，如表3所示。更多的功能意味著在系統(tǒng)控制方面更高的系統(tǒng)復(fù)雜性和更高的成本(額外的閥、管路、傳感器等)。由于這些原因，通常低端電動(dòng)汽車不包括廢熱回收，同時(shí)艙室加熱和電池冷卻以及在低環(huán)境溫度下(例如T<0℃)除濕?？团摵碗姵丶訜峥梢源嬖冢视邢?電加熱器)。

表3 TMS:功能目標(biāo)vs車輛細(xì)分(V=必要，X=非必要，TBE=待評(píng)估)

汽車熱泵架構(gòu)

所描述的功能可以通過(guò)不同的熱泵架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

間接熱泵

間接熱泵的結(jié)構(gòu)是基于冷卻液流動(dòng)反轉(zhuǎn)原理。它的特點(diǎn)是制冷劑循環(huán)始終以相同的方式工作，同時(shí)，由水冷式熱交換器，熱水和冷水在所有季節(jié)傳遞熱功率，這對(duì)客艙舒適性或電池?zé)嵴{(diào)節(jié)非常有用。

圖1基于CRU架構(gòu)的間接熱泵系統(tǒng)架構(gòu)，用于BEV的電池和客艙熱調(diào)節(jié)

如前所述，間接系統(tǒng)得益于制冷劑充注量非常低的緊湊型制冷單元(CRU)，而冷卻液循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)整輛車的綜合熱管理(例如，可從動(dòng)力總成和電子設(shè)備中回收熱量)。

圖2緊湊型制冷機(jī)組(CRU)部件:板式換熱器、壓縮機(jī)和膨脹閥。組件的緊湊位置允許較短的管路長(zhǎng)度

由于效率問(wèn)題(可以通過(guò)使用R290等替代制冷劑來(lái)克服)、高度復(fù)雜性(與冷卻液閥控制優(yōu)化相關(guān))和額外成本(HVAC的重新設(shè)計(jì)需要采用空氣冷卻器而不是標(biāo)準(zhǔn)的蒸發(fā)器)，目前市場(chǎng)上的任何乘用車都沒(méi)有采用這種架構(gòu)。然而，正如OPTEMUS[13,15]和UTEMPRA[16]公共資助項(xiàng)目分別在歐盟和美國(guó)所證明的那樣，汽車供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商都在研究這一主題。

直接熱泵

直接熱泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從兩個(gè)散熱器在兩個(gè)方向上來(lái)移動(dòng)熱能。這使得安裝在車輛上熱泵可以同時(shí)提供加熱和冷卻功能，實(shí)際上主要在兩種不同的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。

在“空氣對(duì)空氣”(ATA)架構(gòu)中，制冷劑循環(huán)作為標(biāo)準(zhǔn)的A/C系統(tǒng)工作，HVAC模塊經(jīng)過(guò)修改，集成了一個(gè)額外的冷凝器，取代了傳統(tǒng)的客艙加熱器。

在空氣到水(ATW)架構(gòu)中，制冷劑循環(huán)作為標(biāo)準(zhǔn)的A/C系統(tǒng)工作，HVAC模塊沒(méi)有修改，因此可以使用傳統(tǒng)的客艙加熱器，這得益于在制冷劑回路中集成了水冷冷凝器。

這兩種架構(gòu)目前都在市場(chǎng)上現(xiàn)有的電動(dòng)汽車上實(shí)現(xiàn)了；在下面的段落中，將對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

空對(duì)空(ATA)采用ATA結(jié)構(gòu)的熱泵系統(tǒng)布局如圖3所示。

空調(diào)制冷劑回路(圖3中綠色回路)由以下組件組成：

EVP：安裝在HVAC模塊內(nèi)的HEX(制冷劑/空氣熱交換器)

CHILLER：制冷劑/冷卻液HEX冷卻電池冷卻液回路時(shí)需要;

ACOND：制冷劑/空氣HEX安裝在HVAC模塊中，它在需要時(shí)將熱量傳遞到客艙;

OHX：制冷劑/空氣外部熱交換器，設(shè)計(jì)用于冷凝器或蒸發(fā)器;

EXV：電子膨脹閥;

SOV：帶有開(kāi)/關(guān)控制的截止閥;

