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新能源电动汽车低温热泵型空调系统研究

时间:2020年12月29日 分类:经济论文 次数:

[摘要]为提高电动汽车的能源经济性,减少低温制热性能衰减问题,提出并分析对比了3种用于低温环境的热泵空调系统解决方案:(1)余热回收利用:回收利用电池、电机和电控系统的余热,提高热泵空调系统性能的同时,优化整车的能量消耗。(2)蒸汽喷射热泵空调系统:

  [摘要]为提高电动汽车的能源经济性,减少低温制热性能衰减问题,提出并分析对比了3种用于低温环境的热泵空调系统解决方案:(1)余热回收利用:回收利用电池、电机和电控系统的余热,提高热泵空调系统性能的同时,优化整车的能量消耗。(2)蒸汽喷射热泵空调系统:对R1234yf制冷剂的蒸汽喷射热泵空调系统进行了试验研究。结果表明,开蒸汽喷射比不开蒸汽喷射时的热泵系统的制热COP约高10%~30%,环境温度越低,制热COP改善越明显。(3)CO2制冷剂热泵空调系统:研究显示由于CO2制冷剂的特性,热泵系统可在环境温度-20℃稳定有效地采暖。得出的结论是,目前利用蒸汽喷射热泵空调系统是解决新能源电动汽车低温采暖的有效手段,而在未来,使用自然制冷剂CO2是必然趋势。

  关键词:电动汽车;低温热泵;R1234yf;余热回收;蒸汽喷射;CO2

新能源汽车

  前言随着大气污染日益加重和电动化技术快速发展,新能源汽车取代传统燃油汽车已是大势所趋。在国内,大部分量产新能源电动汽车冬季仍采用高耗能电加热器供暖技术,严重影响汽车的经济性和续航里程。在低温-10℃时,采用电加热器(positivetemperaturecoefficient,PTC)采暖能使电动汽车的续航里程下降50%以上,而利用热泵空调系统采暖可以使续航里程改善35%以上[1]。因此,采用热泵空调系统采暖可以有效提高电动汽车采暖的高能效比,有效延长续航里程,是重要的降低电动汽车能耗的技术手段。

  新能源论文范例:基于数据驱动方式的电动汽车充电需求预测模型

  国内外已量产搭载热泵空调系统的新能源电动汽车中,目前几乎所有都使用传统制冷剂R134a。并且,在这些量产车型中有一半以上限制了热泵空调系统工作的环境温度不能低于-10℃,这是制冷剂物性和系统架构原因所导致的限制。在冬季更加寒冷的北方地区,单使用热泵空调系统不能满足采暖的需求并会影响乘员的热舒适性。提高热泵空调系统在冬季采暖的能效,减少因开启热泵空调系统导致电动汽车续航里程的下降,是目前推广新能源电动汽车广泛应用需要解决的关键技术问题之一。

  为解决热泵空调系统在低温环境下有效采暖并提高乘员舱的热舒适性,本文中对热泵空调系统的利用提出了3种解决方案并进行了分析。一是回收电池与电驱的余热;二是蒸汽喷射热泵空调系统;三是利用CO2制冷剂的热泵空调系统。各方案都有其各自的特点和使用限制,应根据实际情况逐步过渡采用不同方式推广热泵空调系统应用,提升关键技术的同时,提高电动汽车的续航里程。

  1我国关于电动汽车的相关政策与评价标准和分析

  1.1相关政策与评价标准

  国家的相关扶持政策是新能源汽车产业化进程的直接助推器。为应对气候变化、推动绿色发展的战略举措,2012年国务院发布实施《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,将纯电动汽车确定为新能源汽车发展和汽车产业转型的重要战略路线,新能源汽车产业发展取得了举世瞩目的成就,成为引领世界汽车产业转型的重要力量。

  2019年我国汽车销量2576.9万辆,其中新能源汽车销量120.6万辆,渗透率为4.7%。为推动新能源汽车产业高质量发展,加快建设汽车强国,工信部于2019年12月发布了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》征求意见稿,意见稿明确到2025年,新能源汽车新车销量占比达25%左右。因此,需进一步强化部门协同,完善支持政策,积极稳定和扩大新能源汽车消费,坚定不移地推动产业持续健康发展。制定新能源电动汽车的国家标准对于规范生产、提高质量和增强消费者信息至关重要,是新能源电动汽车推广应用的基础。包括在2020年5月最新发布的关于电动汽车安全要求的标准。

  1.2EV-TEST(电动汽车测评)为引导我国汽车企业生产节能环保的新能源纯电动汽车,并方便消费者挑选合适的电动汽车,中国汽车技术研究中心结合电动汽车标准与技术,在2017版的基础上发布了2019版《EV-TEST(电动汽车测评)管理规则》[2]。

  从EV-TEST指标体系中可以看出续航与电耗在各测评项目中的权重占比较大,以常规车为例占总指标的30%。其中高低温续航里程合计权重占比11%。电动汽车在高低温行驶过程中,由于电池衰减和电池热管理,加上制冷与采暖功能的利用,使电动汽车的续航里程有所下降。因此,在高低温环境时,对乘员舱采暖、制冷以及对电池进行温度管理的电量消耗对电动汽车的续航与电耗评价的高低尤为重要,在评价体系中作为重要指标进行考核。