E-CMP：電動(dòng)壓縮機(jī)。

冷卻液回路(圖3中的藍(lán)色和紫色)由以下組件組成:

LT:低溫散熱器，冷卻液/空氣HEX;

圖3 用于純電動(dòng)汽車應(yīng)用的ATA熱泵架構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的HVAC模塊進(jìn)行了修改，引入了內(nèi)冷凝器(ACOND)。通過(guò)專用的截止閥(SOV)和膨脹閥(EXV)控制，可以激活A(yù)/C或者熱泵功能

表4夏季(A/C)和冬季(熱泵)條件下的ATA閥布置

HV HTR：專用于電池加熱功能的高壓的冷卻液加熱器;

專用于電池和PWT回路的冷卻液泵;

冷卻液閥：三通閥(V1和V2)，用于開(kāi)啟或關(guān)閉連接電池回路到LT的冷卻液路徑。

在“夏季炎熱的條件下”，HP系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)的A/C系統(tǒng)工作；低溫通過(guò)EVP傳遞到客艙，通過(guò)冷卻器傳遞到電池，OHX作為冷凝器工作，ACOND沒(méi)有影響(但不能被避開(kāi))。在“冬季寒冷條件”下，熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其真正的目的：熱量通過(guò)ACOND傳遞到客艙，OHX作為蒸發(fā)器從外部環(huán)境中回收熱量。最后，在這種情況下，如果最終需要額外或更快的加熱熱量，激活為客艙的HV PTC和為電池的HV冷卻液HTR以實(shí)現(xiàn)這一目的。

表4總結(jié)了上述兩種情況下的EXV和SOV閥布置

這種架構(gòu)還可以在需要同時(shí)加熱客艙和冷卻電池時(shí)(例如在快速充電操作期間)從汽車電池中回收廢熱。在這種情況下，熱量從電池中流失。通過(guò)冷卻器，由于ACOND而被排除在客艙內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這種配置，OHX的EXV關(guān)閉，SOV1打開(kāi)。

空氣-水(ATW)采用ATW配置的熱泵系統(tǒng)布局如圖4所示。

空調(diào)制冷劑回路(圖4中綠色回路)由以下組件組成：

EVP：安裝在HVAC模塊中的制冷劑/空氣HEX

CHILLER：制冷劑/冷卻液HEX當(dāng)需要時(shí)冷卻電池冷卻液回路；

WCOND：制冷劑/冷卻液HEX，在需要時(shí)將熱量傳遞到機(jī)艙；

OHX：制冷劑/空氣HEX，設(shè)計(jì)用于冷凝器或蒸發(fā)器；

EXV：電子膨脹閥；

SOV：帶有開(kāi)/關(guān)控制的截止閥；

E-CMP：電動(dòng)壓縮機(jī)。

圖4純電動(dòng)汽車應(yīng)用的ATW熱泵架構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)HVAC模塊保持不變，但引入了一個(gè)額外的板式熱交換器(WCOND)。通過(guò)專用的截止閥(SOV)和膨脹閥EXV的控制，可以激活空調(diào)。

冷卻液回路(圖4中的藍(lán)色和紫色)由以下組件組成:

LT：低溫散熱器，冷卻液/空氣HEX;

HV HTR：用于電池和客艙加熱的高壓的冷卻液加熱器；

專用于客艙，電池和PWT回路的冷卻液泵

冷卻液閥：兩個(gè)三通閥和一個(gè)四通閥，以啟用或禁用冷卻液路徑，連接客艙和電池回路，或PWT和電池回路到LT散熱器。

在“夏季或炎熱的條件下”，HP系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)的A/C系統(tǒng)工作；低溫通過(guò)EVP傳遞到客艙，通過(guò)冷卻器傳遞到電池，OHX作為冷凝器工作，WCOND沒(méi)有影響(它沒(méi)有被避開(kāi)通過(guò)制冷劑)。在“冬季寒冷條件”下，熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了它的真正目的：熱量通過(guò)冷媒通過(guò)WCOND傳遞給冷卻液，并通過(guò)CBN HTR釋放到客艙。在這種情況下，如果最終需要額外或更快的加熱功率，為客艙的高壓PTC和為電池的高壓冷卻液HTR將被激活以達(dá)到目標(biāo)。最后，在這種情況下，OHX作為蒸發(fā)器從外部環(huán)境中回收熱量。上述兩種情況下的EXV和SOV閥布置如表4所示，而冷卻液閥(V1, V2和V3) 布置如表5和表6所示。

作為ATA，當(dāng)同時(shí)需要客艙加熱和電池冷卻時(shí)(例如在快速充電操作期間)，該架構(gòu)還可以從汽車電池中回收廢熱。在這種情況下，從電池中釋放的熱量，通過(guò)冷卻器，在客艙中被排出，這要?dú)w功于WCOND，然后是CBN HTR。為了實(shí)現(xiàn)這種配置，OHX的EXV關(guān)閉，SOV1打開(kāi)，客艙冷卻液回路上的三通閥朝向連接到電池的管路關(guān)閉。

在ATA配置方面，ATW架構(gòu)還可以通過(guò)冷卻液回路從電動(dòng)機(jī)中回收廢熱。在這種情況下，車輛前面的主動(dòng)格柵百葉窗是關(guān)閉的，因此通常通過(guò)LT散熱器排出的熱量可以用來(lái)加熱電池。為了實(shí)現(xiàn)這種配置，PWT冷卻液回路上的三通閥只對(duì)連接到電池的管路打開(kāi)，而四通閥只對(duì)連接到PWT的管路打開(kāi)。

表5 ATW冷卻劑閥布置

表6混合工況下ATW冷卻液閥布置

虛擬性能比較

利用商用仿真軟件SW（AMESim17.0）實(shí)現(xiàn)了ATA和ATW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。以便比較這些HP解決方案的性能，考慮到前面段落中討論的不同功能目標(biāo)。特別是，根據(jù)以下系統(tǒng)和HP COP的定義，通過(guò)能量分析進(jìn)行了性能比較，該分析考慮了所有電氣部件的能耗和與不同用戶交換的熱能貢獻(xiàn):

用戶使用的客艙調(diào)節(jié)和電池調(diào)節(jié)的能量不同：

客艙調(diào)節(jié)-暖通空調(diào)入口和客艙入口之間空氣焓變的時(shí)間積分。

電池調(diào)節(jié)——電池內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量的變化

通過(guò)這一分析，考慮到表7所述的邊界條件，并以D級(jí)電動(dòng)汽車為例，對(duì)HP系統(tǒng)的效率進(jìn)行了評(píng)估。

在下面的段落中討論了模擬的結(jié)果；討論了不同電氣部件的相對(duì)貢獻(xiàn)(圖13-16-18-20-23)；這些貢獻(xiàn)可以隨著系統(tǒng)控制策略的變化而變化。

表7模擬邊界條件

(1)測(cè)量溫度@艙室入口(HVAC出口)

(2)冷卻液溫度@冷水機(jī)出口，電池加熱目標(biāo)除外，其中參考是電池溫度

圖5熱泵仿真模型在AMESim中的布局圖。HP的每個(gè)組件都被建模為一個(gè)稱為超級(jí)組件的塊。依據(jù)詳細(xì)的組件數(shù)據(jù)表校準(zhǔn)每個(gè)塊。

艙室冷卻

在客艙冷卻模式下，HP ATA架構(gòu)的性能略好于ATW (ΔE~-3%，見(jiàn)圖6):在EVP出口相同的空氣溫度下，由于ACond換熱器相對(duì)于Wcond換熱器產(chǎn)生更低的制冷劑壓差，能耗降低，系統(tǒng)和HP COP均增加。

圖6客艙冷卻 在COP和能耗方面，ATA架構(gòu)的性能略好于ATW

電池冷卻(快速充電)

電池冷卻的最惡劣的情況發(fā)生在電池快速充電期間。采用了一個(gè)特定的當(dāng)前配置文件。來(lái)模擬如圖7所示的這種情況，并在電池仿真模型中實(shí)現(xiàn)，考慮充電率從電池的SOC=0%時(shí)的1.6 C下降到SOC增加到80%時(shí)的0.72 C。

在模擬過(guò)程中，直到電池釋放出的熱量高于冷水機(jī)的冷卻功率，HP不會(huì)對(duì)電池進(jìn)行降溫，而是限制其升溫。然后，當(dāng)冷水機(jī)的冷卻潛力超過(guò)電池的熱釋放(達(dá)到一定的SOC值)時(shí)，電池開(kāi)始冷卻(圖8)。