  以高温/低温续驶里程相对常温续驶里程下降率为评分依据。其中,制冷与采暖性能,根据规定也计入评分,最高扣除20分。在高温情况下,空调开启制冷功能对乘员舱进行降温的同时,需要根据电池的温度对电池进行有效散热保证乘车安全。目前国内大部分配有空调系统的电动汽车都利用空调系统对电池进行间接冷却 的方法有效散热。因此,空调系统的效率在很大程度上决定了电动汽车在高温续航里程的下降率,是评价电动汽车能耗的重要系统。在低温情况下,续航里程下降率的评分要求比高温情况低。

  一是因为电池容量在低温环境下会严重衰减,二是因为乘员舱采暖需要消耗电能。目前,量产电动汽车在低温环境下对乘员舱采暖的同时都会对电池进行加热,利用PTC电加热器或热泵系统加热的方式。利用PTC加热的效率较低,制热能效系数(coefficientofperformance,COP)一般约为0.9,使电动汽车续航里程下降率较大。而利用热泵空调系统在低温环境下制热COP一般大于1.5,节能效果明显优于PTC,可有效减少电动汽车续航里程的下降率。因此,根据评分规则,平衡电动汽车续航里程下降率与达到乘员舱的目标温度的时间,利用热泵空调系统与PTC电加热器相结合,有效控制优化PTC开启时间,对提升电动汽车的性能非常重要。

  2制冷剂R1234yf热泵空调系统性能试验研究

  温室效应使地球表面的温度上升,引起全球性气候反常,氟利昂等制冷剂的使用对此有着重要的影响。而汽车空调系统一直是泄漏到大气中制冷剂的主要来源之一。目前汽车空调研究主要集中在以R134a、R1234yf和R744(CO2)为制冷剂的空调系统。R134a是全世界的汽车空调供应商采用的主要制冷剂,其全球变暖潜质GWP高达1420,在欧盟地区已严禁使用,随着《蒙特利尔议定书》基加利修正案的签订和生效,R134a在我国也将被逐步淘汰。R1234yf作为替代制冷剂之一,其GWP为4,物性与R134a相近,在汽车空调上只需对零部件与系统进行适当优化便可直接替代R134a使用。通过理论与试验研究对制冷剂R1234yf与R134a热泵系统性能进行了对比分析[3-5]。

  结果表明,R1234yf热泵系统的制热COP和制热量比R134a系统低10%以内。本文中利用直接式热泵空调系统通过试验对制冷剂R134a与R1234yf的台架性能进行了对比分析。压缩机出口的高温高压气体经过室内冷凝器与空气换热后经过电子膨胀阀节流,在室外换热器中吸热后进入气液分离器后回到压缩机。电池温度管理通过热泵系统冷却和PTC加热进行。试验主要考察了电动汽车在低温冷起动时和在部分新风负荷工况时的热泵系统性能。试验结果表明,在相同试验条件和设备的情况下,制冷剂R1234yf的制热量比R134a低约5%左右,而制冷剂R1234yf的制热COP比R134a低约10%左右。

  3电动汽车低温热泵空调系统方案

  3.1余热回收

  利用汽车行驶过程中电池、电机和发热元件产生的热量,可以将热泵空调系统通过优化控制策略与精确的控制实现不同零部件之间热量的转移。在低温冷起动时,乘员舱中对热负荷的需求较大,而电动汽车的驱动系统和电池在达到一定温度时有散热需求。利用回收电驱动系统和电池回路的余热,提高热泵空调系统能效的同时,优化整车的能量消耗。在冬季,纯电驱动模式中可回收电驱系统和电池回路的余热作为热泵空调系统的热源。可以看出,将1.7kW的电机驱动余热作为热泵空调系统的低温热源,电动压缩机和风扇电机等消耗2.5kW的能量,可给乘员舱提供3.4kW的热量。但是随着环境温度的降低,电机与电池的发热量将会减少,余热回收的能量有限。

  4结论

  纯电动汽车在低温环境下续航里程的减少是影响其发展的主要因素之一。本文中分析了3种用于纯电动汽车低温环境热泵空调系统的解决方案。(1)利用余热回收方式需优化整车能量消耗,热管理系统复杂,集成度较高,且由于随环境温度降低回收热量有限,仅可作为辅助加热手段。

  (2)利用传统制冷剂R134a蒸汽喷射系统可作为低温热泵系统的解决方案之一。新型制冷剂R1234yf的蒸汽喷射系统的制热效果提升较明显,亦可作为制冷剂替代的过渡阶段。(3)自然制冷剂CO2热泵空调系统,不仅是环保制冷剂,由于其在低温环境下制热的能力较高且稳定,是未来纯电动汽车低温热泵空调系统的最佳解决方案。

  参考文献

  [1]MEYERJJ,LUSTBADERJ,AGATHOCLEOUSN,etal.Rangeextensionopportunitieswhileheatingabatteryelectricvehicle[C].SAEPaper2018-01-0066.

  [2]中国汽车技术研究中心.EV-TEST(电动汽车测评)管理规则[S].2019.ChinaAutomotiveTechnologyResearchCenter.EV-TESTmanagementrules[S].2019.

  作者:汪琳琳1,2,焦鹏飞2,王伟2,伊虎城2,牟连嵩2,刘双喜2,许翔3

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