During the simulation, until the battery thermal release is higher than the chiller cooling power, the HP does not cool down the battery, but limits its temperature increase. Then, when the chiller cooling potential overcomes the battery heat losses (up to a certain SOC value), battery starts to cool down (Figure 8).此處有原文，怕理解錯(cuò)誤。

在這種情況下，在相同的電池充電速度下，HP ATA架構(gòu)的能源成本略低于ATW (ΔΕ ~-3%)。

電芯平均溫度和冷卻液溫度變化如圖9所示：可以看出ATA和ATW的溫度特性沒(méi)有差異。

圖7純電動(dòng)汽車電池快速充電時(shí)的電流曲線示例

圖8純電動(dòng)汽車電池快速充電時(shí)的電池?zé)後尫藕屠渌畽C(jī)冷卻功率變化

圖9模擬電池快速充電過(guò)程中電池和冷卻液溫度的變化。ATW和ATW在冷卻液和電池溫度行為方面沒(méi)有差異

客艙和電池冷卻

在客艙和電池冷卻配置中，HP ATA架構(gòu)的性能略好于ATW (ΔE~-4%，見(jiàn)圖11)。在相同的客艙和電池性能下，ATA證實(shí)是最節(jié)能的解決方案，如圖10所示。

客艙加熱

在客艙加熱配置中，HP ATA架構(gòu)比ATW能耗更低，如圖11所示。

隨著環(huán)境溫度的升高，可以觀察到以下變化:

HV-HTR能耗在環(huán)境溫度為0℃時(shí)為零;

HV-PTC能耗降低;

E-CMP相對(duì)能耗增加：絕對(duì)貢獻(xiàn)在5℃前增大后減小，因?yàn)樵诃h(huán)境溫度T＞5℃時(shí)，HV PTC處于OFF狀態(tài)。

圖10機(jī)艙和電池冷卻 在COP和能耗方面，ATA架構(gòu)的性能略好于ATW

圖11客艙供暖ATA與ATW的比較表明，ATA在總能源方面的消耗能源成本更低。圖中還報(bào)告了每個(gè)部件對(duì)總能源消耗的貢獻(xiàn)百分比

排氣溫度達(dá)到目標(biāo)，E-CMP開(kāi)始調(diào)節(jié)吸收較少的能量。

在環(huán)境溫度T＞0℃時(shí)E-CMP的能量吸收克服了電加熱器的能量消耗。

風(fēng)扇和鼓風(fēng)機(jī)的能量貢獻(xiàn)在絕對(duì)條件下不會(huì)改變，因?yàn)樗鼈冊(cè)谧畲蠊β氏鹿ぷ鳌?/p>

此外，由于缺乏冷卻液回路，在HP ATA架構(gòu)中，由于ATW額外的中間CBN HTR熱交換效率，客艙加熱速度比ATW快(圖12)。

最后，考慮圖13中HP系統(tǒng)COP的變化，隨著環(huán)境溫度的升高：由于客艙供暖需求降低，系統(tǒng)COP增加。

圖12客艙供暖。座艙排氣口的空氣溫度曲線變化表明，采用ATA結(jié)構(gòu)可以達(dá)到更快、更高的車內(nèi)空氣溫度

圖13客艙供暖。隨著環(huán)境溫度的升高，客艙的加熱需求降低，這兩個(gè)系統(tǒng)的范圍都會(huì)增加。不同環(huán)境溫度下ATA架構(gòu)COP演化值略高于ATW

ATA系統(tǒng)的COP高于ATW，因此ATA確認(rèn)更節(jié)能。

兩個(gè)架構(gòu)之間的COP差異越來(lái)越大。

電池加熱

在電池加熱配置中，熱管理系統(tǒng)的控制策略的目標(biāo)是在整個(gè)模擬過(guò)程中達(dá)到并保持冷卻液與電池之間的最大溫差。這種控制的目的是避免溫差過(guò)高的可能性，因?yàn)闇夭钸^(guò)高可能導(dǎo)致電池因熱應(yīng)力現(xiàn)象和/或熱膨脹而過(guò)早老化。

在這種情況下，HP ATW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很大程度上比ATA架構(gòu)的能耗要低(圖14)。事實(shí)上，在ATW架構(gòu)中，HP的作用降低了HV HTR的活化；HV HTR和HP最初以最大功率工作，以盡快達(dá)到電芯與電池之間的最大ΔT，然后HV HTR開(kāi)始調(diào)節(jié)以維持ΔT。

在提出的ATA架構(gòu)中，只有冷卻液HV HTR工作來(lái)加熱電池，因此它以最大功率工作以達(dá)到電芯-電池的目標(biāo)ΔT。因此，在這種情況下，ATW與ATA之間的巨大能耗差異與HV HTR有關(guān)，要想達(dá)到相同的效果ATA中的HV HTR比ATW中的HV HTR運(yùn)行更多，吸收更多的電力而釋放更少的熱能(效率

隨著環(huán)境溫度的升高:

兩種架構(gòu)的總電量吸收都減小;

在ATW中，由于積分時(shí)間較短，CMP和HV HTR的絕對(duì)貢獻(xiàn)減小，而CMP的相對(duì)貢獻(xiàn)增大，HV HTR的貢獻(xiàn)減小。

圖14電池加熱。ATA和ATW的比較表明，ATW在總能耗方面的能源成本更低。在這個(gè)圖中還報(bào)告了各個(gè)部件對(duì)總能源消耗的貢獻(xiàn)百分比。

圖15電池加熱。模擬過(guò)程中電池的平均溫度變化表明，ATW架構(gòu)下的電池加熱速度要快于ATA架構(gòu)。

另一個(gè)有趣的結(jié)果是，在ATW中達(dá)到電芯-電池的最大ΔT比在ATA中更快(圖15)。事實(shí)上，在最大功率下HP和HV HTR的同時(shí)作用比HV HTR在最大功率下的作用只在ATA的情況下保證了更多的熱能給冷卻液。因此，ATW中的電池加熱速度比ATA中的電池加熱速度快。

客艙和電池加熱

在客艙和電池加熱模式下，在環(huán)境溫度高達(dá)5℃時(shí)ATW的性能略好于ATA。

在Tamb=10°C時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)的操作都切換到客艙加熱模式，因此ATA比ATW更有效。

圖16客艙和電池加熱。ATW和ATW的比較表明，ATW在環(huán)境溫度5℃以內(nèi)的總能耗更低，圖中還報(bào)告了每個(gè)部件對(duì)總能源消耗的貢獻(xiàn)百分比。

在相同的出風(fēng)口溫度下，隨著環(huán)境溫度的升高

總電能消耗降低

HV HTR的絕對(duì)貢獻(xiàn)在0℃前是恒定的(它總是在最大功率下工作，增加了它的相對(duì)貢獻(xiàn))，然后減小(它在調(diào)節(jié)狀態(tài)下工作)，最后在Tamb=10℃時(shí)為零。

HV PTC貢獻(xiàn)減小

E-CMP貢獻(xiàn)增加

在ATW架構(gòu)中，用于在Tamb - 0℃預(yù)熱冷卻液的額外的HV HTR消耗。

此外，隨著環(huán)境溫度的升高(圖17):

由于降低的供熱需求系統(tǒng)COP增加;

在Tamb=5℃范圍內(nèi)，ATA系統(tǒng)的COP低于ATW；那么在Tamb=10℃時(shí)，ATA比ATW更有效，因?yàn)椴恍枰姵丶訜幔覂煞N架構(gòu)都只在客艙加熱模式下工作。

只有當(dāng)需要電池加熱時(shí)，ATW才比ATA架構(gòu)更有效。

COP值還包括位于以下的熱交換效率:

加熱流體和電池板(對(duì)流傳熱)

電板和電芯(傳導(dǎo)傳熱)

由于這個(gè)原因，效率值低于僅限于加熱流體的分析的預(yù)期值。

圖17客艙和電池加熱。在不同環(huán)境溫度下的系統(tǒng)COP變化表明，只有在需要電池加熱時(shí)，ATW才比ATA更有效。作為對(duì)比，圖中給出了不含HP的標(biāo)準(zhǔn)熱管理系統(tǒng)的COP。

座艙除濕

在客艙除濕模式下，HP ATA架構(gòu)比ATW能耗更低，因?yàn)樵谶@種情況下，沒(méi)有冷卻液泵運(yùn)行，客艙內(nèi)的空氣直接由ACond加熱，而沒(méi)有額外的低效率的冷卻液CBN HTR。

因此，在這種情況下，HP系統(tǒng)對(duì)ATA架構(gòu)更有效。在出風(fēng)口相同的約為50℃的溫度時(shí)，隨著環(huán)境溫度的降低:

每種配置的EL能量消耗都降低了。

E-CMP貢獻(xiàn)減少(CMP在條例中)

圖18客艙除濕。ATA與ATW的對(duì)比表明，ATW在總能源消耗方面的能源成本更低，在圖中還報(bào)告了每個(gè)部件對(duì)總能源消耗的百分比貢獻(xiàn)。

圖19客艙除濕?？团摮鲲L(fēng)口的空氣溫度曲線變化表明，ATA架構(gòu)可以達(dá)到更快、更高的車內(nèi)空氣溫度。

由于客艙供暖需求降低，PTC絕對(duì)貢獻(xiàn)減少。

電子扇和空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)的貢獻(xiàn)在絕對(duì)值上保持不變，但由于最大功率運(yùn)行而增加百分比。

ATA中缺少冷卻液回路的積極作用是更快地達(dá)到排氣溫度目標(biāo)(圖19)；隨著環(huán)境溫度的升高，升溫速度增大。

來(lái)自電池的WHR客艙加熱

在利用電池余熱回收實(shí)現(xiàn)的客艙加熱模式中，由于沒(méi)有中間冷卻劑回路，ATA架構(gòu)比ATW更快地加熱客艙(圖20)。

圖20帶WHR的客艙加熱。機(jī)艙通風(fēng)口空氣溫度曲線變化表明在駕駛室內(nèi)ATA架構(gòu)可以達(dá)到更快，更高的空氣溫度

圖21帶WHR的客艙加熱。ATA和ATW的比較表明，ATA在總能源消耗方面的能源成本略低。圖中還報(bào)告了每個(gè)部件對(duì)總能源消耗的貢獻(xiàn)百分比。

在Tamb=10℃，客艙通風(fēng)口溫度相同的情況下，ATA的電能吸收比ATW的要少；相比ATW配置，E-CMP由于制冷劑壓力更高而吸收更多的能量，但在ATA熱泵系統(tǒng)中高壓PTC對(duì)空氣加熱的能量貢獻(xiàn)要低得多。

系統(tǒng)的復(fù)雜性

可以影響HP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他重要驅(qū)動(dòng)因素，在總布置研究和系統(tǒng)控制參數(shù)定義階段通常必須面對(duì)的復(fù)雜性有關(guān)。

車載系統(tǒng)集成

車載熱泵系統(tǒng)集成的復(fù)雜性與以下不同方面有關(guān):

部件數(shù)量：ATW架構(gòu)比ATA架構(gòu)需要更多的閥和冷卻液管路連接;

HVAC模塊修改:由于用ACOND取代了標(biāo)準(zhǔn)的CBN HTR，因此相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)ATA架構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)并對(duì)HVAC模塊進(jìn)行新的驗(yàn)證;

傳感器和執(zhí)行器:大量的傳感器和電動(dòng)執(zhí)行器，如泵和閥，增加了電的復(fù)雜性。

所有這些方面通常不僅會(huì)導(dǎo)致更高的復(fù)雜性，還會(huì)導(dǎo)致更高的系統(tǒng)成本。

控制定義和校準(zhǔn)

在高壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制參數(shù)的定義和校準(zhǔn)是非常重要的，因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)的整體效益有很大的影響。

圖22在艙室和電池加熱時(shí)電加熱器的激活

這方面的一個(gè)很好的例子是在客艙和電池加熱功能期間定義電加熱器和HP壓縮機(jī)之間的激活優(yōu)先級(jí)(圖22)。在這種情況下，為了最大限度地減少電加熱器(HV HTR和HV PTC)的使用，仿真模型中采用了基于以下參數(shù)的控制策略:

作為冷卻液和電池單元之間ΔT函數(shù)的控制HV HTR功率。當(dāng)啟動(dòng)電池加熱功能時(shí)，HV HTR以最大功率運(yùn)行，盡可能快地達(dá)到最大ΔT，然后開(kāi)始調(diào)節(jié)功率。僅對(duì)于ATW架構(gòu)，當(dāng)電池加熱與客艙加熱耦合時(shí)，HV HTR對(duì)客艙加熱的貢獻(xiàn)降低了高壓PTC的貢獻(xiàn)。此外，在環(huán)境溫度低于0℃的所有加熱功能中，HV HTR最初設(shè)置為最大功率，以便在熱泵的E-CMP開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前將冷卻液加熱到0℃。

隨客艙入口空氣溫度的變化控制高壓PTC功率;

受控E-CMP轉(zhuǎn)速隨變量的變化如表8所示:

表8壓縮機(jī)目標(biāo)參數(shù)。

對(duì)于混合功能，目標(biāo)變量取決于用戶(座艙或電池)的優(yōu)先級(jí)。此外:

根據(jù)所需的冷卻液流量來(lái)控制的水泵

假定電子扇和空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)以最大功率運(yùn)行。

根據(jù)表5和表6中規(guī)定的操作模式的功能，冷卻液閥應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?/p>

制冷劑EXV控制并保證正確的HP操作(過(guò)熱/過(guò)冷校準(zhǔn))。

成本分析

在前面的段落中，根據(jù)性能和布局復(fù)雜性對(duì)不同的熱泵架構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估。系統(tǒng)成本是車輛的解決方案選擇時(shí)必須考慮的最重要的方面之一。

為了對(duì)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)解決方案的總體成本偏差有一個(gè)敏感性，我們對(duì)HP架構(gòu)中涉及的所有組件的成本進(jìn)行了評(píng)估。參考系統(tǒng)的加熱功能是由為機(jī)艙加熱的空氣PTC加熱器和為電池加熱的高壓冷卻液加熱器提供的。電池總是通過(guò)與機(jī)艙蒸發(fā)器并聯(lián)的a /C系統(tǒng)連接的冷水機(jī)和專用膨脹閥進(jìn)行水冷卻。

為了給出子系統(tǒng)成本偏差的指示，以及突出ATW和ATA解決方案之間的差異，對(duì)組件進(jìn)行了分組。分析結(jié)果如表9所示:

由于管路的復(fù)雜性增加以及實(shí)現(xiàn)熱泵功能所需的額外閥門，對(duì)于ATW和ATA來(lái)說(shuō)，制冷劑回路都更昂貴。ATW需要一個(gè)水冷凝器；因此，ATA制冷劑回路可能比ATW稍微便宜一些。

HVAC模塊未發(fā)現(xiàn)明顯偏差。本質(zhì)上，ATW解決方案使用了一個(gè)保留的組件，這要?dú)w功于水冷凝器(Wcond)，而ATA解決方案需要一個(gè)內(nèi)冷凝器(Acond)來(lái)取代標(biāo)準(zhǔn)的艙內(nèi)加熱器。盡管直接成本相似，但考慮到投資成本，變動(dòng)成本可能會(huì)有所不同：ATA HVAC模塊所需的艙室加熱器更換需要重新驗(yàn)證，這意味著更高的投資成本。

ECU和傳感器本質(zhì)上是新組件，不包括在只需要制冷劑高壓傳感器的標(biāo)準(zhǔn)解決方案中。

表9 熱泵系統(tǒng)成本敏感性

然而，與相對(duì)于其他組件的低得多的絕對(duì)成本有顯著的偏差。

由于熱泵功能，高壓冷卻液加熱器相對(duì)于參考方案可以縮小;因此，元件成本可以降低。

在ATW解決方案中，由于需要額外的管路和閥門將水冷凝器連接到機(jī)艙和電池，冷卻液回路的成本要高得多。

由于使用了熱泵功能，制冷劑充注量增加，需要更大的儲(chǔ)液罐和額外的管路。ATW與ATA在氣體充注量方面并無(wú)顯著差異。

最后，ATA 熱泵架構(gòu)的總體直接成本偏差較低，但必須強(qiáng)調(diào)的是，必須考慮對(duì)投資成本的進(jìn)一步評(píng)估，以便找出兩個(gè)解決方案之間的真正差距，并與沒(méi)有HP的參考解決方案進(jìn)行比較?？纯醋罱K的系統(tǒng)成本，無(wú)論如何，有趣的是，考慮到可實(shí)現(xiàn)的利益的權(quán)衡熱泵并不是一個(gè)昂貴的解決方案。這一結(jié)果在全年中寒冷或中等環(huán)境條件的銷售市場(chǎng)時(shí)更為重要。

審核編輯：黃飛

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